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水生生物群落结构完整性对水环境的影响

花匠小妙招
2024-11-04 13:07

水生态系统是生态系统的重要组成,具有物质循环、信息传递、能量流动等基本功能,为人类提供必需的物质资源和生存环境,是人类发展的重要基础[1]. 但近年来,伴随经济社会的高速发展,资源需求急剧上升,带来了水资源过度开发、水污染加剧、水生物种减少等一系列问题,严重损害水生态健康.

人工构建水生生物群落是修复受损水生态系统的有效手段. 水生生物群落是指生长在一定水域中彼此相互作用并与环境有一定联系的不同种类生物的集合体[2]. 一般来讲,水生生物群落中包括水生植物、水生动物、浮游植物、浮游动物、微生物等[3-4]. 健康的水生生物群落结构有利于水生态系统抵抗外来干扰,从被损害状态下恢复原有状态,即群落的稳定性[5-6]. 基于以上原理,科学合理的物种搭配是人工构建水生生物群落修复受损水生态系统的技术核心[7-8].

群落的稳定性与其中的水生动植物等群落要素密切相关. 傅玲等[9]通过在人工构建的植物镶嵌群落中添加营养盐,研究了水体中营养盐的变化情况,表明植物群落类型对不同形态营养盐浓度影响不显著. 目前,在利用群落中关键生物链改善水质、抑制藻类方面的研究取得了重要成果[10-11],但由于水生态系统中水环境因子与水生生物群落相互作用的复杂性,关于人工构建水生生物群落对水环境的综合影响方面仍需要详尽信息.

水生态系统涉及生产者、消费者、分解者,过程涉及植物、动物、微生物等生命因子及水文因子、物化因子、空间因子等非生命因子之间的相互作用,非常复杂[12-14]. 本研究作为水生态系统构建的有益补充,以实际应用为目标,在前人研究的基础上,区别于已有的挺水植物和浮水植物研究,选取了较易控制的鱼蚌动物类和沉水植物类作为生物因子. 本研究通过人工构建水生生物群落,对其中群落要素的种类、密度等进行控制和调整,考察生态系统结构对水质、藻类、浮游动植物三大关键水生态因子的影响,为该项技术在水生态修复中的应用提供支撑.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的水生动植物均为本地常见种类,不存在外来入侵风险,水质净化效果好,易于获得,并且生命力强,易于存活.

1) 试验用水和水质

取自团城湖调节池,用水车运至试验现场,经检测取均值,其中:氨氮(NH3-N)的质量浓度为0.14mg/L;高锰酸钾指数(CODMn)的质量浓度为2.83mg/L;总氮(TN)的质量浓度为2.73mg/L;总磷(TP)的质量浓度为0.01mg/L.

2) 鱼类

鲢鱼和鳙鱼为北京地区常见鱼类,属于滤食性鱼类,对于控制浮游藻类尤其是蓝藻的生长繁殖具有一定作用. 鲢鱼和鳙鱼在繁殖特性上,喜流水产卵,但目前北京地区河湖水体基本都不具备长流水的条件,所以,基本上不能自行繁殖. 因此,鲢鱼和鳙鱼的数量在一定程度上可以通过人工增殖放流和捕捞实现控制. 本次试验使用的鱼类从顺义区某渔场采购,为鲢鱼和鳙鱼的夏花. 采购时2种鱼的个体大小基本相同,体长约33.0mm,质量约0.26g.

3) 贝类

褶纹冠蚌为北京地区常见底栖软体动物,壳大,最大个体壳长可达40.0cm,后背缘伸展成巨大的冠. 栖息于缓流的河流、湖泊及池塘内的泥底或泥砂底. 褶纹冠蚌属大个体淡水贝类,成年个体比三角帆蚌的同龄个体大得多.

4) 沉水植物

狐尾藻和金鱼藻为北京本地常见沉水植物,广泛分布于河道、水库中,适应性强,易于成活,为鱼类、禽类等的喜食种类. 狐尾藻植株粗壮,单株生物量大,植株最高可达200.0cm,分枝较多. 金鱼藻茎细长,长度一般40.0~150.0cm,在生长期中折断的植株可随时发育成新株,可无根生长.

