運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)_第1頁(yè)
運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)_第2頁(yè)
運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)_第3頁(yè)
運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)_第4頁(yè)
運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)_第5頁(yè)
已閱讀5頁(yè),還剩9頁(yè)未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、 得分:_南 京 林 業(yè) 大 學(xué)研究生課程論文201 201 學(xué)年 第 學(xué)期課 程 號(hào):課程名稱:論文題目:學(xué)科專業(yè):學(xué) 號(hào):姓 名:任課教師: 二一 年 月運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過(guò)程的評(píng)價(jià)摘要一個(gè)解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的有效措施是利用天然水體凈化過(guò)程去除引起藻類增殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 這里,“凈化”一詞在廣義上講,是天然水體減少污染物質(zhì),控制富營(yíng)養(yǎng)化的一項(xiàng)潛在功能。同時(shí),生物凈化功能也被視為一種生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù),其內(nèi)容多樣,包括1.季節(jié)性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定,如水生植物吸收;2.生物附著到葉底層;3.高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物取食,并最終將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從水體中永遠(yuǎn)去除。為了評(píng)估水體凈化能力,一種涵蓋河岸帶水生

2、植物群落作用的湖泊生態(tài)系統(tǒng)數(shù)字模型被開(kāi)發(fā)并運(yùn)用到Lake Suwa,Kasumi,Biwa以及五個(gè)與Lake Suwa相鄰的小湖。該模型考慮了浮游區(qū)(浮游生物,碎屑,溶解性有機(jī)物,中上層魚(yú)類和養(yǎng)分)與深海區(qū)(水生植物,附生藻類,葉表動(dòng)物,大型底棲生物和底層魚(yú)類)間的生物關(guān)系。在氣象和水文參數(shù)的動(dòng)態(tài)作用下,模型運(yùn)行一年多,評(píng)估了湖體年養(yǎng)分循環(huán)以及凈化功能。通過(guò)與從實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)相比較,不同水體的模型再現(xiàn)性數(shù)據(jù)被驗(yàn)證。數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示,從湖體進(jìn)水量和通量角度來(lái)看,不同的水生生物群作用下的水體凈化能力往往是在近岸地區(qū)高于在遠(yuǎn)岸地區(qū)。此外,水體凈化能力增強(qiáng),河岸植被密度也成比例增加。另一方面,

3、代表凈化過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通量被證明與湖面面積緊密相關(guān),或者說(shuō)與水體滯留時(shí)間等效相關(guān),表現(xiàn)為,只有當(dāng)湖面面積到達(dá)約103公頃或水體滯留時(shí)間超過(guò)102天時(shí)生物凈化較物理凈化才會(huì)處主導(dǎo)地位。關(guān)鍵詞:湖泊與相鄰湖泊;水體凈化能力;遠(yuǎn)岸和近岸;水生植物;水文參數(shù)前言在日本,為了保護(hù)內(nèi)陸水體,許多湖泊都建立了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),并不斷采取措施來(lái)減少污染物質(zhì)的排入并從水體中除去污染物質(zhì)。然而,大多數(shù)水體都已經(jīng)處于高度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),有機(jī)廢水的排放也造成了湖泊水質(zhì)的長(zhǎng)期惡化。日本環(huán)境管理局采用有機(jī)廢水污染指數(shù)來(lái)觀測(cè)水體化學(xué)需氧量(COD)年度變化趨勢(shì)。但三十多年來(lái),達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的湖泊比率一直只有50%左右的低水平。(環(huán)境部

4、,2006)。富營(yíng)養(yǎng)水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有三個(gè)來(lái)源:1.大部分是來(lái)自陸源;2.水層和泥沙中細(xì)菌的分解;3.浮游植物的生長(zhǎng),促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)生。這些不僅導(dǎo)致水體污染,還引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,如水華,水體缺氧等,并最終導(dǎo)致水生植物生態(tài)系統(tǒng)的變化。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)今社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題,強(qiáng)烈建議在環(huán)境保護(hù)和漁業(yè)資源管理中采取措施加以控制。解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題除了物理措施如加快水體循環(huán)自凈、清理底泥外,還有生物方法,如自然水體凈化功能。自然水體凈化過(guò)程本質(zhì)上是屬于岸區(qū)水生植物群以及小湖泊、池塘或周圍濕地的功能。例如,通過(guò)在河岸區(qū)組建多樣的水生植物群落來(lái)幫助吸附營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),以凈化水質(zhì)。當(dāng)然,除了生物凈化過(guò)程,小型水體像

