鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)水域生態(tài)修復效果的監(jiān)測與評價

王召根，潘 杰，李化良，羅宏偉

（1江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)管理處，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212000；3長江航務(wù)管理局環(huán)境監(jiān)測中心站，武漢 430010）

0 引言

水域生態(tài)修復是水生生物自然保護區(qū)生態(tài)建設(shè)的新思路，已成為通過人為干預來弱化攔河筑壩、航道整治和岸坡硬化等水域工程對水生生態(tài)系統(tǒng)影響的重要技術(shù)手段之一[1]。目前，生態(tài)修復技術(shù)已被成功應用到鹽沼、荒漠、高山、草原等生態(tài)環(huán)境的修復實踐中，但對水域生態(tài)修復應用的研究還處于探索階段[2]。因此，深入探討和研究生態(tài)修復實踐應用及其作用機理是十分必要的，尤其是在水域生態(tài)系統(tǒng)方面，這將為水生生物自然保護區(qū)的修復或恢復提供理論指導和技術(shù)支持。

長江江豚(Neophocaenaasiaeorientalis)是生活在中國長江中下游內(nèi)陸水域唯一的江豚淡水亞種[3-4]，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織實施的最新長江江豚生態(tài)科學考察結(jié)果顯示，目前在整個長江流域其種群數(shù)量也僅存1000頭左右[5]。江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)作為現(xiàn)有的8個豚類自然保護區(qū)之一，是長江豚類經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域，水質(zhì)優(yōu)良，餌料生物資源豐富。另外，長江豚類作為長江水生生態(tài)系統(tǒng)的重要物種和長江生態(tài)環(huán)境的重要指示生物，其生存狀況與水域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況有著緊密聯(lián)系[6]。20世紀末至今，受人類活動的影響[7]，長江水生生物資源急劇衰退的同時，長江豚類賴以生存的水生態(tài)環(huán)境也在持續(xù)惡化[8]。有研究報道二期工程和暢洲水道整治工程的實施可能會在一定程度上影響鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)內(nèi)長江江豚的棲息環(huán)境[9]，需采取相應的生態(tài)修復措施進行補償。為客觀評價保護區(qū)水域生態(tài)修復效果，本研究對該水域內(nèi)生態(tài)浮島、人工魚巢的設(shè)置和底棲動物增殖放流效果進行了跟蹤監(jiān)測并分析評價，為工程施工影響下水生生物保護區(qū)生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 生態(tài)修復區(qū)概況

江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)，總面積為57.3 km2，位于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)和暢洲北側(cè)水域及向西延伸至焦山北面。和暢洲為長江鎮(zhèn)江段中的一沙洲，將長江分隔為南北兩汊，北汊為生態(tài)修復水域。生態(tài)修復及監(jiān)測評價水域范圍從和暢洲洲頭至洲尾，河道全長約15 km，其中和暢洲北汊是鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護區(qū)的核心區(qū)，也是重點調(diào)查水域。

1.2 生態(tài)修復措施

1.2.1 生態(tài)浮島和人工魚巢的構(gòu)筑 生態(tài)浮島由浮島框體、浮島床體、浮島基質(zhì)和浮島植物構(gòu)成（圖1）?？蝮w由PVC管制成，每個框體尺寸為3 m×3 m。其間用聚苯乙烯泡沫板做成床體，是整個浮島浮力的主要提供者。浮島基質(zhì)為海綿，用于固定植物植株，同時保證植物根系生長所需的水分、氧氣條件，并作為肥料載體。浮島植物的選擇考慮以下因素：適宜當?shù)貧夂?、水質(zhì)條件；成活率高，優(yōu)先選擇本地種；根系發(fā)達、根莖繁殖能力強；植物生長快、生物量大；植株優(yōu)美，觀賞性強；經(jīng)濟價值良好；最終確定栽種空心菜和水葫蘆。此次生態(tài)修復投放60個浮島單元，總面積為540 m2。

