貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)控對水質(zhì)及沉水植物恢復(fù)的影響

潘 輝，關(guān)保華，錢 新，陸亞琪

(1.無錫市瑞景城市服務(wù)有限公司，江蘇無錫 214000；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023；4.無錫市生態(tài)濕地保護(hù)建設(shè)研究會，江蘇無錫 214000)

沉水植物是草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要影響，提高本土沉水植物群落的覆蓋度是恢復(fù)淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要措施。相關(guān)研究表明，恢復(fù)沉水植物群落結(jié)構(gòu)有助于降低水體營養(yǎng)鹽水平，沉水植物群落為水生動物提供產(chǎn)卵棲息場所的同時(shí)還可作為重要食物來源，在抑制生物性和非生物性懸浮物質(zhì)、改善溶解氧條件、提高水體透明度及增加水體空間生態(tài)位等方面也有重要作用。李英杰等研究發(fā)現(xiàn)水草可使湖泊系統(tǒng)維持在清水狀態(tài)，在一定條件下，甚至可使富營養(yǎng)化湖泊維持在清水狀態(tài)。年躍剛等認(rèn)為濁水穩(wěn)態(tài)向清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動力主要包括營養(yǎng)鹽條件、透明度條件、生物牧食條件、底質(zhì)條件，然而開放型富營養(yǎng)化湖泊治理過程中沉水植物恢復(fù)涉及風(fēng)浪、氣象、水位、真光層深度等系列因素制約，修復(fù)難度極大。田偉等認(rèn)為可通過逐步恢復(fù)沉水植被并輔以生物調(diào)控，提高物種多樣性，從而提升湖體自身凈化能力。

2007 年太湖藍(lán)藻暴發(fā)導(dǎo)致無錫市飲用水危機(jī)后，沿岸線建立了系列環(huán)湖生態(tài)凈化緩沖帶。貢湖灣退漁還湖生態(tài)修復(fù)區(qū)是緩沖帶的重要組成部分，位于太湖貢湖東北角，西至許仙港，東至大溪港，北至親水河，總面積2.32 km，原貌為20世紀(jì)60年代圍湖造田運(yùn)動形成的160余個(gè)魚塘，魚塘淤積嚴(yán)重且水質(zhì)惡化為劣Ⅴ類，2010年啟動退漁還湖生態(tài)修復(fù)工程后，水域面積達(dá)1.29 km，屬于典型的人工湖泊，該區(qū)域與太湖及濱湖河網(wǎng)水系通過閘控限制性連通。2012年生境條件改善后開始沉水植物恢復(fù)工程，經(jīng)過水質(zhì)水量調(diào)控、沉水植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)控、魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)控等系列工程措施，至2015年工程竣工后沉水植物覆蓋度高達(dá)80%，具備了濱湖緩沖帶的生態(tài)凈化功能。跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)2017年生態(tài)修復(fù)區(qū)透明度明顯下降，沉水植物覆蓋也出現(xiàn)降低趨勢，為了探究原因，在修復(fù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行了原位圍隔試驗(yàn)，并且根據(jù)圍隔試驗(yàn)效果，在整體退漁還湖生態(tài)修復(fù)區(qū)開展了魚類調(diào)控推廣應(yīng)用，跟蹤研究了魚類調(diào)控后整體退漁還湖修復(fù)區(qū)水體透明度及沉水植物群落恢復(fù)的狀況，以期為生態(tài)修復(fù)區(qū)長效穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

圍隔試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)設(shè)置。2018年9月在退漁還湖生態(tài)修復(fù)區(qū)選擇透明度較低區(qū)域(圖1)，采用透水無紡布圍隔進(jìn)行原位圍隔試驗(yàn)，圍隔區(qū)域水域面積40 000 m，平均水深1.5 m，最大水深2.5 m。2018年10月在圍隔區(qū)域內(nèi)進(jìn)行以清魚為主要手段的調(diào)控措施，根據(jù)圍隔區(qū)域地形環(huán)境采用網(wǎng)孔2 cm的3層刺網(wǎng)劃分區(qū)間單元，再用捕魚器對每個(gè)區(qū)間單元進(jìn)行清除捕撈，統(tǒng)計(jì)魚群種類及漁獲物產(chǎn)量。圍隔內(nèi)外設(shè)置固定監(jiān)測點(diǎn)位1～10號(圖1)，1號點(diǎn)位為試驗(yàn)圍隔區(qū)域內(nèi)，2號點(diǎn)位作為圍隔外對照點(diǎn)位，2018年9月—2020年12月每月中旬采用塞氏盤法測量水體透明度，并于每季度(3、6、9、12月)采水樣檢測，同時(shí)采用現(xiàn)場勘察結(jié)合無人機(jī)航拍圖片分析沉水植物覆蓋度。

