發布時間：2021-04-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為探索千島湖生態系統現狀及其歷史變化,根據2016年千島湖的漁業資源與生態環境調查數據,構建了千島湖生態系統的Ecopath模型,綜合分析系統的能量流動過程、營養級結構和生態系統總體特征。2016年千島湖Ecopath模型由18個功能組組成,有效營養級范圍為13.4
摘要:為探索千島湖生態系統現狀及其歷史變化,根據2016年千島湖的漁業資源與生態環境調查數據,構建了千島湖生態系統的Ecopath模型,綜合分析系統的能量流動過程、營養級結構和生態系統總體特征。2016年千島湖Ecopath模型由18個功能組組成,有效營養級范圍為1—3.41,牧食食物鏈的能量流動占系統總能量的56%。系統雜食指數(SOI)、聯結指數(CI)、Finn循環指數分別為0.13,0.26和5.15%。千島湖與其他湖泊和水庫比較,其生態系統的各功能組的聚合度較高,聯結程度較為緊密,物質再循環比例較高,系統較為成熟。但千島湖的系統總流量較低為24698.27t/(km2·a),總初級生產量與總呼吸量的比值為6.51,表明系統總體規模較小且仍處于發展階段。根據千島湖生態系統歷年變化趨勢分析:千島湖生態系統的總體規模有變大趨勢,穩定性和復雜性有所增強,但營養交互關系變弱,系統抵抗外界干擾的能力仍較低。同時,千島湖生態系統的初級生產者轉化效率較低,食物網趨于簡單,應采取適當的管理措施,以保障千島湖生態系統的健康發展。
關鍵詞:千島湖;Ecopath模型;營養級結構;能量流動;生態系統特征
由于水環境污染的不斷加劇,淡水資源的匱乏,水庫已成為城市重要的引用水源地[1]。然而許多水庫普遍面臨水質惡化和富營養化的問題[2],常用的修復措施主要有控污截流[3]、水生植物修復[4]和漁業資源結構的調整[5]等。千島湖是中國長江三角洲地區的重要飲用水源地,平均深度為34m(最大深度達108m),其為周邊上千萬人口提供飲用水源,受國家重點保護[6]。千島湖旅游業發展迅猛,隨之而來的環境污染問題也日益凸顯。2010年已出現過局部藍藻水華的現象[7,8],近些年政府對水環境問題更加重視。對于深水型水庫,除了控制營養鹽(氮磷)的輸入,通過食物網來調控水體中的營養鹽是非常有必要的。因此,調整千島湖的漁業資源結構來保護千島湖生態系統已迫在眉睫。本研究首先調查當前千島湖漁業資源現狀,然后基于Ecopath模型構建千島湖生態系統的食物網結構和能量流動特征。Ecopath模型可以很好地為千島湖生態系統功能和漁業資源的調整提供理論指導。
Polovina[9]最早提出Ecopath模型;Ecopath模型能夠構建生態系統的食物網結構特征,定量評估生態系統的能量流動特征,并評價生態系統的發育狀況和成熟度等[10,11]。該模型已成為研究水域生態系統的重要工具[12],并在全世界包括水庫[1,2,5,13,14]、湖泊[15—20]、河口[21—23]、海洋[24—25]等近百個不同水域生態系統中廣泛應用。
相關期刊推薦：《水生生物學報》是我國唯一的淡水生物學綜合性學術刊物，它代表中國淡水生物學的最高學術水平，是該領域對外交流的一個窗口，在國內外具有較大的影響。主要報道我國淡水生態及水環境的評價與治理;淡水生物的生化、遺傳、病理、毒理和分類區系;淡水生物的育種、培養、開發利用和病害防治;淡水漁業生物學報及有關湖沼學的綜合調查與研究等。
劉其根于1999年、2000年和2004年根據千島湖漁業資源調查數據分別構建了千島湖生態系統的Ecopath模型,主要用于評估鰱、鳙[27]等非經典生物操控技術對千島湖水質及生態系統的影響[13]。然而,近幾年來,鰱鳙的投放量在逐年增加,而藻類并未得到較好的控制,且已有對千島湖的研究僅停留在對水環境現狀的描述和分析上[6,28—31],并未從生態系統的整體入手來調整漁業資源管理方案以達到最佳控藻的目的。因此,本研究于2016年調查了千島湖的漁業資源現狀并對水環境的生物指標和理化指標進行逐月采集并檢測,試圖構建當前千島湖生態系統Ecopath模型,來分析千島湖的能量流動模式、食物網結構特征的現狀及歷史變化,評價生態系統的總體特征,為千島湖的漁業資源管理提供參考依據。
1研究方法
1.1研究區域采樣點
本研究于2016年對千島湖進行了漁業資源評估和生態環境調查,生態環境調查的采樣點根據千島湖地理特征共設置13個站點(圖1),逐月進行樣品采集。
1.2Ecopath模型原理
Ecopath模型定義的生態系統是由一系列生態關聯的功能組組成,包括碎屑、浮游生物和一組生態特性相同的魚種,所有功能組基本覆蓋整個生態系統能量流動全過程[32—33]。Ecopath模型由一組聯立線性方程表示:
1.3功能組劃分
功能組是指在生態學或分類地位上相似的物種的集合[13]。本研究根據生物的生態位和食性特征將千島湖生態系統劃分18個功能組(表1)。
1.4各功能組數據來源及參數估算
P/B系數 P/B系數是年生產量/年平均生物量。魚類P/B系數根據千島湖漁業資源調查各魚類年齡組成數據推算得到[13],浮游動物的P/B系數根據實測數據估計算,浮游植物的P/B系數參考歷史文獻[13]。
生物量B 指特定區域特定時間單位面積(體積)中某種生物的總量。千島湖鰱、鳙的捕撈量數據由千島湖捕撈隊提供,其他魚類依據《中華人民共和國水庫漁業資源調查規范》于2016年1月、4月、6月和9月在千島湖進行漁獲物資源調查。統計漁獲物種類組成,漁獲占比及其食物組成,并通過Ecopath模型的內置經驗公式轉化得到[34]。浮游動物和浮游植物的生物量和有機碎屑為逐月13個采樣點實測數據。底棲動物參考歷史文獻[31],并進行敏感性分析。碎屑包括細菌和有機碎屑,細菌生物量估算為浮游植物生物量的17.5%[2,13]。
Q/B系數 浮游動物、底棲動物和碎屑的Q/B系數參考文獻[13],魚類的Q/B系數根據Palomares和Pauly[35]的經驗公式計算得出。
生態效率 生態營養轉化效率(EE)是各功能組的生產量的轉化效率,通過模型其他參數推算得出。
食物組成矩陣 魚類食性組成數據源于漁業資源調查的胃含物分析和相關參考文獻[13,28](表2)。
1.5生態系統各參數指標
在Ecopath模型中,可根據系統中各參數指標來評價生態系統的發育狀態。其中,聯結指數(Connectanceindex,CI)和雜食指數(Systemomnivoryindex,SOI)都是表征系統內各功能組復雜性聯系的指標,且指數越接近1表示生態系統越復雜[11]。Finn循環指數(Finncyclingindex,FCI)為系統再循環流量/總流量,可表征系統的成熟度。
1.6Ecopath模型的調試、可信度評價和敏感性分析
Ecopath模型是穩態模型,各功能組必須達到物質和能量的雙重平衡。本研究的Ecopath模型調試主要從食物組成矩陣著手,對各功能組的食物組成按照最新研究數據進行調整。根據Christensen等[11]提供的模型評價標準,根據置信指數(P指數)來評價模型的可信度。同時,本研究對Ecopath模型進行了敏感性分析,主要分析了四類基本輸入參數中生物量B值對估算參數轉化效率EE值的敏感性。
2結果
2.1營養級結構和能量流分布
本文構建了千島湖2016年生態系統Ecopath模型。模型結果表明:千島湖食物網的最高營養級消費者是鱖營養級為3.41,其次為鲌,營養級為3.32主要經濟魚類鳙和鰱的營養級分別為2.41和2.21(表3)。
千島湖生態系統有6個整合營養級(表4)。但是,主要能量流動過程集中在Ⅰ—Ⅳ營養級。千島湖的各營養級能量流動呈金字塔形分布,營養級Ⅰ全年的能量流為9991t/km2,占總流量的72.84%;營養級Ⅱ全年的能量流為3683t/km2,占系統總流量的26.83%。這說明低營養級的能量流在總流量中占較大比例,而高營養級占比較小。營養級I被攝食量為3683t/km2,占比98.85%,是系統的主要能量來源(表3)。通過模型估算:千島湖生態系統中浮游植物的生態轉換效率(0.37)高于碎屑的生態轉換效率(0.13)。因此,牧食食物鏈較碎屑食物鏈在系統中占比更大。
2.2營養級的能量傳遞和轉換效率
千島湖生態系統的初級生產量為9991t/(km2·a),被攝食量為3683t/(km2·a),僅占初級生產量的36.86%,其余流至碎屑進入再循環。整個營養級Ⅰ流入到營養Ⅱ的營養流為4895t/(km2·a),占系統總流量(24698.27t/km2)的19.82%。流入到營養級Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的能量,占系統總流量的比例分別為0.226%、0.0018%和0.000031%(圖2)。
千島湖生態系統中牧食食物鏈的能量流動占56%,碎屑食物鏈的能量流動占44%(表5)。來自初級生產者的能量傳輸到營養級Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的轉化效率分別為1.2%、4.1%、8.5%和8.2%。來自碎屑的能量傳輸和營養級Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的轉化效率分別為1.2%、4.2%、8.4%和8.2%。系統總轉化效率為3.5%。
