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)

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