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一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法技术方案

技术编号:19442301 阅读:15 留言:0更新日期:2018-11-14 15:25
本发明专利技术公开了一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法。首先利用ECOPATH模型拟合当前生态系统能量流动模式,当确定水体中浮游植物或大型水生植物的周年生产量过高时,根据模型输出结果,以维持系统运行所需的最低初级生产量为基准,针对多余的初级生产量,采用定量投加鱼类消费者的方法,利用鱼类消费者的捕食作用增加对系统内初级生量的消耗,同时产生下行效应以控制初级生产者的生物量和群落结构。修复完成后,利用ECOPATH模型对渔获量进行评估,根据评估结果对当年投加的经济鱼种进行收获,使生态系统维持能量平衡,渔获物可直接带走水体中大量营养盐,并产生一定经济价值。本发明专利技术方法从生态学、数量学和能量学角度为目前以科学实验为手段的修复方法提供了新的思路参考和技术支持,对受损水体的生态修复具有十分重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法
本专利技术涉及生态环境治理
,更具体地,涉及一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法。
技术介绍
随着经济、社会的快速发展,我国的一些淡水湖泊、城市内湖面临水体富营养化的巨大压力,某些地方水体污染十分严重,如巢湖、滇池、太湖等。水体富营养化污染的主要来源是水体中含有的大量营养盐,主要是氮、磷污染物。水体富营养化是水体演变、衰老的自然过程,在人类活动的影响下这种缓慢的天然过程加速非常快。我国许多地区特别是农业集约化程度高、氮肥用量大的地区,水体富营养化问题更加突出。目前,我国的水体已有65%呈现富营养状态,还有29%正在转向富营养状态,水体富营养化已成为我国水体面临的重大环境问题之一。由于水体中营养物质过多,水生生物(如大型水草、着生藻类、浮游藻类)的生物量和生产量不断增加,尤其是以浮游植物“藻华”为代表,水草和藻类的呼吸作用及其死亡分解过程所消耗掉的大量溶解氧,致使水体处于严重的缺氧状态,产生有毒物质(如硫化氢),严重降低水体质量,威胁水生生物的生存。当前,利用生态学手段对富营养化水体进行修复主要以生物操纵技术为主。生物操纵技术是基于生态系统的能量流动模式,借助食物链中各营养级间的捕食关系,通过改变受损水体的生物群落结构,尤其是通过投加高级鱼类消费者,发挥其下行效应,达到改善水体质量、恢复水生态系统的生态平衡的目的。生物操纵是一种耗资少、纯天然的修复技术。但在实施过程中,主要存在以下难以确定的科学问题:1)所投加鱼类的生物量,2)鱼类的回收捕捞量,3)生态系统是否变的更加完善,4)系统修复效果如何评价。如何采用科学有效的方法对受损水体进行生态修复是目前亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足,提供一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法。所述方法从生态学、数量学和能量学角度为目前以科学实验为手段的修复方法提供了新的思路参考和技术支持,对受损水体的生态修复具有十分重要的应用价值。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案给予实现的:一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法,包括如下步骤:S1.采集受损水体中的碎屑和水生生物,确定其物种组成,然后根据各物种的捕食方式划分功能类群;S2.进一步确定S1中各功能类群的生态学参数,包括生物量、生产力、消耗量、营养捕食关系,结合S1中所得的基本参数,录入ECOPATH模型,进行数据拟合、试运行、检验、重组;S3.查看ECOPATH模型的输出结果,确定主要初级生产者,评估当前系统的初级生产力是否超标,即总初级生产力与总呼吸量比值是否>1,确定超标量;S4.根据S3确定的超标量定量投加消费者功能类群,以维持生态系统运行所需的最低初级生产量。生态系统模型ECOPATH是发展成熟、容易操作且结合多种生态分析的套装软件,用以建构生态系统食物网模式,并可进行生态模拟,为生态系统经营管理提供有效的科学参考依据。该模型依托数量生态学和能量生态学原理,对生态系统内各功能群的生物量、生产量、消耗量进行定量分析,以各营养级间的捕食关系为网络,可构建各类水体的能量流动模式。ECOPATH模型的优点在于可以通过改变相关参数模拟系统的能流变化趋势,并提供通用的生态系统指标让管理者可以评判系统变化的优劣。本专利技术首先利用ECOPATH模型拟合当前生态系统能量流动模式,在确定水体中浮游植物或大型水生植物的周年生产量过高时,根据模型输出结果,以维持系统运行所需的最低初级生产量为基准,针对多余的初级生产量,采用定量投加滤食性、草食性、杂食性以及肉食性鱼类的方法,利用鱼类消费者的捕食作用增加对系统内初级生量的消耗,同时产生下行效应以控制初级生产者的生物量和群落结构。优选地,在确定消费者功能类群投加量后,在ECOPATH模型中录入新的系统参数,进行二次模拟,将二次模拟的输出结果与一次模拟,即修复前的模型拟合结果进行比较,对比修复前、后,目标水体在食物网结构完整性、营养功能多样性、能量传递有效性上的参数的变化,以确保修复效果能够实现对生态系统的改善,达到降低系统能量冗余,提高单位能流循环次数,增加食物链长度的目的。优选地,所述消费者功能类群为鱼类消费者。具体地,所述鱼类消费者为滤食性鱼类、草食性鱼类、杂食性鱼类或肉食性鱼类。草食性和滤食性鱼类的投加以控制系统初级生产量、降低营养盐为目的,杂食性和肉食性鱼类投加以以提升系统成熟度、多样性、能流传递效率为目的。