圍隔外技術(shù)推廣應(yīng)用效果研究。圍隔外(退漁還湖生態(tài)修復(fù)區(qū))2012年9月退漁還湖生態(tài)修復(fù)之初，就設(shè)置了固定的長期水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位(3～10號點(diǎn))，每月均采樣監(jiān)測。2019年5月—2020年3月進(jìn)行了大規(guī)模的圍網(wǎng)清魚調(diào)控工程。取3～10號點(diǎn)位透明度的月均值代表對照區(qū)月平均透明度，取3～10號點(diǎn)位每季度(3、6、9、12月)水質(zhì)TN、TP、COD和葉綠素a均值代表對照區(qū)。采用現(xiàn)場勘察結(jié)合無人機(jī)航拍圖片觀測統(tǒng)計(jì)沉水植物覆蓋度。選取2012—2020年每年6—7月沉水植物生長旺盛季節(jié)的覆蓋度進(jìn)行沉水植物群落恢復(fù)狀況及魚類種群調(diào)控推廣應(yīng)用效果的對比分析。

魚類群落根據(jù)《全國淡水生物物種資源調(diào)查技術(shù)規(guī)定(試行)》中魚類物種資源調(diào)查、《生物多樣性觀測技術(shù)導(dǎo)則 內(nèi)陸水域魚類》(HJ 710.7—2014)的相關(guān)規(guī)范和要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合原位圍隔區(qū)域?qū)嶋H清魚狀況，采用刺網(wǎng)劃分控制單元，再利用捕魚器進(jìn)行捕撈，稱量統(tǒng)計(jì)漁獲物，儀器設(shè)備及試劑主要有量魚板、塑封袋、樣本瓶、電子天平、托盤、魚箱、乳膠手套、量筒、記錄本、記號筆、福爾馬林等。沉水植物覆蓋度根據(jù)《全國淡水生物物種資源調(diào)查技術(shù)規(guī)定(試行)》中大型水生植物物種資源調(diào)查的相關(guān)規(guī)范及有關(guān)研究報(bào)道，采用現(xiàn)場勘察結(jié)合無人機(jī)航拍圖片分析沉水植物覆蓋度。水質(zhì)指標(biāo)按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)要求進(jìn)行檢測，水體透明度采用塞氏盤法進(jìn)行現(xiàn)場測量。

圖1 原位圍隔區(qū)域和圍隔外監(jiān)測點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points of the in-situ enclosure area and andoutside the enclosure

2 結(jié)果與分析

魚類結(jié)構(gòu)調(diào)控對透明度的影響。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，圍隔試驗(yàn)區(qū)域在實(shí)施魚類結(jié)構(gòu)調(diào)整前，其透明度與對照點(diǎn)透明度都處于0.5～0.7 m較低狀態(tài)，魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)整后，圍隔內(nèi)水體透明度顯著提升至透明見底(平均水深1.5 m)，并保持穩(wěn)定(圖2)。2019年7月開始透明度出現(xiàn)降低趨勢，現(xiàn)場運(yùn)營管理過程中發(fā)現(xiàn)有大量魚群躍入圍隔內(nèi)，主要為規(guī)格較大的鯉魚、鯽魚、鰱魚，2019年9月再次對圍隔區(qū)域進(jìn)行清魚，漁獲物總計(jì)110.5 kg，再次進(jìn)行魚類群落調(diào)控后，透明度很快再次提升至透明見底(圖3)。圍隔外水域在魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)整之后，透明度也逐步上升至1.0 m以上。

圖2 2018年9月—2020年12月試驗(yàn)圍隔內(nèi)外透明度變化趨勢Fig.2 The change trend of transparency inside and outside the test enclosure from September 2018 to December 2020

