生物操縱及其養(yǎng)殖系統(tǒng)中主要資源種類的穩(wěn)定同位素特征

1、上 海 海 洋 大 學(xué)碩士學(xué)位論文題 目：生物操縱系統(tǒng)中主要資源種類的穩(wěn)定同位素特征英文題目：Stable isotope features of the main resource types in the biological manipulation ecosystems 專 業(yè)：漁業(yè)資源研究方向：資源恢復(fù)生態(tài)姓 名：蘇孫國指導(dǎo)教師：管衛(wèi)兵二零一四年三月十七日上海海洋大學(xué) 博/碩士學(xué)位論文答辯委員會成員名單姓名工作單位職稱備注上海海洋大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴謹學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)明確注明和

2、引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。學(xué)位論文作者簽名：日期： 年 月 日上海海洋大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)上海海洋大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密 ，在 年解密后適用本版權(quán)書。本學(xué)位論文屬于不保密 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年

3、月 日 日期： 年 月 日生物操縱系統(tǒng)中主要資源種類的穩(wěn)定同位素特征摘 要湖泊和水庫是天然的蓄水庫。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，城市的擴大，人口的增加，城鎮(zhèn)工業(yè)廢水及生活污水等的大量排入，湖泊和水庫污染日趨嚴重。水污染治理與生態(tài)保護變得十分重要。水體環(huán)境的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析，是水體質(zhì)量的一個重要指標，在生態(tài)保護中具有十分重要的位置。生物操縱方法已經(jīng)成為國內(nèi)外治理湖泊水庫等靜態(tài)水體的一種十分重要而且有效的手段。而穩(wěn)定同位素方法也已經(jīng)成為研究食物鏈食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)及攝食關(guān)系的一種重要手段。因此水體群落的穩(wěn)定同位素特征分析在水體治理中有著指示性的意義，該方法能夠指示水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征及其變化，這有助于我們對于水體中的各

4、種生物學(xué)效應(yīng)進行更加深刻的理解，從而實現(xiàn)更加精確地進行生物操縱。因此這個研究對于治理靜態(tài)水體，包括水源地具有十分重要的意義。為了研究生物操縱過程中各種食物鏈級的生物的作用和營養(yǎng)地位，采用碳氮穩(wěn)定同位素的方法，研究了青草沙實證基地生態(tài)操縱池塘生態(tài)修復(fù)過程中主要種類的穩(wěn)定同位素特征。青草沙實證基地生態(tài)操縱池塘人工投放多種魚類，加上自然恢復(fù)種類，最終重建實證基地池塘中的生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)其強大的自凈能力。青草沙實證基地中，13C值范圍在（-21.51-13.60）；15N值范圍在（1.779.38）；營養(yǎng)位置范圍在（13.24）。油餐、紅鰭鲌、鰕虎魚三個物種的生態(tài)位比較接近，它們之間的營養(yǎng)冗余較小。實證

5、基地池塘的生物多樣性比較低，構(gòu)建而成的食物網(wǎng)簡單。通過營養(yǎng)級構(gòu)建出的能量金字塔中，消費者營養(yǎng)級別最低的是底棲軟體動物、甲殼動物，然后是草食性魚類，最后是肉食性或雜食性魚類，它們占據(jù)食物網(wǎng)的最頂層。這種立體復(fù)合生態(tài)操縱技術(shù)可以有效進行生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及重建，在大型湖泊及水庫的富營養(yǎng)化治理中起到越來越重要的作用。碳氮穩(wěn)定同位素的含量可以用來研究生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。通過營養(yǎng)級構(gòu)建出的能量金字塔在人工控制的簡單生態(tài)系統(tǒng)中具有一定的參考價值。復(fù)合漁業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)群落構(gòu)建技術(shù)，由于仿生態(tài)養(yǎng)殖，又稱之為“陸基生態(tài)漁場”。穩(wěn)定同位素技術(shù)成為水域生態(tài)系統(tǒng)變動機制的重要研究技術(shù)手段之一。本文通過蘇水生態(tài)農(nóng)場中河蟹、甲魚復(fù)

6、合生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)和植物凈化系統(tǒng)的成功構(gòu)建，以及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵種穩(wěn)定同位素特征分析，來研究該農(nóng)場系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征。該系統(tǒng)13C值范圍是-13.08-29.79；15N值范圍是-3.9313.26；營養(yǎng)位置范圍是04.52。不同樣本生物的15N值大致按照植物、浮游食性動物、雜食性動物、肉食性動物的順序逐漸富集。整個系統(tǒng)中各種魚類的生態(tài)位空間表現(xiàn)出彼此聚集的現(xiàn)象，不同養(yǎng)殖環(huán)境中相同魚種穩(wěn)定同位素含量出現(xiàn)較大差異，鰱鳙魚等食性單一的魚種，其碳氮穩(wěn)定同位素值變化不大。植物固碳能力由沉水植物到挺水植物再到濕生植物逐漸變大，但挺水植物和濕生植物固氮能力大于沉水植物。關(guān)鍵詞：生物操縱，穩(wěn)定同位素，富營養(yǎng)化

7、，復(fù)合漁業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)Stable isotope features of the main resource types in the biological manipulation ecosystemsABSTRACTLake and reservoir are the water storage of nature. With the development of industry and agriculture, the expansion of cities, the increasing of population and wastewater pouring into the wat

8、ers，pollution of lakes，reservoirs is more and more serious. Water pollution control and ecological protection has become very important. Analysis of the nutrient structure in water environment, is an important index of water quality, showing great importance.Biological manipulation has become a very

9、 important and effective method for rebuilding static body of water such as lakes and reservoirs. The stable isotope method has become an important method to study the structure of the food chain and food web nutrition structure and feeding relationships. So using stable isotope method to detect and

