【摘要】：基于營養(yǎng)鹽動力學(xué)研究的藍(lán)藻水華調(diào)控歷來是湖泊管理研究的熱點,“控氮”、“控磷”還是“氮磷共同控制”?一直是湖沼學(xué)研究爭論的焦點。早期的“磷削減范式”理論多年的實踐發(fā)現(xiàn)難以通過僅僅削減磷來控制國際上一些大型淺水湖泊的藍(lán)藻水華,而在大型淺水湖泊長期氮/磷調(diào)控思路的探索中,一直對于季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制形成的過程研究未得到足夠重視,尤其是在宏觀尺度上藍(lán)藻水華期營養(yǎng)鹽限制形成過程中的營養(yǎng)鹽消耗、驅(qū)動和再生維持機(jī)制的過程研究還不夠深入。自上世紀(jì)80年代中期以來,大型淺水湖泊—太湖一直經(jīng)歷著嚴(yán)重的富營養(yǎng)化,尤其是北部的梅梁灣幾乎每年都發(fā)生不同程度的藍(lán)藻水華,藍(lán)藻水華的調(diào)控與預(yù)警也時刻困擾著太湖管理的決策者。近期,太湖梅梁灣藻類生長季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制轉(zhuǎn)換(冬春季節(jié)浮游植物主要受到磷限制,而夏秋季節(jié)氮是主要的限制因子)的發(fā)現(xiàn),提供了太湖藍(lán)藻水華與營養(yǎng)鹽動力學(xué)進(jìn)一步研究的新視角。因此,本研究立足于太湖大尺度連續(xù)性的湖沼學(xué)數(shù)據(jù)調(diào)查和收集,描述和歸納太湖藻類群落與氮磷營養(yǎng)鹽的時空分布特征;構(gòu)建梅梁灣藍(lán)藻水華與季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制響應(yīng)模型,論證了梅梁灣存在長期季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制模式,并探討了營養(yǎng)鹽限制與藻類生物量的季節(jié)性響應(yīng)關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,為了揭示更為關(guān)注的夏秋季節(jié)藍(lán)藻水華期營養(yǎng)鹽限制形成的關(guān)鍵過程機(jī)制,構(gòu)建了太湖水動力-水質(zhì)-藻類生長動力學(xué)耦合模型,通過不同情景解析并提出藍(lán)藻水華調(diào)控的氮磷削減策略;并在長期營養(yǎng)鹽調(diào)控的同時,基于太湖耦合模型,對太湖藍(lán)藻水華重災(zāi)區(qū)與飲用水源地水質(zhì)進(jìn)行短期預(yù)警。上述研究能為太湖藍(lán)藻水華的營養(yǎng)鹽調(diào)控和短期預(yù)警提供一定的科學(xué)借鑒和決策支持,為太湖管理決策者制定更具針對性的藍(lán)藻水華防控管理方案提出新的思路。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:基于太湖9個不同湖區(qū)站點為期3年(2009-2011)的不同形態(tài)的氮磷營養(yǎng)鹽、葉綠素a(Chla)、微囊藻毒素(MCs)和不同藻類群落豐度逐月的監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析展示了太湖主要營養(yǎng)鹽和藻類的時空分布特征。冬春季節(jié)的總氮(TN)和硝態(tài)氮(NO3O)濃度明顯高于夏秋季節(jié),而總磷(TP)、溶解性反應(yīng)磷(SRP)和葉綠素a(Chla)呈現(xiàn)相反的季節(jié)性變化規(guī)律。浮游植物的群落主要分為藍(lán)藻、綠藻、硅藻、裸藻和隱藻,呈現(xiàn)出冬春季節(jié)以藍(lán)藻、硅藻和綠藻為主的群落組成,向夏秋季節(jié)以藍(lán)藻為優(yōu)勢種的群落季節(jié)性演替。此外,微囊藻毒素在不同湖區(qū)的分布依次是:北部湖區(qū)西部湖區(qū)湖心區(qū)草型主導(dǎo)的湖區(qū)。研究期內(nèi),北部梅梁灣湖區(qū)水華期高濃度的微囊藻毒素(2.75±0.27μg/L),時刻威脅著鄰近的飲用水源地貢湖灣湖區(qū)的水質(zhì),基于對飲用水源地生態(tài)安全的長期保護(hù),因此本研究為進(jìn)一步探索梅梁灣藍(lán)藻水華重災(zāi)區(qū)營養(yǎng)鹽限制規(guī)律和藍(lán)藻水華調(diào)控提供了較為翔實的數(shù)據(jù)參考和科學(xué)依據(jù)�；赥SI偏差模型評估了太湖梅梁灣20年(1992—2011)長期季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制模式的波動規(guī)律,即冬春季節(jié)浮游藻類生長主要受到磷的限制,而夏秋季節(jié)氮是主要的限制因子。