西溪湿地漂浮植物对池塘冬季水温的影响研究

刘 芳，苏小亚，卢剑波,2

(1．杭州师范大学生命与环境科学学院 ，浙江 杭州 310036；2.杭州师范大学钱江学院 ，浙江 杭州 310036)

西溪湿地漂浮植物对池塘冬季水温的影响研究

刘 芳1，苏小亚1，卢剑波1,2

(1．杭州师范大学生命与环境科学学院 ，浙江 杭州 310036；2.杭州师范大学钱江学院 ，浙江 杭州 310036)

池塘养殖是当前国内水产养殖的重要方式，而水温的变化影响到浮游动植物生长甚至溶解氧等相关特性进而影响到鱼类的生长，在恶劣天气下尤为明显.为了指导渔业生产，了解养殖池塘水温在冬季低温的变化情况，本研究选取西溪湿地水生生态系统恢复示范区内的池塘为例，观察两种不同覆盖水面下0.3 m和0.6 m的水温变化情况，发现冬季极冷天气下有漂浮植物覆盖的水面在0.6 m处最低、最高温度值明显高于没有植物覆盖同一水面的最低、最高水温，最高增温幅度能达到3.25 ℃，最低温增幅有1.83 ℃；处理组与对照组在0.6 m水深处水温的最低值、最高值存在极显著性差异(Plt;0.01)，说明漂浮水生植物对一定深度的水体起到保温作用，再加上漂浮植物自身对水体的营养物质吸收，均有利于养殖池塘的水生生物越冬和水质净化.

池塘；水温；漂浮植物

水体具有独特的比热容性质，水温对养殖池塘的影响主要是通过水体中浮游植物的生长及相关营养物质的循环从而影响鱼类的生长[1].鱼类作为一种变温动物，水体温度的变化会影响其新陈代谢状况的改变[2]，冬季温度过低容易导致鱼体冻伤，对鱼越冬产生影响；夏季温度过高会导致鱼类疾病产生，如水温高于20 ℃比较容易出现鱼类烂鳃病[3].对于渔业养殖而言，了解不同鱼类的生长温度阈值，合理控制养殖水温对提高鱼类生长极其重要.

有关水温变化研究的文献多集中在海洋、湖泊、水库、河流等大尺度研究[4-9].国外研究多集中在对水温的预测及模型构建等方面[10-12].部分国内学者也对淡水养殖池塘水温做了部分研究，如杜尧东等[13]依托对鱼塘冬季水温特征观测及气象数据对广州养殖鱼塘冬季进行水温预测研究，孟翠丽等[14]研究了武汉地区淡水养殖鱼塘不同深度水温在不同时间尺度上的变化规律.但是通过水生植物对水体净化的水产养殖以及植物对水温影响的研究尚未见报道.养殖池塘既存在水温对鱼类生长的制约，同时也存在由于集约化养殖所带来的水质污染等问题.鉴于解决以上两个问题，在西溪湿地构建水生生物群落恢复模式：浮岛水生植物+四大家鱼，研究在植物覆盖水面下0.3 m和0.6 m深度对冬季极端天气下水温的影响，以期了解植被覆盖下水温的变化规律及植物对水体温度的影响效果.

西溪湿地水体存在的主要问题是水体富营养化，氮、磷是主要污染源，而水生植物粉绿狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)和香菇草(Hydrocotylevulgaris)对水体氮磷的净化效果比较好，在浙江一带种植较为普遍.鲢鱼(Hypophtha-lmichthysmolitrix)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)作为滤食性鱼类对抑制水体蓝藻效果明显，有利于改善水质[15].在这个系统中，浮岛水生植物除了可以为水体微生物生长提供附着条件，还可以为鱼类生长提供物质基础.但是在这种系统中，浮岛水生植物的覆盖，在季节性气温变化时对鱼类及整个池塘水温的影响研究较少.夏季温度过高，冬季温度过低都影响鱼类的生长.浮岛水生植物作为水体上覆盖层，夏季阻挡太阳辐射对水体的热量输入，冬季减少水体热量向外输出，能够起到对水温的调节作用，减少外界环境对其影响，同时也可以为水生动物鱼类的生长提供一个较好的环境.本研究希望能在净化养殖池塘水质和冬季低温对池塘养殖的影响方面提供基础数据和技术，使池塘养殖经济效益与生态效益最大化.