10、 manipulate biological changes during biological manipulation is very meaningful. This helps us to understand biological effects in water body restoration and achieve more precise biological manipulation. Therefore, this study is of great importance for the treatment of static body of water, includi

11、ng water sources.The stable isotope of C and N can be used to study the animal function and trophic structure of the ecosystem in multi-approach ecological manipulation pond of Qingcaosha reservoir. After the artificial casting a variety of fish species and the natural restoration in the pond, final

12、ly the ecosystem is in the reconstruction and its strong self purification ability recovers. In ecological manipulation pond of Qingcaosha empirical base, 13C and 15N range from -21.51 to -13.60 and 1.77 to 938 respectively and trophic levels range from 1 to 3.24. Ecological niches of Hemiculter ble

13、ekeri bleekeri warpachowsky, Predatory Carp and Gobies are close to each other and there is little nutrition redundancy between them. Biodiversity of the reservoir is low so that the formed food web is simple. In the energy pyramid, which is established from the trophic level, the benthonic mollusks

14、 and reptiles ranges among the consumers of the lowest nutrition level , and then followed by the herbivorous fish, and finally is carnivorous or omnivorous fish, which occupy the top of the food web. The Multi-approach Ecological Manipulation techniques can be used for the restoration and reconstru

15、ction of ecological system, which plays more and more important role in controlling the eutrophication of lakes and reservoirs. The content of carbon and nitrogen stable isotope can be used to study ecosystem trophic structure. This energy pyramid has a certain reference value for the simple ecosyst

16、em by manual operation.Community construction technology of composite fishery production system, due to its imitating ecological aquaculture, is also known as the " Land-based ecological fishery production system ". Stable isotope technique has become one of the most important research met

17、hods in change mechanisms of aquatic ecosystem. Through successfully construction of crab, soft shelled turtle compound ecological farming system and plant purification system in SUZE ecological farms, and the key species stable isotope analysis in the ecosystem, nutrition structure of the farm syst

18、em is studied. The 13C value ranges from -13.08 to -29.79; the 15N value ranges from -3.93 to 13.26; nutrition level ranges from 0 to 4.52. The 15N values of different samples gradually enriched in this order: plants, zooplankton feeding animal, omnivorous animal and carnivorous animal. Niche space

19、of different kinds of fishes in the whole system show an aggregation phenomenon. Stable isotope content of the same species show differences in different cultivation environments. The stable carbon and nitrogen isotope values of silver carp, bighead carp and other feeding single species change littl

20、e. Carbon fixation capacity of plants grows from submerged plants to aquatic plants and then to hygrophyte plants, but nitrogen fixation ability of aquatic plants and hygrophyte plants are stronger than submerged plants.KEY WORDS：biological manipulation, stable isotope, eutrophication, composite fis

21、hery production system目 錄第一章 生物操縱在水體治理與保護中的應(yīng)用 1第一節(jié) 水生態(tài)環(huán)境破壞 11湖泊和水庫污染 12湖泊“水下森林”的破壞與優(yōu)勢種群的替代 2第二節(jié) 生物操縱技術(shù) 21 生物操縱理論 21.1 經(jīng)典生物操縱 21.2 非經(jīng)典生物操縱 31.3 生物操縱的常見類型以及適用環(huán)境 41.3.1直接投放浮游動物和細菌 41.3.2人為去除魚類 51.3.3投放肉食性魚類 51.3.4水生植被的管理 51.4湖泊生物操縱實際案例分析 52我國養(yǎng)殖業(yè)中的混養(yǎng)技術(shù) 73營養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析技術(shù) 83.1 碳氮穩(wěn)定同位素比例 83.2 營養(yǎng)級估算 83.3 營養(yǎng)結(jié)構(gòu)研究與生物

22、操縱 9第二章 青草沙水庫立體復(fù)合生態(tài)操縱池塘水生動植物的同位素特征 11前言 111材料方法 121.1樣品采集 121.2樣品處理 121.3穩(wěn)定同位素分析 131.3.1儀器使用 131.3.2碳氮穩(wěn)定同位素比值 131.3.3營養(yǎng)級計算 142結(jié)果 142.1 青草沙實證基地樣品穩(wěn)定同位素含量 142.2 青草沙實證基地動植物的營養(yǎng)級變化 162.3青草沙實證基地動植物的生態(tài)位空間 173 討論 183.1立體復(fù)合操縱中生物群落的構(gòu)建 183.2立體復(fù)合操縱系統(tǒng)凈化水質(zhì)的原理 193.3碳氮同位素特征的生態(tài)意義 20第三章 一種復(fù)合漁業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中群落構(gòu)建及關(guān)鍵種的穩(wěn)定同位素特征 21前

23、言 211 材料方法 231.1 樣品采集 231.2 樣品處理 231.3 穩(wěn)定同位素分析 241.3.1碳氮穩(wěn)定同位素比值 241.3.2營養(yǎng)級估算 242 結(jié)果與分析 252.1 河蟹養(yǎng)殖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建 252.2甲魚養(yǎng)殖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建 262.3植物過濾凈水系統(tǒng)的構(gòu)建 262.4復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的同位素特征 262.4.1水生植物的穩(wěn)定同位素特征 272.4.2不同養(yǎng)殖環(huán)境中魚類的穩(wěn)定同位素特征 282.4.3復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)動植物的生態(tài)位空間 303 討論 313.1復(fù)合生態(tài)系養(yǎng)殖統(tǒng)構(gòu)建技術(shù) 313.2養(yǎng)殖方式與穩(wěn)定同位素特征 33參考文獻 34第一章 生物操縱在水體治理與保

