运用水生生态系统模型对内陆湖泊水体生物净化过程的评价

得分：_______南京林业大学研究生课程论文201～201学年第学期二○一年月课程号：课程名称：论文题目：学科专业：学号：姓名：任课教师：运用水生生态系统模型对内陆湖泊水体生物净化过程的评价摘要一个解决湖泊富营养化问题的有效措施是利用天然水体净化过程去除引起藻类增殖的营养物质。这里，“净化”一词在广义上讲，是天然水体减少污染物质，控制富营养化的一项潜在功能。同时，生物净化功能也被视为一种生态调节服务，其内容多样，包括1.季节性营养物质固定，如水生植物吸收；2.生物附着到叶底层；3.高营养级生物取食，并最终将营养物质从水体中永远去除。为了评估水体净化能力，一种涵盖河岸带水生植物群落作用的湖泊生态系统数字模型被开发并运用到LakeSuwa，Kasumi，Biwa以及五个与LakeSuwa相邻的小湖。该模型考虑了浮游区（浮游生物，碎屑，溶解性有机物，中上层鱼类和养分）与深海区(水生植物，附生藻类，叶表动物，大型底栖生物和底层鱼类)间的生物关系。在气象和水文参数的动态作用下，模型运行一年多，评估了湖体年养分循环以及净化功能。通过与从实地水质监测获得的数据相比较，不同水体的模型再现性数据被验证。数据计算结果显示，从湖体进水量和通量角度来看，不同的水生生物群作用下的水体净化能力往往是在近岸地区高于在远岸地区。此外，水体净化能力增强，河岸植被密度也成比例增加。另一方面，代表净化过程的营养物质通量被证明与湖面面积紧密相关，或者说与水体滞留时间等效相关，表现为，只有当湖面面积到达约103公顷或水体滞留时间超过102天时生物净化较物理净化才会处主导地位。关键词：湖泊与相邻湖泊；水体净化能力；远岸和近岸；水生植物；水文参数前言在日本，为了保护内陆水体，许多湖泊都建立了水质标准，并不断采取措施来减少污染物质的排入并从水体中除去污染物质。然而，大多数水体都已经处于高度富营养化状态，有机废水的排放也造成了湖泊水质的长期恶化。日本环境管理局采用有机废水污染指数来观测水体化学需氧量（COD）年度变化趋势。但三十多年来，达到环保标准的湖泊比率一直只有50%左右的低水平。(环境部，2006)。富营养水体中的营养物质有三个来源：1.大部分是来自陆源；2.水层和泥沙中细菌的分解；3.浮游植物的生长，促进有机物质的产生。这些不仅导致水体污染，还引起严重的环境问题，如水华，水体缺氧等，并最终导致水生植物生态系统的变化。湖泊富营养化是当今社会热点问题，强烈建议在环境保护和渔业资源管理中采取措施加以控制。解决湖泊富营养化问题除了物理措施如加快水体循环自净、清理底泥外，还有生物方法，如自然水体净化功能。自然水体净化过程本质上是属于岸区水生植物群以及小湖泊、池塘或周围湿地的功能。例如，通过在河岸区组建多样的水生植物群落来帮助吸附营养物质，以净化水质。当然，除了生物净化过程，小型水体像沉积物存储器一样，在过滤悬浮物方面也发挥着重要的作用。因此，水体净化作用引起了全世界湖泊和生态学研究者浓厚的兴趣。日本环境政策的一个典型例子，ShigaPrefecture开展了重新评估和恢复大湖相邻小型水体自净功能的研究，旨在通过采取一项全面的管理计划来保护LakeBiwa环境。为了阐明水体净化功能有利于水体富营养化控制，作为日本水产厅授权进行的环境研究项目一部分，一种湖泊生态系统数字模型被开发并应用到几个典型的富营养湖泊和小型水体，旨在获得水体自净能力的定量性评估。这些湖泊和小型水体包括三大内陆淡水湖：LakeSuwa,LakeKasumi，LakeBiwjia以及与LakeBiwa相邻的五个不同大小的小湖。在这项研究中，我们考虑了浮游区与深海区间的生物关系。在模型结果基础上，我们研究了这些水体的水文特征，即水体表面积和滞留时间，与其净化能力之间的关系，研究结果均呈现出显著的生态特征。2.材料和方法2.1模型描述在这项研究中，“水体净化”被定义为湖泊生态系统去除/分解营养物质作用的一个整体过程。