李建茹，李興，李衛(wèi)平，趙勝男

1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出的當(dāng)今，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為全世界關(guān)注的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一（朱穎等，2018）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)湖泊有59.1%處于不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化（陳小鋒等，2014；李娜等，2018）。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化不僅破壞水生態(tài)系統(tǒng)，而且嚴(yán)重影響人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展（李興等，2010a）。生態(tài)模型是模擬研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理和控制的重要手段（魏星瑤等，2016），已被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者廣泛使用（Sagehashi et al.，2001；Rukhovets et al.，2003；李興等，2010b；赫斌等，2016）。AQUATOX模型是目前一系列淡水生態(tài)系統(tǒng)模型中的一個(gè)綜合的、增強(qiáng)的生態(tài)模型，廣泛應(yīng)用于各種水體的水生態(tài)模擬、富營(yíng)養(yǎng)化控制、生態(tài)修復(fù)以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，如河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)流入化學(xué)藥品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（Lombardo et al.，2014）、Mogan湖水質(zhì)的改善方案評(píng)估（Akkoyunlu et al.，2015）、景觀水體水生態(tài)模擬、生態(tài)修復(fù)及控制研究（陳彥熹等，2012；胡思骙等，2020）、入湖河道富營(yíng)養(yǎng)化模擬（魏星瑤等，2016）、奧林匹克森林公園主湖生態(tài)凈化模擬（喬菁菁等，2017）、白洋淀湖區(qū)多溴聯(lián)苯醚（PB-DEs）（張璐璐等，2014）、淀山湖二氯甲烷（劉揚(yáng)等，2012）以及松花江中硝基苯（Lei et al.，2008）的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等，均采用AQUATOX模型進(jìn)行了相關(guān)研究分析。

烏梁素海是中國(guó)八大淡水湖之一，位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，是黃河改道形成的河跡湖，具有蓄水防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、旅游觀光、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種生態(tài)功能，對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。近幾十年，由于農(nóng)業(yè)、工業(yè)的快速發(fā)展以及人民生活水平的大幅提高，大量的污水排入湖區(qū)，使烏梁素海水域環(huán)境狀況錯(cuò)綜復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境愈來(lái)愈脆弱。湖水中的藻類生性敏感，群落結(jié)構(gòu)極易受到環(huán)境變化的影響而瞬間發(fā)生改變。2008年、2009年烏梁素海相繼出現(xiàn)了大面積的“黃苔”（李興等，2010），“黃苔”覆蓋了湖泊核心區(qū)域的水面，引起水體污染，造成湖區(qū)魚(yú)類大面積死亡，周?chē)吧B(niǎo)類的棲息生存也受到極大威脅，這為烏梁素海本就脆弱的生態(tài)系統(tǒng)敲響了警鐘。本文對(duì)烏梁素海相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，嘗試?yán)妹绹?guó)環(huán)境署發(fā)布的AQUATOX生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型對(duì)烏梁素海水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽的變化規(guī)律和藻類的季節(jié)演替過(guò)程進(jìn)行模擬，同時(shí)利用生態(tài)模型的控制功能，研究水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽以及藻類對(duì)入湖污染物負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果可補(bǔ)充烏梁素海水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化與污染物輸入之間響應(yīng)關(guān)系方面的研究，同時(shí)也為烏梁素海治理水環(huán)境、控制富營(yíng)養(yǎng)化以及抑制水華暴發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海（ 40°36′— 41°03′N(xiāo) ，108°43′—108°57′E）屬于蒙新高原湖區(qū)典型的中溫帶季風(fēng)氣候，流域降雨少而蒸發(fā)大，多年平均氣溫7.3 ℃，降水量為240 mm，蒸發(fā)量為1505 mm，全年無(wú)霜期為 152 d?，F(xiàn)有水域面積 293 km2，平均水深1.94m，多數(shù)水域水深在 0.5—3 m 之間，蓄水量2.5—3.5億m3。湖區(qū)呈狹長(zhǎng)形，似月形，南北長(zhǎng)35—40 km，東西長(zhǎng)5—10 km。烏梁素海90%以上的補(bǔ)給水源是農(nóng)田退水，其次是工業(yè)廢水、生活污水、降雨以及地表徑流等。所有的補(bǔ)給水源經(jīng)過(guò)各級(jí)支渠支溝、匯集到二排干、三排干、五排干、六排干以及七排干后匯入總排干，再經(jīng)總排干、八排干、九排干、通濟(jì)渠、塔布渠流入烏梁素海，最后經(jīng)烏毛計(jì)出口（西山咀鎮(zhèn)）匯入到黃河中（見(jiàn)圖1）。

