湖泊生態(tài)狀況分析與評(píng)估

精品文檔-下載后可編輯湖泊生態(tài)狀況分析與評(píng)估湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、多層次的系統(tǒng),其功能包括防洪、灌溉、航運(yùn)、旅游、景觀、給水和水產(chǎn)品生產(chǎn)等。在湖泊中放養(yǎng)魚(yú)類會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生各種營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)或下行效應(yīng)影響。作為新一代水生態(tài)系統(tǒng)分析管理工具,生態(tài)模型在評(píng)價(jià)漁業(yè)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響及如何提高對(duì)湖泊的管理水平方面發(fā)揮重要作用。主要用于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析[13]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的生態(tài)通道模型,整合了當(dāng)今生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論[4],經(jīng)過(guò)約30年的發(fā)展而逐漸趨于完善,現(xiàn)已經(jīng)逐步成為水域生態(tài)系統(tǒng)有效的管理工具,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[3,5]。在中國(guó)湖泊[6,7]、河口海岸[8]、人工圍隔生態(tài)系統(tǒng)[9]、海洋[10]、養(yǎng)殖水域[11]等不同水域生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)研究中,均有該模型的應(yīng)用。但該模型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段,還有很大的發(fā)展空間,在探討生態(tài)學(xué)問(wèn)題和管理生態(tài)系統(tǒng)上具有廣闊的應(yīng)用前景。五里湖又名蠡湖,地處太湖北部,是太湖深入無(wú)錫境內(nèi)的一個(gè)淺水湖灣。20世紀(jì)5060年代,五里湖水草繁茂[1213]。自20世紀(jì)70年代末以來(lái),由于無(wú)錫市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng),大量污水未經(jīng)處理直接排入五里湖,導(dǎo)致五里湖水質(zhì)逐年下降,富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,2022年該湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果為劣Ⅴ類[14]。五里湖生態(tài)重建被列入太湖水污染防治工作重點(diǎn)之一。20222022年無(wú)錫市政府對(duì)五里湖環(huán)境進(jìn)行了綜合整治,實(shí)施的項(xiàng)目包括退漁還湖、清淤、外源性綜合整治和水生態(tài)重建[15]。在此基礎(chǔ)上,為控制藍(lán)藻水華,根據(jù)非經(jīng)典的生物操縱理論,在湖泊修復(fù)過(guò)程中實(shí)施“凈水漁業(yè)”項(xiàng)目,在五里湖中增殖放養(yǎng)濾食性的鰱、鳙、貝類、螺類等[16]。目前,對(duì)五里湖的研究主要是如何通過(guò)水生態(tài)重建改善水環(huán)境[17]和生物種群[18],但對(duì)實(shí)施凈水漁業(yè)前后生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、各功能組生物之間的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)關(guān)系、增殖放養(yǎng)濾食性生物的生態(tài)效應(yīng)還缺乏深入研究。因此,有必要進(jìn)一步研究該水域生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)狀況,及評(píng)價(jià)當(dāng)前五里湖生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育狀況。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于2022年和2022年“凈水漁業(yè)”項(xiàng)目對(duì)五里湖漁業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境的調(diào)查數(shù)據(jù),調(diào)查的15個(gè)站位如圖1所示。分別在2022年912月進(jìn)行了4次調(diào)查和2022年312月10次調(diào)查,對(duì)漁獲物進(jìn)行生物學(xué)測(cè)定和胃含物分析。在數(shù)據(jù)處理和分析中,進(jìn)行了漁業(yè)資源生物量、食物組成矩陣、生產(chǎn)量/生物量(P/B)、消耗量/生物量(Q/B)等主要參數(shù)的估算,并參考了漁業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站()等文獻(xiàn)資料,具體文獻(xiàn)見(jiàn)表1和表2,基本滿足生態(tài)能量通道模型的數(shù)據(jù)需求。

