一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法.pdf

本发明提供了一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法。本发明包括以下技术要点：以河蚬密度及鲫鱼密度为设计因素，设置5个处理组，即1尾鲫鱼（5g/m2）+0只河蚬（对照）、1尾鲫鱼（5g/m2）+40只河蚬（150g/m2）、1尾鲫鱼（5g/m2）+160只河蚬（570g/m2）、4尾鲫鱼（20g/m2）+40只河蚬（150g/m2）、4尾鲫鱼+160只河蚬（570g/m2）；该模拟方法包括水环境准备、实验前采样、加入河蚬和鲫鱼实验、数据采集等技术方案，模拟滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长。本发明的优点是：通过本发明实现了对滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的精确模拟，技术可靠，操作简单易行，成本低廉，能有效改善水质，可以在生态修复富营养化水体（如湖泊、池塘）中加以使用。

1.  一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法，其特征在于，所述的模拟方法包括水环境准备、模拟实验前采样、加入河蚬和鲫鱼及数据采集。

2.  根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述的模拟方法，具体包括如下过程：
(1)水环境的准备:模拟实验所用容器为聚乙烯塑料桶，所述桶高95 cm，下、上底直径分别为77、97 cm；实验开始前向桶内添加10 cm厚沉积物，并注入300 L过滤的太湖湖水澄清3-5天，种植苦草后再加满；所述的沉积物来自太湖，过筛混匀后使用；同时在所述的各桶放置2块高于苦草15 cm的硬塑料板以采集苦草叶片的附着生物；
(2)实验开始前，采集水体本底值以及浮游动植物样品；
(3)先放入河蚬再放入鲫鱼；
(4)数据的采集：实验期间，每天观察鲫鱼有无死亡，及时补鱼；每周采样测定水化指标，TSS以及其有机质含量、叶绿素、TN、TP与TDN、TDP、磷酸盐与氨氮、YSI指标，加本底共5次；采集附着生物（板）2次；实验结束后采集浮游动植物群落备用；测定苦草生态指标；采集底栖动物，计数、称重、鉴定种类；算鲫鱼存活率、称重，解剖鲫鱼肠道观察是否有苦草碎片。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中湖水经100目过滤，所述沉积物经过60目的筛绢网过滤，所述的硬塑料板规格为8 cm×10 cm。

4.  根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述的种植的苦草株高为15-17 cm，幼苗培养一周后种入实验桶，每桶按同一方向各种植14株、每株重2.25-2.5g的苦草。

5.  根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（3）加入河蚬、鲫鱼的密度为5个处理组，即1尾鲫鱼（5 g/m²）+0只河蚬（对照）、1尾鲫鱼（5 g/m²）+40只河蚬（150 g/m²）、1尾鲫鱼（5 g/m²）+160只河蚬（570 g/m²）、4尾鲫鱼（20 g/m²）+40只河蚬（150 g/m²）和4尾鲫鱼+160只河蚬（570 g/m²）；所述河蚬、鲫鱼密度的设定参考太湖河蚬、鲫鱼的自然丰度。