1 材料与方法

1.1 研究区域

西溪国家湿地公园位于浙江省杭州市城西区域，总面积约为11.5 km2，是集城市湿地、农耕湿地、文化湿地于一体的国家湿地公园.西溪湿地河流纵横交汇，约70%的面积为河道、池塘和沼泽等水域.西溪湿地属亚热带季风气候，气候温和、四季分明、雨量充沛，历史上都是人类生活和生产区域，渔耕文化历史悠久，桑基鱼塘和柿基鱼塘都是西溪湿地传统的鱼类养殖模式，这种农业模式对于合理利用资源，保护西溪湿地水质起了很大作用.结合西溪湿地的农耕模式，本研究在西溪湿地中心区域选择了3个位置相近的池塘作为构建水生生态系统恢复示范区，2016年9月份在该区域种植以狐尾藻(Myriophyllumverticallatum)和香菇草(Hydrocotylevulgaris)为主的浮岛漂浮水生植物，根据植物采光要求集中分布于池塘四周塘堤和中间位置，观测期间生长情况良好，基本覆盖浮岛，每个池塘的浮岛植物覆盖面积约为池塘面积的20%，并以池塘面积为参照放养一定规格的四大家鱼.通过植物对水体的净化作用和鱼类生长，这一系列所带动的营养级联效应[12],构建生产者+消费者体系以达到对西溪湿地池塘水质净化的目的.

1.2 研究方法

图1 温度观测点分布图Fig. 1 Distribution of temperature observation points

本研究的水体温度观测期为2016年1月20日—2月2日，是杭州冬季最寒冷的日子.试验地点在西溪湿地中心虾龙滩区域，选取面积分别为1706m2、1552 m2和1210 m2(来自谷歌卫星地图测算)，水深约2 m、水生植物面积覆盖比例一致的3个池塘.如图1在每个池塘分别选取一个漂浮植物生长条件一致的4 m×4 m面积浮岛下布置温度传感器作为处理组，然后在空旷区域选取无植物覆盖水面同样布置传感器作为对照组.试验选用杭州路格科技有限公司生产的6路温度记录仪，型号为L93-6+，精度为±0.2℃，测量范围为-40℃～100℃，存储容量达到0.55～1.1万组.测温点距离岸边8.0 m以上，由于表层水温受天气影响较大，根据鱼的生长习性与池塘水深，温度传感器放置在水面与植被覆盖层下0.3 m和0.6 m，由仪器每20min自动记录水温，气温数据记录来自中国天气网西溪湿地的当天气象数据.

1.3 数据分析

数据的统计分析采用Microsoft Excel、SPSS19.0统计软件，图形绘制使用Origin9.0，数据分析使用独立样本T检验.

0.3 m深度下对照组水温最高值与最低值表示为0.3BT和0.3BL，0.3 m深度下处理组水温最高值与最低值表示为0.3 CT和0.3 CL；0.6 m深度下对照组水温最高值与最低值表示为0.6BT和0.6BL,0.6 m深度下处理组水温最高值与最低值表示为0.6 CT和0.6 CL.

2 结果与分析

2.1 不同深度水温最值的变化情况

从图2、图3可以看出，漂浮植物覆盖下0.6 m的水温最高(最低)值总体高于没有植物覆盖对照组的水温最高(最低)值.最低值水温情况的总体趋势为：0.6CLgt;0.3BLgt;0.3CLgt;0.6BL；水温最高温度值出现的总体趋势为：0.6 CTgt;0.3BTgt;0.6BTgt;0.3 CT.0.3 m水深下，无植物覆盖水温最低温度值均值高于有植物覆盖的水温约0.12℃，最高温度值均值约高于有植物覆盖的水温0.9℃；0.6 m水深下，有植物覆盖的水温总体要高于无植物覆盖的水温，最低水温值均值约高出1.12℃，最高水温值均值约高出1.03℃.观察数据发现，0.6 m水深下，植被覆盖对提高水体温度有一定的影响，而0.6 m水深作为养殖池塘鱼类活动的一个较多水层，这为提高冬季鱼的生存提供较为有利的条件.由于水体的自身特性，水温最高值与最低值出现的情况与气温相比较为滞后，同时由于不同天气状态对气温滞后性的时间也有很大关系，这与很多学者的研究结论较为一致.