24、護中的應(yīng)用第1節(jié) 水生態(tài)環(huán)境破壞1湖泊和水庫污染我國湖泊面積在1km2以上的有2759個，其中淡水湖泊為約為1/3。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和不恰當?shù)暮促Y源的開發(fā)，隨著營養(yǎng)物質(zhì)不斷注入，湖泊和水庫的營養(yǎng)漸漸增長，湖泊富營養(yǎng)化是一個非常嚴重的問題，湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能持續(xù)退化，藍藻水華頻繁爆發(fā)，水質(zhì)惡化日益嚴重1。（1）依據(jù)2008年中國環(huán)境狀況公報：在被監(jiān)測的26個湖庫中，有1個湖泊重度富營養(yǎng)化，占3.8%；有5個中度富營養(yǎng)化，占19.2%；有6個輕度富營養(yǎng)化，占23.0%2。(2城郊湖庫富營養(yǎng)化的程度較高，如濟南大明湖、武漢東湖、南京玄武湖、杭州西湖等城市湖泊以及石河子市的蘑菇水庫、北

25、京的官廳水庫等3。(3淡水湖泊特別是大型淡水湖泊也具有十分嚴重的富營養(yǎng)化問題。太湖、洪澤湖、巢湖等都面臨水體營養(yǎng)過剩問題；鄱陽湖、洞庭湖目前雖然維持在中等營養(yǎng)狀況，但湖水中氮、磷含量偏高，十分可能發(fā)展成為富營養(yǎng)化湖泊。大型湖泊營養(yǎng)過剩將伴隨著十分嚴重的生態(tài)問題，會給湖泊生態(tài)恢復(fù)帶來十分嚴重的困擾4。湖泊和水庫是天然的蓄水庫。由于人口不斷增加，城市規(guī)模逐漸擴大，工農(nóng)業(yè)水平越發(fā)提高，城鎮(zhèn)工業(yè)廢水和生活污水的排放量也持續(xù)變大，湖庫污染越發(fā)嚴重。此外，農(nóng)藥、化肥施肥量、酸雨、航船油污、養(yǎng)殖飼料、水生動物自身的排放物等均給湖泊和水庫帶來不同程度的污染5。湖庫污染導(dǎo)致水生動物的生存環(huán)境變化，對水質(zhì)和水產(chǎn)經(jīng)

26、濟有較大的沖擊。據(jù)統(tǒng)計，全國每年工業(yè)廢水總排放量大概為360億噸，我國因水環(huán)境污染造成的經(jīng)濟利益虧損每年高達430億元6。 從1991年開始，5年間就有2700起因為污染造成的較大魚類死亡事故，有近80萬km2受污染的養(yǎng)殖水域，損失約35萬噸的水產(chǎn)品，造成經(jīng)濟利益損失高達31億元，另外，水環(huán)境破壞造成的長期影響更是不可估量7。2湖泊“水下森林”的破壞與優(yōu)勢種群的替代“草型”湖泊就是水體干凈，植物茂密的湖泊，是湖泊演替過程中生物資源和水環(huán)境的利用價值比較高的階段。優(yōu)良的水質(zhì)，為人類生活與生產(chǎn)提供水源；美麗的景觀。供人們游樂休閑?！八律帧蹦軌騼艋|(zhì)，能夠為水生動物提供食物、生活場所、生殖場地

27、、棲息環(huán)境、庇護場所等?？墒?，近年來因大面積開墾沿岸帶，大量放養(yǎng)草魚，造成了許多湖泊沉水植被減少甚至消失。“水下森林”可以吸收水體營養(yǎng)，如果遭到嚴重破壞，水體的自凈能力會下降，因為被水草自身的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)會被釋放到水中，浮游植物會大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化。由“草型”湖演替為“藻型”湖泊的過程稱為逆向演替。沉水植被的減少或消失，導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境異質(zhì)性下降，進而導(dǎo)致水生生物多樣性下降，不僅會造成草食性水生動物種群崩潰，還會造成物種的次生性絕滅8。淺水草型湖泊，盡管在水體功能、水位差、水草的優(yōu)勢種類及開發(fā)程度等方面各有所別，但都有一個共同的特點即沉水植物在魚產(chǎn)潛力中占到了重要位置。如何在保持

28、湖泊生態(tài)條件良好的前提下，最大限度地利用水草的生產(chǎn)潛力，是草型湖泊開發(fā)中一個很重要的課題，也是生物操縱的一個重要方面。 第2節(jié)生物操縱技術(shù)1 生物操縱理論1.1 經(jīng)典生物操縱最早是由Shapiro 提出了生物操縱的概念，通過調(diào)整生物群落結(jié)構(gòu)的方法控制水質(zhì)。生物操縱主要原理是調(diào)整水生生物結(jié)構(gòu)，保護和發(fā)展大型牧食性浮游動物，進而防止藻類過量繁殖。水生動物結(jié)構(gòu)調(diào)整是通過投放、發(fā)展某些魚種來控制或消除另外一些水生動物，使整個食物網(wǎng)能夠大量消耗浮游植物，并且維持相對穩(wěn)定，從而改善湖泊環(huán)境質(zhì)量。 由于這種途徑并非通過直接減少營養(yǎng)負荷來改善水質(zhì)，而是通過減少藻類生物量來逐漸改善水體環(huán)境，效益可持續(xù)多年9-1

29、0。 而所謂“經(jīng)典生物操縱理論”實際上就是Shapiro提出的這種理論。通過調(diào)整水生生物結(jié)構(gòu)，促進大型浮游動物特別是濾食效率高的植食性大型浮游動物，比如枝角類種群的發(fā)展，從而控制浮游植物過度生長進而降低藻類生物量，改善水體質(zhì)量9。Shapiro 等提出了一個簡單的食物鏈模式來達到經(jīng)典生物操縱的目的，即肉食性魚類吃小型浮游食性魚類，小魚吃浮游動物。而且，底層水生動物的活動能夠釋放已沉降的營養(yǎng)物質(zhì)，推動營養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)，有利于浮游植物發(fā)展。一般情況下，浮游生物食性魚類主要捕食大型浮游動物，卻有利于小型浮游動物等的繁殖，大型浮游動物減少，浮游植物得到發(fā)展，可能形成水體富營養(yǎng)化。相反地，浮游動物食性魚類