1.2 研究方法

AQUATOX是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）開(kāi)發(fā)的一個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)模型，主要用來(lái)預(yù)測(cè)多種污染物包括營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)物等在水體中的轉(zhuǎn)化及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。模型主要通過(guò)模擬研究對(duì)象的物理過(guò)程、生物過(guò)程（食物網(wǎng)）、礦化過(guò)程（碎屑模擬和營(yíng)養(yǎng)鹽模擬等）、無(wú)機(jī)沉淀過(guò)程以及有機(jī)有毒化學(xué)物遷移過(guò)程（陳無(wú)歧等，2012）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)研究區(qū)域生態(tài)過(guò)程的模擬（模型基本原理見(jiàn)圖2）。

1.2.1 生物過(guò)程模擬

生物模擬包括水生動(dòng)物和水生植物的循環(huán)過(guò)程模擬。水生動(dòng)物包括水中的多種浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、水生昆蟲(chóng)、魚(yú)類等；水生植物包括浮游藻類、固著藻類、大型植物和苔蘚類等。以藻類為例，其模擬方程式可表述為：

圖1 烏梁素海地理位置及形態(tài)Fig.1 The location and shape of Wuliangsuhai Lake

式中：dCphyto/dt為藻類隨時(shí)間的生物量變化率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RL為藻類種群的負(fù)荷率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；Rpho為光合作用造成的生物量增長(zhǎng)率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RRes為呼吸造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RExc為排泄或光呼吸造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RMor為非掠食性死亡造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RPre為捕食性死亡造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；RSin為由于層間沉沒(méi)或沉至底部造成的生物量損失率或增加率[g?(m3?d)-1]；RWout為運(yùn)移到下游造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]；RWin為由上游獲得的藻類增加率；DTurb為由紊流擴(kuò)散造成的生物量損失率[g?(m3?d)-1]；DSeg為擴(kuò)散傳播造成的生物量損失或增長(zhǎng)率[g?(m3?d)-1]；RSlo為脫落造成的生物量損失率[g?(m2?d)-1]。

1.2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)程模擬

營(yíng)養(yǎng)鹽模擬包括碎屑、氮、磷、氧、碳的循環(huán)過(guò)程模擬。以氨氮為例，其模擬方程式可以表述為：

式中：dCAmmonia/dt為氨氮隨時(shí)間的濃度變化率[g?(m3?d)-1]或 [g?(m2?d)-1]；為氨氮負(fù)荷率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；為呼吸造成的濃度損失率[g?(m3?d)-1]或[g?(m2?d)-1]；為硝化作用引起的濃度增長(zhǎng)率[g?(m3?d)-1]；為植物吸收造成的濃度損失率[g?(m3?d)-1]；為運(yùn)移到下游造成的濃度損失率[g?(m3?d)-1]；為上游獲得的濃度增長(zhǎng)率[g?(m3?d)-1]；為紊流擴(kuò)散造成損失率[g?(m3?d)-1]；為擴(kuò)散傳播造成的濃度損失或增長(zhǎng)率[g?(m3?d)-1]。

圖2 AQUATOX模型基本原理Fig.2 The basic principle of AQUATOX model

1.3 模型建立

1.3.1 模擬區(qū)域的確定

本研究將烏梁素海作為一個(gè)整體湖盆進(jìn)行模擬。主要考慮是烏梁素海湖泊多數(shù)為淺水域，同時(shí)，水體中生長(zhǎng)著大量密集的水生植物，這些水生植物將烏梁素海劃分為多個(gè)大小不一的開(kāi)闊水域，如將這些分割的開(kāi)闊區(qū)域分區(qū)處理，無(wú)疑會(huì)使模型的邊界條件變得極為復(fù)雜。根據(jù)烏梁素海排干系統(tǒng)組成，將總排干、八排干及九排干的匯入水量合計(jì)作為入湖總污染負(fù)荷的邊界條件。

1.3.2 湖泊的特征數(shù)據(jù)

輸入模型中的湖泊面積為2.93×108m2，容積為3.4×108m3，湖泊最大長(zhǎng)度為 40 km，平均水深為1.94 m，最大水深為4 m，平均水溫為11 ℃，年平均蒸發(fā)量1505 mm，平均光強(qiáng)418 Ly?d-1。

