太湖磷循环的生态动力学模拟研究

谢兴勇,祖 维,钱 新 (.淮阴工学院生命科学与化学工程学院,江苏 淮安 3003；.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 0093)

太湖磷循环的生态动力学模拟研究

谢兴勇1*,祖 维1,钱 新2(1.淮阴工学院生命科学与化学工程学院,江苏 淮安 223003；2.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210093)

构建了太湖水生态动力学模型(CAEDYM),依据已有相关研究成果对模型参数进行了初选,利用2005年的水文、气象、水质等监测数据对模型参数进行了率定,分析了湖泊水体磷的循环机制和沉积物内源磷的释放机制.结果表明,水温和溶解氧的模拟结果与实测数据非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的变化趋势也与实测结果基本相同.浮游植物优势种的演替模式表现为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势;磷的内源释放对太湖磷循环影响的模拟结果表明,在不改变外源输入的情况下,降低底泥中磷的再悬浮作用能够有效降低水体中Chl-a的浓度,但对水体中TP及PO43-的影响较小.

太湖；磷循环；水生态动力学模型；环境模拟

根据经济合作与发展组织(OECD)的研究,全球80%湖泊的营养受磷的控制,另外10%与磷和氮有直接关系,其余 10%是由氮或其它因素制约[1].因此,磷是造成湖泊水质富营养化的关键性因素之一.与深水湖泊相比,大型浅水湖泊由于其温度、流速等理化性质分层不明显,风浪作用对沉积物与水界面的干扰大,更容易扰动湖底沉积物,使水流作用更强,沉积物与水体之间磷的交换作用更充分,沉积物对水体磷的影响更为直接和频繁[2-3].对于浅水湖泊富营养化研究与治理实践表明[4],在开展湖泊外源营养盐控制的基础上,还要开展湖泊内部由于沉积物营养盐释放带来的内源负荷控制与生态修复.

浅水湖泊磷的循环机制非常复杂,沉积物对水体磷的影响和作用较大.目前比较多的研究工作是有关沉积物中营养盐的赋存形态与含量的研究,以及不同环境下沉积物中营养盐释放的实验室试验研究[5-7].由于环境系统庞大复杂,浅水湖泊水质变化规律的野外预测和物理模型方法研究往往要消耗大量的人力和物力,难以广泛开展.在这种情况下,理论计算方法成为开展湖泊水环境系统综合研究的一种重要手段,在水环境规划、管理和研究过程中发挥着越来越大的作用.

西澳大学水环境研究中心以质量平衡方程为基础,在综合考虑了物理迁移扩散、生化反应等因素后,构建了水生态动力学模型 CAEDYM (Computational Aquatic Ecosystem DYnamics Model),从而为计算和模拟湖泊的生态动力学过程奠定了基础.该模型不仅全面的反映了C、N、P、Si以及DO的循环过程,它还可以模拟多种无机悬浮颗粒物和藻类的动力学过程[8],与一维水动力学模型 DYRESM(Dynamic Reservoir Simulation Mode)耦合后可进行关于生物和化学过程的研究,已被多次应用于湖泊及水库水动力水质分析[9-13].

本研究以太湖为对象,利用水生态模型CAEDYM中的磷循环理论[8],构建了能够反映藻类生长繁殖的一维水动力水质数学模型,选择隐藻、硅藻、绿藻、蓝藻4种浮游植物作为主要对象,模拟了太湖磷的生态动力学循环过程以及磷与浮游植物生长之间的关系,分析了不同藻种的季节性演替规律,探讨了湖泊内源污染控制措施对太湖磷循环及生态系统的影响.

1 研究对象

太湖(119°54′N～120°36′N, 30°56′E～31°33′E)正常水面面积 2338.11km2,其南北长 68.5km,东西宽34km.湖岸线总长405km,平均水深1.9m,正常水位下库容4.43×109m3,换水周期约309d,是典型的大型浅水湖泊.