30、減少，大型浮游動物得到大量繁殖，取食大量藻類和碎屑，有利于水體質(zhì)量恢復(fù)。因此用肉食性兇猛魚類取代浮游生物食性魚類，能夠控制水體富營養(yǎng)化。通過前人研究可知，通過改變魚類群落結(jié)構(gòu)進行生境恢復(fù)是行之有效的10。經(jīng)典生物操縱的核心部分包括兩方面：大型浮游動物對藻類的攝食及其種群的建立。在維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中，增加食魚性魚類和降低湖水營養(yǎng)水平都很重要。主觀性的生物操縱最好在冬天和初春執(zhí)行，這和大型浮游動物的在這一時期的活躍有關(guān)。生物操縱的目的是爭取一段時間的清水期，以便大型沉水植物的成功恢復(fù)，如果恢復(fù)失敗，必須再次進行生物操縱，直到成功11。Marie-Louise12等人提出，在冬季，使水質(zhì)變清的一

31、個重要因素是魚類減少的程度。當魚類生物量減少大于75%的時候，就可以看見明顯的治水效果。在強度生物操縱下，即使是因為風(fēng)產(chǎn)生的底泥攪動也無法阻礙水變清。春季，大型浮游動物似乎是水變清的主要原因。而在夏季，藻類減少的原因應(yīng)該歸功于食魚性魚類的群體的壯大。Hosper 和Jagtman13提出通過減少浮游生物食性魚類和底棲生物食性魚類進行經(jīng)典生物操縱實現(xiàn)水體生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，魚類的數(shù)量應(yīng)當減少到50kg/ha以下。Dionisio提出斑馬貽貝對藻類起濾食作用，無論有毒藻類還是碎屑均可濾食，當本地的大型枝角類無法減少特定浮游植物的時候，可以考慮用斑馬貽貝14。1.2 非經(jīng)典生物操縱非經(jīng)典生物操縱則是謝平等

32、15-17通過在武漢東湖的一系列圍隔實驗成功致使東湖藍藻水華消失而總結(jié)出的一種生物操縱理論。非經(jīng)典生物操縱就是通過直接放養(yǎng)具有特殊消化機制和穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)的濾食性魚類來控制藻類生長。由此可見，非經(jīng)典生物操縱所利用的生物正是經(jīng)典生物操縱所要去除的生物，其治理的目標正是經(jīng)典生物操縱所無能為力的“不死藻類”，比如一些難以去除的藍藻。在非經(jīng)典生物操縱實踐中，鰱、鳙因其人工繁殖存活率高、存活長、食譜較寬以及在湖泊中不能自然繁殖而種群容易控制等優(yōu)點成為最常用的種類。謝平等通過圍隔實驗發(fā)現(xiàn)，鰱、鳙等慮食性魚類控制藍藻水華的作用原理主要有兩點，改變藻類群落結(jié)構(gòu)和形成以小型藻類為優(yōu)勢種的藻類群落。所以說，非經(jīng)典生

33、物操縱的確可以控制水華，減少藍藻，但缺點也明顯，藍藻生物量雖然得到良好的控制，藻類群落結(jié)構(gòu)得以改變，但小型藻類群落成為主導(dǎo)，隨著時間推移，依然會產(chǎn)生新的水體問題。1.3 生物操縱的常見類型以及適用環(huán)境經(jīng)典生物操縱方法在國內(nèi)外都有較多的研究應(yīng)用，而非經(jīng)典生物操縱方法自從謝平等人提出之后，在國內(nèi)的應(yīng)用比較多。生物操縱在淺水湖泊的治理中已經(jīng)取得了明顯的成效，在深水湖泊的治理中有較大的難度，而在海洋污染治理中難度更大，這方面也有人做出了一些研究。邱東茹等18提出，深水湖泊由于深度大，水體分層，而且沿岸帶( littoral zone 較窄，大型植物所起的作用不大，生物操縱難度大。由于枝角類耐低溫，能夠

34、適應(yīng)湖下層逃避魚類捕食，是操縱的合理選擇。李春雁等提出近海水體富營養(yǎng)化的治理，理論上可以通過近海動物養(yǎng)殖得到一定緩解，但要以濾食性魚類養(yǎng)殖為主，且養(yǎng)殖量必須合理。國外學(xué)者提出養(yǎng)殖海膽、鮑等可以降低海域污染，人工栽植大型海藻是海區(qū)富營養(yǎng)化治理較為可行的方法19。1.3.1直接投放浮游動物和細菌直接往水體中放入大量的浮游動物，讓其將藻類等浮游植物取食；細菌可以充當浮游動物食物，起到穩(wěn)定浮游生物食物鏈的作用。從而使得過度營養(yǎng)化的水體中營養(yǎng)得到合理配置，溶氧、陽光等生態(tài)條件恢復(fù)，水質(zhì)變好后水體生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)20-21。1.3.2人為去除魚類將雜食性和草食性魚類從湖泊中盡數(shù)移除，且移除的時間必須足夠短