圖1 生態(tài)浮島模式圖

生態(tài)浮島框體的PVC管四周懸掛人工魚巢（圖2），魚巢以毛竹為框架，使用繩索固定為長方體框架單元結(jié)構(gòu)，每個魚巢單元為10 m×5 m，每個單元兩端采用較為結(jié)實牢固的毛竹作為固定柱，以防止由于水位變化及其它偶然因素造成的魚巢變形或損毀。此次生態(tài)修復投放50個魚巢單元，面積為2500 m2，投放時采用橫向首尾相連的方式排布[3]。

1.2.2 底棲動物增殖放流 增殖放流物種：圓田螺(Cipangopapludina sp)，環(huán) 棱 螺 (Bellamya sp)，河 蜆(Corbicula fluminea)，河蚌(Unionidae)。

增殖放流數(shù)量：圓田螺47 t、環(huán)棱螺44 t、河蜆32 t、河蚌16 t，共計139 t。

增殖放流時間：2017年12月—2018年3月。

1.3 監(jiān)測評價方法

1.3.1 生態(tài)浮島生境修復效果監(jiān)測評價

（1）監(jiān)測斷面設(shè)置。監(jiān)測位點位于生態(tài)浮島布設(shè)水域，根據(jù)生態(tài)浮島的面積及結(jié)構(gòu)方式確定監(jiān)測位點，浮游植物和浮游動物監(jiān)測設(shè)置4個斷面，共12個監(jiān)測點（圖3）。監(jiān)測時間為2018年4—7月，其中，浮島植物和水生生物調(diào)查共4次，每月1次；魚類分布狀況調(diào)查共2次，4月和7月各1次。

圖3 和暢洲水域生態(tài)浮島監(jiān)測點位圖

生態(tài)浮島區(qū)域內(nèi)布設(shè)兩個監(jiān)測斷面，分別為FD1和FD2，生態(tài)浮島上游布設(shè)斷面FDS、生態(tài)浮島下游布設(shè)斷面FDX，每個斷面3個監(jiān)測點；魚類分布狀況分別在生態(tài)浮島水域和非生態(tài)浮島水域各設(shè)置1個監(jiān)測區(qū)域；浮島植物按照1:10的比例隨機從60個生態(tài)浮島中選取6個浮島單元開展監(jiān)測，每個浮島單元設(shè)立1個點，共計6個監(jiān)測點。

（2）生境修復效果評價。通過比較生態(tài)浮島布設(shè)區(qū)域及非生態(tài)浮島布設(shè)區(qū)域水生生物多樣性及魚類分布狀況的差異，評價生態(tài)浮島的生境修復效果。水生生物多樣性采用Margalef豐富度指數(shù)(dM)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(J)來評價。魚類分布情況通過計算單位探測體積魚類出現(xiàn)頻率即魚類密度來評價。

圖2 人工魚巢模式圖

（3）魚類聚集效果監(jiān)測評價。通過水聲學探測方法（圖4），采用EY60科學回聲探測儀對測量區(qū)域進行水平探測，了解魚類的分布位置和數(shù)量，計算魚類密度，評估魚類聚集效果。魚類聚集效果監(jiān)測采用回波圖計數(shù)方法，將聲納圖像的格式轉(zhuǎn)化為回波圖的格式，結(jié)合聲納圖像魚的形狀和回波圖魚的運動軌跡對魚進行確認并手動計數(shù)，然后將數(shù)據(jù)導出。EY60探測體積的計算公式如式(1)所示。

圖4 水聲學探測方法

式中，h為EY60探測水體的長度，θ為EY60的張角。單位探測體積魚類出現(xiàn)頻率(F)的計算公式如是式(2)所示。

其中N是魚的數(shù)目ind.，T是探測的時長min，V是探測的體積m3，F(xiàn)是指單位探測體積魚類出現(xiàn)的頻率ind./(min×1000 m3)。