1.2 试验装置

试验装置如图1所示,采用圆柱形塑料桶改装,顶部敞口,安装于可移动支架上,放置在室外,试验桶上方加盖透明塑料板制作的遮阳棚,避免中午阳光暴晒,同时防雨.

使用3个圆柱形试验槽开展试验. 其中2个试验槽直径2.0m,高度2.2m,槽内装水深度1.9m,水体体积为6.0m3,分别记为1号和2号. 1号为高密度系统,2号为低密度系统. 另外一个试验槽直径0.5m,高度1.2m,槽内装水深度1.1m,水体体积1.0m3,作为空白对照,记为0号.

图 1 试验装置

Figure 1. Tested system

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

1) 系统构建

构建2个不同放养密度的水生生态系统.

系统一(高放养密度):鲢、鳙鱼混养,密度为50.0g/m3,褶纹冠蚌密度为2.0g/L.

系统二(低放养密度):鲢、鳙鱼混养,密度为25.0g/m3,褶纹冠蚌密度为1.0g/L.

2个系统采用一种沉水植物密度,狐尾藻密度6.0 株/m2,金鱼藻密度50.0 株/m2.

蚌类上层放养方式及悬挂放养对藻类的控制效果好于底部放养[15]. 本试验中褶纹冠蚌采用水体上层悬挂放养.

2) 试验安排

根据试验进行过程中的水体变化情况和水生动植物的季节分布情况,将试验分为3个阶段.

第1阶段:鱼-河蚌系统试验阶段,试验时间为7月12日—8月18日;向试验桶内加入鲢、鳙鱼和褶纹冠蚌,考察系统对原水水质的维持效果.

第2阶段:水质调节阶段,试验时间为8月19日—29日;向水体加入营养盐和高含藻水,使水质变差,增加TN、TP和藻类浓度,满足下阶段要求.

第3阶段:鱼-河蚌-沉水植物系统试验阶段,试验时间为8月30日—9月24日;在原有鱼-河蚌系统基础上加入沉水植物,考察系统对较差水质的改善效果.

1.3.2 监测方案

试验自7月12日开始,至11月12日结束. 现场监测指标、化学指标和浮游动植物指标在试验初始阶段每天取样1次,之后每隔1d取样1次,再之后每周取样1~2次. 微生物指标在试验结束时测定1次.

现场监测指标:透明度、温度、pH和溶解氧(DO)的质量浓度,现场指标用便携式速测仪器进行测定.

化学指标:CODMn、TN、TP、叶绿素a的质量浓度.

浮游动植物指标:浮游动植物的密度.

2 试验结果与分析

2.1 物理指标

主要分析了透明度的变化,结果如图2所示.

图 2 试验过程中透明度变化

Figure 2. Variation of transparency with testing time

对比3个试验组的透明度可以看到,试验初期,低密度和高密度鱼蚌系统透明度显著降低,7月19—25日分别降至最低值. 分析认为,这一现象可能与鱼蚌加入系统后带来静止水体中沉降物再悬浮、藻类增殖有关. 同时,鱼蚌在新环境适应过程中,滤食作用尚未发挥完全,会将摄入的浮游动植物等以假粪的形式排入水中[16]. 7月25日之后透明度开始明显上升,从7月29日一直到试验结束,透明度清澈见底. 而8月19日氮磷污染物和藻类加入后,空白对照系统透明度下降,与其相比,鱼蚌系统透明度良好,说明鱼蚌系统对于水体的透明度具有较好的改善效果,且在低密度鱼蚌系统即能发挥作用.