35、。因為移除后會產(chǎn)生大量幼魚，必須重新投放肉食性魚類，控制幼魚生物量，保護浮游動物，從而達到水體生態(tài)恢復(fù)的效果22。1.3.3投放肉食性魚類投放大型肉食性魚類，抑制雜食性和草食性魚類繁殖，從而促進浮游動物群落發(fā)展，逐漸恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)，是生物操縱行之有效的方法。投放的肉食性魚類有紅鰭鲌、河鱸、北方狗魚、鱖魚、翹嘴鲌等。 雖然投放肉食性魚類有明顯效果，但在應(yīng)用中也受到一定限制。只有當浮游生物食性魚類的數(shù)量降低到一定程度時才能促進浮游動物群落繁殖發(fā)展，而在這種情況下，肉食性魚類可能因缺乏食物而難以長期維持20-21,23。1.3.4水生植被的管理研究表明草魚控制水草生物量的工作大部分有成效。應(yīng)用草魚

36、控制水草關(guān)鍵是放養(yǎng)量，放養(yǎng)過少，減少不了水草，放養(yǎng)過多，水草會被吃光，產(chǎn)生負面效果，促進藻類繁殖增長。水草對凈化水質(zhì)，抑制藻類發(fā)展有重要作用，還可為大型浮游動物提供庇護場所，因此，單用草魚控制水草保護水質(zhì)的途徑是不可取的。但淺水湖泊一般水草比較繁茂，放養(yǎng)少量草魚還是有益的。具體量度問題需要深入研究，嚴格掌握，以不毀壞水生植被為度24-27。1.4湖泊生物操縱實際案例分析表1-1經(jīng)典生物操縱Tab.1-1 cases of classical biological manipulation研究者研究對象研究方式研究成效韓士群等28-29富營養(yǎng)化水體長肢秀體溞藻類生物量在一定范圍內(nèi)時，才

37、能得到較好控制管衛(wèi)兵等30太湖圍格大型枝角類，沉水植物修復(fù)區(qū)水質(zhì)恢復(fù)良好M. Olin等31芬蘭南部的10個湖泊移除湖泊中的鯉科魚類小型鯉科魚類魚食性魚類成為主導(dǎo)，大型枝角類增加，藍藻生物量下降，爆發(fā)季節(jié)推遲Marie-Louise等32Wolderwijd湖引入狗魚，并且捕掉斜齒鳊和鯉科魚類盔形溞的繁殖，湖水變清，但是僅僅持續(xù)了六個星期。后兩年，輪藻類逐漸覆蓋了湖底，湖水變清Timo 等33Enonselka盆地移除了大量的雜魚后（斜齒鳊和胡瓜魚為主）藍藻群崩潰，總磷從45mg P m-3 下降到35mg P m-3 塞克盤深度從1m增加到3.5m。Anatoly等3448個富營養(yǎng)化的池塘大

38、型沉水植物，大型枝角類動物藍藻群體大量減少。6/9的水池中，大型沉水植物得到重建。表1-2非經(jīng)典生物操縱Tab.1-2 cases of non-classical biological manipulation研究者研究對象研究方式研究成效謝平35Warniak湖和東湖的圍隔鰱、鳙放養(yǎng)放養(yǎng)密度超過4050g/ m3時，水華得到緩解，一般隨著鰱鳙密度的增加，浮游動植物種類向小型化種類發(fā)展。崔福義等361.2m3的玻璃水箱鰱、鳙放養(yǎng)可有效抑制水蚤類浮游動物生物量，氮、磷含量有所下降、溶解氧水平有所提高，藍、綠藻的生物量得到較好控制。祖玲等37大房郢水庫鰱、鳙放養(yǎng)，移殖螺、蚌類，淺水區(qū)移

39、植伊樂藻，上游生長香蒲富營養(yǎng)化得到初步治理。陳來生等38千島湖鰱、鳙放養(yǎng)從2000年到2002年，試驗區(qū)水質(zhì)明顯改善，2000年以前的優(yōu)勢種已為小環(huán)藻、直鏈藻、小球藻和藍隱藻所取代。由表1-1、表1-2可見，經(jīng)典生物操縱的實際操作對象是湖泊、池塘、盆地等水體，實際操作方法有投放長肢秀體溞、大型枝角類、種植沉水植物、移除湖泊中的斜齒鳊和鯉科魚類等雜食或者草食性魚類、引入狗魚等兇猛魚類、移除大量的雜魚（斜齒鳊和胡瓜魚為主）28-34等；非經(jīng)典生物操縱的操作對象是湖泊、水箱、水庫等水體，實際操作方法主要是鰱鳙魚放養(yǎng)、螺蚌類放養(yǎng)、種植沉水植物35-38等。經(jīng)典生物操縱可以使沉水植物逐漸覆蓋水底，富營養(yǎng)

40、化得到治理、水變清；非經(jīng)典生物操縱可以使頑固藻類群落崩潰，逐漸被小型浮游動植物所取代，從而實現(xiàn)治理水體富營養(yǎng)化的目標28-38。從實際實驗效果來看，生物操縱也不一定能達到控制水華的目的，因此，生物操縱概念為近年來湖泊學(xué)界的爭論焦點之一。因為魚類對藻類的影響是與魚類和浮游動物產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)、水草庇護、生物攪動、營養(yǎng)競爭和相生相克等共同作用的結(jié)果，而不單靠魚類下行效應(yīng)（top-down effect ）抑制藻類的結(jié)果，營養(yǎng)負荷產(chǎn)生的上行效應(yīng)（bottom-up effect ） 更為重要。首先應(yīng)考慮減少負荷。實際上湖泊生產(chǎn)力是由上行效應(yīng)和下行效應(yīng)共同起作用的。生物操縱尚處于初期階段，不可能把所有的