太湖位于长江三角洲的经济发达地区,长期以来在蓄洪、供水、灌溉、航运、旅游等方面发挥着重要作用.随着流域经济的迅速发展,入湖污染负荷急剧上升,而污染治理工程相对滞后,太湖的水污染和富营养化问题日益严重,夏季水华暴发的范围越来越大.从2000年以前的梅梁湾、竺山湾及部分湖西区为主,发展到2006年的整个西太湖,夏季水华暴发的面积占太湖总面积的一半以上,且一年中出现水华的时间越来越长,出现的频率越来越高,微囊藻水华为特征的藻型生态系统在太湖越来越稳定[14-18].

2 水环境数学模型

水生态动力学模型CAEDYM的复杂程度可以由用户依据自己的研究目的及基础数据的获取情况自行设定,该模型最多可以模拟7种浮游植物、5种浮游动物、鱼类以及水生植物等等[8].由于没有足够的监测数据,本研究仅模拟了磷循环与浮游植物的动力学过程,并没有考虑浮游动物、鱼类以及水生植物的影响.有研究表明[19-21],太湖全年以隐藻、硅藻、绿藻、蓝藻4种藻类的季节性演替为主,因此,本模型选择这4种浮游植物开展模拟研究.水质模型结构如图1所示.

图1 CAEDYM模拟磷循环动力学过程示意Fig.1 Schematic representation of the modeled nutrient cycle in CAEDYM

3 结果与讨论

3.1 营养物质的模拟结果

国内关于浅水湖泊不同藻种的数值研究未见文献报道,在国外,Rmoero 等[22]在对澳大利亚的 2个水库进行一维和三维生物地球化学模拟时利用CAEDYM构建了包含蓝藻、绿藻、硅藻3种浮游植物的营养盐循环过程.Griffin 等[23]在模拟澳大利亚天鹅河的甲藻暴发时,分析了浮游动物生长对甲藻、绿藻、隐藻、硅藻4种浮游植物的影响.作者对太湖磷循环与浮游植物之间的关系进行了探索性研究,在隐藻、硅藻、绿藻、蓝藻这 4种浮游植物的参数选取方面主要参考了上述2篇文献,并利用2005年太湖实测水质数据及相应的水文气象资料进行了率定,使模型计算值与实测值比较达到总体最优.经过率定,蓝藻、绿藻、硅藻和隐藻的最大生长速率分别为:1.1,0.8,1.3,0.7d-1;呼吸作用速率分别为:0.07, 0.09,0.14,0.2d-1;光合作用曲线参数分别为:130, 100,60,60uE/(m2⋅s);适宜生长温度分别为:29,28, 20,33℃;磷的半饱和常数分别为:0.008,0.005, 0.007,0.005mg/L.模型计算结果如图2所示.

图2 水温、溶解氧、总磷及磷酸盐的模拟结果Fig.2 Simulated and observed values for water temperature, DO, TP and PO43-

从图2的对比结果来看,水温和溶解氧的计算结果与实测值非常吻合,而TP和PO43-的计算结果与实测值有一定误差.从变化趋势来看,模型计算结果略低于实测数据,其原因之一可能与太湖监测点的位置选取有关.本研究采用的实测数据为2005年太湖常规监测断面的水质监测资料,这些断面主要分布在太湖的北部,也是太湖富营养化最严重的区域,因此这些点的TP和PO43-平均浓度会低于全湖的平均浓度.另外一个原因可能与建模过程及模型参数的设置有关,需要用更多的实测数据对模拟结果进行验证,这也是我们今后的工作重点.

本研究模拟的磷在沉积物及水体中的生态动力学循环主要包括以下几个过程:溶解态的有机磷通过矿化作用转化为可滤反应磷、浮游植物对可滤反应磷的生物吸收、沉积物中溶解态有机磷和可滤反应磷的溶出、颗粒态有机磷向溶解态有机磷的分解、浮游植物的死亡与排泄生成的颗粒态有机磷和溶解态有机磷、颗粒态有机磷、颗粒态无机磷、藻类内部磷的沉积、颗粒态有机磷、颗粒态无机磷、藻类内部磷的再悬浮.