外源入流的氮磷輸入,強烈影響著梅梁灣內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度的大小和時間上的差異。特別是,研究推測冬春季節(jié)灣內(nèi)氮的輸入主要受外源入流的驅(qū)動,而夏秋季節(jié)底泥磷的釋放是水體中磷濃度的主要來源。外源入流和內(nèi)源底泥氮磷的季節(jié)性變化,很大程度上促進(jìn)了梅梁灣營養(yǎng)鹽季節(jié)性轉(zhuǎn)換模式的形成�；赥SI偏差指數(shù)(TSIN-TSIP)的廣義加和模型(GAM),進(jìn)一步分析了梅梁灣營養(yǎng)鹽限制狀態(tài)與浮游藻類生物量季節(jié)性變化及峰值的響應(yīng)關(guān)系。GAM模型計算發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻水華期存在弱的N限制(TSIN-TSIP =-10)對應(yīng)著藍(lán)藻生物量(Chla)的峰值。同時,1995年冬春季節(jié)營養(yǎng)鹽限制因子的轉(zhuǎn)變也部分解釋了 1996年全年普遍高的Chla值。上述的研究為進(jìn)一步探索季節(jié)性營養(yǎng)鹽限制過程機(jī)制提供科學(xué)的理論基礎(chǔ),也為太湖管理者在調(diào)控藍(lán)藻水華制定營養(yǎng)鹽削減策略的目標(biāo)時,需要將季節(jié)性氮磷營養(yǎng)鹽限制模式考慮進(jìn)來。從太湖生態(tài)系統(tǒng)的視角出發(fā),基于ELCOM-CAEDYM模型構(gòu)建太湖三維水動力-水質(zhì)-藻類生長動力學(xué)耦合模型,校驗和定量分析夏秋季節(jié)藍(lán)藻水華與營養(yǎng)鹽動力學(xué)動態(tài)變化過程,證實了夏秋季節(jié)藍(lán)藻水華存在顯著的氮營養(yǎng)鹽限制波動,圍繞著外源入流氮磷營養(yǎng)鹽的輸入和底泥氮磷營養(yǎng)鹽的釋放,設(shè)置4種不同的情景解析,揭示了梅梁灣氮磷營養(yǎng)鹽限制過程中氮源的不足和磷源得以補充的關(guān)鍵過程機(jī)制,即藍(lán)藻水華對水柱中氮磷的大量消耗和水柱中的反硝化過程促進(jìn)了氮的缺失,底泥磷的釋放極大的補充了水柱中藍(lán)藻可直接利用的磷源,這些共同導(dǎo)致了水華期氮限制的形成。在此基礎(chǔ)上,致力于太湖水質(zhì)的改善,在氮磷共同削減的調(diào)控理論框架下,從季節(jié)性的視角提出了更加針對具體的營養(yǎng)鹽削減策略,即冬春季節(jié),加強對外源磷的削減,進(jìn)一步抑制藍(lán)藻在春季的復(fù)蘇,減少進(jìn)入夏秋季節(jié)之前水柱中的藍(lán)藻密度基數(shù)規(guī)模。磷削減的同時,對流域內(nèi)氮源的削減,降低入湖河流對湖體氮源的輸入量,可以進(jìn)一步加強夏秋季節(jié)因水柱中氮源不足而抑制藍(lán)藻快速增殖,從而減輕藍(lán)藻水華發(fā)生的程度和頻率。夏秋季節(jié)藍(lán)藻水華期,加強對氮的削減和氮濃度的稀釋,在一定程度上是降低藍(lán)藻水華更為有效經(jīng)濟(jì)的途徑。這些過程機(jī)制的模擬分析和探索過程為太湖藍(lán)藻水華與氮磷營養(yǎng)鹽的響應(yīng)關(guān)系研究提供了一個新的視角,同時,本研究得出的太湖季節(jié)性營養(yǎng)鹽削減策略,是對當(dāng)前大型淺水湖泊—太湖藍(lán)藻水華營養(yǎng)鹽調(diào)控理論的一個具體補充。基于藍(lán)藻水華的預(yù)測原理和流程的詳細(xì)描述,本研究提出了基于決策支持系統(tǒng)平臺的藍(lán)藻水華預(yù)測體系,通過平臺內(nèi)構(gòu)建水動力-水質(zhì)-藻類生長動力學(xué)耦合模型,并開發(fā)出太湖藍(lán)藻水華預(yù)警的可視化決策支持系統(tǒng)平臺,通過動態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息管理、水華預(yù)測耦合模型的構(gòu)建和模擬結(jié)果的評估,描述了太湖藍(lán)藻水華預(yù)警預(yù)測結(jié)果的詳細(xì)流程,并在以往藍(lán)藻水華預(yù)警研究的基礎(chǔ)上,建立以藍(lán)藻生物量峰值和不同濃度面積等更加直觀有效的藍(lán)藻水華預(yù)測指標(biāo),并圍繞不同主導(dǎo)風(fēng)向下藍(lán)藻水華可能堆積區(qū)域的預(yù)警研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)盛行東南風(fēng)時,湖心區(qū)西岸高濃度的藍(lán)藻較為容易進(jìn)入竺山灣和梅梁灣西部區(qū)域;而當(dāng)盛行西南風(fēng)時,湖心區(qū)的藍(lán)藻較為容易進(jìn)入梅梁灣和貢湖灣。