水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法及其应用

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法及其应用。

背景技术

水域生态修复是长江大保护河湖(库)修复的重要措施。对于富营养化湖泊(水库库)而言，水域生态修复就是通过一系列工程措施将水质浑浊、藻型湖泊转化为以大型水生植物为优势的、水质优良的草型湖泊。人工湿地营造、水生植物恢复、水生态调控等生物技术措施是水生态修复的核心内容之一。尤其是沉水植物的重建技术，沉水植物可以同时从底泥和上覆水体中吸收营养物质，分泌的化感物质可以抑制藻类的生长，且沉水植物不同优势种群的生长季节往往交叉演替，可以对水体水质起到持续的净化作用。

修复物种的选择是水生态修复项目中沉水植物重建的核心之一，对于长江中下游湖泊而言，常见的沉水植物有金鱼藻、狐尾藻、苦草、黑藻、马来眼子菜、微齿眼子菜、菹草、大茨藻等。一般用围网将生态修复水域圈定，沉水植物栽种在围网内。栽种水草前，需清理围网内的草食性鱼类(草鱼、团头鲂)、底层鱼类(鲤、鲫)虾、蟹等，避免新栽种的水草被破坏。但是围网只能阻拦规格较大的个体，对于个体较小的鱼类、虾、蟹，不可避免地将摄食水草，造成水草恢复困难。另外，水域生态修复项目运营期依然存在技术难题，鱼类、虾、蟹等会对栽种的水草产生干扰(摄食、破坏等)，影响实施效果。并且，水域生态修复验收主要针对项目完成工程实物量开展考核，缺少水草维护定量的评估方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种简捷精准、对水草维护指导性强的水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法，包括如下步骤：

(1)试验观察区域的结构：

将生态修复湖泊的水域划分为受试水草的生长区和受试鱼类的摄食区，两区域为半封闭式，可保持受试生物的正常生理活动并阻隔非受试生物的干扰；

生长区包括生长单元、受试水草及栽培载体；摄食区则包括摄食单元及受试鱼类；

(2)试验的建立：

准备试验需求数量的生长单元、摄食单元，清除其中的非受试生物；

将受试水草种于栽培载体形成栽培组，各栽培组容纳的水草株数及生长状态相近，记录栽培组的生物参数，将栽培组培植于生长单元，建立生长区；

将受试鱼类饲养于摄食单元并以其尾数为变量，建立受试鱼类密度各异的摄食区；

培养生长区中的受试水草使其生长，培养期间摄食区中的受试鱼类则正常进行饲养；

培养期结束后进入试验观察期，根据受试水草的类型将其随时间分为若干观察阶段；

(3)试验的进行与统计：

在不同观察阶段下进行摄食胁迫试验，将栽培组分为统计组、测试组及对照组，以上分组确立后即可开始试验；

摄食胁迫试验开始时，利用统计组获取受试水草的生物参数；试验过程中，将生长区的测试组置于目标摄食区进行摄食处理，统计受试鱼类的摄食强度，对照组则不作摄食处理；

摄食处理后，测试组回归生长区进行恢复培养；随着测试组中受试水草的恢复，恢复期结束后统计其恢复前后的以及对照组的生物参数，确定受试水草的恢复能力；

(4)试验结果分析及结论指导：

观察与确认受试水草的生长活跃部位，结合不同观察阶段下获取的受试鱼类摄食强度，以及统计组、测试组、对照组所得受试水草生物参数的变化，分析确定受试水草在摄食胁迫下仍可恢复并用于生态修复的指标，以该指标作为生态修复湖泊水草维护定量的参考。

优选的，所述步骤(1)中，所述生态修复湖泊的水质符合GB 11607-1989，其水域水深为1.2～1.8m，透明度为0.8～1.4m。

优选的，所述步骤(1)中，所述受试水草包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、马来眼子菜、微齿眼子菜、菹草、大茨藻中的一种。

优选的，所述步骤(1)中，所述受试鱼类包括草鱼、团头鲂、鲤鱼、鲫鱼中的一种。

进一步优选的，所述步骤(1)中，所述受试鱼类为自然野生种群，用于避免养殖种群和自然野生种群摄食习性差异引起的误差，保证试验结果的可靠性。

优选的，所述步骤(2)中，所述栽培组的生物参数包括各组栽培受试水草的株数、叶片均长、生物质量。

优选的，所述步骤(3)中，每次进行摄食处理前，可饲养取自生态修复湖泊中的水草，避免受试鱼类在试验期间摄食量过大导致的结果不准确。

优选的，所述步骤(3)中，所述统计组、测试组、对照组的生物参数的指标包括生物量及其计算过程中记录的过程参数；生物量的统计中，需将统计组、测试组、对照组的受试水草按叶片、根茎部分分开统计生物质量，随后计算各组相应的生物量。