6.  根据权利要求1-5所述的模拟方法，其特征在于，所述的河蚬、鲫鱼和苦草均来自太湖。

一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法
技术领域
本发明涉及环保新技术领域，具体涉及一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法。
背景技术
清水系统的特征是沉水植被覆盖度高、水体清澈、透明度极高、生物多样性高、水质良好，具有供水及景观旅游等良好的服务价值，为社会大众所广泛接受。大型水生植物（特别是沉水植物）则是富营养化湖泊保持清水系统的关键，其主要作用机制包括：（1）消耗可溶性营养物质，以竞争的方式减少藻类可利用营养，从而降低藻类生物量；（2）增加颗粒物沉降，抑制沉积物再悬浮；（3）为浮游动物提供生长繁殖的场所，并为其躲避鱼类捕食创造条件，而浮游动物又可以通过牧食浮游藻类等提高水体透明度。
为了修复富营养化湖泊水体，根据浅水湖泊的多稳态理论，重建水生植被、优化湖泊生态系统结构、改善水生生态系统功能是修复湖泊富营养水体的有效措施之一。在广东惠州西湖，由于采取了恢复沉水植物等生态修复措施，昔日混浊的水体现在已经清澈见底、水草茂盛，从以浮游藻类为主的浊水系统成功转变为以沉水植被为主的清水系统，且系统稳定长达三年之久。同样，在太湖、巢湖、滇池等富营养化湖泊也进行了这方面的尝试，一些大型湖泊的局部水域已初步建立了以水生植物为主的清水系统，但系统常常不稳定，重建的沉水植物往往容易死亡。
生态修复工程不成功的原因相当复杂，总体而言，主要是由于长食物链中的营养级联效应会随着营养级增加而减弱以及复杂食物网中存在的营养级联非线性关系，从而使得生态修复的效果不尽人意。生物操纵后底栖食性幼鱼数量的迅速增加似乎不可避免，这是生态修复失败的最主要原因，而且富营养程度高的水体底栖食性幼鱼数量增加的速度相对较快。大量新增幼鱼对生态修复产生极大的负面影响。其中最重要的原因是：底栖食性幼鱼可使沉积物悬浮，极大降低水体透明度，抑制沉水植物生长与扩张，从而导致清水态向浊水态的转变。
因此，如何控制生态修复后的底栖食性幼鱼暴发所带来的负面效应尤其是沉积物悬浮、促进沉水植物的生长，是富营养化水体生态修复技术最终取得成功的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法，该模拟方法通过精确的模拟实验，获得了在富营养水体（如湖泊、池塘）中加以使用的能迅速地降低幼鱼暴发所致的高悬浮物浓度、改善水体光照条件、促进沉水植物生长，达到修复富营养水体的目的方法。
本发明利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法，技术方案为：
一种利用滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法，所述的方法包括沉积物准备、湖水准备、加入河蚬和鲤鱼开始实验及采样。
进一步的，所述模拟方法，具体技术方法为：
(1)水环境的准备:实验所用容器为聚乙烯塑料桶（桶高95 cm， 下、上底直径分别为77、97 cm），实验开始前向桶内添加10 cm厚沉积物，并注入300 L过滤的太湖湖水，澄清3-5天，种植苦草后再加满；沉积物来自太湖，过筛混匀后使用；同时在各桶放置2块高于苦草15cm的硬塑料板以采集苦草叶片的附着生物；
(2)实验开始前，采集水体本底值以及浮游动植物样品；
(3)先放入河蚬再放入鲫鱼，实验开始；
