客观日本

保全生态系统的研究(5)

2012年01月11日 科技交流

孕育生物多样性的生态网络系统:稳定性同位素分析评估方法的开发

 2010年,将在爱知县名古屋市召开生物多样性条约第10次缔约国会议(COP10)。本次会议的主要议题是:调查2002年荷兰海牙(COP6)会议上制定的“2010年目标”——缔约国要在2010年前大幅减缓当前生物多样性损失速度的实现情况,并制定新目标。作为举办国,将会被问及我国在生物多样性保护领域付出的努力和取得的成果。

日本依据COP10会议精神,于2007年制定了第三次生物多样性国家战略。该战略指出造成生物多样性损失的3个危机。即:“人类活动导致生物栖息地范围缩小、消失”、“村落周边山地人为破坏导致生物栖息环境恶化」“人为引进的外来物种对生态系统造成破坏”。

本文以琵琶湖的原有鱼种为例,对近年来由于上述人为原因导致生物多样性损失情况进行概要分析,对流域生态系统评估(笔者们为保护原有鱼种进行的生态系统评估)方法的相关研究事例进行介绍。最后,对生物多样性保护工作(根源于以日本为首的季风亚洲各国共有传统文化)的应有状态进行论述分析。

 1)季风亚洲的鲤科鱼类的繁荣

 

 鲤科鱼类是在所记载的2,400多种世界湖沼区域脊椎动物中物种多样性最为丰富的种群(Nelson 2006)。特别是在亚洲,鲤科鱼类的多样性尤为丰富。另外,因其现存量极为丰富,内陆各国都将其用作贵重的蛋白质资源。鲤科鱼类中,较多鱼种喜欢把产卵地点选为降雨等原因造就的临时水域。这些水域可以是自然界中的水生植物带或河漫滩平原,也可以是人类创造的诸如农业用水渠和水田等人造自然工程。

在季风亚洲鲤科鱼类极为丰富的背景下,得益于温湿气候的发达的水稻耕作或许也为这些鱼类提供了适合生存的条件。可以说在季风亚洲,正是因为独特的稻作文化,才造就了人与鲤科鱼类共存共生的生态系统(中岛2001)。

 2)地貌改变的琵琶湖 失去的生物多样性

 

 琵琶湖是日本第一大湖。其贮水量占日本全国淡水资源总量的三分之一,近畿4府县1400万人的生活用水均源于此。琵琶湖因为面积大,自古便有“淡海”之称。人们将滋贺县称作近江之乡也是缘于此“淡海”。近江离琵琶湖很近,自然条件得天独厚,孕育了独特的湖鱼饮食文化,诸如:鲫鱼寿司、莲酱烤鱼串、盐烤本诸子鱼等等,都是鲤科鱼类作为食物的独特湖鱼文化的体现。

不仅是日本第一大湖,还因生物多样性丰富而闻名于世。据最新调查报告,在琵琶湖栖息的生物已超过2800种。其中,有61种生物是琵琶湖独有物种。琵琶湖是有着大约400万年历史的古代湖。在漫长的历史变迁中,多种生物完成了自身的进化。

虽然琵琶湖的生物多样性丰富程度世界罕见,但最近的半个世纪,情况却彻底发生了变化。从20世纪60年代后半期开始,琵琶湖开始出现了富营养化的迹象,红潮和绿藻等引起的水质恶化问题越来越明显。富营养化使得自来水出现霉味儿,成为流域当地居民关注的问题,另一方面,由于水质污染,一些抵抗能力弱的生物在不知不觉中消失。始于1972年的琵琶湖综合开发工程开始修建湖岸,把一些以芦苇带(填湖造地形成的芦苇带)为摄食及产卵场所的生物从湖岸赶走。更值得一提的是:近年来,由于人工放养大口黑鲈和蓝鳃鱼等强食肉型鱼种,让人们开始担心这些食肉型鱼种会对湖内原有生物造成危害。

这些人类破坏行为是造成原有生物多样性减少的主要原因,这已成为不争的事实,但让人遗憾的是:相关生态学研究(关于何种生物因何种原因而减少的研究)的进程却非常缓慢。

 3)岸边与外界的联系被人为切断

 

 基于此现状,为了评估切断生态系统循环圈、物理改变栖息地对原有鱼种的影响,笔者们进行了相关项目的研究。除上述的人为扰乱因素外,还有一些轻微的环境问题,总之,人为扰乱因素会对生态系统产生严重影响,万不可忽视。

总计有500多条大小河流汇入琵琶湖。其流域面积与滋贺县的面积相当,有着庞大的水循环网络。如果将河川比喻成水循环网络的大动脉,那么,像网眼一样遍布整个流域的小河流就相当于毛细血管,与水田连结在一起,形成一个水循环网络系统。即便琵琶湖岸的一部分栖息地遭到损坏,由于这个庞大的生态网络系统将发挥巨大作用,使得很多原有鱼种仍然能够在这个面积远大于琵琶湖的流域里找到适合生存的替代栖息地。

