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        基于食物鏈動(dòng)態(tài)平衡的金澤水庫(kù)魚類群落水質(zhì)凈化調(diào)控技術(shù)

        2020-12-18 02:32:20朱宜平陳立婧周旭捷
        凈水技術(shù) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:營(yíng)養(yǎng)生物

        朱宜平,陳立婧,周旭捷

        (1. 上海城投原水有限公司,上海 200125;2. 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,上海 201306)

        1 研究背景

        生物調(diào)控是水庫(kù)水質(zhì)調(diào)控技術(shù)的一種,魚類是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要生物因子之一,能夠維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定,并在一定程度上減輕水體氮磷營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷[1-2]。實(shí)施科學(xué)合理的魚類調(diào)控對(duì)水庫(kù)水質(zhì)具有一定的改善作用,在一定范圍內(nèi),魚產(chǎn)量穩(wěn)定并具有一定蘊(yùn)藏量,能對(duì)水質(zhì)起到良好的保護(hù)作用。

        水體富營(yíng)養(yǎng)化容易造成藻類大規(guī)模暴發(fā),影響水質(zhì)安全。1989年,Xie等[3]提出了廣受關(guān)注的“非經(jīng)典生物操縱”理論,即通過投放濾食性魚類鰱、鳙魚,直接攝食水體中的藻類,從而控制藻類水華。由于鰱、鳙魚具有特殊的濾食器官,能攝食絲狀藻類或形成群體的藻類,且對(duì)藍(lán)藻毒素有較強(qiáng)的耐受性,通過放養(yǎng)鰱、鳙魚,能有效抑制藻類生長(zhǎng)與繁殖,控制藻類水華[4-5]。

        為了使非經(jīng)典生物操縱具有明顯的控制藻類水華的效果,要保證鰱、鳙魚對(duì)藻類的攝食利用率高于藻類的增殖速率。因此,每個(gè)水體都要根據(jù)自身情況,尋找一個(gè)合適的鰱鳙生物量臨界閾值[6]。在淺水水域中,鰱、鳙魚放養(yǎng)密度以50 g/m3為宜,主要放養(yǎng)鰱魚,鰱鳙比例控制在7∶3左右,并通過捕撈,能夠有效控制富營(yíng)養(yǎng)化[7]。在武漢東湖,為了有效抑制水華的發(fā)生,鰱、鳙魚的放養(yǎng)閾值為46~50 g/m3[8-9]。Kajak等[10]研究發(fā)現(xiàn),鰱魚放養(yǎng)密度在30~90 g/m3時(shí),Warniak湖中的藻類數(shù)量大幅下降。在深水水域中,適當(dāng)加大鰱、鳙放養(yǎng)密度,同時(shí)增加鳙魚數(shù)量,會(huì)加強(qiáng)藻類控制效果[11]。陳來(lái)生等[12]在千島湖曾進(jìn)行的圍網(wǎng)養(yǎng)殖試驗(yàn),在鰱鳙放養(yǎng)50萬(wàn)kg以上,鰱鳙放養(yǎng)比例為1.5∶1,經(jīng)過3年的試驗(yàn),水華消失。

        運(yùn)用鰱鳙魚非經(jīng)典生物操縱抑制藻類水華已在東湖、巢湖[13]、月湖[14]、千島湖等地取得成功。金澤水庫(kù)水域面積小,水力停留時(shí)間短,取水水質(zhì)受流域影響大,庫(kù)內(nèi)藻類主要來(lái)源于外界,利用鰱鳙魚濾食作用控制藻類具有一定的可行性,但需根據(jù)水庫(kù)生態(tài)學(xué)特點(diǎn),制定相應(yīng)的鰱、鳙放養(yǎng)措施。

