江苏湖泊草藻初级生产潜力的归一化模型研究*

揣小明　周海霞　杨柳燕　张永领　缪爱军　王明仕

(1.河南理工大学安全与应急管理研究中心　河南焦作 454000；　2.河南理工大学图书馆　河南焦作 454000；3.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　南京 210046；4.河南理工大学资环学院　河南焦作 454000)



江苏湖泊草藻初级生产潜力的归一化模型研究*

揣小明1,3周海霞1,2杨柳燕3张永领1缪爱军3王明仕4

(1.河南理工大学安全与应急管理研究中心河南焦作 454000；2.河南理工大学图书馆河南焦作 454000；3.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南京 210046；4.河南理工大学资环学院河南焦作 454000)

以太湖的梅梁湾、胥口湾和东太湖为研究对象，利用现场检测、野外调研、数据挖掘和模型推导等研究方法，对太湖草藻转化关系系数进行深入的研究，研究结果表明，太湖整体一直处于富营养化的水平，且梅梁湾、胥口湾和东太湖三个湖区近年来的营养水平呈现出上升的趋势；草型湖区水体中TP含量在0.02～0.13 mg/L之间变化时，水生植物的生物量与水体中TP含量线性正相关；草藻归一化系数Ki随水体中TP含量线性增长；存在一个水生生物量的阈值区间[2 882 g/m2，4 990 g/m2]，利用这个阈值区间可以简单快速地判定草藻归一化系数Ki的大小，同时这一阈值也是判定草型湖泊是否呈现富营养化特征的重要依据。得出的结论为构建富营养化湖泊的草藻归一化处理模型提供重要的理论参考。

蓝藻水草初级生产潜力归一化系数阈值范围

0　引言

湖泊富营养化分为藻型富营养化和草型富营养化两种类型。长期以来，国内外大多数学者对湖泊富营养化的研究集中在藻型富营养化方面[1-5]，其原因是藻型富营养化的危害性(包括透明度下降、臭味、影响水生生物生长与繁殖、产生藻毒素及衍生物、影响营养元素的生物地球化学循环以及危害公共安全等)是显而易见的。由于危害的潜伏性和长期性，草型富营养化问题常常被忽视。然而，草型富营养化会引发水体的“沼泽化”、“茭黄水”等严重问题[6]，严重妨害水体正常功能的发挥。在湖泊生态系统中，藻型富营养化与草型富营养化湖泊(区)的生态特征，特别是营养元素N，P的生物地球化学特征存在显著差异，故对两种类型的富营养化进行归一化处理对于理解N，P的生物地球化学循环具有重要的理论及现实意义[7]。近年来，太湖西部湖区的藻型富营养化与东部湖区的草型富营养化并存，严重危害着整个湖泊水生态系统。本研究选取太湖的梅梁湾(藻型湖区)、胥口湾(草型湖区)和东太湖(草型湖区)为研究对象，探讨藻型富营养化与藻型富营养化的归一化处理模式。

1　材料与方法

1.1研究区概况

梅梁湾是太湖典型的藻型湖区，湖区面积为124 km2，自20世纪90年代以来，该湖区一直遭受蓝藻水华的困扰，特别是2007年蓝藻水华大爆发引发了全球性的关注[8]。随着N，P等营养盐含量的攀升和水草生物量的逐年递增，东太湖和胥口湾两个湖区(湖区面积分别为172.4 km2和120 km2)也呈现富营养化的趋势，但由于其物理观感较好，且对水生生态系统和人类健康的直接影响相对较小，这种富营养化现象常常被忽略。事实上，随着“茭黄水”的发生和东太湖沼泽化趋势的加剧，草型富营养化带来的危害也不容忽视[6]。

1.2数据来源

太湖水体中历年TN，TP，Chl-a含量的数据来源于太湖网《太湖流域及东南诸河省界水体水资源质量状况通报》。水中TN和TP的测试是将现场采集的样品分别用碱性过硫酸钾和过硫酸钾在121 ℃条件下进行消解，消解后的样品用分光光度法进行测试[7]。2009年3个湖区水体中Chl-a含量、草型湖区的生物量通过野外检测获得[7]。