生物量为生物质量与栽培载体面积的比值；由于摄食胁迫试验期间将受试水草连根拔起后称重统计会影响结果准确性，因此各组需按照叶片、根茎分开计算生物质量。

进一步优选的，所述生物量的统计方法如下：

记录栽培组的株数、每株受试水草的平均叶长；取部分株数的栽培组作为植株样本，记录样本在规定叶长下的平均叶片质量，根据其比值计算叶片生物质量系数，得到叶片的总质量；记录样本单株平均根茎质量，根据其与样本株数的比值计算根茎生物质量系数，得到根茎的总质量，栽培组受试水草的总生物质量为叶片和根茎的质量之和，生物量则由如下公式计算得到：

B＝(a×b×m

式中，B为栽培组生物量，单位为kg·m

为了方便进行说明，上述公式的推导流程如下：栽培组统计的生物参数指标为生物量(B)，生物量(B)为生物质量(m)与栽培载体面积(s)的比值；首先记录栽培组的株数(a)，每株受试水草的平均叶长(b)，随后统计叶片生物质量系数(k

进一步优选的，所述摄食强度的观察指标为日摄食率，其统计方法如下：

分别统计各摄食区中受试鱼类的体重；记录对应摄食区下，摄食处理前栽培组中测试组的受试水草的叶片生物质量，以及摄食处理后的叶片生物质量，前后生物质量的差值与摄食天数的比值即为受试鱼类在所处摄食区的日摄食量；日摄食率则由如下公式计算得到：

q＝[(m

式中，q为日摄食率，单位为％；m

同样的，为了方便进行说明，上述公式的推导流程如下：分别统计各摄食区中受试鱼类的体重(W)；记录对应摄食区下，摄食处理前栽培组中测试组的受试水草的叶片生物质量(m

进一步优选的，所述恢复能力的观察指标包括日绝对增长率、日相对增长率，其统计方法如下：

恢复期开始时，记录起始天数与此时栽培组对应的受试水草生物量；恢复期结束后，记录结束天数与恢复后栽培组对应的受试水草生物量，根据如下公式计算日绝对增长率、日相对增长率：

AGR＝(B

RGR＝[(B

式中，AGR为日绝对增长率，单位为kg·m

优选的，所述步骤(4)中，所述受试水草的生长活跃部位观察与确认方法如下：

随机取受试水草植株若干组，每组包含叶片长短不一的两株受试水草，以短叶片的为自然生长组，长叶片的为人工修剪组，记录自然生长组、人工修剪组的完整叶片长度，随后将人工修剪组的植株叶片修剪至与自然生长组的等长，并沿两组叶片顶端以等距离进行标记；标记后让两组生长一定时间，观察标记区间的增长量以确定植株的生长活跃部位，并观察对比自然生长组、人工修剪组的非生长活跃部位的叶片标记区间变化。

进一步优选的，所述受试水草为苦草，所述受试鱼类为草鱼；苦草的培养期为栽种后前2周，试验观察期则分为4个阶段，第一阶段为苦草栽种后第2～5周，第二阶段为苦草栽种后第6～9周，第三阶段为苦草栽种后第10～13周，第四阶段为苦草栽种后第14～17周；试验时间为7～10月，此时苦草处于生长旺盛期。

更进一步的，单个所述栽培组的苦草植株数为40～50株；单个所述摄食单元中的草鱼尾数为1～3尾。

更进一步的，所述草鱼为1

在本发明的第二方面，提供了本发明第一方面的水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法的应用，具体是该观察方法在考核水草维护实施效果跟踪评价中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明提出了水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法，该方法可以确认水草在摄食胁迫下的关键生长部位，结合不同观察期的评估，实现了对水草维护实施效果的跟踪评价。

本发明提供了水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法的应用，通过为水草维护提供定量评估方法，在应用中精确直观的了解水域生态修复项目的实施效果并提供指导，实现了高效净化水体的目的。

