生物操纵及其养殖系统中主要资源种类的稳定同位素特征

1、上 海 海 洋 大 学硕士学位论文题 目：生物操纵系统中主要资源种类的稳定同位素特征英文题目：Stable isotope features of the main resource types in the biological manipulation ecosystems 专 业：渔业资源研究方向：资源恢复生态姓 名：苏孙国指导教师：管卫兵二零一四年三月十七日上海海洋大学 博/硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名工作单位职称备注上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和

2、引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ，在 年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年

3、月 日 日期： 年 月 日生物操纵系统中主要资源种类的稳定同位素特征摘 要湖泊和水库是天然的蓄水库。随着工农业的发展，城市的扩大，人口的增加，城镇工业废水及生活污水等的大量排入，湖泊和水库污染日趋严重。水污染治理与生态保护变得十分重要。水体环境的营养结构分析，是水体质量的一个重要指标，在生态保护中具有十分重要的位置。生物操纵方法已经成为国内外治理湖泊水库等静态水体的一种十分重要而且有效的手段。而稳定同位素方法也已经成为研究食物链食物网营养结构及摄食关系的一种重要手段。因此水体群落的稳定同位素特征分析在水体治理中有着指示性的意义，该方法能够指示水体营养结构特征及其变化，这有助于我们对于水体中的各

4、种生物学效应进行更加深刻的理解，从而实现更加精确地进行生物操纵。因此这个研究对于治理静态水体，包括水源地具有十分重要的意义。为了研究生物操纵过程中各种食物链级的生物的作用和营养地位，采用碳氮稳定同位素的方法，研究了青草沙实证基地生态操纵池塘生态修复过程中主要种类的稳定同位素特征。青草沙实证基地生态操纵池塘人工投放多种鱼类，加上自然恢复种类，最终重建实证基地池塘中的生态系统，恢复其强大的自净能力。青草沙实证基地中，13C值范围在（-21.51-13.60）；15N值范围在（1.779.38）；营养位置范围在（13.24）。油餐、红鳍鲌、鰕虎鱼三个物种的生态位比较接近，它们之间的营养冗余较小。实证

5、基地池塘的生物多样性比较低，构建而成的食物网简单。通过营养级构建出的能量金字塔中，消费者营养级别最低的是底栖软体动物、甲壳动物，然后是草食性鱼类，最后是肉食性或杂食性鱼类，它们占据食物网的最顶层。这种立体复合生态操纵技术可以有效进行生态系统恢复及重建，在大型湖泊及水库的富营养化治理中起到越来越重要的作用。碳氮稳定同位素的含量可以用来研究生态系统的营养结构。通过营养级构建出的能量金字塔在人工控制的简单生态系统中具有一定的参考价值。复合渔业生产系统群落构建技术，由于仿生态养殖，又称之为“陆基生态渔场”。稳定同位素技术成为水域生态系统变动机制的重要研究技术手段之一。本文通过苏水生态农场中河蟹、甲鱼复

6、合生态养殖系统和植物净化系统的成功构建，以及复合生态系统中关键种稳定同位素特征分析，来研究该农场系统的营养结构特征。该系统13C值范围是-13.08-29.79；15N值范围是-3.9313.26；营养位置范围是04.52。不同样本生物的15N值大致按照植物、浮游食性动物、杂食性动物、肉食性动物的顺序逐渐富集。整个系统中各种鱼类的生态位空间表现出彼此聚集的现象，不同养殖环境中相同鱼种稳定同位素含量出现较大差异，鲢鳙鱼等食性单一的鱼种，其碳氮稳定同位素值变化不大。植物固碳能力由沉水植物到挺水植物再到湿生植物逐渐变大，但挺水植物和湿生植物固氮能力大于沉水植物。关键词：生物操纵，稳定同位素，富营养化

7、，复合渔业生产系统Stable isotope features of the main resource types in the biological manipulation ecosystemsABSTRACTLake and reservoir are the water storage of nature. With the development of industry and agriculture, the expansion of cities, the increasing of population and wastewater pouring into the wat

8、ers，pollution of lakes，reservoirs is more and more serious. Water pollution control and ecological protection has become very important. Analysis of the nutrient structure in water environment, is an important index of water quality, showing great importance.Biological manipulation has become a very

9、 important and effective method for rebuilding static body of water such as lakes and reservoirs. The stable isotope method has become an important method to study the structure of the food chain and food web nutrition structure and feeding relationships. So using stable isotope method to detect and

10、 manipulate biological changes during biological manipulation is very meaningful. This helps us to understand biological effects in water body restoration and achieve more precise biological manipulation. Therefore, this study is of great importance for the treatment of static body of water, includi

