西泉眼水库渔业修复水生态系统研究
柴方营 赵予熙
摘要：西泉眼水库是哈尔滨市辖区内重要的大型水库之一，一度被列为哈尔滨市城市居民用水后备水源地，该水库水生态系统健康程度至关重要。本文研究了西泉眼水库水环境生物学特征，运用渔业生态系统层级关系对该水库水生态系统进行修复，取得了良好效果。研究期间，水库水体氨氮、总磷和总氮含量分别下降了42.1%、42.3%和36.2%，水质改善效果十分显著，水生态系统初步修复成功。
关键词：西泉眼;渔业;生态修复;水生态系统
1 西泉眼水库自然概况
1.1 地理位置
西泉眼水库坐落于哈尔滨市阿城区平山镇境内，位于松花江南岸一级支流阿什河上游，地理坐标为东经127°22′至127°31′，北纬45°04′至45°33′之间。西泉眼水库地处阿城、尚志、五常三市（区）交界处，距离哈尔滨市112公里。阿什河发源于尚志市帽儿山，流经尚志市、阿城市、五常市、哈尔滨市，于哈尔滨市水泥厂附近汇入松花江，流域面积1151km2。西泉眼水库控制流域面积占全流域面积的32%。
1.2 地理环境
西泉眼水库所处区域属于温带大陆性气候。春季风大少雨干旱，夏季湿热多雨，秋季冷凉早霜，冬季漫长寒冷。全年无霜期120-140d，年平均气温3.4℃，年日照时数2400-2700h，有效积温2500-2800℃。年平均降雨量为565mm，坝址以上多年平均降雨量为690mm。6-9月份降水占全年降水量的70%，流域内径流丰枯变化主要受降雨量的影响，夏季降雨量较丰富，冬季枯水。11月初开始冰冻，冰厚0.7-1m，4月上旬解冻。
1.3 工程概况
西泉眼水库工程是以防洪、灌溉为主，兼顾除涝、养鱼、发电、旅游、城市供水等综合利用的水利枢纽工程。国家计委于1991年2月将西泉眼水库项目正式批准立项，1996年10月主体工程竣工，2000年10月通过验收。西泉眼水库是阿什河流域的第一个控制性工程，为大（II）型水库，库容量为4.78×109m3，正常蓄水位高程为209.9m。底质为壤土、砂壤土、草甸土和淋溶腐殖土。属丘陵型水库。水库左岸多为耕地和山林，右岸除局部为缓坡沟谷外，多为陡峭的山体，植被茂盛。西泉眼水库建成后淹没了大量农田、耕地、林地和沼泽，大量有机质溶解进入水体。
2 西泉眼水库水生态系统污染现状
根据哈尔滨工业大学市政环境工程学院和东北农业大学资源与环境学院2000—2003年的研究报告，西泉眼水库的主要污染物是氮和磷，属有机污染型[1][2][3]。
西泉眼水库输入营养物质的污染源有五类。一是工业企业和城镇形成的点污染源;二是流域面积内农田、林地等地表径流形成的面源污染源;三是受到污染的河流形成的径流水污染源;四是大气降水、降尘污染源;五是库区周围旅游业形成的污染源。
2.1 流域内各类污染源情况
2.1.1 点源污染
（1）帽儿山钢铁厂。帽儿山钢铁厂年产值17000万元，该厂通过利用炉渣和附近的石灰石、黏土资源，采用立窑生产水泥。该厂有职工2200人，家属5800人左右，家属区与厂区相连，废水一并排入阿什河。日排放废水量1400t左右，其中生产废水760t/d，生活废水640t/d。年废水排放总量为50多万t。废水中主要污染物为化学需氧量、总氮、总磷。
（2）帽儿山镇和平山镇。2000年第五次人口普查，帽儿山镇23285人，平山镇25132人。帽儿山镇和平山镇两个生活污水点源均无排水管网，生活污水未经任何处理直接向流域内天然沟、河中排放。
2.1.2 面源污染
西泉眼水库集水面积1151km2，其中林地约991km2，农田约149km2，草地约20km2，乡镇占地约11.8km2。除林地、农田、草地、乡镇占地外，还有河流、水库等水域面积。集水面积内年使用氮肥约926t，磷肥约384t。
