運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過程的評價

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：課程名稱：論文題目：學(xué)科專業(yè)：學(xué) 號：姓 名：任課教師： 二一 年 月運(yùn)用水生生態(tài)系統(tǒng)模型對內(nèi)陸湖泊水體生物凈化過程的評價摘要一個解決湖泊富營養(yǎng)化問題的有效措施是利用天然水體凈化過程去除引起藻類增殖的營養(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)，控制富營養(yǎng)化的一項(xiàng)潛在功能。同時，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.高營養(yǎng)級生物取食，并最終將營養(yǎng)物質(zhì)從水體中永遠(yuǎn)去除。為了評估水體凈化能力，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)字模型被開發(fā)并運(yùn)用到Lake Suwa，Kasumi，Biwa以及五個與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，中上層魚類和養(yǎng)分）與深海區(qū)(水生植物，附生藻類，葉表動物，大型底棲生物和底層魚類)間的生物關(guān)系。在氣象和水文參數(shù)的動態(tài)作用下，模型運(yùn)行一年多，評估了湖體年養(yǎng)分循環(huán)以及凈化功能。通過與從實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測獲得的數(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、代表凈化過程的營養(yǎng)物質(zhì)通量被證明與湖面面積緊密相關(guān)，或者說與水體滯留時間等效相關(guān)，表現(xiàn)為，只有當(dāng)湖面面積到達(dá)約103公頃或水體滯留時間超過102天時生物凈化較物理凈化才會處主導(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)的長期惡化。日本環(huán)境管理局采用有機(jī)廢水污染指數(shù)來觀測水體化學(xué)需氧量（COD）年度變化趨勢。但三十多年來，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)。富營養(yǎng)水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有三個來源：1.大部分是來自陸源；2.水層和泥沙中細(xì)菌的分解；3.浮游植物的生長，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。湖泊富營養(yǎng)化是當(dāng)今社會熱點(diǎn)問題，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。解決湖泊富營養(yǎng)化問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，通過在河岸區(qū)組建多樣的水生植物群落來幫助吸附營養(yǎng)物質(zhì)，以凈化水質(zhì)。當(dāng)然，除了生物凈化過程，小型水體像

5、沉積物存儲器一樣，在過濾懸浮物方面也發(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)境政策的一個典型例子，Shiga Prefecture開展了重新評估和恢復(fù)大湖相鄰小型水體自凈功能的研究，旨在通過采取一項(xiàng)全面的管理計(jì)劃來保護(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)字模型被開發(fā)并應(yīng)用到幾個典型的富營養(yǎng)湖泊和小型水體，旨在獲得水體自凈能力的定量性評估。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/分解營養(yǎng)物質(zhì)作用的一個整體過程。水體凈化過程除了營養(yǎng)物質(zhì)去除過程如脫硝，水蟲羽化和漁業(yè)捕撈外，還包括季節(jié)性營養(yǎng)物質(zhì)固定，如水生植物吸收，葉表微生物同化，大型底棲動物取食。眾多湖泊研究人員通過開發(fā)數(shù)學(xué)模型來模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)，以達(dá)到評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)系是通過強(qiáng)調(diào)生長在近岸的水生植物的作用來顯現(xiàn)的。遠(yuǎn)岸和近岸浮游系統(tǒng)的養(yǎng)分動態(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，浮游動物，浮游層魚類，碎屑，溶解有機(jī)鹽，營養(yǎng)鹽和溶解氧。表1總結(jié)了生態(tài)系統(tǒng)模型中生化過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建?？蚣芑旧虾蚑aguchi 、Nakata等對河口生態(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評價其自然凈化功能。然而，通過獲悉動物生物量的年際變化，底棲層中除了水生植物，葉表動物，懸浮物寄食動物外，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，都要求通過了解底棲層動物的動態(tài)變化來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)算方法通過對大小幾個水體進(jìn)行一