11、ng water sources.The stable isotope of C and N can be used to study the animal function and trophic structure of the ecosystem in multi-approach ecological manipulation pond of Qingcaosha reservoir. After the artificial casting a variety of fish species and the natural restoration in the pond, final

12、ly the ecosystem is in the reconstruction and its strong self purification ability recovers. In ecological manipulation pond of Qingcaosha empirical base, 13C and 15N range from -21.51 to -13.60 and 1.77 to 938 respectively and trophic levels range from 1 to 3.24. Ecological niches of Hemiculter ble

13、ekeri bleekeri warpachowsky, Predatory Carp and Gobies are close to each other and there is little nutrition redundancy between them. Biodiversity of the reservoir is low so that the formed food web is simple. In the energy pyramid, which is established from the trophic level, the benthonic mollusks

14、 and reptiles ranges among the consumers of the lowest nutrition level , and then followed by the herbivorous fish, and finally is carnivorous or omnivorous fish, which occupy the top of the food web. The Multi-approach Ecological Manipulation techniques can be used for the restoration and reconstru

15、ction of ecological system, which plays more and more important role in controlling the eutrophication of lakes and reservoirs. The content of carbon and nitrogen stable isotope can be used to study ecosystem trophic structure. This energy pyramid has a certain reference value for the simple ecosyst

16、em by manual operation.Community construction technology of composite fishery production system, due to its imitating ecological aquaculture, is also known as the " Land-based ecological fishery production system ". Stable isotope technique has become one of the most important research met

17、hods in change mechanisms of aquatic ecosystem. Through successfully construction of crab, soft shelled turtle compound ecological farming system and plant purification system in SUZE ecological farms, and the key species stable isotope analysis in the ecosystem, nutrition structure of the farm syst

18、em is studied. The 13C value ranges from -13.08 to -29.79; the 15N value ranges from -3.93 to 13.26; nutrition level ranges from 0 to 4.52. The 15N values of different samples gradually enriched in this order: plants, zooplankton feeding animal, omnivorous animal and carnivorous animal. Niche space

19、of different kinds of fishes in the whole system show an aggregation phenomenon. Stable isotope content of the same species show differences in different cultivation environments. The stable carbon and nitrogen isotope values of silver carp, bighead carp and other feeding single species change littl

20、e. Carbon fixation capacity of plants grows from submerged plants to aquatic plants and then to hygrophyte plants, but nitrogen fixation ability of aquatic plants and hygrophyte plants are stronger than submerged plants.KEY WORDS：biological manipulation, stable isotope, eutrophication, composite fis

21、hery production system目 录第一章 生物操纵在水体治理与保护中的应用 1第一节 水生态环境破坏 11湖泊和水库污染 12湖泊“水下森林”的破坏与优势种群的替代 2第二节 生物操纵技术 21 生物操纵理论 21.1 经典生物操纵 21.2 非经典生物操纵 31.3 生物操纵的常见类型以及适用环境 4直接投放浮游动物和细菌 4人为去除鱼类 5投放肉食性鱼类 5水生植被的管理 51.4湖泊生物操纵实际案例分析 52我国养殖业中的混养技术 73营养结构分析技术 83.1 碳氮稳定同位素比例 83.2 营养级估算 83.3 营养结构研究与生物操纵 9第二章 青草沙水库立体复合生态操

22、纵池塘水生动植物的同位素特征 11前言 111材料方法 121.1样品采集 121.2样品处理 121.3稳定同位素分析 13仪器使用 13碳氮稳定同位素比值 13营养级计算 142结果 142.1 青草沙实证基地样品稳定同位素含量 142.2 青草沙实证基地动植物的营养级变化 162.3青草沙实证基地动植物的生态位空间 173 讨论 183.1立体复合操纵中生物群落的构建 183.2立体复合操纵系统净化水质的原理 193.3碳氮同位素特征的生态意义 20第三章 一种复合渔业生产系统中群落构建及关键种的稳定同位素特征 21前言 211 材料方法 231.1 样品采集 231.2 样品处理 23

23、1.3 稳定同位素分析 24碳氮稳定同位素比值 24营养级估算 242 结果与分析 252.1 河蟹养殖复合生态系统的构建 252.2甲鱼养殖复合生态系统的构建 262.3植物过滤净水系统的构建 262.4复合生态养殖系统的同位素特征 26水生植物的稳定同位素特征 27不同养殖环境中鱼类的稳定同位素特征 28复合生态养殖系统动植物的生态位空间 303 讨论 313.1复合生态系养殖统构建技术 313.2养殖方式与稳定同位素特征 33参考文献 34第一章 生物操纵在水体治理与保护中的应用第1节 水生态环境破坏1湖泊和水库污染我国湖泊面积在1km2以上的有2759个，其中淡水湖泊为约为1/3。近年