但是,这种期待已被终结。作为琵琶湖综合开发的重要环节-土地改良工程,目的是为农业提供稳定的水源供应,该工程为与琵琶湖邻接的多个农场配备了逆水灌溉系统(图片1)。直接用动力泵将琵琶湖的水吸进水田,采用从氯乙烯管垂流到混凝土水渠的方式排水。为了产卵而从琵琶湖逆流而上的鱼群从入口和出口都无法进入水田,只能迷失在岸边。

照片1 采用逆水灌溉方式的水田。 通过水闸开关把水引入水田(a),排水顺着氯乙烯管流入混凝土水渠(b)。

  如果将此项灌溉系统恢复为以前的方式,则会有效保护原有鱼种。但是,在现代社会,要完成这项转变并非易事。关于这个问题,我想在本文的最后部分重新进行探讨。

 4)作为生态网络系统子系统的内湖

 

 目前,在琵琶湖流域,大部分的芦苇带(鲤科鱼类喜欢在芦苇带产卵)都出现在被称作“内湖”的小水域。内湖是指琵琶湖沿岸的内湾与河流入口处的湾口部形成沙嘴从而与琵琶湖隔离开的水域。形状上很像农业用水塘,但因为内湖是与琵琶湖水位连动的生态网络系统的子系统,功能上与农业用水塘大为不同。

以前的内湖具有多种生态系统功能。比如:城市排放的生活用水和农业排放水并非直接流入琵琶湖,而是先积蓄在内湖,从而得到净化。内湖可称得上是天然净化装置。另外,古文献中也有相关记载:鲤、鲫类鱼群在产卵期会从琵琶湖回游到内湖,因此内湖是极好的捕鱼场,捕鱼量巨大。

明治时代,琵琶湖周边散布着多处内湖,二战后,出于粮食增产的考虑,内湖被填拓成为农业用土地,相当于内湖总面积七分之六的内湖消失了(西野&滨端2005)。现在仅存23处内湖。同时,为改善湖畔道路和调节水位修建了水闸,这样一来,很多内湖被从物理上切断了与琵琶湖联系。

 5)使用稳定性同位素来推断鱼类的栖息历史

 

 本研究项目的目的是评估这种生态网络系统断裂给从琵琶湖产卵回游到内湖的鱼类带来怎样的影响。有几种方法能够追踪到鱼类回游活动。比如:在鱼体上设置标记后释放再重新捕获的方法,以及在鱼体上设置电波和声波发射器,通过接收器捕捉鱼的位置信息的方法等。可是,这些方法的数据回收率很差,不能同时追踪多条鱼,无法捕捉到长距离回游的鱼的信息。因此,我们尝试了通过碳·氮稳定性同位素分析,对从琵琶湖向内湖回游的鱼类实际情况进行数量测定的方法。

近几年,碳·氮稳定性同位素分析被广泛应用于生态学研究领域(永田 & 宫岛2008)。特别是在动物的饮食习性和生态系统结构研究中发挥了重要作用。该分析方法的原理是:动物摄食时摄入的有机碳和氮在消化过程中生成碳及氮的同位素,碳及氮的稳定性同位素比按照消化生成的不同的同位素的量有规则地上升。在特定的生态系统中,碳同位素比表现为固定值,在这个生态系统生活的生物的碳同位素比一定在固定值范围内。可以说,有类似ZIP代码一样的代表生物居住区域的代码。这个规律可以灵活运用于各个领域,比如:最近在检查农产品产地伪装的Traceability分析中,也使用了稳定性同位素分析法。

采用这个方法,能够推断某个地点捕获的鱼曾经在哪个栖息地生活过(图1)。比如:在内湖被捕获的鱼当中,包括了原本为内湖生活的东西和为了产卵从琵琶湖到内湖暂时地周游了的东西。是对内湖表示固有的稳定性同位素比的个体判断内湖产,对琵琶湖表示固有的同位素比的个体能判断琵琶湖产。

 6)鲤鱼科鱼类的回游实态

 

 实际,对各内湖捕获的鱼类的稳定性同位素进行分析,估计出有多大比例的鱼类个体从琵琶湖回游到内湖。通过分析各内湖的回游频率与琵琶湖相连的水渠的物理构造特征之间的关系,尝试挑选出适合鱼类产卵回游的水渠的各个特征。选取3种原产鲫鱼类(Carassius buergeri grandoculis、高身鲫、兰氏鲫)作为调查对象。Carassius buergeri grandoculis和高身鲫是琵琶湖的特有鱼种。

通过稳定性同位素分析对栖息历史进行推断,结果表明:产卵季节从琵琶湖回游到内湖的鲫科鱼群占内湖总鱼量的30.9%。(Shibata et al. 正在准备)。对各个内湖进行比较后发现:也存在完全看不到来自琵琶湖的产卵回游鱼,由此来猜想作为生态网络功能的连结水渠在构造上有哪些不同之处(图片2)。通过多变量分析,对回游频率高的水渠的物理构造特征进行研讨,已经表明:与宽阔水渠相比,狭窄水渠的鲫类鱼的回游情况更为频繁。另一方面,也表明了存在水闸和堤坝等人工设施时,以及水渠一侧布满茂盛的水生植物时,这些物理屏障会成为阻碍鱼类回游的主要原因。