        2 研究?jī)?nèi)容

        2.1 金澤水庫(kù)魚類群落基本情況

        金澤水庫(kù)共調(diào)研到魚類種類29種,根據(jù)食性可分為濾食性、肉食性、雜食性和草食性。由表1可知,四種食性類型在數(shù)量上變化較大,2017年肉食性魚類數(shù)量最多,2018年濾食性魚類數(shù)量最多,2019年雜食性魚類數(shù)量最多;但從重量上看,濾食性魚類占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),2017年—2019年濾食性魚類重量占比分別為89.42%、89.64%和83.90%,這主要因?yàn)闉V食性魚類是鰱魚和鳙魚,體型較大;綜合來(lái)看,濾食性魚類相較于其他食性占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

        表1 金澤水庫(kù)魚類數(shù)量和重量百分比Tab.1 Number and Weight Percentage of Fishes in Jinze Reservoir

        由圖1可知,在2019年之前,李家蕩與烏家蕩之間設(shè)置了圍網(wǎng),由于圍網(wǎng)的阻隔作用,2017年和2018年魚群多集中在李家蕩,僅有小部分魚類可能從破損的圍網(wǎng)中進(jìn)入烏家蕩。2019年,由于圍網(wǎng)的拆除,魚群明顯向?yàn)跫沂幰苿?dòng)聚集。

        圖1 金澤水庫(kù)魚群分布情況Fig.1 Fishes Distribution in Jinze Reservoir

        2.2 魚類管理措施

        金澤水庫(kù)自太浦河取水,太浦河連接太湖,近年來(lái),東太湖TP濃度升高,藻密度也呈上升趨勢(shì)[15]。因此,現(xiàn)階段金澤水庫(kù)面臨的主要問題是太浦河來(lái)水營(yíng)養(yǎng)鹽含量高、藻密度大。在難以控制污染源的情況下,可以采取增加藻食生物的方式控制藻類水華,而鰱、鳙魚是典型的濾食性魚類,可直接濾食浮游植物和浮游動(dòng)物。研究表明,要使鰱、鳙魚發(fā)揮控藻作用,抑制藻類的繁殖,需確保水體中具有足夠的鰱鳙魚量[16]。由于鰱、鳙魚自行繁殖需較高的流速(1.0~1.5 m/s),在湖泊、水庫(kù)中需人工投放鰱鳙魚苗,其投放量應(yīng)根據(jù)水體中供餌能力來(lái)確定[17]。

        如果不大量移走魚類,營(yíng)養(yǎng)鹽只是從湖泊的一個(gè)營(yíng)養(yǎng)庫(kù)暫時(shí)地轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)營(yíng)養(yǎng)庫(kù),而這些營(yíng)養(yǎng)鹽的一部分肯定將再循環(huán)及被后續(xù)的光合生產(chǎn)再利用。鰱、鳙魚生長(zhǎng)速度快,易于捕撈,適時(shí)捕撈可從水體中去除大量營(yíng)養(yǎng)鹽。由表2可知,金澤水庫(kù)鰱魚從2齡長(zhǎng)到3齡,體重增長(zhǎng)最多,為673 g,體長(zhǎng)增長(zhǎng)了10.4 cm;同樣的,鳙魚也是從2齡長(zhǎng)到3齡體重增長(zhǎng)最多,為938 g,體長(zhǎng)增長(zhǎng)了7.2 cm。因此,金澤水庫(kù)鰱、鳙魚從2齡長(zhǎng)到3齡,生長(zhǎng)加速度最大,3齡以后體重增長(zhǎng)減緩,對(duì)藻類的濾食率也比小于3齡的魚類降低。金澤水庫(kù)鰱鳙魚3齡后可以開始捕撈,此時(shí),鰱魚平均規(guī)格為體長(zhǎng)36.8 cm,體重約為1 100 g,鳙魚平均規(guī)格為體長(zhǎng)42.8 cm,體重約為2 800 g。

        2019年12月前,水庫(kù)魚類捕撈采用的是分散式捕撈的方法,每月用絲網(wǎng)、地籠網(wǎng)的方式小規(guī)模捕撈,捕撈的魚類數(shù)量少,規(guī)格參差不齊(表3)。2019年底在水庫(kù)投放鰱鳙前進(jìn)行了大規(guī)模捕撈,能夠?qū)⒊^生長(zhǎng)拐點(diǎn)的鰱鳙集中捕撈上來(lái),捕撈的效果得到提升,因此,集中捕撈是水庫(kù)經(jīng)過對(duì)比后改進(jìn)的捕撈方式。