根据面源基本情况和单位负荷法，推算西泉眼水库集水面积内各种土地利用类型的污染负荷见表4。由表4可见，林地占面源输入水库的氮素中的比重最大，其次是农田;磷元素是农田占的比重最大，其次是林地。所以農田和林地是主要的面污染源。磷是决定湖库水质富营养化的关键性限制因素，面源输入水库的磷素一半以上来自农田。从这方面讲，农田是西泉眼水库首要面污染源。
2.1.3 径流水污染源
阿什河和黄泥河是汇入西泉眼水库的两条河流。阿什河有一条较大支流—二道河。在二道河入阿什河口内、阿什河二道河口上、阿什河入西泉眼水库口内和黄泥河入西泉眼水库口内分别设置了水质监测断面。根据东北农业大学资源与环境学院刘阳等人2010年的监测，入库河流主要指标见表5。
2.1.4 大气降水降尘污染源
大气降水降尘的污染可根据多年平均降水量和降水、降尘的总氮、总磷实测值估算，以此计算直接入库的降水和降尘的氮、磷年贡献量。用总氮和总磷的平均值、多年平均降水量（564mm）、年平均降尘量（852t/km2）、水库多年平均水面积（30.8km2）估算，西泉眼水库直接入库的降水、降尘的氮、磷污染负荷列于表6。
2.1.5 库区旅游污染
采用经济合作发展组织（OECD）推荐的游客氮磷排放系数值―总氮13克/（人/天）、总磷1.5克/（人/天），估算西泉眼水库旅游业污染。按年均5万人，人均活动一天计算，旅游业污染每年产生的氮、磷负荷分别为650kg和75kg。
2.2 重点污染源和年平均污染量
2.2.1 西泉眼水库重点污染源。点源、面源、降雨、降尘和旅游涵盖了西泉眼水库流域内全部污染源头，通过计算各类污染源的氮、磷污染负荷比，可以发现西泉眼水库的重点污染源，以便进行重点监控，消除主要污染因素。通过计算氮、磷污染负荷比，显而易见，西泉眼水库主要污染源是农田的面源污染。
4.4 高等水生植物
4.4.1高等水生植物种类。据调查，分布于西泉眼水库的植物共有27科57属82种，含种数最多的为菊科（Asteraceae），共13属21种，其次为禾本科（Gramineae），共8属9种，含种数最多的为菊科（Asteraceae）13属21种，其次为禾本科（Gramineae）8属9种，杨柳科（Salicaceae）2属6种，蓼科（Polygonaceae）2属7种，莎草科（Cyperaceae）3属3种，豆科（Leguminosae）3属3种;含2种的科有败酱科（Valerianaceae）、金丝桃科（Hypericaceae）、唇形科（Labiatae）、茄科（Solanceae）、茜草科（Rubiaceae）。其他15科均只含1种，占总科数的62.5%。
4.4.2 高等水生植物多样性。西泉眼水库消落带植物组成较为丰富，其中以一年生和多年生草本植物占优势，可以适应较为苛刻的环境。菊科、禾本科、蓼科为种数最多的3个科，优势明显。消落带植物的这种优势类群组成很好地反映了西泉眼水库消落带的生境特征。本次调查的西泉眼水库消落带植物多数是喜湿植物，水生植物较少，且植物多以一年生或两年生植物，生长快，短期内能够形成小群聚或者优势种群，可以很好的适应水库丰枯水位变化。西泉眼水库水域边缘植物甚少，挺水植物如菖蒲、香蒲、芦苇等盖度小，且植物种类单一。沉水植物和浮叶植物均没有发现。此现象可能由于水库建库时间较短，致使水生植物发展较为缓慢。
4.5 滤食性鱼类