24、来，随着经济的快速发展和不恰当的湖泊资源的开发，随着营养物质不断注入，湖泊和水库的营养渐渐增长，湖泊富营养化是一个非常严重的问题，湖泊生态系统结构和功能持续退化，蓝藻水华频繁爆发，水质恶化日益严重1。（1）依据2008年中国环境状况公报：在被监测的26个湖库中，有1个湖泊重度富营养化，占3.8%；有5个中度富营养化，占19.2%；有6个轻度富营养化，占23.0%2。(2城郊湖库富营养化的程度较高，如济南大明湖、武汉东湖、南京玄武湖、杭州西湖等城市湖泊以及石河子市的蘑菇水库、北京的官厅水库等3。(3淡水湖泊特别是大型淡水湖泊也具有十分严重的富营养化问题。太湖、洪泽湖、巢湖等都面临水体营养过剩问题

25、；鄱阳湖、洞庭湖目前虽然维持在中等营养状况，但湖水中氮、磷含量偏高，十分可能发展成为富营养化湖泊。大型湖泊营养过剩将伴随着十分严重的生态问题，会给湖泊生态恢复带来十分严重的困扰4。湖泊和水库是天然的蓄水库。由于人口不断增加，城市规模逐渐扩大，工农业水平越发提高，城镇工业废水和生活污水的排放量也持续变大，湖库污染越发严重。此外，农药、化肥施肥量、酸雨、航船油污、养殖饲料、水生动物自身的排放物等均给湖泊和水库带来不同程度的污染5。湖库污染导致水生动物的生存环境变化，对水质和水产经济有较大的冲击。据统计，全国每年工业废水总排放量大概为360亿吨，我国因水环境污染造成的经济利益亏损每年高达430亿元6

26、。 从1991年开始，5年间就有2700起因为污染造成的较大鱼类死亡事故，有近80万km2受污染的养殖水域，损失约35万吨的水产品，造成经济利益损失高达31亿元，另外，水环境破坏造成的长期影响更是不可估量7。2湖泊“水下森林”的破坏与优势种群的替代“草型”湖泊就是水体干净，植物茂密的湖泊，是湖泊演替过程中生物资源和水环境的利用价值比较高的阶段。优良的水质，为人类生活与生产提供水源；美丽的景观。供人们游乐休闲。“水下森林”能够净化水质，能够为水生动物提供食物、生活场所、生殖场地、栖息环境、庇护场所等。可是，近年来因大面积开垦沿岸带，大量放养草鱼，造成了许多湖泊沉水植被减少甚至消失。“水下森林”可

27、以吸收水体营养，如果遭到严重破坏，水体的自净能力会下降，因为被水草自身的氮磷等营养物质会被释放到水中，浮游植物会大量繁殖，造成水体富营养化。由“草型”湖演替为“藻型”湖泊的过程称为逆向演替。沉水植被的减少或消失，导致湖泊生态系统环境异质性下降，进而导致水生生物多样性下降，不仅会造成草食性水生动物种群崩溃，还会造成物种的次生性绝灭8。浅水草型湖泊，尽管在水体功能、水位差、水草的优势种类及开发程度等方面各有所别，但都有一个共同的特点即沉水植物在鱼产潜力中占到了重要位置。如何在保持湖泊生态条件良好的前提下，最大限度地利用水草的生产潜力，是草型湖泊开发中一个很重要的课题，也是生物操纵的一个重要方面。

28、第2节生物操纵技术1 生物操纵理论1.1 经典生物操纵最早是由Shapiro 提出了生物操纵的概念，通过调整生物群落结构的方法控制水质。生物操纵主要原理是调整水生生物结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，进而防止藻类过量繁殖。水生动物结构调整是通过投放、发展某些鱼种来控制或消除另外一些水生动物，使整个食物网能够大量消耗浮游植物，并且维持相对稳定，从而改善湖泊环境质量。 由于这种途径并非通过直接减少营养负荷来改善水质，而是通过减少藻类生物量来逐渐改善水体环境，效益可持续多年9-10。 而所谓“经典生物操纵理论”实际上就是Shapiro提出的这种理论。通过调整水生生物结构，促进大型浮游动物特别是滤食

29、效率高的植食性大型浮游动物，比如枝角类种群的发展，从而控制浮游植物过度生长进而降低藻类生物量，改善水体质量9。Shapiro 等提出了一个简单的食物链模式来达到经典生物操纵的目的，即肉食性鱼类吃小型浮游食性鱼类，小鱼吃浮游动物。而且，底层水生动物的活动能够释放已沉降的营养物质，推动营养物质再循环，有利于浮游植物发展。一般情况下，浮游生物食性鱼类主要捕食大型浮游动物，却有利于小型浮游动物等的繁殖，大型浮游动物减少，浮游植物得到发展，可能形成水体富营养化。相反地，浮游动物食性鱼类减少，大型浮游动物得到大量繁殖，取食大量藻类和碎屑，有利于水体质量恢复。因此用肉食性凶猛鱼类取代浮游生物食性鱼类，能够控

