专利名称：一种利用食物网进行生态系统修复的方法
技术领域：
本发明属于生态修复重建领域，特别涉及一种基于构建当地食物网的生态修复重建技术。
背景技术：
随着人类对生态系统的干扰活动越来越多，程度越来越剧烈，加上气候变化与自然灾害，生态系统面临的负荷愈来愈大，诸多生态系统受到了很大影响，并且已经开始出现明显的退化现象，例如生物量、物种组成的下降，海洋中优势鱼类由相对高质量的种类转变为相对低质量的种类等等。生态系统的退化会对其自身生态功能的正常发挥造成影响，降低其对人类的服务价值。鉴于生态系统对人类生存与发展的重要性，让退化生态系统恢复其正常生态功能、维持平衡稳定、继续为人类服务，已成为人类的一项重要任务。生态修复重建是使退化生态系统重新恢复正常生态功能，保持自身稳定平衡的一条重要途径。国内外已经对很多的退化生态系统进行了生态修复重建，而这些生态系统的修复重建，大多是从采用几种当地物种或引进非本地生物入手，一方面忽略了生态系统重新恢复平衡的漫长时间；另一方面也忽略了外来物种可能带来生态风险。生态系统要修复重建到其功能稳定的状态需要对其相关关键食物网结构的重建，而科学合理的食物网结构也是生态系统保持稳定的重要条件
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用食物网进行生态系统修复的方法，解决现有技术中生态修复重建恢复平衡时间漫长以及引进外来物种带来的生态风险问题。本发明所采用的技术方案有一种利用食物网进行生态系统修复的方法，包括以下步骤(I)生态修复重建区域调查对修复重建地的环境、物种及食物链类型调查，确定该区域的环境特征、现存物种种类、物种数量、生态习性以及食物链中每一营养级的主要物种类型；(2)关键食物网构建首先确定物种筛选原则，筛选物种为现有物种及常见物种并能适应生态修复重建区域环境；然后进行关键物种筛选，对每一个营养级的物种根据已调查的现存物种，依照筛选原则进行一一筛选；最后构建食物网，根据筛选物种间的营养关系构建一个简化食物网，该简化食物网是一个结构完整的生态体系；(3)关键食物网营养关系定量首先在生态修复重建区域优选一个人为干扰相对较少的生态系统作为参考基准；然后确定该参考生态系统中食物网各营养级的生物量结构比例关系；最后确定新建食物网各营养级中物种间的生物量结构比例关系；(4)生态系统修复重建根据修复重建区域的地理环境及筛选物种的生态习性，确定筛选物种在修复重建区域的引入时间和地点。
所述步骤(3)中参考生态系统所在时间与生态修复重建时间之间的间隔小于40年，参考生态系统的食物链类型与生态修复重建地的相同；参考生态系统中对应的各筛选物种的生物量已知。所述各营养级间的传递效率为0-50%。所述步骤(3)中参考生态系统各营养级的生物量结构比例关系直接根据各营养级的生物量来确定，并直接作为新建食物网各营养级的生物量结构比例关系。所述步骤(4)中修复时间选取修复重建区域初级生产力水平较高和生物生存繁荣的时段，根据筛选物种的繁殖期顺序，确定该物种的引入次序。所述食物链为沿岸大陆架食物链，分为生产者、食植动物、一级肉食动物、二级肉食动物四个营养级，生产者主要为浮游植物，食植动物主要为浮游动物、各种甲壳类、贝类，一级肉食动物主要为一级肉食性鱼类，二级肉食动物主要为二级肉食性鱼类。所述关键物种筛选出的生产者包括圆筛藻属、角毛藻属、夜光藻；食植动物包括中国对虾、日本轉、三疣梭子蟹、毛蚶、牡蛎及青蛤；肉食动物包括口虾蛄、斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、花鲈、赤鼻棱鍉、叫姑。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明生态修复的方法从引入当地物种入手，避免了在生态系统修复重建出现的生态风险，如外来生物入侵；引入生态修复重建区域的是当地关键食物网，即一个结构完整的生态系体系，促进了新生态体系的快速形成，不仅会避免了生态风险，还会缩短引入物种要重新融入新体系的时间；选择一个人为干扰较少的生态系统作为参考基准，对新建食物网的营养关系进行定量，保证了新形成生态系统的相对平衡稳定。本发明食物网方法适用于任何生态环境，例如森林生态环境、湖泊生态环境、海洋生态环境、湿地生态环境等；另外本发明食物网方法还可以应用于人工牧场建设。