水体净化过程除了营养物质去除过程如脱硝，水虫羽化和渔业捕捞外，还包括季节性营养物质固定，如水生植物吸收，叶表微生物同化，大型底栖动物取食。众多湖泊研究人员通过开发数学模型来模拟湖泊生态系统物质循环，以达到评估水体净化能力的目的。这项研究中所用到的模型也遵循这一规律。本研究的模型涉及到近岸区和远岸区间的相互关系，而这种关系是通过强调生长在近岸的水生植物的作用来显现的。远岸和近岸浮游系统的养分动态可描述为：[Offshore]V1*∑∑(1)[Inshore]V2*∑∑(2)这里指数1和指数2分别代表近岸地区和远岸地区，V表示各地区水量，B代表生物量，垂直进水量以及任意水层的浓度，q代表陆源输入量，Q12代表从远岸区向近岸区输送的水量。Q21是反向输水量，Q0是排放到远岸系统外的水量，∑和∑表示相应的在生化养分吸收和固定过程中净增加和净减少的B。由式1,2制定的浮游区物质作为模型的预后变量代表。浮游区物质包括浮游植物，浮游动物，浮游层鱼类，碎屑，溶解有机盐，营养盐和溶解氧。表1总结了生态系统模型中生化过程的数学表达式，建模框架基本上和Taguchi、Nakata等对河口生态系统描述的相同。类似的方法同样被用于近海环境研究中，数学生态模型也被广泛应用到滩涂和浅水水体来评价其自然净化功能。然而，通过获悉动物生物量的年际变化，底栖层中除了水生植物，叶表动物，悬浮物寄食动物外，大多数生物也都被认为是水中养分循环的底层边界条件。近期的模型研究，都要求通过了解底栖层动物的动态变化来模拟它们的生命周期与浮游系统的交互关系。2.2计算方法通过对大小几个水体进行一系列的模拟，我们对水净化能力特点有了一个定性了解。研究区选择典型的三大富营养湖泊：LakeSuwa,LakeKasumi，LakeBiwa，以及五个相邻的小湖泊：LakeBiwa,LakeNishi,Matsunoki-Naiko,Jinjhonuma,Suganuma，Hasuike。后5个相邻的小湖大小不同，在应变量的动态条件下，每一次模拟都希望能够重现湖泊一年内N,P的季节性周期变化。模拟过程中使用的水文参数按大小顺序排列，如表2所示。这些水体的计算设置为以下形式。2.2.1LakeSuwaLakeSuwa河岸线带主要以沉水植物菹草为主，为了加强大型水生植物群净水功能，水野县水产实验站（PFES）从1996年到2000年，实施了全面的环境监察活动，测量了湖泊养分预算的基参数以及沉水植物的分布状况。基于野外调查资料，我们开发了LakeSuwa生态系统模型并参加到此项研究中。在我们开发的模型中，沉水植物被近岸系统的主要生物取代。为了评价其净化能力，该模型强调了一些特征过程，如植物吸收养分，枝叶的生物附着以及叶表微生物的养分固定，同样还强调了一般的净化过程，如鱼类和底栖动物的取食，底泥反硝化，以及渔业捕捞。1996年，总观测到的沉水植物区面积约200公顷，平均水深为2m。该区域被选定为近岸系统，其余的湖面区域，被归为远岸系统。更深的远岸区分为三个垂直层，在深度为2,2.7和0.5m相应的将其划分为上层，中层，下层。两个子系统之间交换的水量是通过数值流体力学模型来评估季节性流场模拟中得到的。模型的其余设置是基于字段数据和文献，包括水温，太阳辐射，营养物负荷，水生植物和底栖动物预设的垂直生物量，生理率系数和参数。模型参数选定值列于表3，对于鱼类和贝类部分，模型中涉及到主要的4种鱼类和贝类compartments之间的相互作用，它们为公鱼，鲤鱼，对虾和双贝类。2.2.2LakeKasumi有这样一个观点，渔业活动可以去除N,P，有利于控制LakeKasumi富营养化状况。因此，从1996年到2000年，Ibarki内陆水域渔业实验站进行了五年的鱼类群落的生态作用环境研究。因为近年来渔获量显著下降的原因可能为浮游植物物种组成以及引进鱼类繁殖的发生了变化。考虑到浮游生物演替和渔业生产，该研究强调了了解养分动态变化的重要性。依照他们的观点，建模工作重视鱼产量的分析也是为了评价整个湖泊的营养预算。