30、制水体富营养化。通过前人研究可知，通过改变鱼类群落结构进行生境恢复是行之有效的10。经典生物操纵的核心部分包括两方面：大型浮游动物对藻类的摄食及其种群的建立。在维持湖泊生态系统稳定中，增加食鱼性鱼类和降低湖水营养水平都很重要。主观性的生物操纵最好在冬天和初春执行，这和大型浮游动物的在这一时期的活跃有关。生物操纵的目的是争取一段时间的清水期，以便大型沉水植物的成功恢复，如果恢复失败，必须再次进行生物操纵，直到成功11。Marie-Louise12等人提出，在冬季，使水质变清的一个重要因素是鱼类减少的程度。当鱼类生物量减少大于75%的时候，就可以看见明显的治水效果。在强度生物操纵下，即使是因为风产

31、生的底泥搅动也无法阻碍水变清。春季，大型浮游动物似乎是水变清的主要原因。而在夏季，藻类减少的原因应该归功于食鱼性鱼类的群体的壮大。Hosper 和Jagtman13提出通过减少浮游生物食性鱼类和底栖生物食性鱼类进行经典生物操纵实现水体生态环境恢复，鱼类的数量应当减少到50kg/ha以下。Dionisio提出斑马贻贝对藻类起滤食作用，无论有毒藻类还是碎屑均可滤食，当本地的大型枝角类无法减少特定浮游植物的时候，可以考虑用斑马贻贝14。1.2 非经典生物操纵非经典生物操纵则是谢平等15-17通过在武汉东湖的一系列围隔实验成功致使东湖蓝藻水华消失而总结出的一种生物操纵理论。非经典生物操纵就是通过直接放

32、养具有特殊消化机制和稳定群落结构的滤食性鱼类来控制藻类生长。由此可见，非经典生物操纵所利用的生物正是经典生物操纵所要去除的生物，其治理的目标正是经典生物操纵所无能为力的“不死藻类”，比如一些难以去除的蓝藻。在非经典生物操纵实践中，鲢、鳙因其人工繁殖存活率高、存活长、食谱较宽以及在湖泊中不能自然繁殖而种群容易控制等优点成为最常用的种类。谢平等通过围隔实验发现，鲢、鳙等虑食性鱼类控制蓝藻水华的作用原理主要有两点，改变藻类群落结构和形成以小型藻类为优势种的藻类群落。所以说，非经典生物操纵的确可以控制水华，减少蓝藻，但缺点也明显，蓝藻生物量虽然得到良好的控制，藻类群落结构得以改变，但小型藻类群落成为主

33、导，随着时间推移，依然会产生新的水体问题。1.3 生物操纵的常见类型以及适用环境经典生物操纵方法在国内外都有较多的研究应用，而非经典生物操纵方法自从谢平等人提出之后，在国内的应用比较多。生物操纵在浅水湖泊的治理中已经取得了明显的成效，在深水湖泊的治理中有较大的难度，而在海洋污染治理中难度更大，这方面也有人做出了一些研究。邱东茹等18提出，深水湖泊由于深度大，水体分层，而且沿岸带( littoral zone 较窄，大型植物所起的作用不大，生物操纵难度大。由于枝角类耐低温，能够适应湖下层逃避鱼类捕食，是操纵的合理选择。李春雁等提出近海水体富营养化的治理，理论上可以通过近海动物养殖得到一定缓解，但

34、要以滤食性鱼类养殖为主，且养殖量必须合理。国外学者提出养殖海胆、鲍等可以降低海域污染，人工栽植大型海藻是海区富营养化治理较为可行的方法19。直接往水体中放入大量的浮游动物，让其将藻类等浮游植物取食；细菌可以充当浮游动物食物，起到稳定浮游生物食物链的作用。从而使得过度营养化的水体中营养得到合理配置，溶氧、阳光等生态条件恢复，水质变好后水体生态环境逐渐恢复20-21。将杂食性和草食性鱼类从湖泊中尽数移除，且移除的时间必须足够短。因为移除后会产生大量幼鱼，必须重新投放肉食性鱼类，控制幼鱼生物量，保护浮游动物，从而达到水体生态恢复的效果22。投放大型肉食性鱼类，抑制杂食性和草食性鱼类繁殖，从而促进浮游