图1为本发明生态修复关键步骤流程图；图2为渤海湾近岸简化食物网。
具体实施例方式下面针对渤海湾近岸退化生态系统的修复重建，以天津临港经济区一港池为例，结合附图1和图2对本发明构建当地关键食物网的复合修复方法做详细说明。I关键食物网构建1.1常见物种渤海湾食物链是沿岸大陆架食物链，分为生产者、食植动物、一级肉食动物、二级肉食动物四个营养级。在渤海湾，生产者主要为浮游植物；食植动物主要为浮游动物，另外还有各种甲壳类、贝类等；一级肉食动物主要为一级肉食性鱼类；二级肉食动物主要为二级肉食性鱼类。由于天津沿海的水产资源主要为鱼类、虾类、蟹类、贝类等，因此,构建食物网所筛选物种主要以上述种类为主。另外，由于浮游植物与浮游动物不会人为引入，因此将选择它们的主要物种作为代表来进行食物网构建。1. 2物种筛选原则每个物种都有一定的生存环境，在不同的生态环境下，会有不同的物种种类。因此,在重建渤海湾近岸生态的过程中,所构建食物网中的物种需能够在当地的环境中生存。渤海湾近岸物种筛选应遵循以下原则①筛选物种需为现存物种天津市渤海水产研究所发布的“渤海湾渔业资源与环境生态现状调查与评估”项目报告显示，在渤海湾传统渔业特产野生牙鲆、河豚等已彻底绝迹，因此，这些物种不能作为筛选物种。根据天津市水产局信息，目前在天津沿海，没有鰕虎鱼类，因此，这些物种也不能作为筛选物种。另外，在天津海域，中国对虾90年代难见虾汛，野生中国对虾几近绝迹，但天津市自2006年开始大规模增殖放流，现又开始出现虾汛，其可作为待筛选物种。②筛选物种需为常见物种所筛选物种需为常见物种，这样才能较容易生存繁殖，维持生态系统的连续性。例如，根据天津市水产局信息，，在天津沿海虽有蓝点马鲛和青蟹，但捕获数量很少，因此不建议将它们作为筛选物种。而斑鲦、黄鲫等为常见物种，因此可作为待筛选物种。③筛选物种需能适应生态修复重建地环境筛选物种应适宜在项目生态修复重建港池里生存。天津临港经济区一港池的平均水深约为7m，最深约为11m，港池有掩护，池内水流缓慢、波浪小。根据①②原则筛选的物种,虽为本地种,但其生态习性,不一定能适应该港池环境,例如，小黄鱼,其产卵亲体分布水深范围为13. 2Γ104. 67m,平均为57. 56m，显然，港池环境不能满足小黄鱼的生存条件。1. 3关键物种筛选1. 3.1 生产者在渤海湾生态系统中，生产者主要为浮游植物。浮游植物中优势种为硅藻门，其次为甲藻门；硅藻门中优势种有圆筛藻属与角毛藻属，甲藻门以夜光藻为常见种类。在水陆交接的潮间带也有像芦苇、大米草等生产者，参与该生态系统的循环。1. 3. 2食植动物食植动物主要为浮游动物，此外还有虾类、蟹类、贝类等。浮游动物主要为鱼类饵料，其中中华哲水蚤出现频率较高。根据天津市海洋生态环境监测站于2009年8月在渤海湾进行的海洋生态环境质量现状调查结果，从中虾类与蟹类各筛选两种比重较大的物种，即口虾蛄、中国对虾、日本轉、三疣梭子蟹，其中口虾蛄为一级肉食性动物。根据天津市水产局信息，确定贝类有毛蚶、牡蛎及青蛤等。1. 3. 3肉食动物肉食动物分为一级肉食动物与二级肉食动物，它们主要为鱼类，因此，这两个营养级的物种将在鱼类中筛选。根据天津市海洋生态环境监测站于2009年8月在渤海湾进行的海洋生态环境质量现状调查结果，并遵循上述物种筛选原则，最终筛选出斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、花鲈、赤鼻棱鍉、叫姑等鱼类。1. 4关键食物网构建根据所筛选物种，以及它们相应的营养关系，可构建一个渤海湾近岸的简化食物网(61月份)，见图2。食物网中的各种生物会不断地产生有机碎屑，包括排泄的废物以及生物死亡后的残体碎片。