41、問題都搞清楚后再考慮應(yīng)用，其理論只有在實踐中逐步發(fā)展和完善。2我國養(yǎng)殖業(yè)中的混養(yǎng)技術(shù)我國在池塘中進行不同食性魚類的混合養(yǎng)殖，充分利用水體餌料和肥力，取得很好的效果，我們可以進一步應(yīng)用這一原理和經(jīng)驗，對湖泊魚群結(jié)構(gòu)進行適當?shù)恼{(diào)整，以達到控制水華發(fā)生，防止水質(zhì)惡化的目的。鰱主食藻類，生長快速，屬于喜溫性，較耐低氧環(huán)境。在較肥沃的湖泊中適當增加鰱魚的投入量對于控制微囊藻水華的發(fā)展可能起到一定的作用。但鰱對小型藻類基本上無法利用。鰱也消耗浮游動物，間接保護了微型藻類。因此，鰱對湖泊富營養(yǎng)化的控制問題還需要進行實際論證。我國底棲動物食性魚類主要有青魚，鯉、鯽等。其中青魚主要以螺類為食，在末投放的天然湖泊

42、中青魚數(shù)量不多。鯉、鯽食性雜、耐性強、分布廣，在靜水環(huán)境中能自行繁殖，是我國重要淡水魚類，不予人工投放，任其自然繁殖，在不要求水質(zhì)清澈見底的湖泊中仍有存在的價值。鳊、魴屬雜食性魚類，也應(yīng)有適當比例。增加肉食性魚類是魚群結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要措施。根據(jù)我國魚類區(qū)系特點，鱖、烏鱧、翹嘴紅鲌，應(yīng)是主要的發(fā)展對象。特別是鱖以小魚、蝦等為食，魚肉質(zhì)量高，經(jīng)濟價值大，增加鱖的投放量，并加以重點保護，有可能起到抑制浮游動物食性魚類、保護大型浮游動物、抑制水華發(fā)展和改善水質(zhì)的作用。以上各種魚類的具體放養(yǎng)數(shù)量和比例以及要構(gòu)建出什么樣的食物鏈食物網(wǎng)等問題要根據(jù)不同湖泊實際情況研究確定。魚群結(jié)構(gòu)調(diào)整的目標應(yīng)是能夠維持食物網(wǎng)

43、關(guān)系的相對穩(wěn)定，持久維持水質(zhì)良好和不發(fā)生富營養(yǎng)化。換句話，魚群結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的是以保護水域環(huán)境質(zhì)量為主，發(fā)展?jié)O業(yè)為副，在可能的情況下，考慮以提高漁業(yè)產(chǎn)值代替漁產(chǎn)量。經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱所要實現(xiàn)的目標都是治理水體污染，水體富營養(yǎng)化的問題。這兩種方法的共同點都是向水體中引入特定的動植物種，使得引起水體污染的物種被消滅。但是這兩種方法似乎各有優(yōu)點和長處，屬于相互彌補的手段，非經(jīng)典生物操縱解決了經(jīng)典生物操縱所無法處理的藍藻等頑固藻類導(dǎo)致的富營養(yǎng)化問題。因此在實際操作中，可以同時參考我國養(yǎng)殖業(yè)混養(yǎng)技術(shù)，向水體中引入整條食物鏈，這條食物鏈必須具有相當?shù)姆€(wěn)定性，并且適應(yīng)在該水體中生長，又不會對該水體中必要生物

44、群落造成損害，該食物鏈中的物種又包括了經(jīng)典生物操縱和非經(jīng)典生物操縱中常用的物種，從而實現(xiàn)對水體更加理想的治理效果，實現(xiàn)一種穩(wěn)定有效的全方位立體生態(tài)操作。甚至，引入的食物鏈可以不具備經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱手段中常用的物種，只要這條食物鏈具備消滅導(dǎo)致水體污染物種的功能就可以。3營養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)3.1 碳氮穩(wěn)定同位素比例同位素分析采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測量，樣品的碳氮含量用表示，碳氮穩(wěn)定同位素比例用¦Ä表示：X= (Rsample/ Rstandard -1 1000式中，X是C或N；Rsample代表實驗測得的碳氮穩(wěn)定同位素比，碳穩(wěn)定同位素比是13C/2C，氮的穩(wěn)定同位素比是15N

45、/14N，Rstandard是國際通用標準物的重輕同位素豐度比，值越小表示樣品同位素(13C或15N含量越低，越大表示樣品重同位素(13C或15N含量越高39。3.2 營養(yǎng)級估算大量的研究表明食物網(wǎng)中氮穩(wěn)定同位素含量隨著營養(yǎng)級升高會出現(xiàn)規(guī)律性富集現(xiàn)象，因此物種營養(yǎng)級高低可以用氮穩(wěn)定同位素來表征。利用穩(wěn)定同位素計算生態(tài)系統(tǒng)中消費者的營養(yǎng)級，一般采用食性簡單的初級消費者作為基線（baseline）生物。消費者營養(yǎng)級位置計算公式為40-41：=（15Nconsumer 15Nbaseline）/15N+2其中：表示營養(yǎng)級，15Nconsumer表示所求物種氮穩(wěn)定同位素含量，15Nbaseline表示

46、基線生物氮穩(wěn)定同位素含量，15N表示氮營養(yǎng)級富集度，一般取3.840。3.3 營養(yǎng)結(jié)構(gòu)研究與生物操縱生物操縱技術(shù)就是人為地控制水體生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動。C、N、P等營養(yǎng)物質(zhì)被生物體同化為自身物質(zhì)，脫離水體，使得水體變清澈，最終以水產(chǎn)品形式真正脫離水體。再者就是被生物鏈取食部分營養(yǎng)物質(zhì)，臨時脫離水體滯留在生物體內(nèi)，導(dǎo)致水體營養(yǎng)物質(zhì)減少。當然，這部分營養(yǎng)物質(zhì)除了部分被同化，剩余部分作為廢棄物重新排放到水體中，而這重新排放出來的廢棄物可以被生物鏈中其他相關(guān)生物再取食，再次進入到食物鏈滯留之中，而這些生物產(chǎn)品最終也被定量捕撈成為健康的綠色食品，如此循環(huán)，導(dǎo)致水體營養(yǎng)物質(zhì)維持在一個穩(wěn)定水準之間。最后，生