(4)数据的采集：实验期间，每天观察鲫鱼有无死亡，及时补鱼；每周采样测定水化指标，TSS以及其有机质含量、叶绿素、TN、TP与TDN、TDP、磷酸盐与氨氮、YSI指标，加本底共5次；采集附着生物（板）2次。实验结束后采集浮游动植物群落备用；测定苦草生态指标；采集底栖动物，计数、称重、鉴定种类；算鲫鱼存活率、称重，解剖鲫鱼肠道观察是否有苦草碎片。
进一步的，所述步骤（1）中湖水经100目过滤，所述沉积物经过60目的筛绢网过滤，所述的硬塑料板规格为8 cm×10 cm。
进一步的，所述的各桶的苦草株高为15-17 cm，幼苗培养一周后种入实验桶，每桶按同一方向各种植14株、每株重2.25-2.5g的苦草。
进一步的，所述步骤（3）河蚬、鲫鱼的密度分为5个处理组，即1尾鲫鱼（5 g/m²）+0只河蚬（对照）、1尾鲫鱼（5 g/m²）+40只河蚬（150 g/m²）、1尾鲫鱼（5 g/m²）+160只河蚬（570 g/m²）、4尾鲫鱼（20 g/m²）+40只河蚬（150 g/m²）和4尾鲫鱼+160只河蚬（570 g/m²），河蚬、鲫鱼密度的设定参考太湖河蚬、鲫鱼的自然丰度。
进一步的，所述的河蚬、鲫鱼和苦草均来自太湖。
本发明根据生态学原理采用的实验生态学方法，实现了精准的对滤食生物控制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方模拟，利用生物操纵原理，加入滤食生物—河蚬，通过河蚬控制鲫鱼幼鱼暴发所造成的沉积物悬浮、改善水体光照条件，促进沉水植物生长，从而达到修复富营养化水体的目的，本发明方法具有安全、成本低等特点。
附图说明
图1水体总悬浮物的浓度。
图2水体无机悬浮物的浓度 (平均值±标准误)。
图3水体叶绿素a的浓度 (平均值±标准误)。
图4和图5 为水体TN、TP的浓度 (平均值±标准误)。
图6和图7 为水体NH₄-N、PO₄-P的浓度 (平均值±标准误)。
图8和图9为不同处理中附着生物和底栖藻生物量(平均值±标准误) 。
图10和图11不同处理中苦草的相对生长率和叶片数(平均值±标准误) 。
图12 不同处理中苦草的块茎数 (平均值±标准误)。
具体实施方式
室外受控模拟实验于2014年9月21日至10月19日在中科院太湖站进行。
本模拟方法设计2个影响因子（河蚬密度与鲫鱼密度）5个处理组，即1尾鲫鱼（5 g/m²）+0只河蚬（对照）、1尾鲫鱼（5 g/m²）+40只河蚬（150 g/m²）、1尾鲫鱼+160只河蚬（570 g/m²）、4尾鲫鱼（20 g/m²）+40只河蚬和4尾鲫鱼+160只河蚬（570 g/m²）。河蚬、鲫鱼密度的设定参考太湖河蚬、鲫鱼的自然丰度 （蔡炜对2006年12月-2007年11月对太湖河蚬调查时发现河蚬生物量为100-522.9g/m²；刘恩生研究发现，太湖鲫鱼渔获量在2000年达到3708.7t，占鱼类总量12.18%）。选用体态、株高一致的苦草（各桶的苦草株高为15-17 cm）幼苗培养一周后种入实验桶，每桶按同一方向各种植14株（平均每株重2.25-2.5g的苦草）。河蚬（壳长为20-25 mm，壳高为10-20 mm）、鲫鱼（体长约10-12 cm）和苦草均来自太湖梅梁湾。
实施例1 河蚬抑制沉积物悬浮促进沉水植物生长的模拟方法
本发明的模拟方法，包括如下过程：
(1)水环境的准备:实验所用容器为聚乙烯塑料桶（桶高95 cm，下、上底直径分别为77、97 cm）, 实验开始前向桶内添加10 cm厚沉积物，并注入300 L经100目过滤的太湖湖水澄清3-5天，种植苦草后再加满。沉积物来自太湖梅梁湾，经过60目的筛绢网过筛混匀后使用。同时在各桶放置2块高于苦草15 cm的硬塑料板（8 cm×10 cm），以采集苦草叶片的附着生物。
