揣小明　周海霞　楊柳燕　張永領(lǐng)　繆愛軍　王明仕

(1.河南理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理研究中心　河南焦作 454000；　2.河南理工大學(xué)圖書館　河南焦作 454000；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京 210046；4.河南理工大學(xué)資環(huán)學(xué)院　河南焦作 454000)

?

江蘇湖泊草藻初級(jí)生產(chǎn)潛力的歸一化模型研究*

揣小明1,3周海霞1,2楊柳燕3張永領(lǐng)1繆愛軍3王明仕4

(1.河南理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理研究中心河南焦作 454000；2.河南理工大學(xué)圖書館河南焦作 454000；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210046；4.河南理工大學(xué)資環(huán)學(xué)院河南焦作 454000)

以太湖的梅梁灣、胥口灣和東太湖為研究對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、野外調(diào)研、數(shù)據(jù)挖掘和模型推導(dǎo)等研究方法，對(duì)太湖草藻轉(zhuǎn)化關(guān)系系數(shù)進(jìn)行深入的研究，研究結(jié)果表明，太湖整體一直處于富營養(yǎng)化的水平，且梅梁灣、胥口灣和東太湖三個(gè)湖區(qū)近年來的營養(yǎng)水平呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；草型湖區(qū)水體中TP含量在0.02～0.13 mg/L之間變化時(shí)，水生植物的生物量與水體中TP含量線性正相關(guān)；草藻歸一化系數(shù)Ki隨水體中TP含量線性增長(zhǎng)；存在一個(gè)水生生物量的閾值區(qū)間[2 882 g/m2，4 990 g/m2]，利用這個(gè)閾值區(qū)間可以簡(jiǎn)單快速地判定草藻歸一化系數(shù)Ki的大小，同時(shí)這一閾值也是判定草型湖泊是否呈現(xiàn)富營養(yǎng)化特征的重要依據(jù)。得出的結(jié)論為構(gòu)建富營養(yǎng)化湖泊的草藻歸一化處理模型提供重要的理論參考。

藍(lán)藻水草初級(jí)生產(chǎn)潛力歸一化系數(shù)閾值范圍

0　引言

湖泊富營養(yǎng)化分為藻型富營養(yǎng)化和草型富營養(yǎng)化兩種類型。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對(duì)湖泊富營養(yǎng)化的研究集中在藻型富營養(yǎng)化方面[1-5]，其原因是藻型富營養(yǎng)化的危害性(包括透明度下降、臭味、影響水生生物生長(zhǎng)與繁殖、產(chǎn)生藻毒素及衍生物、影響營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)以及危害公共安全等)是顯而易見的。由于危害的潛伏性和長(zhǎng)期性，草型富營養(yǎng)化問題常常被忽視。然而，草型富營養(yǎng)化會(huì)引發(fā)水體的“沼澤化”、“茭黃水”等嚴(yán)重問題[6]，嚴(yán)重妨害水體正常功能的發(fā)揮。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，藻型富營養(yǎng)化與草型富營養(yǎng)化湖泊(區(qū))的生態(tài)特征，特別是營養(yǎng)元素N，P的生物地球化學(xué)特征存在顯著差異，故對(duì)兩種類型的富營養(yǎng)化進(jìn)行歸一化處理對(duì)于理解N，P的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義[7]。近年來，太湖西部湖區(qū)的藻型富營養(yǎng)化與東部湖區(qū)的草型富營養(yǎng)化并存，嚴(yán)重危害著整個(gè)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)。本研究選取太湖的梅梁灣(藻型湖區(qū))、胥口灣(草型湖區(qū))和東太湖(草型湖區(qū))為研究對(duì)象，探討藻型富營養(yǎng)化與藻型富營養(yǎng)化的歸一化處理模式。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

梅梁灣是太湖典型的藻型湖區(qū)，湖區(qū)面積為124 km2，自20世紀(jì)90年代以來，該湖區(qū)一直遭受藍(lán)藻水華的困擾，特別是2007年藍(lán)藻水華大爆發(fā)引發(fā)了全球性的關(guān)注[8]。隨著N，P等營養(yǎng)鹽含量的攀升和水草生物量的逐年遞增，東太湖和胥口灣兩個(gè)湖區(qū)(湖區(qū)面積分別為172.4 km2和120 km2)也呈現(xiàn)富營養(yǎng)化的趨勢(shì)，但由于其物理觀感較好，且對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的直接影響相對(duì)較小，這種富營養(yǎng)化現(xiàn)象常常被忽略。事實(shí)上，隨著“茭黃水”的發(fā)生和東太湖沼澤化趨勢(shì)的加劇，草型富營養(yǎng)化帶來的危害也不容忽視[6]。