2.2 化学指标

2.2.1 pH和ρ(DO)

3个试验组的对比结果见图3. 可以看到,低密度和高密度鱼蚌系统的pH和ρ(DO)变化趋势基本一致,均低于空白对照系统,分析认为这一规律与鱼蚌的代谢活动相关. 研究结果表明:褶纹冠蚌的耗氧率与水中ρ(DO)水平有关,其耗氧速率相对较高. 张许峰等[17]测得的褶纹冠蚌的耗氧速率约为2.3mg/(g·h).

图 3 试验过程中pH和ρ(DO)的变化

Figure 3. Variation of pH andρ(DO) with testing time

鱼蚌系统的pH均低于空白系统,这一规律与前人研究一致[18]. 分析认为,这可能是由于鱼蚌系统中,鱼蚌代谢物的酸化和藻类密度降低造成的. 空白对照系统中,藻类密度较鱼蚌系统高,藻类的光合作用消耗水中CO2,使水体pH趋高.

2.2.2ρ(CODMn)

由图4可知,在试验第1阶段,鱼蚌系统和空白对照系统的ρ(CODMn)差别不大.

图 4 试验过程中ρ(CODMn)的变化

Figure 4. Variation ofρ(CODMn) with testing time

分析认为,这一阶段水质较好,有机污染物质量浓度较低,该阶段控制水质的关键因子是水化学组成本身,鱼蚌系统的代谢作用是水质净化的辅助作用. 该阶段鱼蚌生长速率较缓慢.

在试验的第2阶段,加入TN、TP和藻类后,有机污染物质量浓度上升,可能与藻类的代谢有关. 该阶段鱼蚌系统的ρ(CODMn)低于空白对照系统,系统表明鱼蚌系统可促进水中有机污染物的降解.

在试验的第3阶段,即在鱼和河蚌系统中加入沉水植物后,鱼蚌植物系统的ρ(CODMn)明显低于空白对照系统,说明植物的加入有利于鱼蚌系统的除污染效果,且低密度鱼蚌系统的除污染效果优于高密度系统. 分析认为,这一规律可能与系统内部鱼蚌和植物的组成结构平衡状态有关. 高密度鱼蚌系统中,鱼蚌和沉水植物对营养物质和DO的竞争,带来系统的不平衡,导致其除污染效果不理想. 这也说明,对于污染物的去除,并非生物密度越高越好.

2.2.3ρ(TN)和ρ(TP)

由图5可以看到,在整个试验过程中,3个试验组的ρ(TP)相差不明显.

图 5 试验过程中ρ(TN)和ρ(TP)的变化

Figure 5. Variation ofρ(TN) andρ(TP) with testing time

对于TN,在试验第1阶段,试验开始后,0号组水体ρ(TN)的出现快速降低,而1号组和2号组则降低趋势较缓;试验第3阶段,除9月17日1号组和2号组ρ(TN)极高外,其余时间各组相差不明显.

TN出现上述变化可能与鲢鱼的活动有关. 根据以前鱼类放养试验的研究结果,鲢鱼放入围隔后,会使水体TN的质量浓度升高,因为鲢鱼是一种滤食性鱼类,对食物并没有十分明显的选择性,在摄食过程中会大量过滤水体中的藻类及浮游动物等[19];而其排泄量很大,根据杨红生等[20]的研究,蚌类摄食藻类后向水体排入排泄物,其中含有含氮物质,会在水体中沉积,若蚌密度过高,累积在水体中的排泄物不能得到及时分解,则会造成水体中ρ(TN)出现上升. 因此,综合上述分析,1号组和2号组ρ(TN)降低程度明显小于0号组的原因可能与鱼和蚌的摄食和排泄有关.

2.3 生物指标

2.3.1ρ(叶绿素a)

由图6可知,在试验第1阶段水质较好时,各组叶绿素a值基本相同;第2阶段,向系统中加入营养盐和含藻水后,各组的叶绿素a值会经过先升高后降低的变化过程,但是0组高于1、2组,说明系统对水质具有较好的维持效果.