1.3.3 模型狀態(tài)變量和驅(qū)動(dòng)變量

模型中選用的狀態(tài)變量和驅(qū)動(dòng)變量共有21個(gè)。氣象數(shù)據(jù)（最高氣溫、最低氣溫、平均溫度、相對(duì)濕度、降雨量、蒸發(fā)量、太陽(yáng)輻射量、大氣壓強(qiáng)、日照小時(shí)數(shù)、光強(qiáng)以及風(fēng)速等）來(lái)自于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水環(huán)境研究團(tuán)隊(duì)自建的自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)的同步數(shù)據(jù)（烏梁素海紅圪卜總排附近）；水質(zhì)指標(biāo)（總氮、氨氮、硝酸氮、總磷、pH）以及生物數(shù)據(jù)（藻類）等采用同步月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，大型水生植物及水生動(dòng)物數(shù)據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料；水位、水量等水文資料來(lái)自于烏梁素海總排干附近沙蓋補(bǔ)隆水文監(jiān)測(cè)站（見(jiàn)圖1）的同步數(shù)據(jù)。

1.3.4 模型參數(shù)的率定

在率定過(guò)程中，首先以原有模型中的標(biāo)準(zhǔn)湖泊參數(shù)為基礎(chǔ)，再依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的參數(shù)值、參數(shù)范圍以及相關(guān)的監(jiān)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值確定初始值，然后通過(guò)模型反復(fù)試算來(lái)確定參數(shù)的取值。模型率定的主要礦化參數(shù)：消光系數(shù)為0.008 m-1，不穩(wěn)定碎屑最大分解速率為0.23 g?(g?d)-1、穩(wěn)定碎屑最大分解速率為0.01 g?(g?d)-1、礦化碎屑最大分解速率為17 g?(g?d)-1，碎屑沉降速率為 0.69 m?d-1，碎屑降解最小pH為5、最大pH為8.5；3種藻類主要生長(zhǎng)演替的影響參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 烏梁素海主要藻類的生理參數(shù)Table 1 Physiological parameters of algae species in Wuliangsuhai Lake

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

模型參數(shù)率定后，利用2011年6月—2013年8月水質(zhì)月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及同步藻類月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。以全湖月平均 pH、總氮、氨氮、硝酸氮、總磷以及藍(lán)藻、綠藻、硅藻生物量作為主要驗(yàn)證對(duì)象與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)。全湖共布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)，月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為每月10個(gè)樣品的平均值。

2.1.1 水質(zhì)模擬與驗(yàn)證

水質(zhì)指標(biāo)（pH、總氮、氨氮、硝酸氮、總磷）模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)圖3，用平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行誤差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從誤差分析結(jié)果來(lái)看，pH模擬結(jié)果最好，平均相對(duì)誤差0.52%，基本接近真實(shí)值，均值8.56；總氮模擬結(jié)果也比較好，平均相對(duì)誤差5.26%，均值為 3.01 mg?L-1，最高濃度達(dá) 6.5 mg?L-1；氨氮、硝酸氮、總磷模擬結(jié)果的平均相對(duì)誤差均在15%以內(nèi)，均值1.91、1.01、0.21 mg?L-1。水質(zhì)模擬結(jié)果基本能體現(xiàn)烏梁素海水環(huán)境年際變化規(guī)律。

表2 水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差分析Table 2 Error analysis for simulated and measured results of the water quality indicators

2.1.2 藻類模擬與驗(yàn)證

圖4 藻類生物量的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison between simulated and measured results of the algae biomass

綠藻、藍(lán)藻及硅藻是烏梁素海藻類的主要類群（李建茹等，2013）。本研究利用同期實(shí)測(cè)綠藻、藍(lán)藻及硅藻生物量進(jìn)行藻類季節(jié)演替過(guò)程的模擬，其模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4，誤差分析見(jiàn)表3。從誤差分析結(jié)果來(lái)看，模擬結(jié)果能較好的反映烏梁素海藻類的季節(jié)演替規(guī)律。綠藻生物量在模擬期變化范圍 0.78—5.73 mg?L-1，均值 mg?L-1，均在每年的春季5月、6月較高，8、9月為低谷值，冬季生物量略有增高；藍(lán)藻生物量在模擬期變化范圍0.15—3.02 mg?L-1，均值 1.36 mg?L-1，生物量在夏季較高，這也符合藍(lán)藻適應(yīng)較高溫度的生長(zhǎng)特征；硅藻生物量在模擬期變化范圍0.51—2.72 mg?L-1，均值1.14 mg?L-1，其生物量的變化規(guī)律不太明顯。