3.2 浮游植物的模拟结果

图3所示的是Chl-a和各浮游植物的模拟结果.由图3a可知,Chl-a的变化趋势与实测的结果相似,120d前的模拟结果略低于实测值,而 240d后的模拟结果略高于实测值.太湖浮游植物优势种的演替格式基本为:冬季硅藻和隐藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势.

图3 Chl-a和浮游植物的模拟结果Fig.3 Simulated results for Chl-a and phytoplankton species

3.3 磷的内源释放对太湖磷循环的影响

利用上述一维数学模型分析了底泥再悬浮对太湖水体磷循环及浮游植物的影响,在模型中的处理方法是降低湖泊底泥中磷的浓度,根据削减量的不同,对比分析了0%、25%、50%、75%和90% 5种情形.图4所示的是各种情景下太湖TP、PO43-、Chl-a的模拟结果,由图4可知,降低磷的内源释放对湖区TP及PO43-的改善效果并不明显,但对 Chl-a的影响较大,当底泥中磷的削减量达到 50%以上时,水中的 Chl-a浓度明显下降.

图4 内源释放对太湖TP, PO43-及Chl-a影响的模拟结果(年均值)Fig.4 Simulated effects of reduced internal phosphorus loading on TP, PO43-, and Chl-a

4 结论

4.1 从模型的计算结果来看,水温和溶解氧的模拟值与实测值非常吻合,TP和 PO43-的模拟结果也反映了其在太湖的长期变化趋势.Chl-a的变化趋势与实测的结果相似,浮游植物优势种的演替模式基本为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势,与相关研究成果基本一致,表明水质模型具有一定的实用性,能够为浅水湖泊磷循环的模拟及夏季藻类暴发的预测预警研究提供借鉴.

4.2 从太湖底泥磷内源释放的模拟结果来看,减弱底泥中磷的再悬浮作用能够降低水体中Chl-a的浓度,但对TP和PO43-的影响较小.这说明丰富的外源汇入仍是目前太湖富营养化的主要来源,而底泥再悬浮作用对太湖藻类的生成繁殖有重要的影响.

4.3 本研究构建的模型仅能反映湖泊水体各指标的整体变化,不能反映其在不同湖区的空间变化规律,需要构建三维模型作进一步研究.另外,受实测数据的限制,本模型没有考虑浮游动物、鱼类及大型水生植物的影响,给模拟结果带来了一定的误差,需要在今后的工作中进一步完善.

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Numerical study on the ecological dynamics of phosphorus circle in Taihu Lake.

XIE Xing-yong1*, ZU Wei1, QIAN Xin2(1.College of Life Science and Chemical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：858～862

The one-dimensional CAEDYM model was used to study the principle of ecological dynamics of phosphorus circle in Taihu Lake. The cycling mechanisms of phosphorus, the release mechanisms of internal loading in sediments and the action of algae in shallow lake were studied by CAEDYM model. The parameters of the model were calibrated by the monitoring data of 2005. The simulated results showed good agreement with observed data for water temperature and dissolved oxygen in 2005. Total phosphorus (TP), PO4and Chl-a also followed the observed seasonal patterns. The simulated seasonal succession of dominant phytoplankton species was as follows: diatoms dominate in winter, chlorophytes dominate in spring, and cyanobacteria dominate in summer and autumn. Simulations of scenarios with a reduced internal phosphorus loading showed that a substantial reduction (＞50%) of internal phosphorus loading can decrease the concentration of Chl-a, and the changes of TP and PO4 were not significant. This finding indicated that the external phosphorus loading plays an important role in the eutrophication of Taihu Lake.

X143

A

1000-6923(2011)05-0858-05

Key works：Taihu Lake；phosphorus circle；CAEDYM；simulation

2010-09-25

国家自然科学基金资助项目(41001032)

* 责任作者, 博士, xiexingyong@163.com

谢兴勇(1980-),男,山东泗水人,博士,主要从事环境模拟、GIS等领域的研究.发表论文4篇.