1.3归一化模型

1.3.1模型假设

本模型的构建是基于以下假设的。

(1)梅梁湾、胥口湾和东太湖大致处于同一纬度，它们的积温相同，获取的能量也相同，初级生产能力也相近。

(2)磷的最大转化率关系模型[9]为Rmax=k0/(1-η)。其中，Rmax为湖泊生态系统中磷的最大转化率，k0和η分别代表TP与Chl-a现存量线性回归方程和生态系统中磷传递效率。

(3)3个湖区的初级生产力统一表达为等价Chl-a的形式，且草型湖区中水草的分布具有均一化特征，故可以通过一定的转换，将水草的生物量单位可以转化为mg/L。

(4)等价Chl-a含量数值上等于水草转化的Chl-a含量与水体中测得的Chl-a含量的总和。

1.3.2模型构建

根据以上假设，构建的归一化模型如式(1)

Chl-aequal=Chl-a+Ki×B/H

(1)

式中，Chl-aequal为等价Chl-a含量值，mg/L；Chl-a为水体中Chl-a现存量，mg/L；Ki为归一化转化系数，H为平均水深，m；B为草型湖泊(区)的生物量，g/m2。

该模型是建立在大量历史数据统计分析和严密逻辑推理的基础上的，有效消除了主观因素和偶然因素对模型自身的干扰，但模型仅局限于平均水深不超过10 m的湖泊生态系统。

2　结果与讨论

2.1各湖区营养水平变化趋势

各湖区营养水平的变化趋势见图1。

图1　各湖区营养水平的变化趋势

从整体上看，梅梁湾、胥口湾和东太湖3个湖区的营养水平呈现出上升的趋势。具体变化趋势分析如下：(1)1987—2013年间，太湖水体中TN一直维持在富营养化水平(TSI>50)，而TP和Chl-a呈现出“双峰式”增长，且自1990年开始，其营养状况呈现出富营养化的水平，工农业的飞速发展、人口的急剧膨胀、城市化进程的推进以及旅游业的剧增等是太湖水体营养水平相对较高的重要原因[1-3，6，8-10]；(2)自20世纪90年代开始，梅梁湾水体一直处于富营养化，如1998年，该湖区的TSI-TN，TSI-TP和TSI-Chl-a分别为65.33，58.23和61.21，其富营养化的成因主要是入湖河流(梁溪河、直湖港和武进港)营养盐N，P的排入、东南季风带入的藻源负荷以及蓝藻的“自堆积”作用等[3]；(3)胥口湾和东太湖营养水平相对较低，但近年来两个湖区的营养水平亦呈现上升的趋势，其营养水平显著升高的主要原因是农业污染的攀升、大规模的围网养殖以及旅游污染的逐年增加等[1-2，6，10]。

2.2草藻转化系数及其应用

草型生态系统的初级生产能力呈现的规律见图2，从图2可以看出：①草型湖泊生态系统中等价Chl-a随着水体中TP含量的增加而呈现线性增长(p<0.01)，表明TP含量在0.02～0.13 mg/L之间时，水生生态系统的初级生产能力随水体中TP含量的增加而线性增长；②水体中Chl-a现存量虽然也随着TP含量的增加而增长，但其并未呈现线性增长(R2=0.458 7)；③Chl-aequal与Chl-a差值，即水生态系统中水草等当Chl-a的含量随着水体中TP含量的增长呈现线性增长(R2=0.848 6)，表明TP含量在0.02～0.13 mg/L之间时，水生植物的生物量亦与水体中TP含量线性相关。

图2　太湖草型湖区TP与Chl-a的关系曲线

太湖草型湖区水体中TP含量与Ki之间的对应关系曲线见图3，从图3可知当积温(>10 ℃)为4 730 ℃/d时，草藻归一化系数Ki与水体中TP含量之间成正相关关系(R2=0.549 8)，即TP浓度变化范围为0.02～0.13 mg/L之间时，草藻归一化系数Ki随水体中TP含量的增长而增长。与此同时，草藻归一化系数Ki与草型湖区水草生物量之间的定量关系表达式为Ki=3.926×10-7+4.901 3×10-10×B-4.987 7×10-14×B2，故存在一个水生生物量的阈值区间[2 882，4 990]，当水草生物量小于2 882 g/m2时，草藻归一化系数Ki随着水生生物量的增加而增加，当水草生物量大于4 990 g/m2时，草藻归一化系数Ki随着水生生物量的增加而减少，即草型湖泊(区)的草型特征减弱，湖泊呈现出草型富营养化的趋势，并逐步向藻型富营养化过渡，这与秦伯强等人[6]的研究结论相一致。