1.3.2 人工魚巢監(jiān)測評價

（1）監(jiān)測斷面設(shè)置。監(jiān)測位點位于人工魚巢布設(shè)水域，根據(jù)人工魚巢的面積及結(jié)構(gòu)方式，確定監(jiān)測位點。魚卵按照1:5的比例隨機從50個人工魚巢中選取10個魚巢單元開展調(diào)查，每個魚巢單元設(shè)置5個點，共計50個監(jiān)測點；隨機選取300個魚卵進行人工孵化，500個魚卵進行種類鑒定；魚類分布狀況分別在人工魚巢水域和非人工魚巢水域各設(shè)置1個監(jiān)測區(qū)域（圖5）。監(jiān)測時間為2018年4—7月，魚卵調(diào)查共6次，其中4月份1次、5月份2次、6月份2次，7月份1次；魚類分布狀況調(diào)查共2次，4月和7月各1次。

圖5 和暢洲水域人工魚巢監(jiān)測點位圖

（2）增殖效果監(jiān)測評價。按照比例在魚巢單元中抽樣統(tǒng)計單位面積魚卵數(shù)量，選取部分魚卵進行形態(tài)和發(fā)育期等特征鑒定，并記錄相關(guān)數(shù)量。按20%的扎（兜）數(shù)量在50個人工魚巢中選取10個魚巢單元，每個單元設(shè)置5個點，共計50個監(jiān)測點。隨機選取300個魚卵進行人工孵化，500個魚卵進行種類鑒定。依據(jù)魚卵特征鑒定增殖種類主要參照《淡水人工魚巢增殖技術(shù)規(guī)程》(DB43/T 1077—2015)[10]。魚卵孵化率=孵化成功魚卵數(shù)量/用于孵化魚卵總數(shù)。通過對人工魚巢附著魚卵數(shù)量、種類、孵化率的統(tǒng)計，評價人工魚巢的增殖效果。

（3）魚類聚集效果監(jiān)測評價。人工魚巢魚類聚集效果監(jiān)測評價方法同生態(tài)浮島魚類聚集效果監(jiān)測評價方法。

1.3.3 底棲動物增殖放流效果監(jiān)測評價

（1）監(jiān)測斷面設(shè)置。監(jiān)測位點位于底棲動物投放水域（圖6）。監(jiān)測時間共3次，投放前監(jiān)測1次，投放后監(jiān)測2次。樣品采集及鑒定方法按照《底棲動物與河流生態(tài)評價》[11]及《河流水生生物調(diào)查指南》[12]執(zhí)行。

圖6 和暢洲水域底棲動物監(jiān)測點位圖

（2）監(jiān)測評價方法。本次評估以增殖放流前后，各項監(jiān)測指標（表1）的變化率Zi作為增殖放流效果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)定無量綱F作為評價增殖放流目標實現(xiàn)程度的綜合值，并根據(jù)F的值將增殖放流效果劃分為4個等級，對底棲動物增殖放流效果的評價。

表1 底棲動物增殖放流效果評價類別及因子

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)浮島和人工魚巢效果評估

生態(tài)浮島的構(gòu)筑顯著提高了水域內(nèi)浮游植物和浮游動物的生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)復雜程度，Margalef指數(shù)和Shannon-wiener指數(shù)隨時間增加而逐漸升高（表2）。選擇空心菜和水葫蘆作為浮島植物具有良好的效果，其生物量、株高和分布面積均明顯增加，生長狀況良好，發(fā)揮了良好的生態(tài)功能（圖7）。

圖7 生態(tài)浮島植物生物量變化情況(A)；生態(tài)浮島空心菜植株平均株高變化情況(B)；生態(tài)浮島水葫蘆分布面積變化情況(C)

表2 各監(jiān)測斷面浮游植物和浮游動物多樣性指數(shù)變化

人工魚巢對產(chǎn)粘性卵的魚類具有一定的增殖效果，增殖種類主要為鯉(Cyprinus carpio)、鯽(Carassius auratus)、? (Hemiculterleucisculus)和 黃 尾 鲴(Xenocypris davidi)，增殖魚卵總數(shù)量約86萬粒。產(chǎn)卵高峰期集中在5月下旬，魚卵增加率最高期為5月上旬，增加率為0.72%（表3）。魚卵孵化率范圍值為37.78%～68.00%，依據(jù)每月估算的魚卵增殖數(shù)量和孵化率計算，人工魚巢可增殖魚苗數(shù)量約53萬尾，其中5月下旬魚苗增殖效果相對明顯（表4）。