47、物鏈物質(zhì)循環(huán)所產(chǎn)生的一部分碎屑會沉降到底土中，最終被氧化為磷酸二氫鈣固定下來，成為綠色植物營養(yǎng)物質(zhì)，回歸成為初級生產(chǎn)力。因此，用來控制水體的生物鏈越長，在水體營養(yǎng)承載范圍內(nèi)水生動物數(shù)量越多固定住的營養(yǎng)物質(zhì)就越多，水質(zhì)就越好。當然，水質(zhì)變好了，營養(yǎng)物質(zhì)減少了，水生動植物數(shù)量也可會下降。生物操縱前中后各種水生動物生態(tài)位的變化，食性變化，營養(yǎng)級也會變化。不同季節(jié)中，食物網(wǎng)中的相互作用本身就是不同的。春天，浮游動物多，以陸源碎屑為食物，如果數(shù)量太多會產(chǎn)生休眠卵，以浮游動物為食物的魚類就大量繁殖。春后夏初，繁殖厲害，各個物種相互作用大。夏天，溫度高，藻類和水草量很大，碎屑很多，這會導(dǎo)致草食性和碎屑食性魚

48、類大量增加。秋季，很多初級生產(chǎn)者開始腐爛，各物種也會在生理上開始調(diào)整，食物的選擇也會相應(yīng)變化。冬天浮游生物減少，相關(guān)食性的生物就必須取食其他食物，那么它的營養(yǎng)層次就會變化。四季的初級生產(chǎn)力不一樣，產(chǎn)卵季節(jié)不一樣，幼體生物量不一樣，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)均有變化。生物操縱的對象就是生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的流動或說物質(zhì)、能量流動，研究生態(tài)系統(tǒng)中物種的營養(yǎng)級、營養(yǎng)層次和相互間的攝食關(guān)系是研究生物操縱所產(chǎn)生效益的量化途徑。舉一個類似研究的例證，Mangaliso等人42從馬拉維湖中養(yǎng)殖箱內(nèi)外進行采樣，采取相關(guān)的各個物種樣品，包括各種養(yǎng)殖魚、養(yǎng)箱外圍因為養(yǎng)殖魚產(chǎn)生的糞便等廢棄物而聚集的魚種、飼料、糞便、浮游動植物以及各種

49、藻類的樣品進行研究養(yǎng)箱附近各個物種的相互關(guān)系得出如下結(jié)論：糞便及其魚食碎屑等可以成為養(yǎng)箱附近其他魚種的營養(yǎng)來源；養(yǎng)箱上附著的藻類以及湖底初級生產(chǎn)者都吸收了來自養(yǎng)箱的C、N源營養(yǎng)；在養(yǎng)箱及其附近取得的樣品和一定距離外的參照組取得的樣品進行對比分析，C、N同位素含量有明顯不同；沉降到湖底的養(yǎng)殖廢棄物，由于其他物種的取食以及水流的沖擊，導(dǎo)致了C、N營養(yǎng)含量下降；底棲無脊椎軟體動物是一種理想的環(huán)境指示生物，這是因為其移動能力差，幾乎是定點生存的，但由于廢棄物以及它們本身受到海流以及其他生物影響，所以其指示能力得到折中；這網(wǎng)箱建立前后所取樣品的穩(wěn)定同位素含量有著很大的不同。魚類胃含物分析與穩(wěn)定同位素分析

50、都是生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)研究中的重要的手段。隨著近年來穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)胃含物分析法逐漸顯示出了其干擾性大無法定量等不足之處。而作為生態(tài)研究中的一種新興技術(shù)的穩(wěn)定同位素分析技術(shù)除卻解決了胃含物分析法的不足之處，還顯示出更高的準確性、先進性、可發(fā)展性等優(yōu)勢。根據(jù)劉恩生45對生物操縱的分析，生物鏈控制水庫富營養(yǎng)化和調(diào)節(jié)水質(zhì)原理：N，P等營養(yǎng)物質(zhì)的富集是造成水體富營養(yǎng)化水質(zhì)差的根本原因，所以用生物鏈來進行生物操縱，控制和優(yōu)化水體，就是針對N，P等營養(yǎng)物質(zhì)進行的。所以通過相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)的穩(wěn)定同位素測量來評估生物操縱的效益具有前瞻性的意義，對于促進生物操縱技術(shù)的深入研究有重要意義。王玉玉等指出穩(wěn)定碳、

51、氮同位素比率分析是研究生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的一種有效方法44。顏云榕等對比研究了用穩(wěn)定同位素方法和傳統(tǒng)胃含物方法分析北部灣帶魚的餌料組成、營養(yǎng)級和攝食習(xí)性的結(jié)果43。萬祎等人利用碳氮穩(wěn)定同位素分析渤海灣食物網(wǎng)主要生物種的營養(yǎng)層次。15N值范圍為4.0813.98，富集因子為3.8；13C值范圍為-25.38-11.08，富集現(xiàn)象不明顯41。第2章 青草沙水庫立體復(fù)合生態(tài)操縱池塘水生動植物的同位素特征前言穩(wěn)定同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究中是一種很重要的手段。消費者的碳穩(wěn)定同位素比值與其食物的碳穩(wěn)定同位素比值接近，因此碳同位素比值可以用來研究物種的食物來源46；而氮同位素比值與其攝食種的氮同位素比值