9、系列的模擬，我們對水凈化能力特點(diǎn)有了一個定性了解。研究區(qū)選擇典型的三大富營養(yǎng)湖泊：Lake Suwa, Lake Kasumi，Lake Biwa，以及五個相鄰的小湖泊：Lake Biwa, Lake Nishi, Matsunoki-Naiko, Jinjhonuma, Suganuma ，Hasuike。后5個相鄰的小湖大小不同，在應(yīng)變量的動態(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，測量了湖泊養(yǎng)分預(yù)算的基參數(shù)以及沉水植物的分布狀況?；谝巴庹{(diào)查資料，我們開發(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。為了評價其凈化能力，該模型強(qiáng)調(diào)了一些特征過程，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)了一般的凈化過程，如魚類和底棲動物的取食，底泥反硝化，以及漁業(yè)捕撈。1996年，總觀測到的沉水植物區(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。兩個子系統(tǒng)之間交換的水量是通過數(shù)值流體力學(xué)模型來評估季節(jié)性流場模擬中得到的。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，太陽輻射，營養(yǎng)物負(fù)荷，水生植物和底棲動物預(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，對于魚類和貝類部分，模型中涉及到主要的4種魚類和貝類compartments之間的相互作用，它們?yōu)楣~，鯉魚，對蝦和雙貝類。2.2.2 Lake Kasumi有這樣一個觀點(diǎn)，漁業(yè)活動可以去除N,P，有利于控制Lake Kasumi富營養(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、的魚類群落的生態(tài)作用環(huán)境研究。因?yàn)榻陙頋O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)魚類繁殖的發(fā)生了變化?？紤]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)分動態(tài)變化的重要性。依照他們的觀點(diǎn)，建模工作重視魚產(chǎn)量的分析也是為了評價整個湖泊的營養(yǎng)預(yù)算。因此，模型對魚類和貝類部分進(jìn)行了調(diào)整以模擬10個種之間的交互關(guān)系，這10個種為：公魚、銀魚、鯉魚、鯽魚、鳙魚、silver bighead、鯔魚以及其他中上層魚類，底層魚類如蝦虎魚，蝦，糖蝦。魚類種群動態(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還開展了5年廣泛的實(shí)地研究，以便了解蘆葦?shù)纳L條件并開發(fā)了湖泊沿岸植被移植技術(shù)。對應(yīng)這些行動，水體的建模研究還將著重考慮蘆葦群落的作用，并嘗試評估群落植物和其他遠(yuǎn)岸系統(tǒng)高營養(yǎng)級生物，魚類，貝類和底棲動物的水凈化功能。對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，在這個區(qū)域內(nèi)，所有蘆葦莖部都認(rèn)為被淹沒，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。通過三維水動力模型評估獲得的季節(jié)性流場被用來確定水文條件。脅迫層（蘆葦和底棲動物）的垂直生物量和模型的生理參數(shù)通過實(shí)地數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)獲得。Lake Biwa生態(tài)系統(tǒng)魚類和貝類被分為11個類別：7組上層魚類物種群，包括公魚，鱸魚，大太陽魚；四組底棲魚類和貝類，包括蝦虎魚和蝦等。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縣政府為了重新評估他們的生態(tài)作用而開展了全面調(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還開展了一場廣泛的野外調(diào)查，旨在對相鄰的小湖的環(huán)

16、境條件有更好的了解。在測量基礎(chǔ)上，我們做了一系列的模擬來再現(xiàn)Lake Biwa周邊小水體年?duì)I養(yǎng)預(yù)算，并評估了水凈化功能。在此項(xiàng)研究中，我們從各個相鄰的小湖中選擇了五個不同大小的水體: Lake Nishi(285公頃，平均深度1.5m)代表一個較大的水體，Matsunoki-Naiko lake（14.2公頃，平均深度1m）代表中型水體，Jinjhonuma水庫（3.6公頃，平均水深0.7m）,Suganuma水庫（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，因此每個水體都

17、是作為一個單一的混合蓄水池，而沒有把他們進(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)勢種的特點(diǎn)分別是： Lake Nishi（金魚藻和若蟲）為沉水植物，Matunoki-Naiko和Jinjhonuma（主要是蘆葦群）為挺水植物，Suganuma無植被，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月的其余四個小湖泊），并利用由此得到的水質(zhì)狀況與觀察值作比較，來驗(yàn)證模型的

18、重復(fù)性。三個湖泊，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ake Kasumi僅可測得遠(yuǎn)岸數(shù)據(jù)。圖中的面板顯示，在涉及到一些差異時，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浮游植物隨時間數(shù)量增長，從九月到十月總P濃度會降低，冬季浮游生物生長（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每個水體的水凈化能力模型模擬顯示，每個水體的模擬結(jié)果都令人滿意，模型中垂直生物量和養(yǎng)分通量按時間的輸出量被求全年平

19、均值來評估生態(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)成分和生物過程方面都受到特別關(guān)注，并從（1）水生生物的營養(yǎng)輸入量（2）與營養(yǎng)物去除和或固定過程相關(guān)的生物通量，兩個觀點(diǎn)來評價每個區(qū)域的水凈化能力。3.2.1營養(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，浮游動物，魚類，貝類和底棲動物。針對這些，每個水體的垂直輸入量是通過氮（N）和磷（P）來評估的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別列于表4a和4b，表4。生物量的絕對值，根據(jù)水體大小在較大的范圍內(nèi)變化，這就沒有必要相互比較，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)的底棲動物，主要由蚓蠕蟲和吸漿蟲幼蟲組成，在營養(yǎng)輸入方面發(fā)揮主導(dǎo)作用（165mgNm2; 27mgPm2），凈化貢獻(xiàn)順序依次為魚類，貝類和浮游動物（80100mgNm2;1115mgPm2）。相比之下，在近岸系統(tǒng)，大型底棲動物起著普遍的作用，具有多達(dá)兩倍的遠(yuǎn)岸系統(tǒng)生物量（330mgNm2; 53mgPm2），其后排列的是魚類，貝類，浮游動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），其次是魚類和貝類，包括糖蝦（新糠蝦屬，媒介物）（132mgNm2; 20mgPm2），最后是底棲動物（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，它們同樣在營養(yǎng)物質(zhì)固定方面發(fā)揮重要的作用。在這種情況下，說明茂密的水生植物，如Lake Kasumi 和 Lake Biwa的蘆葦群，在河岸區(qū)營養(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，底棲動物，魚類和貝類，通過食物網(wǎng)中的生物活動，同樣儲