表3 和暢洲水域人工魚巢附著魚卵現(xiàn)狀

表4 和暢洲水域人工魚巢附著魚卵孵化現(xiàn)狀

布設(shè)生態(tài)浮島和人工魚巢均產(chǎn)生較好的魚類聚集效果。通過水聲學調(diào)查，生態(tài)浮島和人工魚巢布設(shè)區(qū)域魚類密度均高于其它區(qū)域（圖8、9），表明生態(tài)浮島和人工魚巢相對其它位置為魚類提供了更好的棲息環(huán)境，能成為魚類躲避危害的場，有利于魚類種群的恢復。

圖8 2018年4月固定點水聲學監(jiān)測概況

圖9 2018年7月固定點水聲學監(jiān)測概況

2.2 底棲動物投放效果

2.2.1 群落生物量 據(jù)定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鎮(zhèn)江底棲動物生物量在增殖放流前生物量平均為1.07 g/m2、放流后第一次調(diào)查生物量平均為38.6 g/m2、放流后第二次生物量平均為22.7 g/m2，增殖放流顯著增加了評估區(qū)域的生物量（圖10）。

圖10 增殖放流期間各階段的生物量變化

2.2.2 增殖放流物種分布 本次調(diào)查共采集到放流物種中的3種。增殖放流前，未采集到圓田螺，增殖放流后圓田螺分布樣點數(shù)占比約為28%；河蜆在增殖放流前采集的樣點數(shù)占比約為8%，增殖放流后河蜆分布樣點數(shù)占比約為21%，占比提升一倍多（圖11）。

圖11 增殖放流物種在各階段的出現(xiàn)率

2.2.3 增殖放流效果評價 本研究評價結(jié)果顯示，放流物種生物量、群落生物量和放流物種豐度因增殖放流而增加的效果顯著，底棲動物放流后第一次、第二次效果評價綜合值分別為0.3193、0.2724（表5）。參考國內(nèi)學者水域生態(tài)修復的相關(guān)研究，具體劃分標準為：分值＜0.25時，綜合效果較差；0.25≤分值＜0.50時，綜合效果中等；0.50≤分值≤0.75時，綜合效果良；分值＞0.75時，綜合效果優(yōu)。根據(jù)F綜合值，本次增殖放流效果評價為中等。

表5 底棲動物放流后2次效果評價綜合值

3 結(jié)論

生態(tài)浮島的構(gòu)建對該水域的生態(tài)恢復起到了一定改善作用，增加了水生生物的多樣性，應進一步探討植物凈化水質(zhì)的機理。采用人工魚巢的方式，顯著提高了天然水域中鯉、鯽等產(chǎn)粘性卵魚類的資源量，具有良好的增殖效果，但關(guān)于其修復機理方面仍未有深入的研究報道。利用水聲學探測能較準確獲得水域魚類的位置和數(shù)量，但難以判定魚類的種類。因此，在進行魚類資源量評估時需結(jié)合其他方法，科學評估魚類資源量變化。

4 討論

4.1 生態(tài)浮島的構(gòu)型及科學管理

生態(tài)浮島技術(shù)作為一種水處理技術(shù)，被廣泛應用于富營養(yǎng)化水體原位生態(tài)修復中[13-14]。本研究選擇空心菜和水葫蘆混合種植，均生長良好且對水質(zhì)有較好的改善效果。浮島植物是生態(tài)浮島系統(tǒng)最重要的組成部分[15]，可根據(jù)不同生態(tài)條件和水體污染情況針對性選擇浮島植物的類型[16]。浮島植物生長需要大量的氮磷等營養(yǎng)元素，在秋冬季要及時對生態(tài)浮島中的植物進行收割，將根系固定的氮、磷等污染物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他地方進行有效利用[17]，如農(nóng)田堆肥等，以此形成氮、磷從水環(huán)境-浮島植物-農(nóng)田的轉(zhuǎn)移途徑，從而達到生態(tài)浮島對水環(huán)境的凈化效果。另一方面，適當調(diào)整生態(tài)浮島布局，優(yōu)化浮床的物理結(jié)構(gòu)，使之更具觀賞性，使用不同的植物搭配，在提高生態(tài)浮島環(huán)境效益的同時還可營造良好的視覺環(huán)境[18]。