(2)实验开始前，采集水体本底值（TN、TP与TDN、TDP、磷酸盐与氨氮、YSI指标、TSS以及其有机质含量等水化指标）以及浮游动植物样品。
(3)先放入河蚬再放入鲫鱼，实验开始。
(4)数据的采集：实验期间，每天观察鲫鱼有无死亡，及时补鱼；每周采样测定水化指标（TSS以及其有机质含量、叶绿素、TN、TP与TDN、TDP、磷酸盐与氨氮、YSI指标），加本底共5次；采集附着生物（板）2次。实验结束后采集浮游动植物群落备用；测定苦草生态指标；采集底栖动物，计数、称重、鉴定种类；算鲫鱼存活率、称重，解剖鲫鱼肠道观察是否有苦草碎片。
模拟方法显示鲫鱼扰动和与河蚬滤食对水体总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度有显著影响（P<0.01）（图1和图2），且二者具有交互作用（P<0.05）。只放鲫鱼的对照组其水体总悬浮物浓度和无机悬浮物浓度随时间变化呈显著上升趋势，而不同密度的河蚬组均呈降低趋势。实验结束时，1尾+40只，1尾+160只，4尾+40只和4尾+160只处理组的水体总悬浮物浓度分别比对照降低了76.35%、85.67%、72.39%、81.28%；无机悬浮物浓度比对照降低了76.61%、86.62%、76.19%、83.41%。说明鲫鱼扰动会显著增加水体悬浮物浓度，且密度越大水体悬浮物浓度越高，尤其是无机悬浮物浓度越高；而河蚬滤食会显著降低水体悬浮物浓度，且密度越大悬浮物浓度降低越明显。随时间增加，各处理组之间的差异缩小，但是河蚬的滤食作用大于鲫鱼的扰动作用。
模拟方法统计分析表明，河蚬可以显著降低水体Chl a浓度（P<0.01）（图4和图5）。如图所示，放入河蚬的处理组水体Chla浓度随时间逐渐降低，河蚬密度越大，降低速度越快，幅度越大；而没有放入河蚬的对照组水体Chla浓度则呈显著增长趋势。鲫鱼扰动虽会增加底泥营养盐释放，加速水体营养盐循环，但是对水体Chl a浓度没有显著影响。实验结束时，1尾+40只，1尾+160只，4尾+40只和4尾+160只处理组的Chl a浓度分别为 4.86 μg/L、3.84 μg/L、5.53 μg/L和4.58 μg/L，显著低于对照组（195.12 μg/L）。
模拟方法显示河蚬会显著降低水体TN浓度（P<0.01），且不同密度河蚬的处理组与不放河蚬的对照组均有显著差异（P<0.01）（图6和图7）。实验结束时，1尾+40只，1尾+160只，4尾+40只和4尾+160处理组的TN浓度分别比不放河蚬的对照组低了2.90 mg/L、3.03 mg/L、2.93 mg/L和3.03 mg/L；而鲫鱼对水体TN浓度没有显著影响，当河蚬密度相同时，放入4尾鲫鱼的处理组TN虽浓度略高于放入1尾鲫鱼的处理组，但是差异不显著。河蚬与鲫鱼扰动均会显著影响水体TP含量（P<0.01）（图6和图7）。鲫鱼扰动会显著增加水体TP含量，而河蚬滤食可以降低水体TP含量，且无论鲫鱼密度大小，河蚬均可显著降低水体TP含量，河蚬密度越大，降低作用越明显。说明河蚬滤食对水体TP的降低作用要大于鲫鱼扰动对其的增加作用。除此之外，鲫鱼还会影响水体NH₄-N、PO₄-P浓度（P<0.05）（图4）。实验发现，添加4尾鲫鱼的处理组NH₄-N、PO₄-P浓度均高于添加1尾鲫鱼的处理组；河蚬则对水体NH₄-N、PO₄-P的影响不大。