图2 不同深度条件下水温最低值变化情况Fig. 2 Variation of minimum water temperature under the different depths

图3 不同深度条件下水温最高值变化情况Fig. 3 The change of the maximum value of water temperature under the different depth conditions

2.2 不同天气对不同深度水温最值的变化影响

选取的冬季数据是杭州最冷空气温度时段，在这一时段观测中，发现晴天气象状态下，水温的垂直分层较为明显，植物覆盖条件下的日较差变化相对于同一水平上的对照组而言变化范围较小，0.6 m水层下处理组水温日较差为1.5℃，0.6 m水层下对照组的水温日较差为1.83℃；0.3 m水层下处理组水温日较差为0.78℃，0.3 m水层下对照组的水温日较差为1.17℃.阴天、雨天随着水深的增加，水温日较差变小.多云天气时，同一条件下随着水深增加，水温日较差变大.0.6 m水深对照组日较差比0.3 m水深下对照组高达1.5℃，比植物覆盖下0.6 m水温日较差高1℃.雪天，植物覆盖处理组水温呈现0.3 m水温日较差低于0.6 m水温日较差，无植物覆盖的对照组呈现0.3 m水温日较差高于0.6 m水温日较差.说明不同天气状态对水温的影响较大，但从观测的水温情况显示，在晴天、多云、阴天状态下，漂浮植物对0.6 m水深的水温具有一定的增温效应，这对水生生物生长极为有利.而且水温日较差远远低于气温日较差，这说明了水体自身的特性——高热熔性和植物的覆盖作用对水温具有调节作用.

2.3 植物对水温的影响

根据数据观察发现0.3 m水深条件下，有无植被覆盖对水温幅度变化影响较小，两个处理之间并不存在显著性差异；在0.6 m水深条件下，水体温度达到最高值(最低值)时，处理组与对照组之间存在显著性差异，其中F1=0.323，P1=0.002lt;0.01(F2=0.042，P2=0.002lt;0.01)，说明植被覆盖对0.6 m水温具有增温的效果，增温幅度能分别达到1.04℃和1.12℃.水体温度的增加会使水体生物增加生长的温度条件，同时还能给鱼类生长提供食物.水体垂直梯度温度的变化还会带来水体内部的流动，改善冬季封闭水体的情况，减轻“死水”现象的出现.再加上植物覆盖下0.6 m水深的水体温度日较差较小，水体较为稳定，如果增加漂浮植物的覆盖面积，提高水体的增温效果，更加有利于实现养殖业的经济效益，减少使用设备增温所产生的高额费用.

表1 不同水深条件下水温日较差与气温日较差比较Tab.1 Comparison of water temperature between daily difference and daily temperature difference in different water depth

表2 不同处理条件和水深条件下的水温最值情况Tab.2 The most water temperature under different treatment conditions and water depth

备注：同一列数据后*号表示各处理情况之间存在显著性差异(Plt;0.05)；**号表示各处理情况之间存在极显著性差异(Plt;0.01).

3 讨论与结论

3.1 太阳辐射对水温热量收支的影响

池塘水体的最直接热量来自太阳辐射，天气状况又直接关系到水体吸收太阳辐射热量的多少.表层开阔水体瞬间吸收的太阳辐射能量高于底层，然后将热量通过水体内部之间传递.来自太阳辐射的能量除了一部分被水体吸收，一部分又以短波辐射的形式传递到大气中.水体的热量公式以Dale和Gillespie[16]在研究浮游植物对水面温度日变化影响中涉及的能量公式表达：

Rs↓+Ri↓=Rs↑+Ri↑+G+H+E

其中Rs和Ri分别是短波和长波辐射，向下指向的箭头表示辐射收益，向上代表损失;G是蒸发表面下方的水体获得的热量;H是在水表面与空气之间传递的热量;E是蒸发.