5、沉積物存儲(chǔ)器一樣,在過(guò)濾懸浮物方面也發(fā)揮著重要的作用。因此,水體凈化作用引起了全世界湖泊和生態(tài)學(xué)研究者濃厚的興趣。日本環(huán)境政策的一個(gè)典型例子,Shiga Prefecture開(kāi)展了重新評(píng)估和恢復(fù)大湖相鄰小型水體自凈功能的研究,旨在通過(guò)采取一項(xiàng)全面的管理計(jì)劃來(lái)保護(hù)Lake Biwa環(huán)境。為了闡明水體凈化功能有利于水體富營(yíng)養(yǎng)化控制,作為日本水產(chǎn)廳授權(quán)進(jìn)行的環(huán)境研究項(xiàng)目一部分,一種湖泊生態(tài)系統(tǒng)數(shù)字模型被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用到幾個(gè)典型的富營(yíng)養(yǎng)湖泊和小型水體,旨在獲得水體自凈能力的定量性評(píng)估。這些湖泊和小型水體包括三大內(nèi)陸淡水湖:Lake Suwa, Lake Kasumi,Lake Biwjia以及與Lake

6、Biwa相鄰的五個(gè)不同大小的小湖。在這項(xiàng)研究中,我們考慮了浮游區(qū)與深海區(qū)間的生物關(guān)系。在模型結(jié)果基礎(chǔ)上,我們研究了這些水體的水文特征,即水體表面積和滯留時(shí)間,與其凈化能力之間的關(guān)系,研究結(jié)果均呈現(xiàn)出顯著的生態(tài)特征。2.材料和方法2.1模型描述在這項(xiàng)研究中,“水體凈化”被定義為湖泊生態(tài)系統(tǒng)去除/分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作用的一個(gè)整體過(guò)程。水體凈化過(guò)程除了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除過(guò)程如脫硝,水蟲(chóng)羽化和漁業(yè)捕撈外,還包括季節(jié)性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定,如水生植物吸收,葉表微生物同化,大型底棲動(dòng)物取食。眾多湖泊研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán),以達(dá)到評(píng)估水體凈化能力的目的。這項(xiàng)研究中所用到的模型也遵循這一規(guī)律。本研究的

7、模型涉及到近岸區(qū)和遠(yuǎn)岸區(qū)間的相互關(guān)系,而這種關(guān)系是通過(guò)強(qiáng)調(diào)生長(zhǎng)在近岸的水生植物的作用來(lái)顯現(xiàn)的。遠(yuǎn)岸和近岸浮游系統(tǒng)的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)可描述為:Offshore V1*dB1dt=q1-q12*B1+B2+G1-L1-Q0*B1 (1)Inshore V2*dB2dt=q2-q12*B1-Q21*B2+G2-L2 (2)這里指數(shù)1和指數(shù)2分別代表近岸地區(qū)和遠(yuǎn)岸地區(qū),V表示各地區(qū)水量,B代表生物量,垂直進(jìn)水量以及任意水層的濃度,q代表陸源輸入量,Q12代表從遠(yuǎn)岸區(qū)向近岸區(qū)輸送的水量。Q21是反向輸水量,Q0是排放到遠(yuǎn)岸系統(tǒng)外的水量,G和L表示相應(yīng)的在生化養(yǎng)分吸收和固定過(guò)程中凈增加和凈減少的B。由式1,2制定

8、的浮游區(qū)物質(zhì)作為模型的預(yù)后變量代表。浮游區(qū)物質(zhì)包括浮游植物,浮游動(dòng)物,浮游層魚(yú)類,碎屑,溶解有機(jī)鹽,營(yíng)養(yǎng)鹽和溶解氧。表1總結(jié)了生態(tài)系統(tǒng)模型中生化過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式,建模框架基本上和Taguchi 、Nakata等對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)描述的相同。類似的方法同樣被用于近海環(huán)境研究中,數(shù)學(xué)生態(tài)模型也被廣泛應(yīng)用到灘涂和淺水水體來(lái)評(píng)價(jià)其自然凈化功能。然而,通過(guò)獲悉動(dòng)物生物量的年際變化,底棲層中除了水生植物,葉表動(dòng)物,懸浮物寄食動(dòng)物外,大多數(shù)生物也都被認(rèn)為是水中養(yǎng)分循環(huán)的底層邊界條件。近期的模型研究,都要求通過(guò)了解底棲層動(dòng)物的動(dòng)態(tài)變化來(lái)模擬它們的生命周期與浮游系統(tǒng)的交互關(guān)系。2.2計(jì)算方法通過(guò)對(duì)大小幾個(gè)水體進(jìn)行一