表3 藻類生物量模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差分析Table 3 Error analysis for simulated and measured results of the algae biomass

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)與入湖污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系

氮、磷是水域生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素。過(guò)量的氮磷進(jìn)入水體后，會(huì)造成藻類的過(guò)渡繁殖，從而引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化（董云仙等，2010）。烏梁素海是北方富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重的淺水湖泊，由于是河套灌區(qū)唯一的泄水渠道，大量的外源污染物質(zhì)被排入到水體中，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題一直未得到有效的改善。本文利用已建生態(tài)模型的控制功能，在不改變其它驅(qū)動(dòng)變量（氣溫、輻射、蒸發(fā)、風(fēng)速等）的條件下，通過(guò)消減入湖N、P污染負(fù)荷，來(lái)模擬和預(yù)測(cè)湖內(nèi)水質(zhì)及藻類的響應(yīng)關(guān)系，為控制和治理烏梁素海水體富營(yíng)養(yǎng)化及抑制藻類暴發(fā)等問(wèn)題提供一定的科學(xué)依據(jù)。消減控制過(guò)程：（1）僅消減N負(fù)荷20%、30%和50%；（2）僅消減P負(fù)荷20%、30%和50%；（3）同時(shí)消減入湖N、P負(fù)荷20%、30%和50%。

2.2.1 控制入湖N負(fù)荷

隨著入湖N負(fù)荷消減20%、30%和50%，湖內(nèi)總氮出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，總氮平均減少幅度17.02%、25.58%、42.57%；總磷基本保持不變，平均減少幅度僅0.2%、0.2%、0.09%；湖內(nèi)綠藻生物量下降，平均下降幅度1.3%、2.7%、3.86%；藍(lán)藻生物量反而增加，平均增加幅度3.50%、5.99%和8.21%；硅藻生物量基本保持不變，下降幅度0.40%、0.71%、1.09%。結(jié)果表明，入湖N負(fù)荷的消減可有效降低湖內(nèi)總氮濃度，同時(shí)也可降低綠藻生物量。藍(lán)藻生物量對(duì)其消減控制反而出現(xiàn)上升趨勢(shì)（見(jiàn)圖5、6、7）。

2.2.2 控制入湖P負(fù)荷

隨著入湖P負(fù)荷消減20%、30%和50%，湖內(nèi)總磷明顯下降，平均減少幅度 4.70%、6.86%、11.67%；總氮基本不變，平均減少幅度 0.12%、0.04%、0.10%；綠藻及藍(lán)藻生物量也出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，平均降幅分別為7.96%、11.28%、18.86%和10.54%、13.79%、21.77%；硅藻生物量基本保持不變，P負(fù)荷消減 20%、30%，硅藻生物量略增加0.94%、0.65%，P負(fù)荷消減50%下降幅度1.09%。結(jié)果表明，對(duì)入湖P負(fù)荷的消減可以有效降低湖內(nèi)總磷濃度、綠藻及藍(lán)藻生物量（見(jiàn)圖8、9、10）。

2.2.3 同時(shí)控制入湖N，P負(fù)荷

同時(shí)消減入湖N，P負(fù)荷20%、30%和50%，湖內(nèi)總氮總磷呈明顯下降趨勢(shì)，其中總氮平均減少幅度17.06%、25.62%、42.58%；總磷平均減少幅度4.83%、6.92%、11.56%；綠藻及藍(lán)藻生物量均明顯下降，平均降幅分別為7.77%、12.60%、19.54%和6.05%、10.60%、13.12%；硅藻生物量基本保持不變，結(jié)果分別顯示增幅0.18%、0.21%和下降0.80%。結(jié)果表明，入湖N，P負(fù)荷同時(shí)消減可以有效降低湖內(nèi)氮磷濃度以及綠藻、藍(lán)藻生物量，對(duì)硅藻生物量影響不大（見(jiàn)圖11、12、13）。

圖5 消減20%入湖N負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.5 The response of water quality and phytoplankton on reduction 20% N

圖6 消減30%入湖N負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.6 The response of water quality and phytoplankton on reduction 30% N