1.2數(shù)據(jù)來源

太湖水體中歷年TN，TP，Chl-a含量的數(shù)據(jù)來源于太湖網(wǎng)《太湖流域及東南諸河省界水體水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》。水中TN和TP的測(cè)試是將現(xiàn)場(chǎng)采集的樣品分別用堿性過硫酸鉀和過硫酸鉀在121 ℃條件下進(jìn)行消解，消解后的樣品用分光光度法進(jìn)行測(cè)試[7]。2009年3個(gè)湖區(qū)水體中Chl-a含量、草型湖區(qū)的生物量通過野外檢測(cè)獲得[7]。

1.3歸一化模型

1.3.1模型假設(shè)

本模型的構(gòu)建是基于以下假設(shè)的。

(1)梅梁灣、胥口灣和東太湖大致處于同一緯度，它們的積溫相同，獲取的能量也相同，初級(jí)生產(chǎn)能力也相近。

(2)磷的最大轉(zhuǎn)化率關(guān)系模型[9]為Rmax=k0/(1-η)。其中，Rmax為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的最大轉(zhuǎn)化率，k0和η分別代表TP與Chl-a現(xiàn)存量線性回歸方程和生態(tài)系統(tǒng)中磷傳遞效率。

(3)3個(gè)湖區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力統(tǒng)一表達(dá)為等價(jià)Chl-a的形式，且草型湖區(qū)中水草的分布具有均一化特征，故可以通過一定的轉(zhuǎn)換，將水草的生物量單位可以轉(zhuǎn)化為mg/L。

(4)等價(jià)Chl-a含量數(shù)值上等于水草轉(zhuǎn)化的Chl-a含量與水體中測(cè)得的Chl-a含量的總和。

1.3.2模型構(gòu)建

根據(jù)以上假設(shè)，構(gòu)建的歸一化模型如式(1)

Chl-aequal=Chl-a+Ki×B/H

(1)

式中，Chl-aequal為等價(jià)Chl-a含量值，mg/L；Chl-a為水體中Chl-a現(xiàn)存量，mg/L；Ki為歸一化轉(zhuǎn)化系數(shù)，H為平均水深，m；B為草型湖泊(區(qū))的生物量，g/m2。

該模型是建立在大量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和嚴(yán)密邏輯推理的基礎(chǔ)上的，有效消除了主觀因素和偶然因素對(duì)模型自身的干擾，但模型僅局限于平均水深不超過10 m的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

2　結(jié)果與討論

2.1各湖區(qū)營養(yǎng)水平變化趨勢(shì)

各湖區(qū)營養(yǎng)水平的變化趨勢(shì)見圖1。

圖1　各湖區(qū)營養(yǎng)水平的變化趨勢(shì)

從整體上看，梅梁灣、胥口灣和東太湖3個(gè)湖區(qū)的營養(yǎng)水平呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。具體變化趨勢(shì)分析如下：(1)1987—2013年間，太湖水體中TN一直維持在富營養(yǎng)化水平(TSI>50)，而TP和Chl-a呈現(xiàn)出“雙峰式”增長(zhǎng)，且自1990年開始，其營養(yǎng)狀況呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化的水平，工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展、人口的急劇膨脹、城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及旅游業(yè)的劇增等是太湖水體營養(yǎng)水平相對(duì)較高的重要原因[1-3，6，8-10]；(2)自20世紀(jì)90年代開始，梅梁灣水體一直處于富營養(yǎng)化，如1998年，該湖區(qū)的TSI-TN，TSI-TP和TSI-Chl-a分別為65.33，58.23和61.21，其富營養(yǎng)化的成因主要是入湖河流(梁溪河、直湖港和武進(jìn)港)營養(yǎng)鹽N，P的排入、東南季風(fēng)帶入的藻源負(fù)荷以及藍(lán)藻的“自堆積”作用等[3]；(3)胥口灣和東太湖營養(yǎng)水平相對(duì)較低，但近年來兩個(gè)湖區(qū)的營養(yǎng)水平亦呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其營養(yǎng)水平顯著升高的主要原因是農(nóng)業(yè)污染的攀升、大規(guī)模的圍網(wǎng)養(yǎng)殖以及旅游污染的逐年增加等[1-2，6，10]。

