白洋淀大型底栖动物群落恢复方案研究

白洋淀大型底栖动物群落恢复方案研究

大型底栖动物主要指生活在水下的无脊椎动物组，能够通过暴露于眼中的水和视数（可通过500m）m来观察。湖泊生境状况与底栖动物群落息息相关。文献报道，生境水体溶解氧浓度、水温、底质粒径和氮磷营养盐等影响大型底栖动物群落的生长和发育白洋淀作为雄安新区的重要组成部分，是大清河水系重要的水量调节枢纽，是维持京津冀地区生态平衡的重要水体。从20世纪80年代开始，由于干旱以及人类活动等原因，白洋淀湖泊出现干涸，淀区数量锐减，淀区湿地面积减少了近1/3,淀区水质以Ⅳ和Ⅴ为主。1980—2010年间人类活动的加剧导致白洋淀底栖动物种类减少，优势种主要以耐污种为主，生物多样性降低样本收集和分析1.1采样点布点概况本研究对2010年和2018年白洋淀大型底栖动物、鱼类、沉水植物、浮游植物、浮游动物和底栖藻类等生物样品进行采集。2018年的数据来自春季(4月)、夏季(7月)和秋季(11月)白洋淀本土调研，共20个采样点。布点区域主要分布于白洋淀北部和中部以南开阔水面。西部藻苲淀区干涸化，东部及西部以南地区为围堤围捻和鱼塘，故不进行采样布点。主要采样点点位如图1所示。2010年的数据来自文献调研大型底栖动物、鱼类、沉水植物、浮游植物、浮游动物和底栖藻类等生物样品数据的采集和获取均参考《湖泊富营养化调查规范》1.2数据的统计学分析1.2.1大小根的优势大型底栖动物群落特征采用优势度指数进行分析。通过计算物种优势度指数，确定底栖动物的优势种。当(1)式中：1.2.2基于此在郭思雅等1.2.2.功能群的输入与输出Ecopath模型运用热力学原理，使生态系统中功能群的输入与输出保持平衡。Ecopath模型涉及到了物质平衡与能量平衡2种核心方程，最终得到方程式：×(式中：1.2.2.模型主要生态属性的确定Ecopath模型的构建，包括建立了包含12个功能组：(1)游藻类、(2)底栖藻类、(3)大型沉水植物、(4)浮游动物、(5)其他底栖动物、(6)螺、(7)虾、(8)草食性鱼类、(9)杂食性鱼类、(10)肉食性鱼类、(11)滤食性鱼类和(12)碎屑。各功能组的生物量的数据通过现场采集与历史数据收集等，确定模型相应参数。生产/生物量(1.2.2.存量与需求的比例生态效率(EE)是指在生态系统内(通过食物网传递)种群生产量与消费量(或渔业捕获)之间的比例。EE值域为0～1,EE>1表示输入参数在理论上不可行。当EE无法通过现场测量或经验关系来估计时，可用EwE模型中的其他参数计算1.2.2.其他大小的丰度关键物种指在生态系统和食物网中具有关键作用的种类，并且其影响的大小和其自身的丰度并不一定成比例。Ecopath模型中关键度指数的计算采用的是Libralato等KS(4)(5)式中：1.2.2.ath模型原理在生物量管理过程中，现有生态系统特定物种的生态容量是一个关键的调控指标。根据Ecopath模型原理，对食物网中任意功能组的生物量进行调整，会改变食物网中与之相关的功能组生态营养效率EE及其他生态系统参数。在食物网模型平衡的基础上，调整该功能组的生物量，直至模型中任意功能组的EE≥1,模型不平衡，此时该功能组的生物量即为此功能组的生态容量1.2.2.成熟程度的测度基于Ecopath模型的生态系统总体特征参数主要包括总系统初级生产/呼吸(TPP/TR)、连接指数(CI)、系统杂食指数(SOI)和Finn’s循环指数(FCI)。其数值主要通过Ecopath模型得出。其中，TPP/TR是一个描述系统成熟程度的重要比率。这个比值可以是任意的正数，也可以是无穷小的值。在系统发展的初级阶段，生产量超过呼吸量，导致其>1;当系统遭受有机污染时该比例会<1;最终在成熟的系统中比例接近于1,这时固定的能量和用于维持的消耗基本持平。CI和SOI反映了生态系统内部联系的复杂程度。CI和SOI越高，系统越稳定。FCI是系统中循环流量与总流量的比值，表明有机物流转的速度。结果和讨论2.1底栖动物优势种组成底栖动物恢复物种的确定主要考虑：(1)所选恢复物种为当地现存物种，适应能力强，在群落受损后能迅速恢复为原来的群落，且无外来入侵的隐患。(2)所选恢复物种应为底栖动物群落的优势种和关键种。该类物种对底栖动物群落结构影响较大，且与其他底栖生物关系密切，通过恢复该类物种有利于维持底栖生态系统的稳定。白洋淀2018年共鉴定底栖动物5类21种，包括甲壳动物、软体动物、寡毛类、蛭类和昆虫类。其中，软体动物和昆虫类的种类最多。优势度计算结果表明，春季底栖动物优势种有6种，为中国圆田螺、中华圆田螺、梨形环棱螺、日本沼虾、中华米虾和克氏螯虾，分别隶属软体动物和甲壳动物；夏季优势种有5种，为箭蜓、中国圆田螺、中华圆田螺、大红德永摇蚊和羽摇蚊，分别隶属昆虫类和软体动物；秋季优势种有4种，为中华圆田螺、大红德永摇蚊、羽摇蚊和拟摇蚊，分别隶属软体动物和昆虫类(表1)。