附图说明

图1为实施例中受试生物的示意图；

图2为实施例的栽培载体和苦草栽培方式的示意图；

图3为实施例的生长区结构示意图；

图4为实施例的摄食区中草鱼为1尾时的摄食示意图；

图5为实施例的摄食区中草鱼为3尾时的摄食示意图；

图6为实施例的苦草实物图及苦草生长示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

以下实施例中：

水域：试验水域为武汉市东湖，水质符合GB 11607-1989，其水域水深范围为1.2～1.8m，透明度为0.8～1.4m；

草鱼：来源于武汉市东湖的自然野生种群，1

苦草：取自生态修复湖泊的完整植株；

网箱规格均为5×2×2.2m(长×宽×高)；

竹篮规格为50×30×45cm(长×宽×高)，竹篮面积为0.15m

实施例1

水域生态修复中摄食胁迫下水草生长恢复的观察方法：

(1)试验观察区域的结构：

如图1所示，本实施例以水域生态修复中常见的苦草、草鱼作为代表性受试生物来进行观察评估，实验期为2022年夏季7～10月，此时苦草处于生长旺盛期；

将生态修复湖泊的水域划分为苦草的生长区和草鱼的摄食区，两区域由规格一致的3个网箱构建形成，摄食区的网箱为2个，分别编为1、2号，生长区的则编为3号；网箱需加网盖以防草鱼跳出，保持苦草、草鱼的正常生理活动并阻隔环境中非受试生物的干扰；

生长区由3号网箱、苦草及竹篮组成；摄食区则由1、2号网箱及草鱼组成；

(2)试验的建立：

试验前清理掉3号网箱内的草食性鱼类(如草鱼、团头鲂等)、底层水生生物(如鲤、鲫、虾、蟹等)，防止苦草被摄食破坏；准备8个盛有湖泥的竹篮作为栽培载体；如图2所示，将苦草植株均匀排列栽种在竹篮的湖泥中，每个竹篮栽种苦草40～55株，栽种前需将苦草洗净并称重，测量叶片长度，生物质量(以净重计)，对竹篮以数字1～8进行编号，分别记录每号竹篮中栽种的具体株数；如图3所示，将8个竹篮通过绳索悬挂在3号网箱中，构成生长区，该区参数的统计结果见表1；以1、2号网箱作为摄食单元，1号网箱暂养1尾草鱼，其体重为125g，2号网箱则暂养3尾草鱼，尾均体重为123g，构成摄食区；

表1：竹篮中栽种的苦草生物参数(栽种日期为2022年7月1日)

将以上网箱置于生态修复湖泊进行培养，3号网箱的苦草自然生长2周，在此期间1、2号网箱中的草鱼则在自然环境下正常饲养；2周培养期后进入试验观察期，根据苦草的生长性质分为4个阶段，第一阶段为苦草栽种后第2～5周，第二阶段为苦草栽种后第6～9周，第三阶段为苦草栽种后第10～13周，第四阶段为苦草栽种后第14～17周；

(3)试验的进行与统计：

进行摄食胁迫试验，以1号竹篮为统计组，4号竹篮为对照组，其余竹篮为测试组；由于摄食试验期间不能将苦草连根拔起后称重，在试验开始前需按照叶片、根茎分开计算，得到叶片、根茎的生物质量系数；

栽种2周后，即摄食胁迫试验开始前，取1号竹篮中各为10株的3组苦草，用剪刀剪取10cm长的叶片，记录各组每株的叶片质量，并称取3组各10株苦草的根茎并记录其根茎质量；叶片和根茎的统计结果如表2所示；

表2：苦草叶片、根茎重量(2022年7月15日，1号竹篮)

根据表2的数据，3组叶片的均重为1.72g，叶片剪取的长度均为10cm，则苦草叶片的生物质量系数为0.172(g/cm)；同理的，3组苦草植株根茎均重为18.9g，则苦草植株的生物质量系数为1.89(g/株)；根据以上两种系数统计方法可以方便地计算后续试验中苦草叶片和根茎两部分的质量，其和即为苦草总质量，竹篮中苦草总质量与竹篮面积的比值可获取对应的苦草生物量；

每次草鱼摄食前4天，开始饲养取自生态修复湖泊中的苦草，避免草鱼在试验期间摄食量大，破坏试验的苦草；

第一阶段(栽种后第2～5周)摄食胁迫试验：

从3号网箱中取出2、3号竹篮苦草(栽种2周后)，并计数苦草株数及测量叶片长度后(即苦草被摄食前的时段)，如图4、5所示，分别放入暂养草鱼的1号和2号网箱中，依次被1尾、3尾草鱼摄食24h后(实践中，如果3号苦草继续让3尾草鱼摄食一昼夜，则将全部叶片吃完，因此以24h为宜)，拿出竹篮，并再次计数苦草株数及测量叶片均长(即苦草被摄食后的时段)，将2、3号竹篮苦草放回3号网箱让其恢复生长，苦草经过2周时间恢复后，第5周进行观察，计数苦草株数及测量叶片均长(即苦草恢复后的时段)，4号竹篮苦草作为对照组，不进行摄食处理；