9、系列的模擬,我們對(duì)水凈化能力特點(diǎn)有了一個(gè)定性了解。研究區(qū)選擇典型的三大富營(yíng)養(yǎng)湖泊:Lake Suwa, Lake Kasumi,Lake Biwa,以及五個(gè)相鄰的小湖泊:Lake Biwa, Lake Nishi, Matsunoki-Naiko, Jinjhonuma, Suganuma ,Hasuike。后5個(gè)相鄰的小湖大小不同,在應(yīng)變量的動(dòng)態(tài)條件下,每一次模擬都希望能夠重現(xiàn)湖泊一年內(nèi)N,P的季節(jié)性周期變化。模擬過(guò)程中使用的水文參數(shù)按大小順序排列,如表2所示。這些水體的計(jì)算設(shè)置為以下形式。2.2.1Lake SuwaLake Suwa河岸線帶主要以沉水植物菹草為主,為了加強(qiáng)大型水生植物群凈

10、水功能,水野縣水產(chǎn)實(shí)驗(yàn)站(PFES)從1996年到2000年,實(shí)施了全面的環(huán)境監(jiān)察活動(dòng),測(cè)量了湖泊養(yǎng)分預(yù)算的基參數(shù)以及沉水植物的分布狀況。基于野外調(diào)查資料,我們開(kāi)發(fā)了Lake Suwa生態(tài)系統(tǒng)模型并參加到此項(xiàng)研究中。在我們開(kāi)發(fā)的模型中,沉水植物被近岸系統(tǒng)的主要生物取代。為了評(píng)價(jià)其凈化能力,該模型強(qiáng)調(diào)了一些特征過(guò)程,如植物吸收養(yǎng)分,枝葉的生物附著以及葉表微生物的養(yǎng)分固定,同樣還強(qiáng)調(diào)了一般的凈化過(guò)程,如魚(yú)類和底棲動(dòng)物的取食,底泥反硝化,以及漁業(yè)捕撈。1996年,總觀測(cè)到的沉水植物區(qū)面積約200公頃,平均水深為2m。該區(qū)域被選定為近岸系統(tǒng),其余的湖面區(qū)域,被歸為遠(yuǎn)岸系統(tǒng)。更深的遠(yuǎn)岸區(qū)分為三個(gè)垂直層,

11、在深度為2,2.7和0.5m相應(yīng)的將其劃分為上層,中層,下層。兩個(gè)子系統(tǒng)之間交換的水量是通過(guò)數(shù)值流體力學(xué)模型來(lái)評(píng)估季節(jié)性流場(chǎng)模擬中得到的。模型的其余設(shè)置是基于字段數(shù)據(jù)和文獻(xiàn),包括水溫,太陽(yáng)輻射,營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷,水生植物和底棲動(dòng)物預(yù)設(shè)的垂直生物量,生理率系數(shù)和參數(shù)。模型參數(shù)選定值列于表3,對(duì)于魚(yú)類和貝類部分,模型中涉及到主要的4種魚(yú)類和貝類compartments之間的相互作用,它們?yōu)楣~(yú),鯉魚(yú),對(duì)蝦和雙貝類。2.2.2 Lake Kasumi有這樣一個(gè)觀點(diǎn),漁業(yè)活動(dòng)可以去除N,P,有利于控制Lake Kasumi富營(yíng)養(yǎng)化狀況。因此,從1996年到2000年,Ibarki內(nèi)陸水域漁業(yè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了五年

12、的魚(yú)類群落的生態(tài)作用環(huán)境研究。因?yàn)榻陙?lái)漁獲量顯著下降的原因可能為浮游植物物種組成以及引進(jìn)魚(yú)類繁殖的發(fā)生了變化。考慮到浮游生物演替和漁業(yè)生產(chǎn),該研究強(qiáng)調(diào)了了解養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的重要性。依照他們的觀點(diǎn),建模工作重視魚(yú)產(chǎn)量的分析也是為了評(píng)價(jià)整個(gè)湖泊的營(yíng)養(yǎng)預(yù)算。因此,模型對(duì)魚(yú)類和貝類部分進(jìn)行了調(diào)整以模擬10個(gè)種之間的交互關(guān)系,這10個(gè)種為:公魚(yú)、銀魚(yú)、鯉魚(yú)、鯽魚(yú)、鳙魚(yú)、silver bighead、鯔魚(yú)以及其他中上層魚(yú)類,底層魚(yú)類如蝦虎魚(yú),蝦,糖蝦。魚(yú)類種群動(dòng)態(tài)的建模計(jì)劃本質(zhì)上與Park等,Trebitz等,McDermot和Rose等人所描述的相同。兩個(gè)與Lake Kasumi相鄰的盆地,較大的南部盆