2.3千島湖生態系統的總體特征
根據構建的2016年千島湖生態系統的Ecopath模型計算,全年總流量為24698.27t/km2,流向碎屑量為9659.69t/km2,占系統總流量的39.11%,總消耗量為5047.78t/km2,占系統總流量的20.44%。說明仍有近40.45%的能量未被利用。
系統成熟度可用生態系統的初級生產力/總呼吸量來表示,結果越接近1表明系統越成熟。本研究結果顯示,千島湖生態系統的初級生產量/系統總呼吸量為6.51,仍處于不成熟的發展階段。平均捕撈營養級指捕撈漁獲物營養級的加權平均值。根據千島湖Ecopath模型計算平均捕撈營養級為2.32,系統聯結指數為0.26,系統雜食指數為0.13,Finn循環指數為5.27%。
3討論
3.1Ecopath模型敏感性分析和質量評價
Ecopath模型的功能非常強大,也會存在局限性,這些局限性Christensen等[11]已進行了討論。宏觀的生態模型面臨最主要的問題是數據來源及質量。本研究盡量使用調查數據計算各參數并調試模型以確保準確度。置信指數(P指數)是對模型質量評價通用的參數。根據已有文獻報道,P指數在0.16—0.68表示數據可信度高,模型質量較好[37]。千島湖Ecopth模型的P指數為0.544,表明模型的數據可信度較高,模型估算的效果較好。
對千島湖Ecopath模型的營養轉化效率(EE)進行敏感性分析。輸入參數的變化范圍在–0.5—0.5時,估算參數EE的變化范圍在–0.333—1(圖3)。圖3中曲線a、b和c為相同功能組輸入參數B對估算參數EE的敏感性變化,均呈指數變化關系。其中,各魚類功能組輸入參數B的變化對估算參數EE的影響較大,但底棲動物輸入參數B的變化對其估算參數EE的影響較小(變化范圍–0.102—0.305)。估算參數EE對不同功能組輸入參數B的變化的敏感度主要取決于這些功能組之間的營養關聯度。d為黃顙魚生物量B的變化對底棲動物EE的敏感度變化,呈正相關關系,黃顙魚輸入參數B的變化對底棲動物估算參數EE的影響較小,在–0.034—0.034。e和f分別為鳙、鰱輸入參數B的變化對浮游動物估算參數EE的敏感度變化,均呈正相關關系,且斜率越大敏感性越大。其中,鳙輸入參數B的變化比鰱輸入參數B的變化對浮游動物估算參數EE的影響大。
3.2千島湖生態系統總體特征
通過構建2016年千島湖生態系統的Ecopath模型,對千島湖生態系統的食物網結構、能量流動和系統的總體特征有了深入的了解。從能量流動特征來看,總流量呈金字塔型分布。從食物網各營養級轉化效率上來看(表5),生態系統的平均轉化效率一般為10%左右[33],但千島湖生態系統營養級間的轉化效率為3.5%,第Ⅰ營養級到第Ⅱ營養級的轉化效率僅為1.2%。已有研究表明,水庫生態系統中營養級間的轉化效率普遍偏低,如PasakJolasid水庫(泰國)生態系統Ⅰ到Ⅱ營養級間的轉化效率為2%,系統總轉化效率為5.3%[5];RavishankarSagar水庫(印度)兩者的值分別為2.4%和6.4%[14];三峽大寧河生態系統總轉化效率為5.7%,從第Ⅰ營養級到第Ⅱ營養級的轉化效率僅為1.7%。已有研究表明各功能組營養轉化效率偏低可能與EE值較低有關[14,38]。本研究浮游植物的EE值較低為0.37(表3),第一,可能是次級消費者的生物量較小或捕食量較少14];第二,浮游植物自身繁殖速度遠大于次級消費者的捕食速度,使得大量剩余浮游植物流入碎屑�；贓copath模型分析,千島湖生態系統食物網中高營養級功能組的EE值偏高,但生物量B偏小,導致千島湖生態系統整體的營養轉化效率偏低。
Ecopath模型可以通過反應系統內部聯系復雜程度的參數來描述生態系統的穩定性和發育程度[36]。其中,CI指數、SOI指數和Finn循環指數分別為0.263,0.132和5.150%,與其他水庫相比較,千島湖生態系統的各功能組的聚合度較高,聯結程度較為緊密,物質再循環比例較高,系統較為成熟。但是,幾十年以來,千島湖的經濟發展迅猛,人類活動加劇,千島湖的水環境面臨巨大挑戰。與國內外其他水庫相比,千島湖生態系統的總流量較小,系統的規模較小。其次,千島湖的總初級生產量與總呼吸量的比值為6.509,低于金沙河水庫的6.735[2]和RavishankarSagar水庫的10.36[14],高于分水江水庫的4.821[1]和PasakJolasid水庫的1.21[14](表6),與這些生態系統一樣,仍處于不成熟的發展階段。——論文作者：于佳1,2劉佳睿1王利1吳志旭3虞佐名4劉明亮4韓軼才4謝平1
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