4.5.1滤食性鱼类净化水质机理。鲢鱼、鳙鱼对富营养化的控制作用主要是通过生物操纵手段来完成的。利用滤食性鱼类鲢、鳙控制蓝藻水华被认为是一个有效的办法，并在很多水体开始广泛的实践。早在1983年Hampl研究鲢鱼的鳃耙间距在12um-26um之间，鲢鱼所能摄取食物颗粒的最小直径约为10um。因此，鲢鱼的食物组成是大于10um的浮游生物和有机颗粒物，其食性会随着环境改变而改变。孙晓明（1992）等也从鲢鱼、鳙鱼消化器官角度论述了其攝食藻类的机制。值得研究的是鲢鱼还能摄入群体或丝状蓝藻，近年来，鲢鱼常常被用做生物操纵工具来控制湖泊水库中的蓝藻，达到改善水质的目的。Smith（1985）认为蓝藻在水体中占有一定优势时，鲢鱼可以有效的控制浮游植物生物量。谢平等学者研究发现，在池塘养殖中，鲢鱼、鳙鱼的控藻和水质改善具有一定关系。范振强研究表明鲢鱼能有效控制蓝藻的生物量，对于净化水质有一定作用。在波兰Warniak湖，放养鲢鱼（密度为30-90g/m3）后，浮游植物总生物量和蓝藻都大大减少。
4.5.2 西泉眼水库滤食性鱼类水质生物学
（1）滤食性鱼类食性特征：2010年春季（4月和5月）、夏季（7月和8月）、秋季（9月和10月），在西泉眼水库设置4个采样点，分别对鲢鱼、鳙鱼的体长、体重、空肠率、食物充塞度、肥满度系数等参数进行采样测定。通过对鲢鱼、鳙鱼生长和食物的研究，探索鲢鱼、鳙鱼对氮磷的消除机制，为西泉眼水库保护与管理以及生态修复提供科学依据。
研究结果表明：鲢鱼肠道中的浮游植物占肠道食物的16.36%-33.17%;鳙鱼肠道中的浮游动物占肠道食物的26.14%-35.42%。鲢鱼肠道内容物中共鉴定出浮游植物7门156种，其中绿藻最多，共71种，其次硅藻40种，蓝藻26种，裸藻11种，金藻5种，甲藻2种，隐藻1种。在鲢鱼肠道中共发现26个常见种，以硅藻和绿藻为主，12个优势种，各季节优势种均以梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）和颗粒直链藻极狭变种（Melosira granulata var.angustissima）为主。鳙鱼肠道内容物共鉴定出浮游动物57种，其中原生动物13属16种，轮虫种类最多，共13属29种，枝角类种类最少，共5属5种，桡足类5属7种。其中，共发现16个常见种，以原生动物和轮虫为主，优势种11种，各季节优势种均以浦达臂尾轮虫（Brachionus budapestiensis）和螺形龟甲轮虫（Keratella cochlearis）为主。
（2）滤食性鱼类群体组成：鲢鱼种群年龄组成主要是1-5龄，优势年龄组成为2龄和3龄，体长范围在22.1cm-65.7cm之间，多数在41.5cm-51.2cm之间，占鲢鱼渔获物总尾数的86.42%;体重范围在230g-6230g之间，在1670g-2450g之间的个体较多;鳙鱼种群年龄组成主要是1-5龄，优势年龄组成为2龄和3龄，体长范围在22.7cm-72.5cm之间，在40.5cm-51.5cm之间的个体较多，占鳙鱼渔获物总尾数的82.05%，体重范围在320g-7750g之间，在1520g-2300g之间的个体较多
（3）滤食性鱼类生长特征：西泉眼水库鲢鱼、鳙鱼体长与体重关系为：鲢鱼：W=0.0103L3.1464（R=0.9728，n=81）鳙鱼：W=0.0123L3.1048（R=0.9797，n=79）;用生长方程（VBGF）表示为：鲢鱼Lt=197.34（1-e-0.1463（t+0.3429））和Wt=7515（1-e-0.1463（t+0.3429））3.1464;鳙鱼Lt=258.28（1-e-0.0895（t+0.2839））和Wt=30421（1-e-0.0895（t+0.2839））3.1048。鲢鱼生长拐点是7.56，此时相应的体长为108.18cm，体重为9798.89g。鳙鱼生长拐点是10.68，此时相应的体长为117.25cm，体重为11225.27g。