13、地用于數(shù)值研究?;贗barki PIWFES進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于沿湖(主要是蘆葦群)挺水植物的空間分布實(shí)地考察,近岸水域,相當(dāng)于已淹沒(méi)莖部的植物群落,21.4公頃,平均深度0.5m,被定義為近岸系統(tǒng)。其余廣闊的湖泊區(qū)域即遠(yuǎn)岸系統(tǒng)(17100公頃,4m深,表2),將其劃分成兩個(gè)深度層,1m(上)和3m(下)。水文條件、底棲生物層(挺水植物和底棲動(dòng)物)的季節(jié)性生物量變化和生理參數(shù)的計(jì)算設(shè)置遵循Lake Suwa模擬參數(shù)。2.2.3. Lake Biwa作為實(shí)施保護(hù)Lake Biwa環(huán)境政策的原因,水生植物在維持湖泊水質(zhì)和保護(hù)動(dòng)物幼仔方面的重要性早已被認(rèn)可,縣政府于1992年迅速建立和實(shí)施了蘆葦群落保護(hù)

14、條例(旨在保護(hù)Lake Biwa周圍的蘆葦群落)。此外,從1996年到2000年,Shiga PFES還開(kāi)展了5年廣泛的實(shí)地研究,以便了解蘆葦?shù)纳L(zhǎng)條件并開(kāi)發(fā)了湖泊沿岸植被移植技術(shù)。對(duì)應(yīng)這些行動(dòng),水體的建模研究還將著重考慮蘆葦群落的作用,并嘗試評(píng)估群落植物和其他遠(yuǎn)岸系統(tǒng)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物,魚(yú)類,貝類和底棲動(dòng)物的水凈化功能。對(duì)湖泊沿岸蘆葦群落的調(diào)查,同Lake Kasumi模型模擬方式相同,近岸水域面積46.4公頃,平均水深1m,在這個(gè)區(qū)域內(nèi),所有蘆葦莖部都認(rèn)為被淹沒(méi),符合以上要求的區(qū)域定義為近岸系統(tǒng),而其余部分為遠(yuǎn)岸系統(tǒng)(66950公頃,平均水深41,表2)。遠(yuǎn)岸盆地深度超過(guò)近岸,從上向下分別在1,

15、4,5,5,10和16m處被垂直地分為6層。通過(guò)三維水動(dòng)力模型評(píng)估獲得的季節(jié)性流場(chǎng)被用來(lái)確定水文條件。脅迫層(蘆葦和底棲動(dòng)物)的垂直生物量和模型的生理參數(shù)通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)和文獻(xiàn)獲得。Lake Biwa生態(tài)系統(tǒng)魚(yú)類和貝類被分為11個(gè)類別:7組上層魚(yú)類物種群,包括公魚(yú),鱸魚(yú),大太陽(yáng)魚(yú);四組底棲魚(yú)類和貝類,包括蝦虎魚(yú)和蝦等。2.2.4相鄰小湖鑒于恢復(fù)小規(guī)模水體已被納入Lake Biwa全面環(huán)境保育計(jì)劃(環(huán)境部等,1999),Shiga縣政府為了重新評(píng)估他們的生態(tài)作用而開(kāi)展了全面調(diào)查的研究。與目前的研究關(guān)聯(lián)的的,從1998年到1999年,Shiga PFES還開(kāi)展了一場(chǎng)廣泛的野外調(diào)查,旨在對(duì)相鄰的小湖的環(huán)

16、境條件有更好的了解。在測(cè)量基礎(chǔ)上,我們做了一系列的模擬來(lái)再現(xiàn)Lake Biwa周邊小水體年?duì)I養(yǎng)預(yù)算,并評(píng)估了水凈化功能。在此項(xiàng)研究中,我們從各個(gè)相鄰的小湖中選擇了五個(gè)不同大小的水體: Lake Nishi(285公頃,平均深度1.5m)代表一個(gè)較大的水體,Matsunoki-Naiko lake(14.2公頃,平均深度1m)代表中型水體,Jinjhonuma水庫(kù)(3.6公頃,平均水深0.7m),Suganuma水庫(kù)(2.8公頃,平均深度1m)和Hasuike pond(2.0公頃,平均水深1m)代表小型水體。生態(tài)建模的框架基本上與上述的湖泊生態(tài)系統(tǒng)模型相同,但是由于水體規(guī)模太小,因此每個(gè)水體都

17、是作為一個(gè)單一的混合蓄水池,而沒(méi)有把他們進(jìn)行近岸和遠(yuǎn)岸區(qū)塊分區(qū)。這些水體不僅在規(guī)模上相互不同,而且其水產(chǎn)植物也有所不同,優(yōu)勢(shì)種的特點(diǎn)分別是: Lake Nishi(金魚(yú)藻和若蟲(chóng))為沉水植物,Matunoki-Naiko和Jinjhonuma(主要是蘆葦群)為挺水植物,Suganuma無(wú)植被,Hasuike的漂浮綠葉植物,荷花。3.結(jié)論3.1模型的再現(xiàn)性每一個(gè)模型都涉及到用0.01天為計(jì)算量步驟得到的年度期間,(從1996年4月到1997年3月,三個(gè)湖泊以及最大的相鄰湖泊Lake Nishi;從1998年4月到1999年3月的其余四個(gè)小湖泊),并利用由此得到的水質(zhì)狀況與觀察值作比較,來(lái)驗(yàn)證模型的