圖7 消減50%入湖N負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.7 The response of water quality and phytoplankton on reduction 50% N

3 討論

3.1 水質(zhì)模擬與藻類的模擬效果

圖8 消減20%入湖P負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.8 The response of water quality and phytoplankton on reduction 20% P

圖9 消減30%入湖P負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.9 The response of water quality and phytoplankton on reduction 30% P

圖10 消減50%入湖P負(fù)荷與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.10 The response of water quality and phytoplankton on reduction 50% P

從水質(zhì)模擬情況看，烏梁素海AQUATOX生態(tài)模型能較好的模擬湖區(qū)水質(zhì)的變化規(guī)律。整個(gè)模擬時(shí)期N，P營(yíng)養(yǎng)鹽呈現(xiàn)出春季濃度較高，秋季出現(xiàn)低谷，冬季濃度最高。其原因主要與湖區(qū)入湖負(fù)荷、降水以及水生植物、藻類的生長(zhǎng)周期等因素有關(guān)。春季氣溫回暖，風(fēng)力較大，水體上下交換頻繁，底泥中釋放的各類營(yíng)養(yǎng)元素的速率不斷提高，加之春季入湖負(fù)荷增加，導(dǎo)致該時(shí)期水體中各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高。進(jìn)入夏季后，水生植物以及藻類進(jìn)入繁殖階段，大量吸收水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，同時(shí)降水增多也對(duì)湖水營(yíng)養(yǎng)鹽起到一定的稀釋作用，導(dǎo)致該時(shí)期營(yíng)養(yǎng)鹽濃度開(kāi)始下降。水生植物及藻類最適溫度的差異以及對(duì)氨氮和硝酸氮等營(yíng)養(yǎng)鹽的選擇和吸收程度的差異，是造成夏季、秋季氨氮、硝酸氮出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因。造成冬季營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高的原因除主要與入湖水體的營(yíng)養(yǎng)物濃度有關(guān)外，與水生植物死亡以及烏梁素海長(zhǎng)期冰封狀態(tài)有一定的關(guān)系。冰封期冰蓋的形成會(huì)將冰體中的營(yíng)養(yǎng)鹽排放到水體中，導(dǎo)致冰下水體的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷增加（楊芳等，2016），同時(shí)冰蓋會(huì)限制水體與大氣的交換過(guò)程，導(dǎo)致冰下水體環(huán)境長(zhǎng)期處于缺氧狀態(tài)，還原作用加強(qiáng)，致使冬季營(yíng)養(yǎng)鹽濃度明顯提高。

圖11 同時(shí)消減入湖N，P負(fù)荷20%與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.11 The response of water quality and phytoplankton on reduction 20% N，P

圖12 同時(shí)消減入湖N，P負(fù)荷30%與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.12 The response of water quality and phytoplankton on reduction 30% N，P

圖13 同時(shí)消減入湖N，P負(fù)荷50%與湖內(nèi)水質(zhì)、藻類的響應(yīng)關(guān)系Fig.13 The response of water quality and phytoplankton on reduction 50% N，P

從藻類模擬情況看，烏梁素海AQUATOX生態(tài)模型能夠較好的模擬湖區(qū)藍(lán)藻、綠藻以及硅藻的季節(jié)演替規(guī)律。由于北方氣候特征，冬季太陽(yáng)輻射量明顯減少，加之冰蓋的作用，致使到達(dá)冰下水體的太陽(yáng)輻射受到嚴(yán)重的限制（Golosov et al.，2007）。為了與實(shí)際情況相符合，本文將模型中冬季入湖輻射量進(jìn)行修正，經(jīng)模擬驗(yàn)證及反復(fù)對(duì)比，確定以 0.3作為修正因子，其模擬結(jié)果更加符合烏梁素海藻類變化的實(shí)際情況。通過(guò)該模型模擬還發(fā)現(xiàn)，烏梁素海水體中藻類的生消演替規(guī)律與水體中浮游動(dòng)物有直接關(guān)系。模型顯示硅藻、綠藻及藍(lán)藻的季節(jié)捕食壓力有著明顯的差異，硅藻的各季節(jié)捕食壓力較大，綠藻僅秋季捕食壓力較大，而藍(lán)藻各季節(jié)的捕食壓力沒(méi)有明顯規(guī)律?？梢?jiàn)，烏梁素海湖區(qū)浮游動(dòng)物也是藻類生物量變化的重要因素。大量的研究也表明，富營(yíng)養(yǎng)化水體中浮游動(dòng)物對(duì)藻類具有調(diào)控作用（張麗彬等，2009）。因此，今后需要對(duì)烏梁素海湖區(qū)浮游動(dòng)物開(kāi)展更加深入的研究，為揭示湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化變化機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)可嘗試?yán)蒙锊倏胤椒?，抑制烏梁素海的水華暴發(fā)。