2.2草藻轉(zhuǎn)化系數(shù)及其應(yīng)用

草型生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)能力呈現(xiàn)的規(guī)律見圖2，從圖2可以看出：①草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中等價(jià)Chl-a隨著水體中TP含量的增加而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)(p<0.01)，表明TP含量在0.02～0.13 mg/L之間時(shí)，水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)能力隨水體中TP含量的增加而線性增長(zhǎng)；②水體中Chl-a現(xiàn)存量雖然也隨著TP含量的增加而增長(zhǎng)，但其并未呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)(R2=0.458 7)；③Chl-aequal與Chl-a差值，即水生態(tài)系統(tǒng)中水草等當(dāng)Chl-a的含量隨著水體中TP含量的增長(zhǎng)呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)(R2=0.848 6)，表明TP含量在0.02～0.13 mg/L之間時(shí)，水生植物的生物量亦與水體中TP含量線性相關(guān)。

圖2　太湖草型湖區(qū)TP與Chl-a的關(guān)系曲線

太湖草型湖區(qū)水體中TP含量與Ki之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線見圖3，從圖3可知當(dāng)積溫(>10 ℃)為4 730 ℃/d時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki與水體中TP含量之間成正相關(guān)關(guān)系(R2=0.549 8)，即TP濃度變化范圍為0.02～0.13 mg/L之間時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki隨水體中TP含量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。與此同時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki與草型湖區(qū)水草生物量之間的定量關(guān)系表達(dá)式為Ki=3.926×10-7+4.901 3×10-10×B-4.987 7×10-14×B2，故存在一個(gè)水生生物量的閾值區(qū)間[2 882，4 990]，當(dāng)水草生物量小于2 882 g/m2時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki隨著水生生物量的增加而增加，當(dāng)水草生物量大于4 990 g/m2時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki隨著水生生物量的增加而減少，即草型湖泊(區(qū))的草型特征減弱，湖泊呈現(xiàn)出草型富營養(yǎng)化的趨勢(shì)，并逐步向藻型富營養(yǎng)化過渡，這與秦伯強(qiáng)等人[6]的研究結(jié)論相一致。

圖3　太湖草型湖區(qū)水體中TP含量與Ki的關(guān)系曲線

太湖草型湖區(qū)水草生物量與Ki的關(guān)系曲線見圖4。根據(jù)“積溫相同，初級(jí)生產(chǎn)潛力相近”的原則，近似地選取太湖相對(duì)應(yīng)的草藻轉(zhuǎn)化系數(shù)作為江蘇其它湖泊的轉(zhuǎn)化系數(shù)，計(jì)算出草型湖泊(包括固城湖、石臼湖)的等價(jià)Chl-a的含量，如計(jì)算得出兩個(gè)湖泊2009年的等價(jià)Chl-a的含量分別為6.31 μg/L和8.08 μg/L，這與通過湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽通用轉(zhuǎn)化模型計(jì)算得出的等價(jià)Chl-a相對(duì)誤差不超過6.7%，這表明通過太湖草藻轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算固城湖和石臼湖的等價(jià)Chl-a是可行的。利用等價(jià)Chl-a與TP之間的關(guān)系計(jì)算出江蘇省各湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物磷的最大轉(zhuǎn)化率見圖5。可見，江蘇省各個(gè)湖泊初級(jí)生產(chǎn)能力大小順序?yàn)椋汗坛呛?石臼湖>太湖>寶應(yīng)湖>洪澤湖>高郵湖>玄武湖>邵伯湖，湖泊的生產(chǎn)潛力越大，其自身對(duì)營養(yǎng)鹽輸入的響應(yīng)越靈敏，對(duì)營養(yǎng)鹽的利用效率也越高，越容易引發(fā)水體的富營養(yǎng)化，營養(yǎng)鹽的控制標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)也應(yīng)該更嚴(yán)格。因此，江蘇省湖泊生產(chǎn)潛力的研究對(duì)于制定江蘇省各湖泊營養(yǎng)鹽的基準(zhǔn)與控制標(biāo)準(zhǔn)，乃至其湖泊富營養(yǎng)化預(yù)防與控制具有重要的理論參考價(jià)值。