圖3 2019年9月圍隔內(nèi)外透明度對比Fig.3 Comparison of transparency inside and outside the enclosure in September 2019

圍隔內(nèi)外水質(zhì)變化情況。從圍隔區(qū)域及對照點(diǎn)位2018年9月—2020年12月季度監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析(圖4)可以看出，清魚前后圍隔內(nèi)外水體TN變化不明顯，均在0.4～0.6 mg/L。圍隔外水體TP總體在0.019～0.040 mg/L，圍隔外TP平均值(0.032 mg/L)高于圍隔內(nèi)平均值(0.025 mg/L)。魚類結(jié)構(gòu)調(diào)控前圍隔內(nèi)外水體COD及濁度基本持平，調(diào)控后圍隔內(nèi)水體COD及濁度均低于圍隔外水平。

圍隔區(qū)域漁獲物統(tǒng)計(jì)分析。2018年10月在40 000 m圍隔區(qū)域內(nèi)捕獲總漁獲物751.0 kg(圖5)，圍隔區(qū)域魚類平均生物量達(dá)18.78 g/m；魚群個(gè)體重量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鯉魚416～6 500 g，草魚1 295～2 812 g，鰱魚372～1 560 g，鯽魚15～339 g，鱖魚476～1 952 g，烏鱧320～3 490 g，鲌類68～324 g，餐類20～35 g，黃顙魚43～125 g。漁獲物生物量百分比顯示(圖6)，鰱魚最多，占30.64%，鯉魚其次，占21.57%，草魚占19.97%，鯽魚占5.99%。

圖4 2018年9月—2020年12月圍隔內(nèi)外水質(zhì)TN、TP、CODMn和濁度變化趨勢Fig.4 Variation trends of TN，TP，CODMn and turbidity of water quality inside and outside the enclosure from September 2018 to December 2020

注：a～d分別為鯉魚、草魚、鱖魚、鰱魚種群；e～h分別為最大規(guī)格的鯉魚(6.50 kg)、草魚(2.81 kg)、鱖魚(1.95 kg)、鰱魚(1.56 kg)；i.鲌類；j.烏鱧；k.黃顙魚；l.鯽魚；m～n.雜魚Note：a-d are the populations of common carp，grass carp，mandarin fish，and silver carp，respectively；e-h are the largest carp(6.50 kg)，grass carp(2.81 kg)，mandarin fish(1.95 kg)，silver carp (1.56 kg)，respectively；i.tuna；j.snakehead；k.yellow catfish；l.crucian carp；m-n.miscellaneous fish圖5 2018年10月圍隔區(qū)漁獲物Fig.5 Enclosure catch in October 2018

圖6 2018年10月圍隔區(qū)漁獲物生物量百分比Fig.6 Percentage of fish biomass in enclosures in October，2018

圖7 圍隔內(nèi)外沉水植物覆蓋度變化趨勢Fig.7 Variation trend of submerged plant coverage inside and outside the enclosure

圍隔內(nèi)外沉水植物覆蓋度變化。季度監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖7)表明，圍隔區(qū)域沉水植物群落從2018年9月30%的覆蓋度開始恢復(fù)，至2019年9月覆蓋度高達(dá)85%，冬季部分沉水植物凋亡，覆蓋度下降至60%。2020年6月圍隔內(nèi)沉水植物覆蓋度高達(dá)90%，冬季也穩(wěn)定在70%。圍隔外對照點(diǎn)沉水植物覆蓋度維持在25%～35%。

圍隔外水質(zhì)變化情況。圍隔外(整個(gè)退漁還湖生態(tài)修復(fù)區(qū))2012年9月—2020年12月每季度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖8)分析發(fā)現(xiàn)，生態(tài)修復(fù)區(qū)水質(zhì)相對穩(wěn)定，整體保持在地表水Ⅲ～Ⅳ類，TN為0.17～1.50 mg/L，TP為0.009～0.063 mg/L，COD為1.50～5.33 mg/L，葉綠素a為0.87～5.63 μg/L。

圖8 2012—2020年圍隔外TN、TP、CODMn和葉綠素a變化趨勢Fig.8 Variation trends of TN，TP，CODMn and chlorophyll a outside the enclosure from 2012 to 2020