图3　太湖草型湖区水体中TP含量与Ki的关系曲线

太湖草型湖区水草生物量与Ki的关系曲线见图4。根据“积温相同，初级生产潜力相近”的原则，近似地选取太湖相对应的草藻转化系数作为江苏其它湖泊的转化系数，计算出草型湖泊(包括固城湖、石臼湖)的等价Chl-a的含量，如计算得出两个湖泊2009年的等价Chl-a的含量分别为6.31 μg/L和8.08 μg/L，这与通过湖泊生态系统中营养盐通用转化模型计算得出的等价Chl-a相对误差不超过6.7%，这表明通过太湖草藻转化系数计算固城湖和石臼湖的等价Chl-a是可行的。利用等价Chl-a与TP之间的关系计算出江苏省各湖泊生态系统中营养物磷的最大转化率见图5。可见，江苏省各个湖泊初级生产能力大小顺序为：固城湖>石臼湖>太湖>宝应湖>洪泽湖>高邮湖>玄武湖>邵伯湖，湖泊的生产潜力越大，其自身对营养盐输入的响应越灵敏，对营养盐的利用效率也越高，越容易引发水体的富营养化，营养盐的控制标准相对也应该更严格。因此，江苏省湖泊生产潜力的研究对于制定江苏省各湖泊营养盐的基准与控制标准，乃至其湖泊富营养化预防与控制具有重要的理论参考价值。

图4　太湖草型湖区水草生物量与Ki的关系曲线

A-洪泽湖；B-太湖；C-玄武湖；D-高邮湖；E-邵伯湖；F-宝应湖；G-固城湖；H-石臼湖

图5江苏各湖泊Rmax分布情况

3　结语

(1)自20世纪90年代以来，太湖的营养水平一直处于富营养化的水平，且梅梁湾、胥口湾和东太湖3个湖区的营养水平呈现出上升的趋势。

(2)草藻归一化系数Ki随水体中TP含量线性增长。

(3)存在一个水生生物量的阈值区间[2 882，4 990]，当水草生物量小于2 882 g/m2时，草藻归一化系数Ki随着水生生物量的增加而增加，当水草生物量大于4 990 g/m2时，草藻归一化系数Ki随着水生生物量的增加而减少。这一阈值也是草型湖泊(区)是否呈现富营养化特征的重要理论依据。

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Study on Normalized Model of Macrophytes-cyanobacteria Primary Production Potential in Lakes of Jiangsu Province

CHUAI Xiaoming1,3ZHOU Haixia1,2YANG Liuyan3ZHANG Yongling1MIAO Aijun3WANG Mingshi4

(1.SafetyandEmergencyManagementResearchCenter,HenanPolytechnicUniversityJiaozuo，Henan454000)

Taking Meiliang Bay, Xukou Bay and Eastern Lake Taihu in Taihu Lake as study target, the transformation relationship coefficient in Taihu Lake watershed is deeply investigated by field detection, field investigation, data mining and model inference. The main results are that the Taihu Lake is always in eutrophic level, and in recent years increase trends have been observed in Meiliang Bay, Xukou Bay and Eastern Lake Taihu. The positive correlation between the biomass of macrophytes and aqueous total phosphorus (TP) is observed when TP concentrations vary from 0.02 mg/L to 0.13 mg/L in macrophytes dominated lake region. The macrophytes-cyanobacteria normalization coefficientKiincreases linearly with aqueous TP concentrations. The threshold of [2 882 g/m2，4 990 g/m2] is used to judgeKisimply and rapidly, and whether macrophytes dominated lakes are eutrophic is also judged by this threshold. The conclusion can provide important theoretical references for the foundation of normalized model of macrophytes-cyanobacteria primary production potential in eutrophic lakes.

cyanobacteriamacrophytesprimary production potentialnormalization coefficientthreshold

国家自然科学基金(41001338)，河南省高等学校重点项目(15A610012)，河南省教育厅重点课题(2015-ZD-029)，河南理工大学博士基金项目(B2012-008)。

揣小明，男，1982年生，博士，副教授，硕士生导师，主要从事环境生物地球化学研究。

2015-07-18)