1.2研究方法

1.2.1模型構(gòu)建的基本原理

Ecopath建立的是一個(gè)靜態(tài)模型,即假設(shè)建模對(duì)象的生態(tài)系統(tǒng)中全部生物功能組是穩(wěn)定的,這表示生態(tài)系統(tǒng)的總輸入與總輸出始終相等,那么就可以用公式表示為:Q=P+R+U,這里Q是消耗量,P是生產(chǎn)量,R是呼吸量,U為未消化的食物量。Ecopath模型定義生態(tài)系統(tǒng)是由一系列生態(tài)關(guān)聯(lián)的功能組(box或group)組成,所有功能組必須覆蓋生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)全過(guò)程,這些功能組的相互聯(lián)系充分體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程。系統(tǒng)中功能組可以包括有機(jī)碎屑,浮游生物,一組魚(yú)類,規(guī)格、年齡或生態(tài)特性相同的魚(yú)種。文獻(xiàn)[1,3]對(duì)Ecopath模型的基本原理進(jìn)行了介紹。根據(jù)熱力學(xué)原理,Ecopath模型定義系統(tǒng)中每一個(gè)功能組(i)的能量輸出和輸入保持平衡:生產(chǎn)量捕食死亡其他自然死亡產(chǎn)出量=0。模型用一組聯(lián)立線性方程定義一個(gè)生態(tài)系統(tǒng),其中每一個(gè)線性方程代表系統(tǒng)中的一個(gè)功能組。該模式可以用以下兩個(gè)基本方程表示:Pi=Yi+Bi+Bi×M2i+Ei+BAi+M0i×Bi,Qi=Pi+Ri+Ui其中:()01EEiiiiPMB=;21DCnjjiijiQMB=×=∑上述方程中,Pi是功能組i的總生產(chǎn)量,Yi是總捕撈量,Bi是生物量,Ei是凈遷移,BAi是生物量積累,Ri是呼吸量,Ui是未消化的食物量,Qi是消耗量,M0i是其他死亡率,M2i是捕食死亡率,EEi是功能組i的生態(tài)營(yíng)養(yǎng)效率,指生產(chǎn)量在系統(tǒng)中利用的比例;DCji是被捕食者占捕食者i的食物組成的比例,五里湖生態(tài)系統(tǒng)模型的食物組成見(jiàn)表1

1.2.2功能組的劃分及食物組成

Ecopath模型可以定義12~50個(gè)功能組。在定義功能組的數(shù)量時(shí),需要掌握生態(tài)學(xué)和生物學(xué)資料的范圍和深度以及研究目的,考慮生態(tài)系統(tǒng)中能量從有機(jī)物經(jīng)過(guò)初級(jí)生產(chǎn)、次級(jí)生產(chǎn)到頂級(jí)捕食者流動(dòng)的每一個(gè)通道的分支。五里湖生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)通道模型由17個(gè)功能組構(gòu)成(表1)。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)際情況并為了更好地在模型中應(yīng)用,功能組的定義與分類學(xué)略有不同,但基本覆蓋了五里湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程。其中將增殖放養(yǎng)的鰱、鳙、貝類劃分為單獨(dú)的功能組;栽種的植物根據(jù)魚(yú)類捕食范圍,分別劃分為兩個(gè)功能組即沉水植物和其他維管植物;按照模型平衡的要求,將碎屑作為單獨(dú)的功能組,其余的功能組成分如下:野雜魚(yú)包括似(Toxabramisswinhonis)、(Hemirhamphusku-rumeus)、圓吻鲴(Distoechodontumirustrisnpeters)、蝦虎魚(yú)(Ctenogobiusgiurinus)、青(Oryziaslatipessinensis)、刺鰍(Mastacembelidaeaculea-tus)、棒花魚(yú)(Abbottinarivularis);草食性魚(yú)類包括草魚(yú)(Ctenopharyngodonidella)、團(tuán)頭魴(Megalobramaamblycephala);大型蝦蟹類包括青蝦(Macrobrachiumnipponensis)、秀麗白蝦(Palae-monmodestus)、中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis);軟體動(dòng)物包括河蜆(Corbiculafluminea)、中華圓田螺(Cipangopaludinacahayensis)、銅銹環(huán)棱螺(Ballamyapurificata);其他底棲動(dòng)物包括粗腹搖蚊(Pentaneuraspp.)幼蟲(chóng)、中華顫蚓(TubifexsinicusChen)、蘇式尾鰓蚓(Brachiuravariegatum)、羽搖蚊(Chironomusplumosus)幼蟲(chóng);其他維管束植物包括茭草(Zizanizlatifolia)、蘆葦(Phragmitiscommunis)、杏菜(Nymphoidespeltata)、菱(Myriophy-llumspicatum);鯽類包括鯽(Carassiusauratus)、