它们或在分解生物的作用下降解，释放出可供生产者吸收的营养物质，被生产者利用，或作为某些动物的食物，重新进入食物链(网)，进行下一轮的物质循环。2关键食物网营养定量关系构建完食物网后，本文将以人为干扰相对较少的1982年渤海海洋生态系统状态作为参考基准，对新建食物网营养关系进行量化，以确保临港经济区一港池海域新建食物网所形成生态系统的相对稳定平衡。苏纪兰等根据1982年渤海生态系统各营养级的年平均生物量得出了它们的生物量比例关系，即生产者食植动物一级肉食动物二级肉食动物=100 40. 5 19. 9 :8. O。其中，生产者、食植动物、一级肉食动物、二级肉食动物的年平均生物量分别以浮游植物年平均湿重、浮游动物年平均生物量(不含微型浮游动物和贝类)、一级肉食性鱼类年捕获量、二级肉食性鱼类年捕获量表示。另外，浮游植物的湿重是由叶绿素a换算所得，其换算关系为叶绿素a与浮游植物湿重的比为1:351. 37。因此，在已知叶绿素a含量的情形下，根据上述各营养级的生物量比例关系，可粗略估算出各营养级的生物量。虽然知晓各营养级的生物量，但仍然不知道各物种该引入多少，因此还需对各物种的生物量进行进一步的量化估算。2.1生产者生物量水陆交接处潮间带的大米草、芦苇等植物虽然参与生态系统的循环，但是一般不计入海洋生产者的生物量中，因此本实施例将不对其进行量化，直接将生产者的生物量等同于浮游植物的生物量。2. 2食植动物生物量
食植动物主要为浮游动物，另外还有虾类、蟹类、贝类等，即大型甲壳动物(日本虫尋、三疣梭子蟹、中国对虾)与小型软体动物(毛蚶、青蛤、牡蛎)。根据1982年4月至1983年5月的渤海生态系统调查项目的底拖网数据，浮游动物、大型甲壳类、小型软体动物的生物量分别为7. 2t/km2、0. 37t/km2、2. 76t/km2。则它们的生物量比例关系为浮游动物(大型甲壳动物+小型软体动物)=2. 3 :1。根据1982年5月至1983年2月的渤海增殖生态基础调查数据，口虾蛄、三疣梭子蟹、日本轉、对虾、毛蚶、短蛸的平均网获量分别为2.41kg/(网*h)、7. 56kg/(网*h)、
0.29kg/ (网· h)、0· 77kg/ (网· h)、0· 33kg/ (网· h)、0· 12kg/ (网· h)。根据扫海面积法估算生物量，即B=[C/(aQ)]A式中B为生物量，C为每小时每网渔获量，a为拖网每网的扫海面积，A为调查海区面积，Q为捕捞系数。由于a、A、Q均相同，因此各物种B的比例关系等于它们C的比例关系。贝丨J它们的生物量比例关系为口虾蛄短蛸三疣梭子蟹日本轉对虾毛蚶=2. 41 :0. 12 7. 56 :0. 29 :0. 77 :0. 33=8. 3 :0. 4 :26.1 :1 :2. 7 :1.1。本文将设定对虾与短鞘的生物量分别等同于中国对虾与长鞘的生物量；另外，从图1中可以观察到毛蚶、青蛤、牡蛎的生态位基本相同，因此，本文将设定它们的生物量相等。则它们的生物量比例关系为三疣梭子蟹:日本虫尋:口虾蛄:长蛾:中国对虫下:毛蚶:青蛤:牡蛎=26.1 1 8. 3 0. 4 2. 7 :1.1 1.1
1.1。则食植动物中各物种的生物量比例关系为浮游动物三疣梭子蟹日本轉中国对虾毛蚶青蛤牡蛎=69. 7% 23. 9% :0. 9% :2. 5% 1% :1% :1%。另外，根据各营养级的生物量比例关系，生产者食植动物一级肉食动物二级肉食动物=100 40. 5 19. 9 :8. 0，可估算出口虾蛄生物量/ 一级肉食动物生物量=3. 7%，长蛸生物量/ 一级肉食动物生物量=0. 2%。