在保证草食性和滤食性鱼类的消耗量可有效降低系统中营养盐含量的基础上,杂食性和肉食性鱼类的投加量可根据系统的发展程度进行调节。优选地,在S4全部鱼类消费者投加后,以年为单位,利用ECOPATH模型输出结果计算可回收的渔获物量,最大渔获量的确定需满足:1)捕捞后剩余的草食性和滤食性鱼类足够继续消耗次年多余的初级生产量;2)将量减小系统能流、生态属性、食物网结等参数的构变化;3)维持系统在相对成熟、稳定的状态。本专利技术在生态系统修复完成后,又利用ECOPATH模型对渔获量进行评估,根据评估结果对当年投加的经济鱼种进行收获,使生态系统维持能量平衡,渔获物可直接带走水体中大量营养盐,并产生一定经济价值。优选地,S3主要初级生产者为水草和浮游,计算未利用的水草和浮游藻初级生产量,计算公式如下:其中,UP水草(unutilisedproduction)和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量,P水草(production)和P浮游藻分别为水草和浮游藻的初级生产量,TP(totalproduction)为系统的总初级生产量,即P水草和P浮游藻的加和,TR为系统的总呼吸量(totalrespiration),以上数据单位均为g·m-2·year-1。优选地,S4为根据未利用的水草和浮游藻初级生产量,开始选择所投加的鱼类物种,计算各物种的事宜投加量,购买鱼苗并进行投加,所投加的物种可根据地区间差异自行选择;计算所投加的草食性或杂食性鱼类生物量,计算公式如下:其中,UP水草和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量,单位g·m-2·year-1;C草食性鱼类(consumption)和C滤食性鱼类分别为草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗量,单位g·m-2·year-1;D水草(diet)和D浮游藻分别为水草在草食性鱼类食物中的比例以及浮游藻在滤食性鱼类食物中的比例,单位%;B草食性鱼类(biomass)和B滤食性鱼类分别为所投加的草食性鱼类和滤食性鱼类的生物量,单位g·m-2;A(area)为修复区水体面积,单位m2;(C/B)草食性鱼类和(C/B)滤食性鱼类分别为模型中提供的草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗率,无量纲。优选地,系统中杂食性和肉食性鱼类投加量以提升系统成熟度、多样性、能流传递效率为目标,本专利技术方法只提供系统所能承受的投加量上限,在此限度内,可根据修复水体的恢复速度、可供利用的鱼类生物量、渔获物市场经济价值等具体情况选择杂食性或肉食性投加量,投加量计算公式如下:其中,EEi(ecotrophicefficiency)为系统中功能类群i的生态营养利用效率;Pi和Pj为功能类群i和j的生产量,单位g本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法,其特征在于,包括如下步骤:S1.采集受损水体中的碎屑和水生生物,确定其物种组成,然后根据各物种的捕食方式划分功能类群;S2.进一步确定S1中各功能类群的生态学参数,包括生物量、生产力、消耗量、营养捕食关系,结合S1中所得的基本参数,录入ECOPATH模型,进行数据拟合、试运行、检验、重组;S3.查看ECOPATH模型的输出结果,确定主要初级生产者,评估当前系统的初级生产力是否超标,确定超标量;S4.根据S3确定的超标量定量投加消费者功能类群,以维持生态系统运行所需的最低初级生产量。

【技术特征摘要】
1.一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法,其特征在于,包括如下步骤:S1.采集受损水体中的碎屑和水生生物,确定其物种组成,然后根据各物种的捕食方式划分功能类群;S2.进一步确定S1中各功能类群的生态学参数,包括生物量、生产力、消耗量、营养捕食关系,结合S1中所得的基本参数,录入ECOPATH模型,进行数据拟合、试运行、检验、重组;S3.查看ECOPATH模型的输出结果,确定主要初级生产者,评估当前系统的初级生产力是否超标,确定超标量;S4.根据S3确定的超标量定量投加消费者功能类群,以维持生态系统运行所需的最低初级生产量。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在确定消费者功能类群投加量后,在ECOPATH模型中录入新的系统参数,进行二次模拟,将二次模拟的输出结果与修复前的模型拟合结果进行比较。3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述消费者功能类群为鱼类消费者。4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述鱼类消费者为滤食性鱼类、草食性鱼类、杂食性鱼类或肉食性鱼类。5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在S4全部鱼类消费者投加后,以年为单位,利用ECOPATH模型输出结果计算可回收的渔获物量,最大渔获量的确定需满足:1)捕捞后剩余的草食性和滤食性鱼类足够继续消耗次年多余的初级生产量;2)将量减小系统能流、生态属性、食物网结等参数的构变化;3)维持系统在相对成熟、稳定的状态。6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S3主要初级生产者为水草和浮游藻...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨扬王赛王林唐金鹏樊静静
申请(专利权)人:暨南大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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