(Rhodeussinenisegunther)、高體

(Rhodusocellatus)、無(wú)須(A.gracilisNichols)、彩副(Paracheilognathusimberbis);其他食魚(yú)性魚(yú)類包括紅鰭原(Cultrichthyserythropterus)、黃顙魚(yú)(Pelteobagrusfulvidraco)、烏鱧(Channaargus)、鱖(S.chuatsi/S.kneri)、花(Hemibarbusmaculates)、(Elopichthysbambusa);沉水植物包括微齒眼子菜(Potamogetonmaackianus)、苦草(Vallisneriaspiralis)、馬來(lái)眼子菜(Potamogetonmalaianus)、聚草(Myriophyllumspicatum)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)。

1.2.3Ecopath模型的調(diào)試

有了準(zhǔn)確可靠的參數(shù)來(lái)源,為了達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)的輸入和輸出保持平衡,需要對(duì)Ecopath模型進(jìn)行調(diào)試。反復(fù)調(diào)整不平衡功能群的食物組成以及其他參數(shù),模型平衡滿足的基本條件:0EE≤l及P/Q0.3。在數(shù)據(jù)提交和處理過(guò)程中,可以運(yùn)用模型自帶的Ecowrite模塊記錄數(shù)據(jù)的來(lái)源及引用情況,并用Pedigree模塊來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)和模型的整體質(zhì)量,本研究2個(gè)時(shí)期的模型置信區(qū)間為±20%。

2結(jié)果與分析

2.1模型運(yùn)行結(jié)果

通過(guò)建立五里湖生態(tài)系統(tǒng)的Ecopath模型,得到2022年和2022年2個(gè)時(shí)期的輸入和輸出結(jié)果(表2和表3)。

2.2營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的能量轉(zhuǎn)換效率

2022年和2022年五里湖生態(tài)系統(tǒng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的能量轉(zhuǎn)換效率如表4所示,在兩個(gè)時(shí)期都有2條食物鏈,即牧食和碎屑食物鏈。營(yíng)養(yǎng)級(jí)ⅠⅡ的能量轉(zhuǎn)換效率2022年高于2022年,營(yíng)養(yǎng)級(jí)ⅡⅢ的轉(zhuǎn)換效率2022年高于2022年。營(yíng)養(yǎng)級(jí)ⅢⅣ及較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的轉(zhuǎn)換效率在2個(gè)時(shí)期相差不大。2022年五里湖生態(tài)系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率為4.1%,系統(tǒng)總能流有65%通過(guò)碎屑鏈傳遞;2022年五里湖生態(tài)系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率為4.9%,碎屑鏈的重要性略有降低,系統(tǒng)總能流有60%通過(guò)碎屑鏈傳遞。生態(tài)系統(tǒng)流經(jīng)碎屑的能量有所增加,總流量也由3.1%增至10.0%。