        表2 金澤水庫(kù)鰱、鳙魚生長(zhǎng)情況Tab.2 Growth of Silver Carp and Bighead Carp in Jinze Reservoir

        表3 金澤水庫(kù)魚類捕撈情況Tab.3 Fisheries in Jinze Reservoir

        2.3 水庫(kù)藻密度變化情況

        圖2 金澤水庫(kù)進(jìn)出水藻密度Fig.2 Inlet and Outlet Algae Density in Jinze Reservoir

        調(diào)查了2017年—2019年水庫(kù)進(jìn)水口和出水口的藻密度,結(jié)果如圖2所示。金澤水庫(kù)藻類屬于外源輸入型,藻類主要來(lái)自太浦河,進(jìn)水口藻密度大。與進(jìn)水口相比,除2018年,出水口藻密度呈下降趨勢(shì):出水口2017年和2019年下降比例分別為14.12%和27.71%;按3年的平均值來(lái)看,水庫(kù)進(jìn)水口藻密度為855.61萬(wàn)cells/L,出水口藻類密度786.05萬(wàn)cells/L,出水口藻密度較進(jìn)水口總體下降了11.63%。根據(jù)研究,水庫(kù)西北角和東岸是庫(kù)區(qū)的高藻區(qū)域,由魚群分布情況(圖1)可知,魚類聚集區(qū)域也主要是在水庫(kù)高藻區(qū)域,這是因?yàn)闉V食性魚類會(huì)向藻類聚集區(qū)域移動(dòng)濾食藻類,結(jié)合水庫(kù)進(jìn)出水藻密度變化情況,鰱、鳙魚調(diào)控措施在控藻上起到了積極的作用,但是需物理、化學(xué)和生物技術(shù)(有益菌、水草、控藻魚)的協(xié)同。

        2.4 金澤水庫(kù)生態(tài)變化

        2.4.1 生物多樣性

        采用香農(nóng)威爾指數(shù)(H)和均勻度指數(shù)(J)評(píng)估水庫(kù)生物多樣性。如表4和表5所示,出水口浮游植物與浮游動(dòng)物生物多樣性均高于進(jìn)水口,浮游植物香農(nóng)威爾指數(shù)3年平均提升了25%,均勻度指數(shù)提升了27%,浮游動(dòng)物香農(nóng)威爾指數(shù)3年平均提升了23%,均勻度指數(shù)提升了26%,說明金澤水庫(kù)的各項(xiàng)調(diào)控措施能夠提高生物多樣性,且各物種的密度值分布更均勻。

        表4 金澤水庫(kù)浮游植物生物多樣性Tab.4 Phytoplankton Biodiversity in Jinze Reservoir

        表5 金澤水庫(kù)浮游動(dòng)物生物多樣性Tab.5 Zooplankton Biodiversity in Jinze Reservoir

        2.4.2 能量和生物量金字塔

        由圖3可知,金澤水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)的能流主要在4個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間流動(dòng),沉水植物、底棲藻類、浮游植物和碎屑完全占據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)I;淡水寡毛類、水生昆蟲和浮游動(dòng)物完全占據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)II,鲴魚、鰱魚、鳊魚和一些其他魚類主要占據(jù)了營(yíng)養(yǎng)級(jí)II;所有魚類均部分占據(jù)了營(yíng)養(yǎng)級(jí)III;占據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)IV的主要為鲌類(翹嘴紅鲌),少量鯰魚、鱖魚和長(zhǎng)吻鮠也占據(jù)了營(yíng)養(yǎng)級(jí)IV。由表6可知,除2017年,水庫(kù)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量的分布呈金字塔型,即占據(jù)底層營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物其生物量最大,逐級(jí)依次減小。

        圖3 金澤水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)分布Fig.3 Trophic Level Distribution in Jinze Reservoir