圍隔外透明度與沉水植物覆蓋度變化。逐月監(jiān)測的透明度數(shù)據(jù)(圖9)表明，圍隔外透明度2012—2014年總體呈上升趨勢，至2014年7月透明度高達(dá)226 cm，2016年7月太湖藍(lán)藻倒灌前，水體透明度雖有波動，但總體仍處于較高水平，2016年7—8月藍(lán)藻大量侵入，水體透明度下降至75～80 cm，9月后生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮凈化功能，透明度再次提升至11月的140 cm。圍隔外透明度從2017年3月開始下降，至2019年10月水體透明度均低于100 cm以下，最低時(shí)降至60 cm。2019年5月—2020年3月生態(tài)修復(fù)區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的圍網(wǎng)清魚調(diào)控工程，隨著魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)控效果的顯現(xiàn)，水體透明度從2019年底出現(xiàn)逐步上升趨勢，2020年平均透明度穩(wěn)定在100 cm以上。

圖9 2012—2020年圍隔外透明度及沉水植物覆蓋度變化趨勢Fig.9 Variation trends of transparency and submerged macrophyte coverage outside the enclosure from 2012 to 2020

整個(gè)生態(tài)修復(fù)區(qū)(包括圍隔內(nèi)外)2012年開始沉水植物群落恢復(fù)工程，長期跟蹤調(diào)查結(jié)合夏季沉水植物覆蓋度較高季節(jié)無人機(jī)航拍資料(圖10)分析，發(fā)現(xiàn)全區(qū)沉水植物覆蓋度2012—2015年呈上升趨勢(圖9)，2015年7月最高(80%)，優(yōu)勢種為馬來眼子菜、微齒眼子菜、穗花狐尾藻和苦草，2016年后覆蓋度逐漸下降，2019年覆蓋度為40%，沉水植物主要分布在淺水區(qū)，優(yōu)勢種為苦草、穗花狐尾藻、黑藻、金魚藻，2020年隨著透明度提升，沉水植物覆蓋度略有上升(45%)。

3 討論

貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)2012年蓄水進(jìn)行沉水植被恢復(fù)，建設(shè)初期魚類總生物量少，魚體規(guī)格較小，優(yōu)勢種主要是生物操控投放的鰱魚、鱖魚及自然種群繁殖的棒花魚、餐、鱊類。隨著生態(tài)修復(fù)區(qū)與濱湖河網(wǎng)及太湖的水體連通交換，鯉、鯽等繁殖力極強(qiáng)的底棲雜食性魚類進(jìn)入生態(tài)修復(fù)區(qū)，此外，運(yùn)營管理中發(fā)現(xiàn)人為放生大量的鯽魚、草魚，這些魚類在良好的生境條件下大量繁殖，快速生長。相關(guān)研究報(bào)道湖泊餌料組成和捕撈壓力等方面的差異導(dǎo)致草型湖泊中鯽魚的種群中雌、雄魚的肥滿度均顯著大于藻型湖泊。修復(fù)區(qū)2019年前一直處于保護(hù)階段，未進(jìn)行過有效的魚類資源的開發(fā)利用，湖體中魚類總生物量不斷增多，魚體規(guī)格也越來越大，雜食性鯉、鯽魚類占比不斷加重。數(shù)量眾多的大規(guī)格魚群不斷擾動水體，致使湖水透明度不斷降低，影響真光層深度，嚴(yán)重威脅深水區(qū)沉水植物群落的恢復(fù)和穩(wěn)定。相關(guān)研究也報(bào)道了在以沉水植物為主要初級生產(chǎn)者的水體中，減少或去除鯽魚等雜食性魚類，有利于降低水中總磷含量，減少浮游植物生物量，提高水體透明度，從而保護(hù)或改善水質(zhì)，原位圍隔試驗(yàn)結(jié)果也證明了魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)控后，水體透明度得到了快速提升，沉水植物群落實(shí)現(xiàn)了快速恢復(fù)。

圖10 2012—2020年全湖區(qū)夏季沉水植物覆蓋度航拍Fig.10 Aerial photography of the coverage of submerged macrophytes in summer in the whole lake area from 2012 to 2020