35、动物群落发展，逐渐恢复水体生态系统，是生物操纵行之有效的方法。投放的肉食性鱼类有红鳍鲌、河鲈、北方狗鱼、鳜鱼、翘嘴鲌等。 虽然投放肉食性鱼类有明显效果，但在应用中也受到一定限制。只有当浮游生物食性鱼类的数量降低到一定程度时才能促进浮游动物群落繁殖发展，而在这种情况下，肉食性鱼类可能因缺乏食物而难以长期维持20-21,23。研究表明草鱼控制水草生物量的工作大部分有成效。应用草鱼控制水草关键是放养量，放养过少，减少不了水草，放养过多，水草会被吃光，产生负面效果，促进藻类繁殖增长。水草对净化水质，抑制藻类发展有重要作用，还可为大型浮游动物提供庇护场所，因此，单用草鱼控制水草保护水质的途径是不可取的。

36、但浅水湖泊一般水草比较繁茂，放养少量草鱼还是有益的。具体量度问题需要深入研究，严格掌握，以不毁坏水生植被为度24-27。1.4湖泊生物操纵实际案例分析表1-1经典生物操纵Tab.1-1 cases of classical biological manipulation研究者研究对象研究方式研究成效韩士群等28-29富营养化水体长肢秀体溞藻类生物量在一定范围内时，才能得到较好控制管卫兵等30太湖围格大型枝角类，沉水植物修复区水质恢复良好M. Olin等31芬兰南部的10个湖泊移除湖泊中的鲤科鱼类小型鲤科鱼类鱼食性鱼类成为主导，大型枝角类增加，蓝藻生物量下降，爆发季节推迟Marie-L

37、ouise等32Wolderwijd湖引入狗鱼，并且捕掉斜齿鳊和鲤科鱼类盔形溞的繁殖，湖水变清，但是仅仅持续了六个星期。后两年，轮藻类逐渐覆盖了湖底，湖水变清Timo 等33Enonselka盆地移除了大量的杂鱼后（斜齿鳊和胡瓜鱼为主）蓝藻群崩溃，总磷从45mg P m-3 下降到35mg P m-3 塞克盘深度从1m增加到3.5m。Anatoly等3448个富营养化的池塘大型沉水植物，大型枝角类动物蓝藻群体大量减少。6/9的水池中，大型沉水植物得到重建。表1-2非经典生物操纵Tab.1-2 cases of non-classical biological manipulation

38、研究者研究对象研究方式研究成效谢平35Warniak湖和东湖的围隔鲢、鳙放养放养密度超过4050g/ m3时，水华得到缓解，一般随着鲢鳙密度的增加，浮游动植物种类向小型化种类发展。崔福义等361.2m3的玻璃水箱鲢、鳙放养可有效抑制水蚤类浮游动物生物量，氮、磷含量有所下降、溶解氧水平有所提高，蓝、绿藻的生物量得到较好控制。祖玲等37大房郢水库鲢、鳙放养，移殖螺、蚌类，浅水区移植伊乐藻，上游生长香蒲富营养化得到初步治理。陈来生等38千岛湖鲢、鳙放养从2000年到2002年，试验区水质明显改善，2000年以前的优势种已为小环藻、直链藻、小球藻和蓝隐藻所取代。由表1-1、表1-2可见，经典生物操纵的

39、实际操作对象是湖泊、池塘、盆地等水体，实际操作方法有投放长肢秀体溞、大型枝角类、种植沉水植物、移除湖泊中的斜齿鳊和鲤科鱼类等杂食或者草食性鱼类、引入狗鱼等凶猛鱼类、移除大量的杂鱼（斜齿鳊和胡瓜鱼为主）28-34等；非经典生物操纵的操作对象是湖泊、水箱、水库等水体，实际操作方法主要是鲢鳙鱼放养、螺蚌类放养、种植沉水植物35-38等。经典生物操纵可以使沉水植物逐渐覆盖水底，富营养化得到治理、水变清；非经典生物操纵可以使顽固藻类群落崩溃，逐渐被小型浮游动植物所取代，从而实现治理水体富营养化的目标28-38。从实际实验效果来看，生物操纵也不一定能达到控制水华的目的，因此，生物操纵概念为近年来湖泊学界的

40、争论焦点之一。因为鱼类对藻类的影响是与鱼类和浮游动物产生的营养物质、水草庇护、生物搅动、营养竞争和相生相克等共同作用的结果，而不单靠鱼类下行效应（top-down effect ）抑制藻类的结果，营养负荷产生的上行效应（bottom-up effect ） 更为重要。首先应考虑减少负荷。实际上湖泊生产力是由上行效应和下行效应共同起作用的。生物操纵尚处于初期阶段，不可能把所有的问题都搞清楚后再考虑应用，其理论只有在实践中逐步发展和完善。2我国养殖业中的混养技术我国在池塘中进行不同食性鱼类的混合养殖，充分利用水体饵料和肥力，取得很好的效果，我们可以进一步应用这一原理和经验，对湖泊鱼群结构进行适当的