由于水体透明度会影响到水体热量的吸收情况，风速、天气状况也会对表层水温产生影响，考虑0.3 m水温层离表层水体较近，其在接收太阳长波辐射和大气短波辐射的能量较多，但也伴随着水温之间的传递等损耗，相对于下层热量来说其G值增加，E值在冬季受到风力影响较大，但是观测期间风力数据显示(来源于中国天气网)都处于4级以下，总体来说与受到风力影响效果一致，H值的影响条件关系到水面表层是否有植被覆盖的影响，所以处理组与对照组之间总体温度日幅度在同一水平面上差别较小而在垂直梯度上面差别较大.

3.2 植物对水温的影响

池塘水温的日变化幅度小于气温日变化幅度.在阴天天气下，水体总体而言日较差较小，晴天、多云、阴天天气下，植物对0.6 m水层下水温的增温作用效果明显，日较差相对于处理组来说比较小，这是因为植物表面虽然反射能量，但其投射也小于开放水体，通过水体热量之间传递对水体温度具有维持效果.通过能量之间的辐射公式，我们发现处理组与对照组之间的能量流动在G、E之间存在着差异性，这与植物覆盖对水体热量的运动形式具有一定的相关性.通过对数据进行差异性检验也发现0.6 m深度的水温要高于同一水平面的水温，说明植物覆盖在寒冷季节对增加水体温度具有显著效果.这与Dale和Gillespie[16]等在研究Lemnaceae漂浮植物发现其比开阔水面温度在早春季节高4～11℃结论一致.

3.3 水温对水体生物影响

温度作为对动植物生长的基础条件，其变化直接影响动植物的生理条件.闫志强等[17]在研究温度对黑藻(Hydrillaverticillata)、狐尾藻等5种水生植物生长和营养去除效果时发现其均随着温度的升高而去除率增加.缪丽华[18]等在讨论入侵植物香菇草(Hydrocotylevulgaris)的时候发现其对环境具有较强的耐受性，在10～25 ℃为最适生长温度，也能耐-5 ℃的低温.罗固源等[19]在研究温度对浮床效果时发现水温在2～29℃变化时,随着温度越高,生态浮床的净化效果越好.对于温度浮床生态系统，水生植物研究中都表明，温度影响植物随之也影响其对水体营养的吸收[20-21].低温天气会影响到鱼的摄食、免疫功能、基因、代谢等各种方面[22-23]，龙华[24]在讲述温度对鱼类生存影响时提出鱼类在水温过低或过高而超越其耐受范围并影响其生存时，通过休眠的方式保护自身.所以在低温天气下采取措施保证鱼的生长及其重要.漂浮植物适量覆盖水面，有利于提升水体温度，当温度保持在一定条件下对鱼的生长极为有利，这能为鱼类养殖业的发展提供了较为可行的方法.

3.4 植物对水质的影响

水生植物粉绿狐尾藻、香菇草，目前在江浙一带普遍用于对水体的净化，其对低温的适应性较强，生长趋势也较好，用于冬季对水体的净化效果较好.张树楠等[25]在研究5种水生植物生长的生态沟渠对氮、磷拦截效应时发现粉绿狐尾藻对氮、磷的吸收作用仅次于水生美人蕉位居第二.黄亮等[26]在研究水生植物对富营养化水体中氮、磷富集中也发现狐尾藻对氮的富集率达到64.71%，磷的富集率为144.6%.周遗品等[27]等在研究香菇草对城市生活污水进化效果时发现香菇草对高中低浓度生活污水的氮磷去除率最高，分别达到76.85%和92.17%，其他学者在研究香菇草对水体氮磷的吸收也有同样的效果[28-29],这些都说明水生植物对水体氮磷的净化效果较好，能改善水质.而本研究在测温期间对试验区域水质(处理组)与相邻的无植物池塘(对照组)水质进行检测，发现处理组水质明显好于对照组，植物相对而言对水体中的氮、磷具有吸收作用，具体数据如表3.