相關(guān)研究認(rèn)為促進(jìn)湖泊由藻型濁水穩(wěn)態(tài)向草型清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，提高透明度、恢復(fù)沉水植物為核心的生態(tài)優(yōu)化調(diào)控十分必要。沉水植物可促進(jìn)水體懸浮顆粒的沉降，提高水體透明度，水體透明度的提高又有利于沉水植物群的恢復(fù)和穩(wěn)定，二者可形成良性循環(huán)，生態(tài)修復(fù)區(qū)建設(shè)初期人工種植誘導(dǎo)了沉水植物群落的恢復(fù)，覆蓋度不斷提高，水體透明度也保持較高水平，且一直穩(wěn)定。隨著生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)魚類總生物量的增多、單尾體型增大、底棲雜食性魚類占比加重，三重因素疊加引起的水體擾動是生態(tài)修復(fù)區(qū)水體透明度下降的主要驅(qū)動力。透明度降低導(dǎo)致湖底可利用光強(qiáng)的減少，加之草食性魚群的大量牧食，導(dǎo)致了生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)尤其是深水區(qū)沉水植物群落退化和覆蓋度的降低。隨著生態(tài)修復(fù)區(qū)大規(guī)模的魚類結(jié)構(gòu)調(diào)控工程的實(shí)施，水體透明度得到了提升，然而在沒有人工干預(yù)措施種植沉水植物誘導(dǎo)群落恢復(fù)的情況下，沉水植物群落自然恢復(fù)的周期可能比較長，群落結(jié)構(gòu)演替方向充滿不確定性。

大型生態(tài)修復(fù)工程往往耗資巨大，修復(fù)時(shí)間長，尤其在復(fù)雜的水環(huán)境體系中，維持沉水植物群落的穩(wěn)定性至關(guān)重要，一旦沉水植物群落結(jié)構(gòu)遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)向“藻型”生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，加上藍(lán)藻水華暴發(fā)階段和成因復(fù)雜多變，沉水植物群落重新恢復(fù)的難度和工程量都非常巨大。相關(guān)研究也表明魚類群落結(jié)構(gòu)調(diào)控對水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)作為環(huán)太湖生態(tài)緩沖帶的重要組成部分，面積超2 km，修復(fù)后水體透明度>100 cm，TN<1.5 mg/L，TP<0.1 mg/L，水生植物覆蓋度>50%，生物多樣性顯著提高，修復(fù)區(qū)內(nèi)沉水植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對其發(fā)揮生態(tài)凈化功能至關(guān)重要。為確保貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)沉水植物群落的穩(wěn)定，有必要進(jìn)行魚類群落結(jié)構(gòu)的常態(tài)化調(diào)控，然而區(qū)域地形多樣復(fù)雜，魚類調(diào)控清除難度大，但其仍屬于相對獨(dú)立的水體，使得系統(tǒng)調(diào)控具有操作性，因此在后期的長效運(yùn)行管理中應(yīng)加強(qiáng)對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)查，及時(shí)掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變化，針對性制定科學(xué)合理的運(yùn)營管理方案。

4 結(jié)論

通過恢復(fù)沉水植物來修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊常常能很快見效，但經(jīng)過3～5年后，則可能會由于魚類群落不合理增加，破壞水環(huán)境和沉水植物群落，導(dǎo)致沉水植物覆蓋度及水體透明度出現(xiàn)下降趨勢。貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)長期監(jiān)測及原位圍隔研究表明，雖然修復(fù)區(qū)氮、磷等水質(zhì)指標(biāo)相對穩(wěn)定且一直較低，但沉水植物覆蓋度最高在2015年7月達(dá)80%，后逐漸降低至2019年的40%。結(jié)合生態(tài)修復(fù)區(qū)規(guī)模性魚類種群結(jié)構(gòu)調(diào)控效果分析，認(rèn)為在生境條件優(yōu)良的生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)魚類總生物量的增多、單尾體型增大、底棲雜食性魚類占比加重三因素疊加引起的水體擾動是生態(tài)修復(fù)區(qū)水體透明度下降的主要驅(qū)動力，透明度降低導(dǎo)致深水區(qū)底部可利用光強(qiáng)的減少和草食性魚類攝食的雙重壓力是貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)沉水植物群落覆蓋度降低的主要誘因。因此，合理調(diào)控魚類種群結(jié)構(gòu)及時(shí)清除大規(guī)格魚類有助于沉水植物群落的恢復(fù)和穩(wěn)定。