52、有著明顯的變化，因此氮穩(wěn)定同位素比值可以用來研究營養(yǎng)級和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)42,47-49。 2006年在中國工程院的提議下，青草沙成為上海市重要的水源地。改變了上海自來水80%以上源于黃浦江的格局，解決了上海市部分用水問題。為了增強水源地水體富營養(yǎng)化風(fēng)險防控，2011年模擬青草沙水庫特征在庫區(qū)西北角建立了面積達16500m2的生態(tài)操作實證基地（圖2-1），利用立體復(fù)合生態(tài)操縱技術(shù)進行生態(tài)恢復(fù)。以種植沉水植物為中心，兼放養(yǎng)各種魚類，以典型和非典型兩種生物操縱方法，進行水質(zhì)控制，以達到凈化水質(zhì)的效果。以種植沉水植物為中心，兼放養(yǎng)各種魚類，以典型和非典型兩種生物操縱方法，進行水質(zhì)控制，以達到凈化水質(zhì)的效果。

53、實證基地樣板池沉水植物群落在2012年4月份以后，形成了苦草-狐尾藻群落，覆蓋度在60%以上，由于狐尾藻長勢比較旺盛，生物量較大，對苦草的生長產(chǎn)生了一定的遮蓋作用。同時，在2012年的6-9月份，放養(yǎng)了大量的濾食性魚類、貝類、底棲動物以及肉食性魚類等進行經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱的混合模式調(diào)節(jié)。這里必須指出的是，青草沙實證基地中的各種動植物多數(shù)為人工放養(yǎng)，少量為水庫進水時帶入，但從來不喂食，放養(yǎng)的目的就是為了構(gòu)建盡量自給自足的人工生態(tài)系統(tǒng)，凈化水質(zhì)。本研究旨在探討生物操縱技術(shù)使用后的青草沙實證基地的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，以便為其他生物操縱水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供對比參考。圖2-1青草沙實證基地樣板池塘位置圖Fig.

54、2-1 Location of Qingcaosha empirical reservoir 1材料方法1.1樣品采集于2012年10月，在青草沙實證基地水庫有代表性得選取了多個采樣點，對水草以及實證基地樣板池中的各種魚類以及底棲軟體動物和爬行動物進行采樣，采集種類如下：魚類包括鯽魚，黃顙魚，蝦虎魚，鳊魚，大麥穗魚，鰱魚，紅鰭鲌，棒花魚，小麥穗魚，油餐。沉水藻類包括狐尾藻，苦草。底棲生物包括環(huán)棱螺，河蜆等。1.2樣品處理1）組織選?。篴.魚類：將做好種類鑒定后的魚類側(cè)線上方背鰭下方鱗片刮凈，用手術(shù)刀小心切開表皮并去除表皮。然后取皮下小塊肌肉，注意魚肉不能含有魚刺、血絲和魚皮，取出后用蒸餾水沖洗

55、，裝入實驗袋中，做好標記。b.螺類：先用清水喂養(yǎng)一個晚上。然后用清水將螺體表面清洗干凈，去除螺類的外殼，用手術(shù)刀取下其腹足，用蒸餾水清洗，裝袋并做好標記。c.沉水植物：用清水漂洗，然后取枝葉中部，用蒸餾水清洗后裝袋，做好標記。d.蝦蟹類：蝦直接去軀干，去除外殼后用蒸餾水清洗裝袋，做好標記；蟹取大鰲里面的肌肉組織，用蒸餾水清洗后裝袋，做好標記。2）冷凍干燥冷凍干燥采用冷凍干燥機于-50¡æ下進行。不需要酸化，干燥時間為二十四小時。經(jīng)過干燥處理后的樣品基本保持脫水狀態(tài)。3）研磨處理將以上冷凍干燥后的樣品，先用研缽磨成粉末，然后過100目篩，得到樣品粉末，量在900-1100微克

56、之間，這樣便于實驗儀器分析。研磨過后的樣品粉末按照先前的標記逐個裝入離心管內(nèi)，用于下一步的儀器分析。1.3穩(wěn)定同位素分析1.3.1儀器使用樣品包裝后送入ISOPRIME 100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜(Isoprime Corporation, Cheadle, UK和vario ISOTOPE cube元素分析儀(Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau, Germany測定碳、氮穩(wěn)定同位素含量。1.3.2碳氮穩(wěn)定同位素比值碳、氮穩(wěn)定同位素值分別以國際通用的標準物質(zhì)peeDee石灰?guī)r中的碳和大氣氮作為參考標準，結(jié)果以¦ÄC和¦Ä

57、N值形式來表示。¦ÄC和¦ÄN以下面的公式進行計算：¦ÄX= (Rsample/ Rstandard -1 1000式中，X指C或者N，R表示C /C或者N/N的比值。¦ÄX值越小表示樣品同位素(13C或15N含量越低，越大表示樣品重同位素(13C或15N含量越高39-40。1.3.3營養(yǎng)級計算公式中，TL表示所計算生物的營養(yǎng)級，分子前項表示為樣品消費者氮穩(wěn)定同位素比值，后一項則表示標準生物的氮穩(wěn)定同位素比值，分母為營養(yǎng)級的富集度，富集度的值為3.840。2結(jié)果2.1 青草沙實證基地樣品穩(wěn)定同位素含量由穩(wěn)定同位素分

58、析儀測定并計算得出青草沙實證基地物種穩(wěn)定同位素數(shù)值如下表: 表2-1：青草沙實證基地池塘物種穩(wěn)定同位素值Tab.2-1: the stable isotope values of species in pond of Qingcaosha empirical reservoir物種13C15N營養(yǎng)級穗狀狐尾藻 Myriophyllum spicatum（MS）-13.601.771.00苦草Vallisneria natans (Lour. Hara（VN）-18.143.801.60銅銹環(huán)棱螺Bellamya aeruginosa（?。˙AS）-18.623.991.65黃蜆Corbicula