        表6 金澤水庫(kù)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量(單位:萬(wàn)kg)Tab.6 Biomass of Each Trophic Level in Jinze Reservoir (Unit:104 kg)

        實(shí)施魚類生物調(diào)控,大量放養(yǎng)的鰱、鳙魚直接增加了金澤水庫(kù)第II 營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量和在整個(gè)食物網(wǎng)中的比例,使得金澤水庫(kù)中的小雜魚生物量減少,而鲌類等生物量增加,各種魚類的捕食者和食餌生態(tài)位重疊指數(shù)下降。各主要魚類的相互作用中,鰱、鳙對(duì)鲌的促進(jìn)作用增強(qiáng),鲌對(duì)鯽、麥穗魚和刀鱭等以及刀鱭對(duì)浮游動(dòng)物的抑制作用減弱,鳙對(duì)浮游動(dòng)物的抑制作用增強(qiáng)。這些影響,使金澤水庫(kù)食物鏈結(jié)構(gòu)更趨合理。

        3 關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 水庫(kù)生物資源調(diào)查

        針對(duì)水生物種類組成、數(shù)量變動(dòng)和生物生產(chǎn)力等方面進(jìn)行調(diào)查和研究,掌握天然餌料生物和魚類的年際變動(dòng)情況,估算漁產(chǎn)潛力。

        3.2 選擇適當(dāng)?shù)聂~類

        對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽含量高、藻密度大的水體,在難以控制污染源的情況下,可以采取增加藻食生物的方式控制藻類水華,鰱、鳙是典型的濾食性魚類,可直接濾食藻類,適用于金澤水庫(kù)。為了確保放養(yǎng)魚類的成活率,需對(duì)兇猛魚類進(jìn)行控制。兇猛魚類控制后,可以考慮投放一部分鲴魚類,能夠加速水體營(yíng)養(yǎng)物循環(huán),從而凈化水質(zhì)[16]。

        3.3 保持一定密度的鰱、鳙魚生物量

        要使鰱、鳙魚發(fā)揮控藻作用,抑制藻類的繁殖,需確保水體中具有足夠的鰱鳙魚量[16],一般鰱、鳙資源量需在漁產(chǎn)潛力的30%以上,在淺水水域以放養(yǎng)鰱魚為主。根據(jù)目前金澤水庫(kù)的漁產(chǎn)潛力、營(yíng)養(yǎng)鹽及藻類情況,至少需保留鰱、鳙魚10萬(wàn)kg,鰱鳙放養(yǎng)比例為5∶1,放養(yǎng)規(guī)格約為300~500 g/尾。

        3.4 定期捕撈鰱、鳙魚,降低營(yíng)養(yǎng)庫(kù)存

        鰱、鳙魚生長(zhǎng)速度快,易于捕撈,通過捕撈超過生長(zhǎng)加速度最大值的鰱、鳙魚,可從系統(tǒng)中移走大量營(yíng)養(yǎng)鹽。金澤水庫(kù)鰱、鳙魚從2齡長(zhǎng)到3齡,生長(zhǎng)加速度最大,3齡以后體重增長(zhǎng)減緩,對(duì)藻類的濾食率降低。因此,金澤水庫(kù)鰱、鳙魚3齡后可以開始捕撈,此時(shí)鳙魚類平均規(guī)格:體長(zhǎng)為42.8 cm,體重約為2 800 g;鰱魚類平均規(guī)格:體長(zhǎng)為36.8 cm,體重約為1 100 g。

        4 總結(jié)與展望

        目前,通過放養(yǎng)鰱、鳙魚,進(jìn)行魚類水質(zhì)凈化調(diào)控在金澤水庫(kù)取得了良好的效果,一方面水庫(kù)出水藻密度降低,魚類控藻效果良好;另一方面,庫(kù)內(nèi)生物多樣性提升,食物鏈結(jié)構(gòu)趨于合理,有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。今后,也將根據(jù)水庫(kù)生物資源的變化情況,不斷地對(duì)魚類水質(zhì)凈化調(diào)控措施進(jìn)行優(yōu)化,確保其發(fā)揮良好的調(diào)控效果。

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