18、重復(fù)性。三個(gè)湖泊,被選擇作為相鄰小湖代表的最小水體Hasuike的計(jì)算結(jié)果如表2所示。除了Lake Kasumi外,其他近岸系統(tǒng)都做了比較,因?yàn)長(zhǎng)ake Kasumi僅可測(cè)得遠(yuǎn)岸數(shù)據(jù)。圖中的面板顯示,在涉及到一些差異時(shí),年模擬模式與觀察結(jié)果相當(dāng)一致,從而證明該模型在每個(gè)水體都得到了充分校準(zhǔn)。這里要注意的差異是:十月期間Lake Suwa浮游植物隨時(shí)間數(shù)量增長(zhǎng),從九月到十月總P濃度會(huì)降低,冬季浮游生物生長(zhǎng)(一月到三月)以及Lake Kasumi硝酸鹽濃度在夏季減少(8到9月)。3.2每個(gè)水體的水凈化能力模型模擬顯示,每個(gè)水體的模擬結(jié)果都令人滿意,模型中垂直生物量和養(yǎng)分通量按時(shí)間的輸出量被求全年平

19、均值來(lái)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)年物質(zhì)預(yù)算。作為水體的代表,Lake Suwa的N預(yù)算如圖3所示。水體凈化能力在生態(tài)成分和生物過(guò)程方面都受到特別關(guān)注,并從(1)水生生物的營(yíng)養(yǎng)輸入量(2)與營(yíng)養(yǎng)物去除和或固定過(guò)程相關(guān)的生物通量,兩個(gè)觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)區(qū)域的水凈化能力。3.2.1營(yíng)養(yǎng)輸入量方面的凈化能力該模型的水凈化成分是水生植物,附生藻類和葉表,浮游動(dòng)物,魚(yú)類,貝類和底棲動(dòng)物。針對(duì)這些,每個(gè)水體的垂直輸入量是通過(guò)氮(N)和磷(P)來(lái)評(píng)估的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別列于表4a和4b,表4。生物量的絕對(duì)值,根據(jù)水體大小在較大的范圍內(nèi)變化,這就沒(méi)有必要相互比較,因此跟換為單位面積的生物量。縱觀這些數(shù)值,使我們發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)。在L

20、ake Suwa的近岸地區(qū)的底棲動(dòng)物,主要由蚓蠕蟲(chóng)和吸漿蟲(chóng)幼蟲(chóng)組成,在營(yíng)養(yǎng)輸入方面發(fā)揮主導(dǎo)作用(165mgNm2; 27mgPm2),凈化貢獻(xiàn)順序依次為魚(yú)類,貝類和浮游動(dòng)物(80100mgNm2;1115mgPm2)。相比之下,在近岸系統(tǒng),大型底棲動(dòng)物起著普遍的作用,具有多達(dá)兩倍的遠(yuǎn)岸系統(tǒng)生物量(330mgNm2; 53mgPm2),其后排列的是魚(yú)類,貝類,浮游動(dòng)物以及沉水植物菹草,總生物量達(dá)2050mgNm2和27mgPm2。遠(yuǎn)岸輸入總量340mgNm2 和 50mgPm2,而近岸則為460mgNm2 和70mgPm2。結(jié)果表明,近岸水體凈化能力比遠(yuǎn)岸高出30%-40%。這一特征在Lake

21、Kasumi變得更明顯,在Lake Kasumi近岸區(qū)(蘆葦群)被認(rèn)為有巨大的生物量,(2,393mgNm2; 278.5mgPm2)達(dá)遠(yuǎn)岸區(qū)的5-6倍。此外,還可以看出,蘆葦組成了很大一部分的高生物量,高達(dá)到80%。這充分表明近岸區(qū)挺水植物在固定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起主導(dǎo)作用。除了水生植物,生物量主要?dú)w因于蘆葦莖部的附生藻類(327mgNm2; 24mgPm2),其次是魚(yú)類和貝類,包括糖蝦(新糠蝦屬,媒介物)(132mgNm2; 20mgPm2),最后是底棲動(dòng)物(80mgNm2; 13mgPm2)。至于Lake Biwa,可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)挺水植物的凈化貢獻(xiàn),它們巨大的生物量幾乎等同于Lake Kasum