23、存了大量的N和P。這對于小型湖泊也是一樣的。模型結(jié)果顯示，茂密植被區(qū)營養(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)，形成了鮮明的對比，而且除水生植物外，附生藻類和底棲動物同樣也發(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凈化能力的另一個角度是看與水凈化過程相關(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)性的營養(yǎng)固定過程，例如底棲動物，魚類和貝類的取食，水生植物附著和吸收，以及其他去除過程，如脫硝，漁業(yè)捕撈和水蟲的羽化。每個水體的模型計(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。這和上述營養(yǎng)的輸入量相同，此生態(tài)系統(tǒng)的主體成分對應(yīng)的大型底棲動物是通過取食過程做出凈化貢獻(xiàn)的，估計(jì)遠(yuǎn)岸地區(qū)20%-30%，近岸地區(qū)約占50%。浮游動物的取食過程顯示出了突出的貢獻(xiàn),對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程的貢獻(xiàn)約10%，遠(yuǎn)岸和近岸都相同，這也說明其作用也不是很大。另一個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，這種作用和魚類和貝類是相同的。其次是大型底棲動物的取食過程（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物的取食過程在凈化通量統(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，底棲動物如黑蝸牛，底層魚類和貝類等取食。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)分吸收和底棲動物取食，在遠(yuǎn)岸區(qū)為浮游動物進(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，作為每個水體的水凈化

28、能力參數(shù)的營養(yǎng)輸入和通量已經(jīng)在前面部分被評價。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)的絕對值，并將模型結(jié)果以散點(diǎn)形式對表面積（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)的其他過程，如物理輸送過程，具有進(jìn)一步研究的必要性。對此，我們將模型產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)通量進(jìn)行分類，將原來的生化和物理過程兩類分為五大類，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整體凈化率我們試圖尋找通量值，從而將參數(shù)運(yùn)用到綜合凈化能力評價上。在這里，每個水體的N,P整體凈化率通過上述五個類別的總通量來研究，研究基于下面的一個定義：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。余額為正值說明浮游藻類利用營養(yǎng)物質(zhì)受阻礙，負(fù)值表明藻類仍然能利用營養(yǎng)物質(zhì)生長。這個意義來說，剩余率可以通過公式5來定義，還可以用來衡量水的凈化能力。圖5將

30、整體凈化率（F）標(biāo)繪在每個水域的表面積（S）上。由于客觀變量的無因次性，與8個水體(137公頃, 見表2的幾個平均表面積相對應(yīng)的特征值為102公頃，在這里被選來標(biāo)準(zhǔn)化面積: S0 = 100。散點(diǎn)圖明確顯示了N,P的負(fù)對數(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)作用從生物凈化過程轉(zhuǎn)為浮游植物的生長?？紤]到關(guān)于對數(shù)尺度的探討，我們可以做一個粗略的估計(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，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，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，但此時浮游植物生長能力較強(qiáng)。4.1.2生物凈化功能的相對作用為了提供一個粗略的生物凈化功能超過物理傳輸時的表面積，并對該表面積進(jìn)行評估，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，生物凈化能力超過了物理傳輸，相對應(yīng)的整體凈化率幾乎為0。通過對水體凈化功能和表面積的討論，可以使用另一個水文參數(shù)，即水體滯留時間（見表2）來對凈化功能進(jìn)行評估。事實(shí)上，散點(diǎn)圖上滯留時間（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為了用滯留時間替代說明變量，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：滯留時間短的小型水體，生物凈化功能的相對重要性就變得不明顯，因?yàn)槟菚r物理周轉(zhuǎn)過程做主要凈化貢獻(xiàn)；相比之下，滯留時間長的大型水體，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水體滯留時間到一定程度是水體。4.1.3沉淀的相對作用在小型湖泊，沉淀過程中水體懸浮顆粒物的損失，在營養(yǎng)物質(zhì)季節(jié)性固定或去除過程中起主導(dǎo)作用。從這個角度看，我們需要通過考慮沉淀與生物凈化的比率，和表面積S的關(guān)系來研究沉淀過程的相對重要性。散點(diǎn)圖7顯

34、示，兩個元素在對數(shù)尺度上是呈反比關(guān)系，通過回歸分析得到： 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，沉淀過程更有利。還要注意的是，不管湖泊面積多小，沉淀的相對重要性在很大程度上取決于植被量。Lake Suganuma圖上就很生動地解釋了這一情況。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)出相對較小的N,P比率。4.2魚類和貝類的作用為了考慮魚類和貝類在凈化湖泊水質(zhì)過程中的作用，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Lakes Suwa, Nishi 和 Biwa。但是，數(shù)值結(jié)果并不突出，因此利用從漁業(yè)過程去除營養(yǎng)物質(zhì)可以認(rèn)為是