表3 试验期间池塘水质状况Tab.3 Pond water quality during the trial

除了水生植物对水体氮磷吸收之外，Li等[30]发现漂浮植物、浮叶植物等能通过竞争营养盐和光照限制藻类的生长，而且为草食性鱼类提供食物和生长空间，这对于调节水环境的生物结构具有重要意义.同时漂浮植物的根系还可以为鱼类的繁殖提供较好的自然条件，有利于鱼的生长及繁殖.

3.5 养殖模式的生态、经济效益

对于养殖农户来说，最主要目的是增加鱼的产量，避免因为天气、水质等情况的突变造成经济损失.而现在的一些技术手段，如温度、水质的实时监测，增氧设备、抗生素等的使用间接增加了养殖成本，再加上人们对绿色食品的需求越来越高，面向市场化、节约化、绿色化的发展，一些循环养殖方式得到普遍关注.如今桑基鱼塘、稻基鱼塘等发展也极为迅速，立体水生生态系统的构建也一直成为众多研究者的目标，水生植物一方面可以为鱼类生长提供较好的环境，其根系对鱼卵的存活提供有利条件，另一方面除了水生植物本身对水体营养物质吸收获得自身生长的同时还可以为草食性鱼类提供食物，控制植物生长速度，避免了植物生长过程中带来的二次污染.在水生植物种植过程中，其投入人力及管理资源较低，只需要定期加强对植物的维护，考虑合理搭配养殖鱼类，就能实现生态养殖目标.

4 总结

冬季低温试验研究发现水生植物形成对水体的覆盖层能够增加一定深度的水温，这对保护鱼类的生长，避免冬季低温对鱼类造成的生理伤害起到一定效果.再加上植物本身对水体中营养盐类的吸收可以降低水体中氮磷含量，避免藻类过度生长，有利于维持水生生态系统自身稳定.由于在池塘水体上覆盖了植物层，影响着水体热量的传递，也在不同天气下影响着水温的变化.但该实验未能控制水生漂浮植物覆盖面积对水温的提升效果做出比较，后续需要进一步验证不同面积大小鱼塘适合的水生植物种植面积，既能保证冬季充足的光照而且还有利于水温的升高.养殖渔业的发展离不开对极端天气下鱼类生长保护，水生生态系统中的水生漂浮植物既能为极端天气下鱼类的顺利越冬提供温度和食物，也能减轻养殖鱼塘水质污染状况，这对于保护水生生态环境以及为养殖渔业提供了更加生态的养殖发展方向.

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EffectsofFloatingPlantsonWaterTemperatureinCulturedPondsduringWinterinXixiWetland

LIU Fang1, SU Xiaoya1, LU Jianbo1,2

(1.College of Life and Environmental Sciences,Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.Qianjiang College, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Pond culture is an important way of aquaculture at present in China, and the changes in water temperature affect the growth of phytoplankton and zooplankton and even dissolved oxygen and other related features and then affect the growth of fish, especially in extreme weather.In order to instruct the fishery production and understand the changes of the pond water temperature in the extreme climate of winter, in this study two different water levels of 0.3m and 0.6m under the water in the demonstration ponds of Xixi Wetland ecosystem are investigated,which is found that the lowest and highest values of the water surface covered by floating plants in the cold winter are higher than the lowest water temperature and the highest water temperature of the same water surface without the plant cover at the depth of 0.6m, and the maximum and lowest temperature increase can reach 3.25 ℃ and 1.83 ℃ respectively. There is a significant difference between the lowest and the highest values of water temperature at the depth of 0.6m between the treatment and control groups, indicating that the floating aquatic plants play the role of keeping warm to a certain depth of water body, at the same time,the floating plants absorb the nutrients from the water, which is conducive to aquatic organisms overwintering and water purification.

pond; water temperature; floating plants

2017-04-08

国家科技支撑计划专题资助项目(2012BAC13B02).

卢剑波(1963—)，男，教授，博士，主要从事植物生态学、遥感应用等研究.E-mail:jianbo.lu@hznu.edu.cn.

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.05.009

Q948.8

A

1674-232X(2017)05-0498-07