3.2 水質(zhì)與藻類對(duì)入湖污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系

控制營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷是緩解湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程、抑制湖泊藍(lán)藻水華的根本措施。消減上游來(lái)水污染負(fù)荷能夠?qū)ΤＲ?guī)水質(zhì)及藻類生物量進(jìn)行有效控制（楊漪帆等，2009），尤其對(duì)生長(zhǎng)季節(jié)的藍(lán)藻和綠藻生物量起到明顯的抑制作用（朱永青，2011）。本研究顯示湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)物濃度對(duì)消減入湖氮磷負(fù)荷有明顯的的響應(yīng)關(guān)系。無(wú)論是單一控制還是同時(shí)控制氮、磷，湖區(qū)均表現(xiàn)出相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物濃度降低的趨勢(shì)，且隨控制作用加大，其濃度也不斷降低。藻類生物量對(duì)消減入湖氮磷負(fù)荷表現(xiàn)出不同的響應(yīng)關(guān)系。單一控制磷與同時(shí)控制氮磷均能有效降低綠藻和藍(lán)藻生物量，且單一控制磷的作用更加明顯，而單一控制氮反而會(huì)使藍(lán)藻的生物量增加。魏星瑤等人也研究表明控制磷比控制氮更有利于抑制藻類的生長(zhǎng)，同時(shí)較小的氮磷比有利于藻類生長(zhǎng)，過(guò)大的氮磷比抑制藻類生長(zhǎng)（魏星瑤等，2016）。這也可能是由于單一控制氮的濃度會(huì)使氮磷比減小，從而導(dǎo)致藍(lán)藻的生物量增加，而單一控制磷濃度反而會(huì)使氮磷比增大對(duì)藍(lán)藻和綠藻起到了抑制作用。研究結(jié)果也顯示，烏梁素海湖區(qū)大多數(shù)藍(lán)藻對(duì)湖泊總磷的需求較大（李建茹等，2013），因此控制入湖磷負(fù)荷能夠有效控制湖區(qū)藻類生物量，從而對(duì)湖區(qū)水環(huán)境污染治理及生態(tài)環(huán)境起到重要的作用。

本文結(jié)合模型不確定性分析以及大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，建立了適用于烏梁素海的生態(tài)系統(tǒng)模型。該模型雖能對(duì)烏梁素海主要營(yíng)養(yǎng)鹽及藻類的變化規(guī)律進(jìn)行模擬，但依然存在一些問(wèn)題和不足，對(duì)水生植物及浮游動(dòng)物相關(guān)數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步建立，今后的研究中要進(jìn)一步完善模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使模型模擬結(jié)果更加可信，更加符合實(shí)際。

4 結(jié)論

（1）本文基于烏梁素?，F(xiàn)場(chǎng)水文水質(zhì)及藻類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用 AQUATOX模型構(gòu)建了烏梁素海生態(tài)系統(tǒng)模型，模擬結(jié)果較好的吻合了烏梁素海實(shí)際水環(huán)境狀況，重現(xiàn)了水質(zhì)變化規(guī)律以及不同藻類（藍(lán)藻、綠藻、硅藻）的演替規(guī)律，客觀反映了烏梁素海富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

（2）AQUATOX生態(tài)模型控制研究發(fā)現(xiàn)消減入湖氮磷負(fù)荷能有效降低烏梁素海湖區(qū)相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物濃度，且隨控制作用加大，其濃度也不斷降低；同時(shí)控制入湖氮磷負(fù)荷能有效降低綠藻和藍(lán)藻生物量，且單一控制磷的作用更加明顯，而單一控制氮反而會(huì)使藍(lán)藻的生物量增加。在烏梁素海湖泊及生態(tài)環(huán)境治理中，應(yīng)高度重視水質(zhì)與藻類對(duì)入湖污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，采取積極措施，有效控制入湖氮磷濃度，降低入湖污染負(fù)荷，提升湖區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力，降低水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，從而為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善和可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。