4.2 人工魚巢生態(tài)修復效果優(yōu)化

人工魚巢的投放增加了鯉、鯽等產(chǎn)粘性卵魚類的產(chǎn)卵數(shù)量，并顯著增加了魚苗的數(shù)量，緩解了保護區(qū)內(nèi)漁業(yè)資源的衰退，修復水域的生態(tài)環(huán)境。這些魚類在繁殖季節(jié)會自深水區(qū)匯集到近岸淺水植被茂盛的水域進行產(chǎn)卵繁殖[19]，進而將卵黏附在人工魚巢上孵化出膜。目前人工魚巢修復技術(shù)被廣泛用于增殖天然水域中鯉、鯽的資源量[20-21]，并取得了良好的效果。魚類對產(chǎn)卵的水域環(huán)境有特殊的要求，因此選擇近岸緩流淺水水域作為人工魚巢的實施地點，也是取得良好實施效果的前提。另外，魚類對魚卵附著介質(zhì)有一定的選擇性，本研究選擇天然植物毛竹制作人工魚巢，具有較好的魚卵增殖效果。也有研究發(fā)現(xiàn)大口黑鱸(Micropterus salmoides)偏好有粗河沙和小石子的產(chǎn)卵環(huán)境，但產(chǎn)黏性卵魚類對產(chǎn)卵介質(zhì)的選擇具有較強的可塑性，會隨著環(huán)境的變化而做出適應性改變[22-23]。

4.3 底棲動物定殖率提升

底棲動物是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其種類組成和群落結(jié)構(gòu)對棲息地的生態(tài)過程有著重要的影響[24]。本研究通過兩次底棲動物的增殖放流來顯著增加該水域的生物量，對生態(tài)和漁業(yè)資源修復具有一定的效果。選擇合適的物種進行放流，應盡量為本土種或適應性較強的廣布種，放流的底棲動物應有餌料價值，鎮(zhèn)江保護區(qū)可以放流以河蜆、淡水殼菜為主體，多毛類（沙蠶）、寡毛類（顫蚓）為輔的底棲生物群落。選擇適宜的放流時間和地點，根據(jù)每個放流物種的繁殖習性選擇合適的放流時間，通過適應期，能夠使其在放流區(qū)域及其擴展區(qū)域進行繁殖；根據(jù)放流物種生物學習性以及放流區(qū)域本身的水文底質(zhì)環(huán)境進行放流。

4.4 增殖放流效果評估

水生生物增殖放流是人為增加自然水域生物資源量的一種方法，主要表現(xiàn)為漁業(yè)資源量的增加和生態(tài)系統(tǒng)的修復[25]。魚類的增殖放流消耗了水域中的營養(yǎng)物質(zhì)，加速減少水體中營養(yǎng)物質(zhì)的積累，進而在一定程度上起到了凈化水體的作用[26]。長江干流增殖放流可以在修復邊坡的涉水區(qū)、透水框架區(qū)域以及生態(tài)鋪排區(qū)域開展增殖放流效果監(jiān)測與評估，深入研究放流恢復物種與退化生境之間的相互作用及受損生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能隨時間的動態(tài)變化。增殖放流與生境修復研究可以先在一個相對封閉的人工系統(tǒng)中進行并建立修復模型，以此預測生態(tài)系統(tǒng)可能的變化并與長期監(jiān)測的結(jié)果加以比較分析，從而為長江水生生物資源保護和修復提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。