22、i(2060mgNm2; 250mgPm2)。在Lake Biwa中,值得注意的是,蘆葦組成了超過(guò)90%的近岸生物量(1893mgNm2; 226mgPm2)。而除了水生植物以外,最重要的生物是黑蝸牛和附生藻類,總生物量達(dá)84mgNm2 和13mgPm2。這種情況與Lake Nishi相似,在Lake Nishi,蘆葦群落的生物還包括氣壓水生植物,它們同樣在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定方面發(fā)揮重要的作用。在這種情況下,說(shuō)明茂密的水生植物,如Lake Kasumi 和 Lake Biwa的蘆葦群,在河岸區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定方面起重要作用,各種各樣的生物,像附生藻類,底棲動(dòng)物,魚(yú)類和貝類,通過(guò)食物網(wǎng)中的生物活動(dòng),同樣儲(chǔ)

23、存了大量的N和P。這對(duì)于小型湖泊也是一樣的。模型結(jié)果顯示,茂密植被區(qū)營(yíng)養(yǎng)輸入量一般保持在較高水平,像Lake Nishi和 Matsunoki-Naiko,這和Suganuma, Jinjhonuma這類植被稀疏的地區(qū),形成了鮮明的對(duì)比,而且除水生植物外,附生藻類和底棲動(dòng)物同樣也發(fā)揮至關(guān)重要的作用。3.2.2養(yǎng)分通量方面的凈化能力研究?jī)艋芰Φ牧硪粋€(gè)角度是看與水凈化過(guò)程相關(guān)的N,P生化通量。表5a和5b顯示了單位面積的綜合凈化通量,包括季節(jié)性的營(yíng)養(yǎng)固定過(guò)程,例如底棲動(dòng)物,魚(yú)類和貝類的取食,水生植物附著和吸收,以及其他去除過(guò)程,如脫硝,漁業(yè)捕撈和水蟲(chóng)的羽化。每個(gè)水體的模型計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下。在La

24、ke Suwa,近岸地區(qū)和遠(yuǎn)岸地區(qū)顯示具有相同的凈化能力,總凈化通量達(dá)70mgNm2 d1 和 9mgPm2 d1。這和上述營(yíng)養(yǎng)的輸入量相同,此生態(tài)系統(tǒng)的主體成分對(duì)應(yīng)的大型底棲動(dòng)物是通過(guò)取食過(guò)程做出凈化貢獻(xiàn)的,估計(jì)遠(yuǎn)岸地區(qū)20%-30%,近岸地區(qū)約占50%。浮游動(dòng)物的取食過(guò)程顯示出了突出的貢獻(xiàn),對(duì)N通量和P通量都有50%遠(yuǎn)岸和20%-30%近岸。在作用比例中,魚(yú)類和貝類的作用任然是次要的,占遠(yuǎn)岸10%-20%,近岸10%。沉積物中的反硝化過(guò)程的貢獻(xiàn)約10%,遠(yuǎn)岸和近岸都相同,這也說(shuō)明其作用也不是很大。另一個(gè)盡管在該湖中不是很突出,但影響近岸區(qū)凈化能力的因素是水生生物的生物過(guò)程。相關(guān)通量達(dá)12m

25、gNm2 d1 和1mgPm2 d1,為總凈化通量的16% (N)和11% (P)。約60%的通量由附生藻類光合作用固定,其余由沉水植物和藻類沉積吸收。Lake Kasumi遠(yuǎn)岸地區(qū)總凈化通量為120mgNm2 d1 和14mgPm2 d1,近岸地區(qū)170mgNm2 d1, 17mgPm2 d1,呈現(xiàn)出各區(qū)域幾乎相同的作用以及近岸系統(tǒng)的普遍作用。凈化貢獻(xiàn)主要是源自魚(yú)類和貝類,包括糖蝦,該貢獻(xiàn)組成了近岸地區(qū)近40%、遠(yuǎn)岸地區(qū)30%的N,P總通量。此外,遠(yuǎn)岸區(qū)浮游動(dòng)物取食和近岸區(qū)藻類沉積到蘆葦莖部都被證明起重要作用,這種作用和魚(yú)類和貝類是相同的。其次是大型底棲動(dòng)物的取食過(guò)程(10%)和沉積物的反硝

26、化作用(5-8%)。Lake Biwa,在另一方面,與前面兩者不同于浮游動(dòng)物的取食過(guò)程在凈化通量統(tǒng)計(jì)中占第一位。于是就產(chǎn)生了遠(yuǎn)岸區(qū)(81mgNm2 d1; 11mgPm2 d1)與近岸區(qū)凈化能力的比較(58mgNm2 d1; 7mgPm2 d1)。然而,除了浮游動(dòng)物外,近岸地區(qū)在凈化貢獻(xiàn)狀況方面發(fā)生急劇轉(zhuǎn)換,其凈化通量(55mgNm2 d1; 6.3mgPm2 d1)遠(yuǎn)超遠(yuǎn)岸地區(qū)(9mgNm2 d1; 0.7mgPm2 d1)。在近岸區(qū),生物凈化過(guò)程并不是emergent植物吸收養(yǎng)分,藻類沉積到蘆葦莖部,附生藻類光合生長(zhǎng),底棲動(dòng)物如黑蝸牛,底層魚(yú)類和貝類等取食。這里,模型結(jié)果顯示,湖水的生物凈