计数苦草株数及测量叶片长度应该注意的事项，即将竹篮提出水面，置于船上，在草样中选取10个测点，一人用双手捋直苦草，另一人用钢卷尺测量叶片的长度，10个测点的平均值即为该篓苦草的平均长度，苦草株数以遍数法计之；

第一阶段1尾、3尾草鱼摄食后苦草，以及对照组的苦草生长情况统计结果依次如表3～5所示；

表3：第一阶段1尾草鱼摄食后苦草(2号)的生长情况

表4：第一阶段3尾草鱼摄食后苦草(3号)的生长情况

表5：第一阶段对照组苦草(4号)的生长情况

观察及统计结果显示，苦草生物量的积累以对照组最多(即4号竹篮)，其次是被1尾草鱼摄食后的2号竹篮苦草，被3尾草鱼摄食后的3号苦草最低；草鱼摄食24h后，1尾草鱼摄食对2号苦草的破坏强度较小，株数只减少6株，叶片均长减少13cm，生物量由3.92kg·m

第二阶段(栽种后第6～9周)摄食胁迫试验：

苦草栽种后第6周，将5号苦草让1尾草鱼(165g)摄食，将6号苦草让3尾草鱼(尾均重168g)摄食；次日，取出苦草并放3号网箱让其恢复生长；第9周后，观察苦草生长恢复情况，第二阶段1尾、3尾草鱼摄食后苦草苦草生长情况统计结果依次如表6、7所示；

表6：第二阶段1尾草鱼摄食后苦草(5号)的生长情况

表7：第二阶段3尾草鱼摄食后苦草(6号)的生长情况

1尾草鱼摄食后，经过4周生长恢复，苦草恢复较好；经比较，3尾草鱼摄食使苦草的恢复受到极大的阻碍，4周的恢复生长期，尽管叶片长度从5cm增到15cm，但是苦草株数从15下降到5，即在恢复期内又死亡10株；这些死亡的植株有一个共同的特征是根部被草鱼从泥中拔出一截，植株中心的叶片被吃掉，剩下少量发黄的周围叶片；因此，苦草生物量的日绝对增长量出现负数(-0.13kg·m

第三阶段(栽种后第14～17周)摄食胁迫试验：

苦草栽种后第10周，将7号苦草让1尾草鱼(204g)摄食，将8号苦草让3尾草鱼(尾均重208g)摄食，次日，取出苦草并放3号网箱；第13周后，观察苦草生长恢复情况，第二阶段1尾、3尾草鱼摄食后苦草苦草生长情况统计结果依次如表8、9所示；

表8：第三阶段1尾草鱼摄食后苦草(7号)的生长情况

表9：第三阶段3尾草鱼摄食后苦草(8号)的生长情况

1尾草鱼摄食没有损失苦草株数，经过4周生长恢复，7号苦草的株数增加了12株，叶片均长增长了6cm；经比较，3尾草鱼的摄食损失了15株苦草，叶片均长则减少了69cm；经过4周生长恢复，8号苦草增加了2株，叶片也长高了3cm，说明9月份苦草生长已经减慢了，而草鱼摄食仍很旺盛；

第四阶段(栽种后第14～17周)摄食胁迫试验：

苦草栽种后第14周，最先进行试验的2号和3号苦草已完全恢复至与对照组无异，可以作为新的试验组进行试验；将2号苦草让1尾草鱼(252g)摄食，将3号苦草让3尾草鱼(尾均重260g)摄食，2昼夜后，取出苦草并放3号网箱；第17周后，观察苦草生长恢复情况；第三阶段1尾、3尾草鱼摄食后苦草苦草生长情况统计结果依次如表10、11所示；