41、调整，以达到控制水华发生，防止水质恶化的目的。鲢主食藻类，生长快速，属于喜温性，较耐低氧环境。在较肥沃的湖泊中适当增加鲢鱼的投入量对于控制微囊藻水华的发展可能起到一定的作用。但鲢对小型藻类基本上无法利用。鲢也消耗浮游动物，间接保护了微型藻类。因此，鲢对湖泊富营养化的控制问题还需要进行实际论证。我国底栖动物食性鱼类主要有青鱼，鲤、鲫等。其中青鱼主要以螺类为食，在末投放的天然湖泊中青鱼数量不多。鲤、鲫食性杂、耐性强、分布广，在静水环境中能自行繁殖，是我国重要淡水鱼类，不予人工投放，任其自然繁殖，在不要求水质清澈见底的湖泊中仍有存在的价值。鳊、鲂属杂食性鱼类，也应有适当比例。增加肉食性鱼类是鱼群结构

42、调整的主要措施。根据我国鱼类区系特点，鳜、乌鳢、翘嘴红鲌，应是主要的发展对象。特别是鳜以小鱼、虾等为食，鱼肉质量高，经济价值大，增加鳜的投放量，并加以重点保护，有可能起到抑制浮游动物食性鱼类、保护大型浮游动物、抑制水华发展和改善水质的作用。以上各种鱼类的具体放养数量和比例以及要构建出什么样的食物链食物网等问题要根据不同湖泊实际情况研究确定。鱼群结构调整的目标应是能够维持食物网关系的相对稳定，持久维持水质良好和不发生富营养化。换句话，鱼群结构调整的目的是以保护水域环境质量为主，发展渔业为副，在可能的情况下，考虑以提高渔业产值代替渔产量。经典和非经典生物操纵所要实现的目标都是治理水体污染，水体富营

43、养化的问题。这两种方法的共同点都是向水体中引入特定的动植物种，使得引起水体污染的物种被消灭。但是这两种方法似乎各有优点和长处，属于相互弥补的手段，非经典生物操纵解决了经典生物操纵所无法处理的蓝藻等顽固藻类导致的富营养化问题。因此在实际操作中，可以同时参考我国养殖业混养技术，向水体中引入整条食物链，这条食物链必须具有相当的稳定性，并且适应在该水体中生长，又不会对该水体中必要生物群落造成损害，该食物链中的物种又包括了经典生物操纵和非经典生物操纵中常用的物种，从而实现对水体更加理想的治理效果，实现一种稳定有效的全方位立体生态操作。甚至，引入的食物链可以不具备经典和非经典生物操纵手段中常用的物种，只要

44、这条食物链具备消灭导致水体污染物种的功能就可以。3营养结构分析技术3.1 碳氮稳定同位素比例同位素分析采用稳定同位素质谱仪测量，样品的碳氮含量用表示，碳氮稳定同位素比例用¦Ä表示：X= (Rsample/ Rstandard -1 1000式中，X是C或N；Rsample代表实验测得的碳氮稳定同位素比，碳稳定同位素比是13C/2C，氮的稳定同位素比是15N/14N，Rstandard是国际通用标准物的重轻同位素丰度比，值越小表示样品同位素(13C或15N含量越低，越大表示样品重同位素(13C或15N含量越高39。3.2 营养级估算大量的研究表明食物网中氮稳定同位素含量随着营

45、养级升高会出现规律性富集现象，因此物种营养级高低可以用氮稳定同位素来表征。利用稳定同位素计算生态系统中消费者的营养级，一般采用食性简单的初级消费者作为基线（baseline）生物。消费者营养级位置计算公式为40-41：=（15Nconsumer 15Nbaseline）/15N+2其中：表示营养级，15Nconsumer表示所求物种氮稳定同位素含量，15Nbaseline表示基线生物氮稳定同位素含量，15N表示氮营养级富集度，一般取3.840。3.3 营养结构研究与生物操纵生物操纵技术就是人为地控制水体生态系统中的物质流动。C、N、P等营养物质被生物体同化为自身物质，脱离水体，使得水体变清澈，

46、最终以水产品形式真正脱离水体。再者就是被生物链取食部分营养物质，临时脱离水体滞留在生物体内，导致水体营养物质减少。当然，这部分营养物质除了部分被同化，剩余部分作为废弃物重新排放到水体中，而这重新排放出来的废弃物可以被生物链中其他相关生物再取食，再次进入到食物链滞留之中，而这些生物产品最终也被定量捕捞成为健康的绿色食品，如此循环，导致水体营养物质维持在一个稳定水准之间。最后，生物链物质循环所产生的一部分碎屑会沉降到底土中，最终被氧化为磷酸二氢钙固定下来，成为绿色植物营养物质，回归成为初级生产力。因此，用来控制水体的生物链越长，在水体营养承载范围内水生动物数量越多固定住的营养物质就越多，水质就越好