因此，模型对鱼类和贝类部分进行了调整以模拟10个种之间的交互关系，这10个种为：公鱼、银鱼、鲤鱼、鲫鱼、鳙鱼、silverbighead、鲻鱼以及其他中上层鱼类，底层鱼类如虾虎鱼，虾，糖虾。鱼类种群动态的建模计划本质上与Park等，Trebitz等，McDermot和Rose等人所描述的相同。两个与LakeKasumi相邻的盆地，较大的南部盆地用于数值研究。基于IbarkiPIWFES进行的一项关于沿湖（主要是芦苇群）挺水植物的空间分布实地考察，近岸水域，相当于已淹没茎部的植物群落，21.4公顷，平均深度0.5m，被定义为近岸系统。其余广阔的湖泊区域即远岸系统（17100公顷，4m深，表2），将其划分成两个深度层，1m（上）和3m（下）。水文条件、底栖生物层（挺水植物和底栖动物）的季节性生物量变化和生理参数的计算设置遵循LakeSuwa模拟参数。2.2.3.LakeBiwa作为实施保护LakeBiwa环境政策的原因，水生植物在维持湖泊水质和保护动物幼仔方面的重要性早已被认可，县政府于1992年迅速建立和实施了芦苇群落保护条例（旨在保护LakeBiwa周围的芦苇群落）。此外，从1996年到2000年，ShigaPFES还开展了5年广泛的实地研究，以便了解芦苇的生长条件并开发了湖泊沿岸植被移植技术。对应这些行动，水体的建模研究还将着重考虑芦苇群落的作用，并尝试评估群落植物和其他远岸系统高营养级生物，鱼类，贝类和底栖动物的水净化功能。对湖泊沿岸芦苇群落的调查，同LakeKasumi模型模拟方式相同，近岸水域面积46.4公顷，平均水深1m，在这个区域内，所有芦苇茎部都认为被淹没，符合以上要求的区域定义为近岸系统，而其余部分为远岸系统（66950公顷，平均水深41，表2）。远岸盆地深度超过近岸，从上向下分别在1,4,5,5，10和16m处被垂直地分为6层。通过三维水动力模型评估获得的季节性流场被用来确定水文条件。胁迫层（芦苇和底栖动物）的垂直生物量和模型的生理参数通过实地数据和文献获得。LakeBiwa生态系统鱼类和贝类被分为11个类别：7组上层鱼类物种群，包括公鱼，鲈鱼，大太阳鱼；四组底栖鱼类和贝类，包括虾虎鱼和虾等。2.2.4相邻小湖鉴于恢复小规模水体已被纳入LakeBiwa全面环境保育计划（环境部等，1999），Shiga县政府为了重新评估他们的生态作用而开展了全面调查的研究。与目前的研究关联的的，从1998年到1999年，ShigaPFES还开展了一场广泛的野外调查，旨在对相邻的小湖的环境条件有更好的了解。在测量基础上，我们做了一系列的模拟来再现LakeBiwa周边小水体年营养预算，并评估了水净化功能。在此项研究中，我们从各个相邻的小湖中选择了五个不同大小的水体:LakeNishi(285公顷，平均深度1.5m)代表一个较大的水体，Matsunoki-Naikolake（14.2公顷，平均深度1m）代表中型水体，Jinjhonuma水库（3.6公顷，平均水深0.7m）,Suganuma水库（2.8公顷，平均深度1m）和Hasuikepond（2.0公顷，平均水深1m）代表小型水体。生态建模的框架基本上与上述的湖泊生态系统模型相同，但是由于水体规模太小，因此每个水体都是作为一个单一的混合蓄水池，而没有把他们进行近岸和远岸区块分区。这些水体不仅在规模上相互不同，而且其水产植物也有所不同，优势种的特点分别是：LakeNishi（金鱼藻和若虫）为沉水植物，Matunoki-Naiko和Jinjhonuma（主要是芦苇群）为挺水植物，Suganuma无植被，Hasuike的漂浮绿叶植物，荷花。3.结论3.1模型的再现性每一个模型都涉及到用0.01天为计算量步骤得到的年度期间，（从1996年4月到1997年3月，三个湖泊以及最大的相邻湖泊LakeNishi；从1998年4月到1999年3月的其余四个小湖泊），并利用由此得到的水质状况与观察值作比较，来验证模型的重复性。三个湖泊，被选择