模拟方法显示鲫鱼和河蚬均对附着生物有显著影响（P<0.01）（图8），但二者并无交互作用（P>0.05）。添加40只河蚬时，1尾、4尾鲫鱼处理组附着生物量比对照组（无河蚬）增加了0.82 mg/cm²和0.55 mg/cm²；添加160只河蚬时，1尾、4尾鲫鱼处理组附着生物量比对照组（无河蚬）增加了2.64 mg/cm²和1.29 mg/cm²。说明鲫鱼密度越小，附着生物量越大，而添加河蚬更有利于附着生物生长。河蚬还对底栖藻具有显著的促进作用（P<0.05）（图9）。实验结束时，添加160只、40只和0只（对照组）的底栖藻含量有显著差异，河蚬密度越高底栖藻生物量就越高，说明河蚬可以促进底栖藻生长。
模拟方法显示河蚬和鲫鱼会显著影响苦草的生长（P<0.01），鲫鱼扰动会抑制苦草生长，而河蚬滤食不仅能减轻这种抑制作用，还会促进苦草生长 (图10和图11)。总体来说，无论鲫鱼密度大小，添加160只河蚬的处理组苦草的生长状况要明显好于添加40只的处理组和0只的对照组。说明在本实验中，河蚬对苦草生长的促进作用大于鲫鱼扰动的抑制作用。具体而言，添加40只河蚬时，投放1尾、4尾鲫鱼的处理组苦草的相对生长率分别为2.84 mg·g^-1·d^-1和2.28 mg·g^-1·d^-1，比对照组( 1.48 mg·g^-1·d^-1)升高了91.06 %和53.32 %，而添加160只河蚬时，投放1尾和4尾鲫鱼的处理组苦草的相对生长率分别为4.16 mg·g^-1·d^-1和3.56 mg·g^-1·d^-1，比对照组升高了180.22 %和139.98 %。此外，苦草的叶片数也明显受到河蚬与鲫鱼扰动的影响（P<0.01）。添加40只河蚬时，投放1尾和4尾鲫鱼的处理组苦草叶片数分别比对照组升高了35.63 %和11.87 %；而添加160只河蚬时，比对照组升高了67.50 %和55.00 %。由此可见，鱼类扰动引起的沉积物再悬浮对苦草的生长有一定的抑制作用，表现在相同的河蚬密度下，鲫鱼密度越高，苦草的相对生长率越低和叶片数越少；而河蚬的滤食作用可显著降低水体悬浮浓度，从而促进苦草生长，表现在河蚬密度越大，苦草相对生长率越高和叶片数越多。
模拟方法显示河蚬和鲫鱼扰动对苦草块茎数有显著影响（P<0.05）(图12)。其中，河蚬对块茎数的影响极为明显，添加40只河蚬时，投放1尾和4尾鲫鱼的处理组苦草块茎数分别比对照组升高了50.00 %和27.08 %；而添加160只河蚬时，比对照组升高了145.83 %和95.83 %。鲫鱼扰动降低了块茎数量，添加相同密度河蚬时，鲫鱼密度越大，块茎数越少；而河蚬有利于苦草繁殖，河蚬密度越大，块茎数越多，且当鲫鱼密度最低、河蚬密度最大时苦草块茎数最多。 
河蚬与鲫鱼不仅会对水体悬浮物浓度和水体营养盐产生重要影响，还会显著影响苦草的生长和繁殖，而二者的影响却大有不同。鲫鱼扰动会显著增加水体悬浮物浓度和营养盐水平，从而抑制苦草生长；而河蚬通过滤食作用去除有机、无机颗粒物可显著降低水体悬浮物和叶绿素a浓度，降低水体浊度、改善光照条件，利于附着生物和底栖藻生物量增加，不仅可以减轻鱼类扰动对苦草的抑制作用，还会促进苦草生长。因此，利用河蚬可以抑制鱼类扰动引起的沉积物再悬浮，改善水体透明度，从而有利于沉水植被的生长及恢复。
根据本实验及预实验的结果，河蚬放养的密度范围为500-700g/m²，鲫鱼幼鱼密度控制范围为0-50 g/m²；根据本实验及预实验的结果，鲤鱼幼鱼规格不超过200g/尾时使用该技术。
实施例2 湖泊富营养水体修复中的应用
江苏溱湖的生态修复示范工程，示范工程面积70000平方米，2011年5月开始施工，7月份中旬生态修复区出现大量鲫鱼幼体，水体浑浊，水体透明度仅30厘米，沉水植物生长受抑制，7月下旬投放河蚬后，透明度改善到100厘米以上，沉水植物迅速扩张，水体清澈，水质良好。