47、。当然，水质变好了，营养物质减少了，水生动植物数量也可会下降。生物操纵前中后各种水生动物生态位的变化，食性变化，营养级也会变化。不同季节中，食物网中的相互作用本身就是不同的。春天，浮游动物多，以陆源碎屑为食物，如果数量太多会产生休眠卵，以浮游动物为食物的鱼类就大量繁殖。春后夏初，繁殖厉害，各个物种相互作用大。夏天，温度高，藻类和水草量很大，碎屑很多，这会导致草食性和碎屑食性鱼类大量增加。秋季，很多初级生产者开始腐烂，各物种也会在生理上开始调整，食物的选择也会相应变化。冬天浮游生物减少，相关食性的生物就必须取食其他食物，那么它的营养层次就会变化。四季的初级生产力不一样，产卵季节不一样，幼体生物量

48、不一样，营养结构均有变化。生物操纵的对象就是生态系统中营养物质的流动或说物质、能量流动，研究生态系统中物种的营养级、营养层次和相互间的摄食关系是研究生物操纵所产生效益的量化途径。举一个类似研究的例证，Mangaliso等人42从马拉维湖中养殖箱内外进行采样，采取相关的各个物种样品，包括各种养殖鱼、养箱外围因为养殖鱼产生的粪便等废弃物而聚集的鱼种、饲料、粪便、浮游动植物以及各种藻类的样品进行研究养箱附近各个物种的相互关系得出如下结论：粪便及其鱼食碎屑等可以成为养箱附近其他鱼种的营养来源；养箱上附着的藻类以及湖底初级生产者都吸收了来自养箱的C、N源营养；在养箱及其附近取得的样品和一定距离外的参照组

49、取得的样品进行对比分析，C、N同位素含量有明显不同；沉降到湖底的养殖废弃物，由于其他物种的取食以及水流的冲击，导致了C、N营养含量下降；底栖无脊椎软体动物是一种理想的环境指示生物，这是因为其移动能力差，几乎是定点生存的，但由于废弃物以及它们本身受到海流以及其他生物影响，所以其指示能力得到折中；这网箱建立前后所取样品的稳定同位素含量有着很大的不同。鱼类胃含物分析与稳定同位素分析都是生态系统营养结构研究中的重要的手段。随着近年来稳定同位素技术的发展，传统胃含物分析法逐渐显示出了其干扰性大无法定量等不足之处。而作为生态研究中的一种新兴技术的稳定同位素分析技术除却解决了胃含物分析法的不足之处，还显示出

50、更高的准确性、先进性、可发展性等优势。根据刘恩生45对生物操纵的分析，生物链控制水库富营养化和调节水质原理：N，P等营养物质的富集是造成水体富营养化水质差的根本原因，所以用生物链来进行生物操纵，控制和优化水体，就是针对N，P等营养物质进行的。所以通过相关营养物质的稳定同位素测量来评估生物操纵的效益具有前瞻性的意义，对于促进生物操纵技术的深入研究有重要意义。王玉玉等指出稳定碳、氮同位素比率分析是研究生态系统物质循环和能量流动的一种有效方法44。颜云榕等对比研究了用稳定同位素方法和传统胃含物方法分析北部湾带鱼的饵料组成、营养级和摄食习性的结果43。万祎等人利用碳氮稳定同位素分析渤海湾食物网主要生物

51、种的营养层次。15N值范围为4.0813.98，富集因子为3.8；13C值范围为-25.38-11.08，富集现象不明显41。第2章 青草沙水库立体复合生态操纵池塘水生动植物的同位素特征前言稳定同位素在生态系统研究中是一种很重要的手段。消费者的碳稳定同位素比值与其食物的碳稳定同位素比值接近，因此碳同位素比值可以用来研究物种的食物来源46；而氮同位素比值与其摄食种的氮同位素比值有着明显的变化，因此氮稳定同位素比值可以用来研究营养级和营养结构42,47-49。 2006年在中国工程院的提议下，青草沙成为上海市重要的水源地。改变了上海自来水80%以上源于黄浦江的格局，解决了上海市部分用水问题。为了增