27、化功能,盡管三個(gè)水體之間有不同,但一般特點(diǎn)都是:在近岸區(qū)為生物附著到水生植物,水生植物養(yǎng)分吸收和底棲動(dòng)物取食,在遠(yuǎn)岸區(qū)為浮游動(dòng)物進(jìn)食。另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明,近岸區(qū)不同生物的凈化能力強(qiáng)于遠(yuǎn)岸區(qū)。這種現(xiàn)象是在小湖泊中觀察到的,模型結(jié)果顯示:凈化能力隨湖泊的大小成比例增強(qiáng),Suganuma < Jinjhonuma < Hasuike <Matsunoki-Naiko < Lake Nishi。但是,凈化能力不僅取決于湖泊大小,同樣也取決于水生植物狀況,最主要的就是植被密度的增加,凈化能力也增強(qiáng)。4.討論4.1水體大小與凈化能力間的關(guān)系基于每單位面積的標(biāo)準(zhǔn)化值,作為每個(gè)水體的水凈化

28、能力參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)輸入和通量已經(jīng)在前面部分被評(píng)價(jià)。由于它們都顯示出與水域大小存在某種關(guān)系,因此我們進(jìn)行了再次調(diào)查以獲得更詳細(xì)的結(jié)果。這一次,我們著眼于所有湖泊和小湖的輸入量(N,P單位Kg),通量(單位 kg d1)的絕對(duì)值,并將模型結(jié)果以散點(diǎn)形式對(duì)表面積(公頃)進(jìn)行標(biāo)繪,如圖4所示。圖中每一部分都清楚的表明,如之前觀察的一樣,水域大小增加,水體凈化能力也將等比例的增加。這意味著,與水體凈化相關(guān)的其他過(guò)程,如物理輸送過(guò)程,具有進(jìn)一步研究的必要性。對(duì)此,我們將模型產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通量進(jìn)行分類,將原來(lái)的生化和物理過(guò)程兩類分為五大類,即流入,流出,生物凈化,沉淀和再生通量。結(jié)果匯總?cè)绫?所示。據(jù)此估計(jì),凈

29、化能力與表面積具有以下幾點(diǎn)關(guān)系。4.1.1整體凈化率我們?cè)噲D尋找通量值,從而將參數(shù)運(yùn)用到綜合凈化能力評(píng)價(jià)上。在這里,每個(gè)水體的N,P整體凈化率通過(guò)上述五個(gè)類別的總通量來(lái)研究,研究基于下面的一個(gè)定義:總輸入(GR)=流入+再生 (3)總消耗(GE)=流出+生物凈化+沉淀 (4)整體凈化率(f)=(GE-GR)GR*100% (5)式中,總輸入(GR)代表內(nèi)部和外部的總負(fù)載通量,總消耗(GE)代表浮游系統(tǒng)總消耗通量,其中不包括浮游植物的養(yǎng)分吸收。余額為正值說(shuō)明浮游藻類利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受阻礙,負(fù)值表明藻類仍然能利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)。這個(gè)意義來(lái)說(shuō),剩余率可以通過(guò)公式5來(lái)定義,還可以用來(lái)衡量水的凈化能力。圖5將

30、整體凈化率(F)標(biāo)繪在每個(gè)水域的表面積(S)上。由于客觀變量的無(wú)因次性,與8個(gè)水體(137公頃, 見(jiàn)表2的幾個(gè)平均表面積相對(duì)應(yīng)的特征值為102公頃,在這里被選來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化面積: S0 = 100。散點(diǎn)圖明確顯示了N,P的負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系,在此,回歸方程被表述為:N: f=-12.06*log10(SS0)+4.92,P: f=-8.11*log10(SS0)+10.49 (6)結(jié)果顯示,凈化率值正負(fù)在N300公頃,P2000公頃處開(kāi)始轉(zhuǎn)換,進(jìn)而表示水域生物方面的主導(dǎo)作用從生物凈化過(guò)程轉(zhuǎn)為浮游植物的生長(zhǎng)。考慮到關(guān)于對(duì)數(shù)尺度的探討,我們可以做一個(gè)粗略的估計(jì),水體大小在103公頃以下,相當(dāng)于Lake Nish