圖4　太湖草型湖區(qū)水草生物量與Ki的關(guān)系曲線

A-洪澤湖；B-太湖；C-玄武湖；D-高郵湖；E-邵伯湖；F-寶應(yīng)湖；G-固城湖；H-石臼湖

圖5江蘇各湖泊Rmax分布情況

3　結(jié)語

(1)自20世紀(jì)90年代以來，太湖的營養(yǎng)水平一直處于富營養(yǎng)化的水平，且梅梁灣、胥口灣和東太湖3個(gè)湖區(qū)的營養(yǎng)水平呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

(2)草藻歸一化系數(shù)Ki隨水體中TP含量線性增長(zhǎng)。

(3)存在一個(gè)水生生物量的閾值區(qū)間[2 882，4 990]，當(dāng)水草生物量小于2 882 g/m2時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki隨著水生生物量的增加而增加，當(dāng)水草生物量大于4 990 g/m2時(shí)，草藻歸一化系數(shù)Ki隨著水生生物量的增加而減少。這一閾值也是草型湖泊(區(qū))是否呈現(xiàn)富營養(yǎng)化特征的重要理論依據(jù)。

[1]楊柳燕，肖琳. 湖泊藍(lán)藻水華暴發(fā)、危害與控制[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]揣小明. 我國湖泊富營養(yǎng)化和營養(yǎng)物基準(zhǔn)與控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D]. 南京：南京大學(xué), 2011.

[3]CHUAI X M, DING W, CHEN X F, et al. Phosphorus release from cyanobacterial blooms in Meiliang Bay of Lake Taihu, China[J]. Ecological Engineering, 2011,37(6):842-849.

[4]HAVENS K E. Cyanobacteria blooms: effects on aquatic ecosystems[J]. Advances in Experimental Medicine and Biology, 2008,619:733-747.

[5]CODD G A, MORRISON L F, METCALF J S. Cyanobacterial toxins: Risk management for health protection[J].Toxicology and Applied Pharmacy, 2005,203:264-272.

[6]秦伯強(qiáng)，胡維平，陳為民，等.太湖水環(huán)境演化過程與機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[7]CHUAI X M, ZHOU H X, CHEN X F, et al. Effect of different primary producers (cyanobacteria and macrophyte) on the spatio-temporal distribution of phosphorus forms and concentrations in a lake[J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2013,22(6):1649-1659.

[8]謝平. 太湖藍(lán)藻的歷史發(fā)展與水華災(zāi)害[M].北京：科學(xué)出版社,2008.

[9]揣小明，楊柳燕，陳小鋒，等. 我國若干湖泊磷轉(zhuǎn)化率的區(qū)域差異性研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2012，32(11)：2075-2082.

[10]QIN B Q, XU P Z, WU Q L, et al. Environmental issues of Lake Taihu, China[J]. Hydrobiologia, 2007,581:3-14.

Study on Normalized Model of Macrophytes-cyanobacteria Primary Production Potential in Lakes of Jiangsu Province

CHUAI Xiaoming1,3ZHOU Haixia1,2YANG Liuyan3ZHANG Yongling1MIAO Aijun3WANG Mingshi4

(1.SafetyandEmergencyManagementResearchCenter,HenanPolytechnicUniversityJiaozuo，Henan454000)

Taking Meiliang Bay, Xukou Bay and Eastern Lake Taihu in Taihu Lake as study target, the transformation relationship coefficient in Taihu Lake watershed is deeply investigated by field detection, field investigation, data mining and model inference. The main results are that the Taihu Lake is always in eutrophic level, and in recent years increase trends have been observed in Meiliang Bay, Xukou Bay and Eastern Lake Taihu. The positive correlation between the biomass of macrophytes and aqueous total phosphorus (TP) is observed when TP concentrations vary from 0.02 mg/L to 0.13 mg/L in macrophytes dominated lake region. The macrophytes-cyanobacteria normalization coefficientKiincreases linearly with aqueous TP concentrations. The threshold of [2 882 g/m2，4 990 g/m2] is used to judgeKisimply and rapidly, and whether macrophytes dominated lakes are eutrophic is also judged by this threshold. The conclusion can provide important theoretical references for the foundation of normalized model of macrophytes-cyanobacteria primary production potential in eutrophic lakes.

cyanobacteriamacrophytesprimary production potentialnormalization coefficientthreshold

國家自然科學(xué)基金(41001338)，河南省高等學(xué)校重點(diǎn)項(xiàng)目(15A610012)，河南省教育廳重點(diǎn)課題(2015-ZD-029)，河南理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目(B2012-008)。

揣小明，男，1982年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境生物地球化學(xué)研究。

2015-07-18)