52、强水源地水体富营养化风险防控，2011年模拟青草沙水库特征在库区西北角建立了面积达16500m2的生态操作实证基地（图2-1），利用立体复合生态操纵技术进行生态恢复。以种植沉水植物为中心，兼放养各种鱼类，以典型和非典型两种生物操纵方法，进行水质控制，以达到净化水质的效果。以种植沉水植物为中心，兼放养各种鱼类，以典型和非典型两种生物操纵方法，进行水质控制，以达到净化水质的效果。实证基地样板池沉水植物群落在2012年4月份以后，形成了苦草-狐尾藻群落，覆盖度在60%以上，由于狐尾藻长势比较旺盛，生物量较大，对苦草的生长产生了一定的遮盖作用。同时，在2012年的6-9月份，放养了大量的滤食性鱼类、贝

53、类、底栖动物以及肉食性鱼类等进行经典和非经典生物操纵的混合模式调节。这里必须指出的是，青草沙实证基地中的各种动植物多数为人工放养，少量为水库进水时带入，但从来不喂食，放养的目的就是为了构建尽量自给自足的人工生态系统，净化水质。本研究旨在探讨生物操纵技术使用后的青草沙实证基地的营养结构，以便为其他生物操纵水体营养结构构建提供对比参考。图2-1青草沙实证基地样板池塘位置图Fig.2-1 Location of Qingcaosha empirical reservoir 1材料方法1.1样品采集于2012年10月，在青草沙实证基地水库有代表性得选取了多个采样点，对水草以及实证基地样板池中的各种鱼类

54、以及底栖软体动物和爬行动物进行采样，采集种类如下：鱼类包括鲫鱼，黄颡鱼，虾虎鱼，鳊鱼，大麦穗鱼，鲢鱼，红鳍鲌，棒花鱼，小麦穗鱼，油餐。沉水藻类包括狐尾藻，苦草。底栖生物包括环棱螺，河蚬等。1.2样品处理1）组织选取：a.鱼类：将做好种类鉴定后的鱼类侧线上方背鳍下方鳞片刮净，用手术刀小心切开表皮并去除表皮。然后取皮下小块肌肉，注意鱼肉不能含有鱼刺、血丝和鱼皮，取出后用蒸馏水冲洗，装入实验袋中，做好标记。b.螺类：先用清水喂养一个晚上。然后用清水将螺体表面清洗干净，去除螺类的外壳，用手术刀取下其腹足，用蒸馏水清洗，装袋并做好标记。c.沉水植物：用清水漂洗，然后取枝叶中部，用蒸馏水清洗后装袋，做好标

55、记。d.虾蟹类：虾直接去躯干，去除外壳后用蒸馏水清洗装袋，做好标记；蟹取大鳌里面的肌肉组织，用蒸馏水清洗后装袋，做好标记。2）冷冻干燥冷冻干燥采用冷冻干燥机于-50¡æ下进行。不需要酸化，干燥时间为二十四小时。经过干燥处理后的样品基本保持脱水状态。3）研磨处理将以上冷冻干燥后的样品，先用研钵磨成粉末，然后过100目筛，得到样品粉末，量在900-1100微克之间，这样便于实验仪器分析。研磨过后的样品粉末按照先前的标记逐个装入离心管内，用于下一步的仪器分析。1.3稳定同位素分析样品包装后送入ISOPRIME 100稳定同位素质谱(Isoprime Corporation, Ch

56、eadle, UK和vario ISOTOPE cube元素分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau, Germany测定碳、氮稳定同位素含量。碳、氮稳定同位素值分别以国际通用的标准物质peeDee石灰岩中的碳和大气氮作为参考标准，结果以¦ÄC和¦ÄN值形式来表示。¦ÄC和¦ÄN以下面的公式进行计算：¦ÄX= (Rsample/ Rstandard -1 1000式中，X指C或者N，R表示C /C或者N/N的比值。¦ÄX值越小表示样品

57、同位素(13C或15N含量越低，越大表示样品重同位素(13C或15N含量越高39-40。公式中，TL表示所计算生物的营养级，分子前项表示为样品消费者氮稳定同位素比值，后一项则表示标准生物的氮稳定同位素比值，分母为营养级的富集度，富集度的值为3.840。2结果2.1 青草沙实证基地样品稳定同位素含量由稳定同位素分析仪测定并计算得出青草沙实证基地物种稳定同位素数值如下表: 表2-1：青草沙实证基地池塘物种稳定同位素值Tab.2-1: the stable isotope values of species in pond of Qingcaosha empirical reservoir物种13C

58、15N营养级穗状狐尾藻 Myriophyllum spicatum（MS）-13.601.771.00苦草Vallisneria natans (Lour. Hara（VN）-18.143.801.60铜锈环棱螺Bellamya aeruginosa（小）（BAS）-18.623.991.65黄蚬Corbicula aerua Heude（CAH）-21.514.241.73鲫鱼Carassius auratus（CA）-18.584.301.74铜锈环棱螺Bellamya aeruginosa（大）（BAB）-17.285.001.95日本沼虾Macrobrachium nipponense