2.3—级肉食动物生物量新建食物网中，一级肉食动物有斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、赤鼻棱鍉及口虾蛄等。1982年渤海部分一级肉食动年均生物量分别为斑鲦653. 98t/a ;银鲳2186t/a ;黄鲫26146t/a ;赤鼻棱鍉1684t/a，可推算出它们的生物量比例关系为斑鲦银鲳黄鲫赤鼻棱鍉=1 :3. 3 :40 :2. 6。由小节2. 2可知口虾蛄生物量/ 一级肉食动物生物量=3. 7%,长蛸生物量/ 一级肉食动物生物量=0. 2%。则一级肉食动物各物种的生物量比例关系为口虾蛄斑鲦银鲳黄鲫长蛸赤鼻棱鍉=3. 7% :2. 0% :6. 8% 82% :0. 2% :5. 3%。2. 4 二级肉食动物生物量新建食物网中，二级肉食动物有花鲈与叫姑，根据1982年花鲈与叫姑的年均生物量分别为3411t/a、415t/a，则它们的生物量比例关系为花鲈叫姑=89. 2% 10. 8%。2. 5各级生物量比例关系各营养级的生物量比例关系为生产者食植动物一级肉食动物二级肉食动物=100 40. 5 19. 9 8. O。生产者主要为浮游植物，则浮游植物生物量占该营养级总生物量的百分比为
100% ο食植动物中各物种生物量占该营养级总生物量的百分比为浮游动物69. 7% ;三疣梭子蟹23. 9% ;日本虫尋:0. 9% ;中国对虾2. 5% ;毛蚶1% ;青蛤1% ;牡蛎1%。一级肉食动物中各物种生物量占该营养级总生物量的百分比为口虾蛄3. 7% ；斑鲦2. 0% ;银鲳6. 8% ;黄鲫82% ;长蛾:0. 2% ;赤鼻棱鍉5. 3%。二级肉食动物中各物种生物量占该营养级总生物量的百分比为花鲈89. 2% ;叫姑10. 8%O3渤海湾近岸生态系统修复3.1修复岸段调研在生态修复重建地实施食物网复合修复技术之前，需要对天津临港经济区一港池修复岸段水域中浮游植物的生物量进行调查。叶绿素a浓度是表征浮游植物生物量最方便的指数，所以在实际调查过程中会调查叶绿素a的浓度。叶绿素a的采样方法、工具、设备、测定方法等均参照《海洋监测规范》(GB17378-2007)进行。测定出修复岸段水域中叶绿素a浓度后，根据叶绿素a与浮游植物湿重的比为1:351. 37，可换算出浮游植物的湿重，浮游植物的湿重即为浮游植物的生物量。另外，还需要在修复岸段对三疣梭子蟹、日本轉、中国对虾、毛蚶、青蛤、牡蛎、口虾蛄、斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、赤鼻棱鍉、花鲈、叫姑的实际生物量进行调查，这些物种的采样方法、工具、设备、生物量测定方法等同样参照《海洋监测规范》(GB17378-2007)进行。3. 2修复方案设计在对修复岸段水域的浮游植物与各筛选物种的生物量进行调查后，根据新建食物网的营养定量关系，可换算出各筛选物种需要的生物量。再将各筛选物种需要的生物量减去它们的实际生物量，即为各筛选物种在引入修复岸段时需要的额外引入量。在修复岸段的岸上可种植碱蓬、狗尾巴草等当地先锋植被；潮间带可种植耐盐的水生植物，如芦苇、大米草等；水下需引入的物种有三疣梭子蟹、日本轉、中国对虾、毛蚶、青蛤、牡蛎、口虾蛄、斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、赤鼻棱鍉、花鲈、叫姑。3. 3修复方案实施渤海湾初级生产力只有在夏季是处于高值状态，另外根据渤海湾近岸年内生物生存状况，可以得出，为达到较好的生态修复重建效果，生态修复重建地实施食物网复合修复技术的最佳时间为夏季。修复岸段的岸上与潮间带植被根据实际的规划要求种植；水下部分，各筛选物种的引入量等于它们各自的额外引入量，若知晓各筛选物种的平均体重，则可粗略算出各物种的额外引入数量，便于该技术的实施。筛选物种的繁殖期范围在4、月份，因此可将筛选物种在夏季同时引入修复岸段水域。针对渤海湾近岸退化生态系统的修复重建，食物网复合修复技术不是单纯的引入适宜当地生存的先锋物种，而是引入一个结构完整的生态体系，即根据当地先锋物种的营养关系构成的食物网，这可保证重建生态系统的相对稳定性。另外，为促使新建食物网所形成的生态系统能尽快趋于平衡，该技术以人为干扰较少的1982年渤海生态系统状态为参考基准，对新建食物网的营养关系进行量化，估算出了各筛选物种间的生物量比例关系。另夕卜，为达到较好的生态修复重建效果，建议该技术的实施时间安排在夏季。食物网复合修复技术不仅从结构上保证了其完整稳定性，还从量上保障了其相对稳定平衡，能作为渤海湾近岸退化生态系统修复重建的一种新技术。尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发 明的保护之列。