最終探索性的提出,對于處在下風(fēng)向的竺山灣、梅梁灣、貢湖灣來說,可能其主軸線與風(fēng)向的夾角決定了湖灣外來藍(lán)藻輸入通量的大小,是藍(lán)藻水華預(yù)警的重要因子。這些對于主導(dǎo)風(fēng)向下藍(lán)藻水華可能的堆積區(qū)域的探索,為當(dāng)前太湖藍(lán)藻水華的預(yù)警研究補充了一個新的視角和思路。最后,基于上述的預(yù)警研究,實現(xiàn)對太湖藍(lán)藻水華的未來3日(72小時)的短期預(yù)警、評估和發(fā)布。此外,基于決策支持系統(tǒng)平臺將每個模塊有機(jī)的集成在同一個系統(tǒng)內(nèi),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享與唯一性、數(shù)據(jù)的快速存儲與查詢及模型運行結(jié)果的實時展現(xiàn)與快速發(fā)布,高效的實現(xiàn)了太湖藍(lán)藻水華的預(yù)測預(yù)報。同時分析了當(dāng)前藍(lán)藻水華預(yù)測流程中研究工作的改進(jìn)和存在的不足,并進(jìn)一步從藍(lán)藻水華預(yù)測模型計算技術(shù)、模型內(nèi)核模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測與獲取技術(shù)、模型的校驗及預(yù)測結(jié)果評估和信息發(fā)布等方面,詳細(xì)的闡述了當(dāng)前的各項技術(shù)的發(fā)展和突破,預(yù)示著未來藍(lán)藻水華預(yù)測將會更加精確和有效。因此,該研究為太湖藍(lán)藻水華長期營養(yǎng)鹽調(diào)控和短期應(yīng)急和預(yù)測預(yù)警提供思路上和方法學(xué)上的借鑒。
【圖文】：

逑高溫有利于藍(lán)藻競爭優(yōu)勢的形成（Ｒｏｂａｒｔｓ邋ａｎｄ邋Ｚｏｈａｒｙ，１９８７；邋Ｅｌｌｉｏｔｔ邋ｅ／ｆｌ／．邋，邋２００６）逡逑（如圖１－２所示）。當(dāng)溫度超過２５°Ｃ時，其它藻類生長速率出現(xiàn)持平甚至下降，逡逑而藍(lán)藻生長速率隨著溫度的升高繼續(xù)升高。Ｌｉｕ邐ａ／．邋（２０１１）分析了Ｈ■年的太湖逡逑藍(lán)藻水華數(shù)據(jù)，認(rèn)為溫度升高與微囊藻優(yōu)勢形成具有十分明顯的關(guān)系，微囊藻成逡逑為主要優(yōu)勢種的溫度范圍為２５￣３０°Ｃ；而ＮａｌｅｗａｊｋｏａｎｄＭｕｒｐｈｙ（２００１）對日本琵逡逑琶湖（Ｌａｋｅ邋Ｂｉｗａ）藍(lán)藻與溫度關(guān)系研宄發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫處于２８？３２°Ｃ時，微囊藻的逡逑生長速率達(dá)到最大值。一些室內(nèi)實驗研究，較高的溫度有利于藍(lán)藻（微囊藻）形逡逑成優(yōu)勢，最優(yōu)生長溫度為２８．８到３０．５°Ｃ，同時，微囊藻具有較強的高溫耐受性，逡逑溫度達(dá)到邋３５°Ｃ時生長才受到抑制（Ｊｅｐｐｅｓｅｎｅ丨邋ａ／．，２００９；邋Ｋｏｓｔｅｎ邋ｅ／ａ／．，２０１２）。逡逑浮游植物對不同水溫的響應(yīng)主要體現(xiàn)在植物種群的季節(jié)變換上。一般情況下，逡逑硅藻、金藻和黃藻適宜溫度較低，在１４？１８°Ｃ，，綠藻較高，為２０？２５°Ｃ，大部分逡逑藍(lán)藻的最適溫度為２５？３５°Ｃ邋（Ｎａｌｅｗａｊｋｏ邋ａｎｄ邋Ｍｕｒｐｈｙ

合（Ｌｅｏｎ邋ｅｆ邋ａ／．邋，邋２０１１）。最新版的邋ＣＡＥＤＹＭ邋（ｖ３．３）包含了邋Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｉ邋和邋５逡逑個門類浮游藻類（藍(lán)藻、綠藻、硅藻、裸藻和隱藻）作為水質(zhì)模型狀態(tài)變量，是逡逑考慮了水體中種群與種群之間相互生態(tài)作用的生物地球化學(xué)模型（圖１－３）。因而，逡逑被廣泛用于研宄營養(yǎng)鹽循環(huán)、營養(yǎng)負(fù)荷的波動對藻類水華和藻類群落演替的影響、逡逑同時還可以識別有利于藍(lán)藻成為優(yōu)勢種的條件（Ｗａｌｌａｃｅ邋ａｎｄ邋Ｈａｍｉｌｔｏｎ，邋２０００；逡逑Ｌｅｗｉｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００４邋）邋0逡逑１９逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X524

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2641273