31、i 和 Lake Suwa大小時(shí),生物凈化能力占主導(dǎo)。因此,當(dāng)水體小于103公頃,如與Lake Biwa相鄰的湖泊時(shí),它們將使浮游生物有效利用養(yǎng)分受阻,那些大于103公頃的水域則不利于水體凈化,雖然它們具有較高的生物凈化通量,但此時(shí)浮游植物生長(zhǎng)能力較強(qiáng)。4.1.2生物凈化功能的相對(duì)作用為了提供一個(gè)粗略的生物凈化功能超過(guò)物理傳輸時(shí)的表面積,并對(duì)該表面積進(jìn)行評(píng)估,我們計(jì)算出一種生物凈化通量與流入通量的比值,并發(fā)現(xiàn)與每個(gè)水體大小相關(guān)。如N,P散點(diǎn)圖6顯示,可以發(fā)現(xiàn)顯著的關(guān)系。用回歸方程來(lái)解釋比值,終止為: N: log10=0.498*log10(SS0)-0.578 P: log10=0.672*

32、log10(SS0)-0.537 (7)結(jié)果再次表明,在相同的情況下:當(dāng)表面積超出閾值103公頃(N1500公頃 ,P 600公頃)時(shí),生物凈化能力超過(guò)了物理傳輸,相對(duì)應(yīng)的整體凈化率幾乎為0。通過(guò)對(duì)水體凈化功能和表面積的討論,可以使用另一個(gè)水文參數(shù),即水體滯留時(shí)間(見(jiàn)表2)來(lái)對(duì)凈化功能進(jìn)行評(píng)估。事實(shí)上,散點(diǎn)圖上滯留時(shí)間(T日)和表面積(公頃)之間的相關(guān)性很明顯,表述如下:T=0.30*S0.781 r2=0.94為了用滯留時(shí)間替代說(shuō)明變量,N,P的回歸方程改寫為: N: log10=0.609*log10(SS0)-1.208 P: log10=0.791*log10(SS0)-1.354 由

33、此認(rèn)為,滯留時(shí)間閾值約102天(N100天和P 50 天)。結(jié)果顯示水質(zhì)凈化功能特點(diǎn)為:滯留時(shí)間短的小型水體,生物凈化功能的相對(duì)重要性就變得不明顯,因?yàn)槟菚r(shí)物理周轉(zhuǎn)過(guò)程做主要凈化貢獻(xiàn);相比之下,滯留時(shí)間長(zhǎng)的大型水體,水體通常為湖泊,生物凈化功能則強(qiáng)于物理傳輸。因此,如果將利用生物功能被當(dāng)作是一條水質(zhì)凈化的有效措施、一項(xiàng)策略,那么必須擴(kuò)大水體規(guī)?;蜓娱L(zhǎng)水體滯留時(shí)間到一定程度是水體。4.1.3沉淀的相對(duì)作用在小型湖泊,沉淀過(guò)程中水體懸浮顆粒物的損失,在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)季節(jié)性固定或去除過(guò)程中起主導(dǎo)作用。從這個(gè)角度看,我們需要通過(guò)考慮沉淀與生物凈化的比率,和表面積S的關(guān)系來(lái)研究沉淀過(guò)程的相對(duì)重要性。散點(diǎn)圖7顯

34、示,兩個(gè)元素在對(duì)數(shù)尺度上是呈反比關(guān)系,通過(guò)回歸分析得到: N: log10=-0.13*log10(SS0)+0.08 P: log10=-0.28*log10(SS0)+0.36 因此,面積約103公頃(N400公頃和P2000公頃)再次落到了這一閾值,在該閾值以下,水體沉淀量超過(guò)生物凈化。這證明像與Lake Biwa相鄰的小湖一樣的小型湖體,沉淀過(guò)程更有利。還要注意的是,不管湖泊面積多小,沉淀的相對(duì)重要性在很大程度上取決于植被量。Lake Suganuma圖上就很生動(dòng)地解釋了這一情況。另一方面,具有茂密植被的小湖泊,如Matsunoki- Naiko, Hasuike和 Lake Nishi,其沉淀作用不明顯,呈現(xiàn)出相對(duì)較小的N,P比率。4.2魚(yú)類和貝類的作用為了考慮魚(yú)類和貝類在凈化湖泊水質(zhì)過(guò)程中的作用,依據(jù)可獲得的Lakes Suwa, Kasumi, Biwa 和Nishi單位面積歸一化通量,將其與從漁業(yè)漁獲量中去除的年N,P量進(jìn)行對(duì)比。圖8顯示,Lake Kasumi通量水平最高(0.6gNm2 y1;0.1gPm2 y1),通量水平從高到低排列為L(zhǎng)akes Suwa, Nishi 和 Biwa。但是,數(shù)值結(jié)果并不突出,因此利用從漁業(yè)過(guò)程去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以認(rèn)為是

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論