因此，2018年底栖动物优势种春季为软体动物和甲壳动物，夏季和秋季为软体动物和昆虫类动物。根据全年各季节底栖动物出现的频次可知，以出现频次为2～3次作为全年主要优势物种，全年底栖动物主要优势物种为中华圆田螺、中国圆田螺、羽摇蚊和大红德永摇蚊(表3)。对比2007—2015年底栖动物的优势种组成(表2)利用Ecopath模型计算2010年和2018年白洋淀关键物种KS指数(图2),通过比较不同年份底栖动物的关键性指数，发现2010年：软体动物>其他底栖动物>甲壳类；2018年：软体动物>甲壳类>其他底栖动物。因此，软体动物为2010年和2018年主要的关键功能组。综合考虑白洋淀底栖动物的关键种和优势种，恢复物种主要选择软体动物、摇蚊幼虫和甲壳动物3类。2.2洋淀大型底栖动物恢复种大型底栖动物的恢复方式主要结合大型底栖动物的迁移习性和生长习性特征(表4)根据大型底栖动物优势种和关键功能组计算结果，白洋淀大型底栖动物恢复种以虾类甲壳动物、螺类软体动物和昆虫类摇蚊幼虫为主，需要讨论其恢复方式和基本生境需求等。研究发现，甲壳动物的迁移能力最强，螺类软体动物次之。摇蚊昆虫类动物幼年较弱，成年后与甲壳动物相当。一般大型底栖动物生长适宜温度不超过30℃。大型底栖动物中软体动物溶解氧(DO)需求不低于3.5mg·L因此，提出白洋淀不同迁移能力底栖动物的恢复方式如下：(1)摇蚊属植物该类大型底栖动物的迁移能力较弱，对栖息地的依赖性较强，容易因栖息地破坏而遭到严重破坏。但该物种成长成摇蚊后具有极强的飞翔能力，只要底质适宜，可以快速恢复。该类大型底栖动物一般以自然恢复为主。(2)饲养管理及投加螺类该类大型底栖动物迁移能力适中，少数底栖动物能通过迁移避免栖息地破坏带来的影响，群落受损程度中等，以人工恢复为主。因此，软体动物采取人工投加的方式进行恢复，依照少量多次的原则投加。恢复时间宜在夏季或秋季。恢复前须满足的生境条件为：①投加螺之前沉水植物生长较稳定(种植1个月左右);②溶解氧达到4～5(3)人工投加的原则该类底栖动物的迁移能力较强，多数底栖动物能通过迁移避免栖息地破坏带来的影响，对群落整体影响较小，一般以自然恢复为主。但是当采取围挡且完全封闭的施工方式时，主要依照少量多次的原则进行人工投加。恢复时间宜在夏季。恢复前须满足：①沉水植物生长迅速稳定，且沉水植物覆盖率在20%～60%(约1个月左右)2.3投加量的确定根据大型底栖动物优势种和关键功能组计算结果，已经确定螺类软体动物为恢复的关键物种，其恢复方式为人工投加，因此需要详细讨论其投加量。在进行大型底栖动物恢复时，首先需要调研恢复区大型底栖动物、鱼类、沉水植物、浮游植物、浮游动物和底栖藻类等生物样品的生物量，建立食物网模型，计算关键种软体动物螺类的生态容量。根据2018年沉水植物、大型底栖动物调研生物量、工程经验值和食物网模型确定的生态容量(表5)2.4食物网模型的应用底栖动物优化调控方案的主要思路是通过调研、食物网模型情景分析进行优化调控。具体方案流程如图3所示。湖泊底栖动物恢复后，对修复后生态系统的底栖藻类、浮游动物、浮游植物、底栖动物、水生植物和鱼类的生物量进行采样调研。通过Ecopath模型模拟修复后生态系统，计算模型总体特征参数(包括TPP/TR、CI和SOI等),与修复前建立的Ecopath模型的总体特征参数进行对比。若生态系统成熟指标TPP/TR增加、CI和SOI等指标减小，则认为生态系统成熟度和稳定性降低，生态系统向逆向演替趋势发展，此时，需要对修复后生态系统进行进一步调控。根据食物网模型进行模拟预测，当投加过剩或过少功能组物种的生物量时，食物网成熟度和稳定性发生变化，通过食物网模拟确定人为投加或捕捞量，促进生态系统顺向发展。若生态系统成熟度指标TPP/TR减小且接近于1,CI、SOI等指标升高，则认为生态系统成熟度和稳定性升高，生态系统向顺向演替趋势发展，则认为此时生态系统修复达到效果，修复完成修复后经过一段时间，需要再次对修复生态系统进行评价反馈调节，继续通过调研分析、情景分析进行优化调控直至生态系统成熟度和稳定性升高，修复完成。本研究于2018年在白洋淀进行大型底栖动物群落调研，根据大型底栖动物习性特征和Ecopath食物网模型建立了受损后大型底栖动物的恢复重建方案。对于受损大型底栖动物的恢复，其关键是突破以往仅以生境修复、优势种经验投加为主的简单大型底栖动物修复思路，将大型底栖动物作为整体食物网的一部分，通过食物网模拟计算，确定大型底栖动物需要恢复的关键物种和生态容量，并在恢复过程中不断优化调控，促进整体生态系统良性发展，防止生态系统的剧烈波动，为安全修复生态系统提供保障。调研发现，软体动物螺类、甲壳动物虾类和摇蚊