長江口及鄰近海域季節(jié)性赤潮生消過程控制機(jī)理研究——浮游植物競爭生長三維生態(tài)動力學(xué)模型的建立與應(yīng)用.pdf

1、近20年來，隨著長江流域經(jīng)濟(jì)的快速增長和人口的急劇增加，排入長江口鄰近海域的富營養(yǎng)化物質(zhì)逐年增多，由此導(dǎo)致了長江口及鄰近海域富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，赤潮發(fā)生的頻率和規(guī)模呈逐年增大的趨勢。本論文以認(rèn)識長江口及鄰近海域赤潮生消控制機(jī)理為切入點(diǎn)，通過建立東海浮游植物競爭生長三維生態(tài)動力學(xué)模型，在利用現(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了與浮游植物生長相關(guān)的重要高靈敏度參數(shù)，并通過海上現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用所建立的生態(tài)動力學(xué)模型深入研究了光照、

2、溫度和營養(yǎng)鹽在東海近海赤潮生消過程中的作用。論文的研究成果對于揭示東海近海赤潮發(fā)生過程中的控制機(jī)制具有重要意義。 一在充分考慮東海浮游植物種群特征和對浮游植物生長具有重要影響的因素(光照、溫度、營養(yǎng)鹽)的限制作用的基礎(chǔ)上，建立了東海浮游植物競爭生長三維生態(tài)動力學(xué)模型，模型模擬和驗(yàn)證結(jié)果表明，浮游植物生物量、DIN、PO4-P、SiO3-Si的平面分布和季節(jié)變化特征的模擬計(jì)算結(jié)果與海上現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本相符。 (1)以M

3、ASNUM浪-潮-流耦合三維水動力學(xué)模型為基本框架，建立了東海浮游植物競爭生長三維生態(tài)動力學(xué)模型。模型中浮游植物分為甲藻和硅藻兩個功能群，并綜合考慮了光照、溫度和營養(yǎng)鹽(DIN、PO4-P、SiO3-Si)對浮游植物生長的限制作用。對于模型參數(shù)，首先通過參數(shù)靈敏度分析確定了模型的高靈敏度參數(shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算了與浮游植物生長相關(guān)的重要高靈敏度參數(shù)，最后通過對2002年5月圍隔實(shí)驗(yàn)各狀態(tài)變量的模擬對模型的高靈敏度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定了

4、模型的參數(shù)值。 (2)應(yīng)用建立的三維生態(tài)動力學(xué)模型模擬的2002年浮游植物生物量、DIN、PO4-P、SiO3-Si的平面分布與實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本吻合，季節(jié)變化與實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)季節(jié)變化也較為一致。模型驗(yàn)證的2005年浮游植物生物量、DIN、PO4-P、SiO3-Si等狀態(tài)變量季節(jié)變化結(jié)果與海上調(diào)查結(jié)果也基本吻合。說明所建立的東海浮游植物競爭生長三維生態(tài)動力學(xué)模型的邏輯結(jié)構(gòu)及參數(shù)值的選擇是基本合理的。 二利用所建

5、立的生態(tài)動力學(xué)模型，通過光照、溫度、營養(yǎng)鹽限制因子的變異系數(shù)探討了赤潮季節(jié)性生消過程的控制因素，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)考察了光照、溫度、營養(yǎng)鹽輸入(包括陸源和外海輸入)在東海近海赤潮生消過程中的作用，初步明確了赤潮發(fā)生與否、赤潮優(yōu)勢種演替中光照、溫度、營養(yǎng)鹽輸入的控制和作用機(jī)制。 (1)通過計(jì)算光照、溫度、營養(yǎng)鹽限制因子的變異系數(shù)探討了長江口及鄰近海域季節(jié)性赤潮生消的控制因素，結(jié)果表明，溫度是控制總浮游植物季節(jié)性生消的關(guān)鍵因素。溫度是控

6、制甲藻赤潮季節(jié)性生消的關(guān)鍵因素，硅藻赤潮的季節(jié)生消由光照、溫度和營養(yǎng)鹽共同控制，光照影響最大，營養(yǎng)鹽次之，溫度影響最小。5、6月份赤潮期間，溫度是控制甲藻赤潮生消的關(guān)鍵因素，磷酸鹽和光照是控制硅藻赤潮生消的關(guān)鍵因素。7、8月份赤潮期間，溫度和磷酸鹽是控制硅藻赤潮生消的關(guān)鍵因素。 (2)應(yīng)用模型進(jìn)行的溫度數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，20℃時甲藻赤潮規(guī)模最大；溫度低于20℃時，隨著溫度的升高，甲藻赤潮規(guī)模增大；高于20℃時，隨著溫度的升高，

7、甲藻規(guī)模逐漸減少；溫度高于28℃或低于12℃甲藻赤潮不再發(fā)生。溫度在12-24℃之間時溫度不是控制硅藻赤潮生消的關(guān)鍵因素，而當(dāng)溫度高于24℃時，隨溫度升高，硅藻赤潮規(guī)模減小，溫度高于30℃硅藻赤潮也不能發(fā)生。 (3)應(yīng)用模型進(jìn)行的光照數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光照強(qiáng)度在100 W·m-2以下時，硅藻未有赤潮發(fā)生，硅藻赤潮規(guī)模隨光照強(qiáng)度的增大而增大。光照強(qiáng)度在50W·m-2以下時，甲藻未有赤潮發(fā)生，光照強(qiáng)度在150 W·m-2時甲藻赤潮

8、規(guī)模最大。 (4)應(yīng)用模型進(jìn)行的陸源輸入影響數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陸源營養(yǎng)鹽輸入通量的增加會增大長江口及鄰近海域赤潮的規(guī)模?？刂脐懺礌I養(yǎng)鹽的輸入可以達(dá)到預(yù)防赤潮發(fā)生的目的：當(dāng)模型計(jì)算海域的DIN、PO4-P輸入通量分別降為2002年的輸入通量的30％時，硅藻赤潮已不能發(fā)生，甲藻赤潮全年累計(jì)發(fā)生時間只有一天，且規(guī)模也很?。欢?dāng)模型計(jì)算海域的DIN、PO4-P輸入通量降為2002年的輸入通量的20％時，全年甲藻赤潮也不再發(fā)生。陸源輸入

9、DIN/PO4-P比值的降低和SiO3-Si/DIN比值的增大會增大硅藻赤潮占總赤潮的比例。以上結(jié)果表明，20世紀(jì)80年代以來東海海域DIN、PO4-P營養(yǎng)鹽陸源輸入通量的增加可能是導(dǎo)致東海近年來赤潮頻發(fā)的主要原因，而長江營養(yǎng)鹽輸入DIN/PO4-P的增大及SiO3-Si/DIN的降低可能是導(dǎo)致近年來甲藻赤潮頻發(fā)的主要原因。 (5)應(yīng)用模型進(jìn)行的外海營養(yǎng)鹽輸入數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臺灣海峽和黑潮邊界營養(yǎng)鹽輸入對長江口及鄰近海域7、