权利要求
1.一种利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)生态修复重建区域调查对修复重建地的环境、物种及食物链类型调查，确定该区域的环境特征、现存物种种类、物种数量、生态习性以及食物链中每一营养级的主要物种类型； (2)关键食物网构建首先确定物种筛选原则，筛选物种为现有物种及常见物种并能适应生态修复重建区域环境；然后进行关键物种筛选，对每一个营养级的物种根据已调查的现存物种，依照筛选原则进行一一筛选；最后构建食物网，根据筛选物种间的营养关系构建一个简化食物网，该简化食物网是一个结构完整的生态体系； (3)关键食物网营养关系定量首先在生态修复重建区域优选一个人为干扰相对较少的生态系统作为参考基准；然后确定该参考生态系统中食物网各营养级的生物量结构比例关系；最后确定新建食物网各营养级中物种间的生物量结构比例关系； (4)生态系统修复重建根据修复重建区域的地理环境及筛选物种的生态习性，确定筛选物种在修复重建区域的引入时间和地点。
2.根据权利要求1所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述步骤(3)中参考生态系统所在时间与生态修复重建时间之间的间隔小于40年，参考生态系统的食物链类型与生态修复重建地的相同；参考生态系统中对应的各筛选物种的生物量已知。
3.根据权利要求1所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述各营养级间的传递效率为0-50%。
4.根据权利要求1所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述步骤(3)中参考生态系统各营养级的生物量结构比例关系直接根据各营养级的生物量来确定，并直接作为新建食物网各营养级的生物量结构比例关系。
5.根据权利要求1所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述步骤(4)中修复时间选取修复重建区域初级生产力水平较高和生物生存繁荣的时段，根据筛选物种的繁殖期顺序，确定该物种的引入次序。
6.根据权利要求1-5所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述食物链为沿岸大陆架食物链，分为生产者、食植动物、一级肉食动物、二级肉食动物四个营养级,生产者主要为浮游植物,食植动物主要为浮游动物、各种甲壳类、贝类,一级肉食动物主要为一级肉食性鱼类，二级肉食动物主要为二级肉食性鱼类。
7.根据权利要求6所述的利用食物网进行生态系统修复的方法，其特征在于，所述关键物种筛选出的生产者包括圆筛藻属、角毛藻属、夜光藻、芦苇、大米草；食植动物包括中国对虾、日本轉、三疣梭子蟹、毛蚶、牡蛎及青蛤；肉食动物包括口虾蛄、斑鲦、银鲳、黄鲫、长鞘、花鲈、赤鼻棱鍉、叫姑。
全文摘要
本发明公开了一种利用食物网进行生态系统修复的方法，包括以下步骤(1)生态修复重建区域调查；(2)关键食物网构建；(3)关键食物网营养关系定量；(4)生态系统修复重建。本发明生态修复的方法从引入当地物种入手，避免了在生态系统修复重建出现的生态风险，如外来生物入侵；引入生态修复重建区域的是当地关键食物网，即一个结构完整的生态系体系，促进了新生态体系的快速形成，不仅会避免了生态风险，还会缩短引入物种要重新融入新体系的时间；选择一个人为干扰较少的生态系统作为参考基准，对新建食物网的营养关系进行定量，保证了新形成生态系统的相对平衡稳定。
文档编号A01K61/00GK103026874SQ201210435879
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者尤学一, 郑婷 申请人:天津大学