（4）滤食性鱼类鱼产力：西泉眼水库浮游植物提供的鱼产力为85.58kg/hm2。浮游动物提供的鱼产力为36.71kg/hm2。此外，由于腐屑和细菌及外源有机物对鲢、鳙鱼有一定的饵料价值，此部分鱼产力为48.92kg/hm2。浮游动物、浮游植物和有机碎屑等鱼产潜力合计，西泉眼水库鲢鱼、鳙鱼产力为171.21kg/hm2。
（5）滤食性鱼类消除污染效率：西泉眼水库鲢鱼、鳙鱼消化率季节变化差异不大，鲢鱼对浮游生物消化率在27.08%-34.51%之间。其中，9月消化率最高，5月消化率最低。鳙鱼对浮游生物消化率在38.46%-45.29%之间。其中8月消化率最高，5月消化率最低。西泉眼水库水体中浮游植物生物量和丰富度大，鲢鱼体内浮游植物相对多，种类也多。而对于鳙鱼来说，水体中浮游动物生物量和丰富度与体内浮游动物数量关系不明显。
5 研究结果
5.1 渔业生态修复清除氮磷元素效果
通过鲢鱼、鳙鱼对浮游生物的消耗及浮游生物中N、P含量计算得出，在2010年，西泉眼水库共捕捞鲢鱼3.5×105kg，鳙鱼共捕捞1.5×105kg，共移出浮游植物1.2×107kg，氮元素6.42×105kg，相当于6×106kg的尿素。磷元素9.37×104kg，相当于4.2×106kg的过磷酸钙。同时，渔业生态修复碳汇效果也十分显著，随鲢鱼、鳙鱼也移出6.42×105kg的碳元素，相当于吸收固定大气中2.05×107kg的CO2。
5.2 渔业生态修复改善水质效果
有机污染物清除后，水库水质改善效果明显，根据哈尔滨环境监测站监测显示，2010年水库水体氨氮、总磷和总氮含量相比2009年分别下降了42.1%、42.3%和36.2%。
6 结论
研究表明西泉眼水库主要是有机污染，通过不断提高滤食性鱼类产量，可以清除大量有机污染。西泉眼水库外源性污染主要是农田面源污染，其次是帽儿山钢铁厂的点源污染。按总氮、总磷折算，西泉眼水库外源性污染年入库相当于过磷酸钙磷肥717t，尿素氮肥3224t，漁业生态修复可以完全消除西泉眼水库的外源性有机污染。
2010年项目研究期间，西泉眼水库共捕捞滤食性鱼类50万kg，相当于每年清除流域内面源污染的氮肥6000t，磷肥4200t，从大气中吸收二氧化碳20500t。此后水库不断提高鱼类产量，有机污染去除效果十分明显。2011年滤食性鱼类产量提高到85万kg，相当于清除氮肥10200t，磷肥7140t，吸收二氧化碳34850t;2012年滤食性鱼类产量提高到90万kg，相当于清除氮肥10800t，磷肥7560t，吸收二氧化碳36900t;2013年滤食性鱼类产量提高到130万kg，相当于清除氮肥15600t，磷肥10920t，吸收二氧化碳53300t。哈尔滨市西泉眼水源地在2010-2013年的四年内共清除氮肥42600t，磷肥29820t，吸收二氧化碳145550t。渔业生态修复在消除有机污染的同时，碳汇效果也十分明显，可起到缓解温室效应的作用。
参考文献：
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[2]刘阳，张颖，刘洋.西泉眼水库污染源分析与评价[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2011，24（02）：6-7+39.
[3]张颖，白羽军，白昕，任南琪.西泉眼水库富营养化状况及浮游藻类群落分析[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2007（05）：523-525+567.
（责任编辑：常 顺）