表10：第四阶段1尾草鱼(2号)摄食后苦草的生长情况

表11：第三阶段3尾草鱼(3号)摄食后苦草的生长情况

10月以后，由于水温降低，草鱼的摄食强度大大下降；在4周的恢复期内，苦草没有增加新的植株，叶片长度的增加也很缓慢；

将四个阶段统计数据计算得到的苦草生物量增长率进行对比，第一至第四阶段的增长率测试结果如表12～15所示；

表12：第一阶段(苦草栽种后第2～5周)苦草总生物量的变化

表13：第二阶段(苦草栽种后第6～9周)苦草总生物量的变化

表14：第三阶段(苦草栽种后第10～13周)苦草总生物量的变化

表15：第四阶段(苦草栽种后第14～17周)苦草总生物量的变化

根据上表的统计数据，对比可以总结以下规律：

(1)因不同密度草鱼的摄食具有不同强度，故苦草恢复生长表现出较大差异；

(2)第一阶段观察表明，经比较2号、3号和4号苦草生长恢复情况，没有草鱼摄食的对照组苦草生物量日绝对增长率大于其他两组；

而日相对增长率在3尾草鱼摄食后为0.141，大于对照组及1尾草鱼摄食后的结果。这说明适度的摄食对苦草生长有刺激、加速作用；

(3)第二、三和四阶段观察表明，如果摄食量增大到一定程度，苦草生长则受到抑制，生物量反而下降；

计算不同阶段草鱼日摄食，以统计不同阶段草鱼摄食强度；第一至第四阶段的草鱼摄食率结果如表16所示；

表16：各阶段草鱼日摄食率结果

经上表数据比较，结果表明，7、8、9月份草鱼摄食率高，10月份摄食率降低，符合草鱼一般的摄食规律；另外，1尾草鱼单独摄食所表现的日摄食率略高于3尾草鱼一起摄食时的日摄食率；

以上表中数据均采用本发明提供的方法统计得到；

(4)试验结果分析及结论指导：

观察与确认受试水草的生长活跃部位，随机在竹篮的苦草样里取一些苦草植株并分组进行观察，每组包含叶片长短不一的两株受试水草，以短叶片的为自然生长组，长叶片的为人工修剪组，记录自然生长组、人工修剪组的完整叶片长度，随后将人工修剪组的植株叶片修剪至与自然生长组的等长，并沿两组叶片顶端每隔2cm进行标记；标记后让两组自然生长3d，随后测量叶片的总长度及标记线之间的距离，确定植株的生长活跃部位，并观察对比自然生长组、人工修剪组的非生长活跃部位的叶片标记区间变化；

根据代表性观察结果，如图6所示，苦草活跃的生长部位位于叶片最下端2cm以内，即绿色组织与白色组织的过渡区；根据苦草生长示意图，一株11.8cm长的完整叶片3d后长至21.4cm，即最下端的1.8cm长了11.4cm；而一株33cm长的完整叶片被剪去21.2cm，所剩留的11.8cm的叶片3d后也长至20.2cm，即最下端的1.8cm长了10.2cm；两图中标记线之间的距离没有变化，这一发现表明，只要草鱼摄食没有破坏叶片下端，苦草就能够恢复生长；结合活跃生长部位和不同观察阶段下获取的受试生物统计结果，在水域生态修复项目运营维护期，苦草生长活跃部位被破坏后，应当及时移除后重新栽种，如果苦草仅被破坏叶片上部分，生长活跃部位未受影响，则需做好进一步观察，考虑是否移除重栽；

最后，由本发明观察方法可以对实施例分析作出以下结论，以供生态修复湖泊水草维护定量参考：

(1)草鱼的冠层摄食行为效应，当苦草叶片长度≥50cm时，草鱼一昼夜摄食叶片长度约20cm，一般仅摄食叶片中上部分，被摄食后的苦草(叶片长度≥30cm)能够得到恢复；

(2)冠层摄食因极少破坏苦草的快速生长区，不会影响苦草恢复生长能力；

(3)在水域生态修复项目运营维护期，苦草叶片被破坏后，如果属于冠层摄食行为，苦草生长恢复不受影响，并且有利于生态修复效果，可以促进苦草进一步吸收水体中的营养物质，净化水体；相反，苦草叶片被破坏后，如果不属于冠层摄食行为，苦草生长恢复可能会受到较大影响，不利于生态修复效果，需要加强水草养护；

(4)试验观察到，如果草鱼数量多，苦草量不足，则草鱼不仅吃完苦草叶片，还会将苦草连根拔起；在少数情况下，当苦草量大时，也会有少量植株被拔掉；

(5)草鱼摄食具有明显的选择性，对一株苦草而言，中央较嫩的叶片，常被草鱼先吃掉，而周围黄褐色叶片，则被草鱼放弃；

(6)冠层摄食也为冠层收割提供了生态学依据，即在水域生态修复期间，可以适当地收割苦草叶片的冠层，保证收割后苦草叶片长度≥30cm，可以促进苦草进一步吸收水体中的营养物质，净化水体。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。