2.3生態(tài)位重疊分析

生態(tài)位是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中表述生物種間關(guān)系的重要概念之一。Ecopath模型采用Pianka[26]的方法,進(jìn)行捕食重疊(predatoroverlap)和獵物重疊(preyoverlap)指數(shù)分析。Pianka指數(shù)(Piankaindex)是判定兩個(gè)功能組對(duì)同一被捕食者的生態(tài)位重疊程度的指數(shù):當(dāng)數(shù)值為0,表明兩個(gè)功能組對(duì)同一捕食對(duì)象沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng);當(dāng)數(shù)值為1時(shí),表明兩個(gè)功能組對(duì)同一捕食對(duì)象競(jìng)爭(zhēng)激烈,即兩個(gè)功能組的生態(tài)位完全重疊。通過(guò)建立Ecopath模型,對(duì)五里湖2022年和2022年的營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位重疊進(jìn)行了定量分析,濾食性生物(鰱、鳙、軟體動(dòng)物)與生態(tài)系統(tǒng)各功能組的獵物重疊指數(shù)見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn),在2022年,與鳙具有顯著生態(tài)位重疊的有湖鱭、鯉、鯽、野雜魚(yú)、鰱、大型蝦蟹類、軟體動(dòng)物等功能組;在2022年,與鳙生態(tài)位重疊程度有所下降的有鯉、鯽、草食性魚(yú)類、軟體動(dòng)物、其他底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物等功能組。從2022到2022年,與鰱生態(tài)位重疊指數(shù)降低的功能組有湖鱭、鯉、鯽、軟體動(dòng)物;生態(tài)位重疊指數(shù)上升的功能組是其他底棲動(dòng)物。從2022年到2022年,與軟體動(dòng)物生態(tài)位重疊指數(shù)有所上升的功能組為大型蝦蟹類,生態(tài)位重疊指數(shù)下降的功能組有湖鱭、鯉、鯽、鳙、野雜魚(yú)、草食性魚(yú)類。從增殖放養(yǎng)的濾食性魚(yú)類、貝類與生態(tài)系統(tǒng)中其他功能組的生態(tài)位重疊指數(shù)變化程度可見(jiàn),鰱和軟體動(dòng)物對(duì)系統(tǒng)的影響程度較大,并且系統(tǒng)內(nèi)多數(shù)功能組的生態(tài)位重疊程度均有所降低;而鳙對(duì)系統(tǒng)的影響程度低于鰱和軟體動(dòng)物。

2.4濾食性生物與其他功能組間的營(yíng)養(yǎng)相互關(guān)系

確定生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不同種群相互之間直接和間接作用可以采用混合營(yíng)養(yǎng)影響(MixedTrophicImpacts,MTI)分析[27]。利用EcopathwithEcosim軟件對(duì)五里湖2022年和2022年各功能組進(jìn)行混合營(yíng)養(yǎng)影響分析,結(jié)果分別如圖2、圖3所示。在2個(gè)時(shí)期的模型中可見(jiàn),鰱、鳙及軟體動(dòng)物生物量對(duì)其他功能組的影響較大,功能組的混合效應(yīng)有很大變化。增殖放養(yǎng)的鰱、鳙及軟體動(dòng)物在2022年對(duì)系統(tǒng)中的其他功能組影響較小,而在2022年，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多數(shù)功能組的影響發(fā)生了變化。在2022年,鳙對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能組的影響較弱,在2022年,則對(duì)野雜魚(yú)、沉水植物、其他維管束植物、浮游植物和碎屑等功能組產(chǎn)生了正面影響;對(duì)鰱這一功能組產(chǎn)生了明顯的負(fù)面作用,對(duì)其他功能組也有微弱的影響。在2022年,鰱對(duì)沉水植物產(chǎn)生了明顯的負(fù)面作用,而對(duì)其他功能組影響較小。而2022年,鰱對(duì)鰱、沉水植物、其他維管植物、浮游植物和鯉等功能組產(chǎn)生了負(fù)面影響,而對(duì)鯽、湖鱭和底棲動(dòng)物等功能組產(chǎn)生了正面作用。軟體動(dòng)物在2022年對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的其他功能組亦未體現(xiàn)很明顯影響,而在2022年對(duì)營(yíng)養(yǎng)級(jí)較高的功能組(其他食性魚(yú)類、鯉、鯽)體現(xiàn)出正面作用,對(duì)營(yíng)養(yǎng)級(jí)較低的功能組(大型蝦蟹類、浮游動(dòng)物、沉水植物)體現(xiàn)負(fù)面影響。