图 6 试验过程中ρ(叶绿素a)变化

Figure 6. Variation ofρ(Chl-a) with testing time

2.3.2 浮游动物密度

由图7可知,试验过程中,0号组浮游动物密度较高,明显高于1号组和2号组;1号组和2号组相比,2号组浮游动物密度相对较高,1号组最低,与放养鱼类的密度相对应,说明浮游动物密度与鱼类密度有很大关系,鱼类密度越高,浮游动物密度越小. 这与鱼类对浮游动物的滤食作用有关.

图 7 试验过程中浮游动物密度变化

Figure 7. Variation of zooplankter density with testing time

2.3.3 浮游植物密度

由图8可知,在试验第1阶段,试验开始时各组浮游植物密度基本相同,质量浓度较低. 随着试验进行,0号组浮游植物密度出现明显增高,而1、2号组基本不变,说明系统对水体中的浮游植物密度具有较好的维持作用. 在试验第2阶段,加入营养盐和含藻水后,各组浮游植物密度出现大幅度升高,2号组升高较晚. 在试验第3阶段,0号组浮游植物密度开始较高,后来降低较多;1号组浮游植物密度则呈明显上升趋势,虽然试验结束时有所降低,但仍高于其余2组;2号组浮游植物密度基本呈降低趋势,至试验结束时质量浓度较低. 试验期间3个组的浮游植物平均密度分别为1973万个/L、903万个/L和658万个/L,0号组最高,1号组次之,2号组最低,说明在放养密度低的水生生态系统中,浮游植物密度低.

图 8 试验过程中浮游植物密度变化

Figure 8. Variation of phytoplankton density with testing time

结合系统中浮游动植物密度分析可知,水生生态系统对水体中浮游动植物密度具有较好的维持,并且能在一定程度上降低浮游动植物密度,同时,在低放养密度的水生生态系统中,浮游动植物密度较低.

2.3.4 讨论

人工构建生态系统对水体透明度有明显提升,且在鱼蚌低密度投加条件下即可达到良好效果. 对pH、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(叶绿素a)等指标的影响的分析结果表明:在水质较好(团城湖调节池原水)时,ρ(CODMn)=2.5~3.0mg/L;ρ(氨氮)=0.1~0.3mg/L;ρ(TN)=2.5~3.0mg/L;ρ(TP)=0.01~0.05mg/L;ρ(叶绿素a)=5.0~10.0μg/L;浮游植物总密度=(800~3200)万个/L,水生生态系统对水质中ρ(CODMn)和ρ(叶绿素a)等指标具有较好的维持作用,而当水质变差时(向水体加入营养盐和高含藻水后),ρ(COD)=4.0~4.5mg/L;ρ(氨氮)=0.5~0.6mg/L;ρ(TN)=3.0~3.5mg/L;ρ(TP)=0.2~0.3mg/L;ρ(叶绿素a)=20.0~30.0μg/L;浮游植物总密度=(5500~6000)万个/L,系统对水质具有一定的改善作用,但对TN和TP处理效果较差.

可见,鱼-贝类-沉水植物组合生态系统对水体透明度和有机物有良好的改善作用,对浮游动植物控制作用明显,且在一定放养密度即可达到改善效果,并不需要过多投入. 但是对TN和TP几乎没有去除效果,分析认为这一现象与水质组成和微环境有关. 理论上,本系统的氮磷去除过程主要依靠微生物和植物吸收. 对于微生物脱氮,试验水体中ρ(DO)较高,整个试验过程均在3.0mg/L以上,不利于微生物反硝化脱氮的进行. 水质组成亦不利于脱氮除磷过程. 根据郝贝贝等[21]对10个湖泊沉水植物碳、氮、磷化学计量学统计分析结果,沉水植物碳氮比、碳磷比和氮磷比分别为37.21~188.47、83.18~468.02、1.57~4.90,而本项研究中,整个试验过程中水质的碳氮比、碳磷比和氮磷比分别为1.0~1.5、10.0~250.0和15.0~250.0,对比分析可见,对于植物的氮磷吸收过程,本研究中碳氮磷比不适宜,主要为碳和氮比例偏低.