照片2 连接琵琶湖和内湖的各式各样的水渠。 (a)因水闸而妨碍鱼类移动的水渠。(b)完善的混凝土水渠。(c)产卵回游的鲫鱼类喜好狭窄的人工挖掘的水渠。(d)水生植物茂盛,未经修整的水渠。

 

7)生态网络系统和原有鱼种保护

 很多在琵琶湖栖息的原有鱼种把湖畔和内湖等的临时水域当作摄食和产卵的场所。岸边的栖息地是鱼类不可缺少的环境资源,对保护原有鱼种而言,意义重大。因此,如果生态网络系统失去平衡,将会影响到这些鱼类的繁殖,意味着这些鱼类群体的灭绝机率将会增加。至此,大家应该都能明白:修复、恢复栖息地生态链对于保护琵琶湖生物多样性而言是何等重要了。

我们提出了使用稳定性同位素对生态网络系统进行评估的方法,这种评估方法对于今后制定生态系统管理措施意义重大。截止目前,完成的水利工程有:为增强排水功能,对琵琶湖流域的各条水渠进行了改造,并设置水闸控制水位。这些工程的主要目的是治理水源,疏通水流,力求更好的发挥琵琶湖的作用,但对原有鱼种产卵回游产生了严重影响。撤除这些水利工程的作法并不现实,在当前现状下,在原产鱼种产卵回游时期,通过调节水闸开合等方法配合鱼群回游,对水利工程进行灵活的管理,应该会带来一定的改善。对于管理效果的评估,同样可以采用稳定性同位素的方法进行评估。

目前,在生态系统管理方面,关于生态系统和生物的生态学知识经验匮乏。不言而喻,生态学者必须要付出更多的努力,这些生态学知识经验应该分享给政策制定者和土木工程学者,从而在各组织行业之间构建合作体系,共同提供有价值的反馈信息,以制定出更有效的管理方案。

 8)为了实现与自然共生共存的社会

 

 本文以琵琶湖流域生态圈为例,对季风亚洲发达的稻作文化和鲤科鱼类之间的关联性进行介绍。如上所述,依靠传统灌溉作业维持的生态网络系统能够有效保护原有鱼种的多样性。生物多样性国家战略中已有记载:“对城市周边山地的破坏将给栖息环境带来严重影响”,这种人为因素才是最大的威胁。但遗憾的是,必须说维持农业活动仍是当前日本社会最难解决的问题。日本当前的流通经济体系主要依靠从国外进口廉价农作物,因而造就了大量的兼职农户,推动了对农户来说负担有所减少的泥水灌溉的普及。

基于这种现状,内湖被定位为“保卫琵琶湖生态网络系统的最后堡垒”。我们的研究已经证实:以前的小水渠能够有效引导鱼类从琵琶湖向内湖回游产卵。从土木工程学的角度而言,想要恢复这种小水渠是很容易的,但在行政管理方面却并非易事。因为这种小水渠夏季水生植物非常茂盛(图片2d)。这种水渠可能会阻碍鱼类产卵回游。对于以前人工挖掘的水渠,需要进行管理,必须经常人工修整。

与私有水田不同,内湖具有“公有”的特征。在稻作文化发达的亚洲各国,已经具备完善的管理体制,由地域社区对水渠等公有地进行管理。但遗憾的是,在现代社会中,地域社区的人与人之间的联系越来越淡薄。为实践生态网络系统的维持和生物多样性保护工作,修复地域社区的网络系统是必不可少的工作。

 

参考文献

 [1] 中岛经夫 (2001) 日本基层文化的东与西―历史中琵琶湖的作用―. In: 知道琵琶湖吗:谈琵琶湖50 (琵琶湖百科编辑委員会編), p153-158、 彦根市、 日升出版

[2] 永田俊 & 宫岛利宏 (2008) 流域环境评估与稳定同位素:从水循环到生态系统. pp 476, 京都市, 京都大学学术出版会

[3] 西野麻知子 & 滨端悦治 (2005) 从内湖中得到的信息:琵琶湖周围的湿地再生与生物多样性保护. pp 253, 彦根市, 日升出版

[4] Nelson JS (2006). Fishes of the world (4th ed). pp601, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc.

奥田 升

简历:

京都大学生态学研究中心副教授。生于1969年12月

1998年京都大学动物学专业物理学博士。

专业是水域生态学,目前,从事琵琶湖的生物多样性与生态系统功能有关研究。较多着手目的为保护琵琶湖的生物多样性的研究项目。也致力于NPO等的环境教育活动。主要著作有《生物的多样性是什么?-生命的拼图游戏-》(分担执笔、京都大学学术出版会)、《流域环境评估与稳定同位素》(分担执笔、京都大学学术出版会)等。

柴田 淳也

 爱媛大学沿岸环境科研中心 全球COE研究员

专题网页