3討論

3.1五里湖生態(tài)系統(tǒng)總體特征和系統(tǒng)規(guī)模變化

通過(guò)建立五里湖生態(tài)系統(tǒng)2022、2022年兩個(gè)時(shí)期的生態(tài)通道模型,得到系統(tǒng)的總體特征參數(shù)(表6)。系統(tǒng)的特征參數(shù)可以描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化趨勢(shì)[28],該系統(tǒng)的總消耗量、總輸出量、總呼吸量、流向碎屑的總量、系統(tǒng)總流量、總生產(chǎn)量、總初級(jí)生產(chǎn)量均有升高,可見(jiàn)增殖放養(yǎng)濾食性生物擴(kuò)大了五里湖生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模,并且大量增殖放養(yǎng)的魚(yú)類及貝類在生長(zhǎng)過(guò)程中,其捕食力度特別是對(duì)浮游生物的捕食力度加強(qiáng),增加了系統(tǒng)的總生產(chǎn)量?？偝跫?jí)生產(chǎn)量/總呼吸量(TPP/TR)是從生態(tài)系統(tǒng)能量學(xué)角度來(lái)判定系統(tǒng)發(fā)育程度的重要指標(biāo),五里湖生態(tài)系統(tǒng)的TPP/TR值由1.154(2022年)上升至1.339(2022年),即表明系統(tǒng)的總初級(jí)生產(chǎn)量逐漸接近總呼吸消耗量,從而表明五里湖生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育程度有所降低,放養(yǎng)濾食性生物消耗了系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)者的生物量。五里湖實(shí)施綜合整治過(guò)程中,種植大量水生植物,使得生態(tài)系統(tǒng)的總初級(jí)生產(chǎn)量得到提高,因此這兩個(gè)時(shí)期的參數(shù)值均低于海洋[11]、養(yǎng)殖水域[1]的生態(tài)系統(tǒng)。代表生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物質(zhì)流轉(zhuǎn)速度的參數(shù)是Finn′s循環(huán)指數(shù)(FCI),在生態(tài)通道模型中,成熟系統(tǒng)的FCI值接近于1。五里湖生態(tài)系統(tǒng)的Finn′s循環(huán)指數(shù)(FCI)由25.580%(2022年)下降至15.510%(2022年),表明生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流轉(zhuǎn)速度有所降低,可能是由于放養(yǎng)濾食性生物延長(zhǎng)了捕食食物鏈,系統(tǒng)的最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)由3.628(2022年)升高至3.944(2022年),從而降低了系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)速度。Finn′s循環(huán)平均能流路徑長(zhǎng)度(FCL)是食物循環(huán)流經(jīng)食物鏈的平均長(zhǎng)度,越是成熟的系統(tǒng),其物質(zhì)再循環(huán)的比例越高,營(yíng)養(yǎng)流所經(jīng)過(guò)的食物鏈也越長(zhǎng)[27]。系統(tǒng)的Finn′s平均能流路徑長(zhǎng)度(FCL)由3.909(2022年)下降至3.393(2022年),可見(jiàn)五里湖生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)流經(jīng)食物鏈的長(zhǎng)度縮短了,物質(zhì)再循環(huán)的比例下降。連接指數(shù)(CI)和系統(tǒng)雜食指數(shù)(SOI)是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育程度的信息學(xué)特征指標(biāo)。成熟穩(wěn)定的系統(tǒng),其特征之一是其各功能組間有較強(qiáng)聯(lián)系,即連接指數(shù)和系統(tǒng)雜食指數(shù)的值較大。由表6可知,五里湖生態(tài)系統(tǒng)連接系數(shù)由0.243(2022年)升至0.277(2022年),系統(tǒng)雜食度(SOI)由0.106(2022年)提高至0.119(2022年),增長(zhǎng)幅度較小,說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)在研究期間的發(fā)育不明顯。

3.2增殖放養(yǎng)濾食性生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

通過(guò)放養(yǎng)鰱、鳙、軟體動(dòng)物可將部分浮游植物和浮游動(dòng)物轉(zhuǎn)變成魚(yú)蛋白輸出水體,截止2022年,五里湖的TN和TP負(fù)荷比2022年分別下降47.25%和10.06%[14]。利用鰱、鳙調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)的非經(jīng)典生物操縱理論在國(guó)內(nèi)外有廣泛的研究[3031]。本研究中,鰱、軟體動(dòng)物對(duì)水生植物表現(xiàn)為負(fù)面作用;鳙對(duì)水生植物的影響表現(xiàn)為正面作用。濾食性生物的下行效應(yīng)間接反應(yīng)在藻類和水生植物的競(jìng)爭(zhēng),即栽種沉水植物的成活率低[32]。與浙江省千島湖生態(tài)系統(tǒng)增殖放養(yǎng)鰱、鳙[33]不同,五里