江蘇湖泊草藻初級生產潛力的歸一化模型研究*

揣小明　周海霞　楊柳燕　張永領　繆愛軍　王明仕

(1.河南理工大學安全與應急管理研究中心　河南焦作 454000；　2.河南理工大學圖書館　河南焦作 454000；3.南京大學環境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室　南京 210046；4.河南理工大學資環學院　河南焦作 454000)

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江蘇湖泊草藻初級生產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1繆愛軍3王明仕4

(1.河南理工大學安全與應急管理研究中心河南焦作 454000；2.河南理工大學圖書館河南焦作 454000；3.南京大學環境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室南京 210046；4.河南理工大學資環學院河南焦作 454000)

以太湖的梅梁灣、胥口灣和東太湖為研究對象，利用現場檢測、野外調研、數據挖掘和模型推導等研究方法，對太湖草藻轉化關系系數進行深入的研究，研究結果表明，太湖整體一直處于富營養化的水平，且梅梁灣、胥口灣和東太湖三個湖區近年來的營養水平呈現出上升的趨勢；草型湖區水體中TP含量在0.02～0.13 mg/L之間變化時，水生植物的生物量與水體中TP含量線性正相關；草藻歸一化系數Ki隨水體中TP含量線性增長；存在一個水生生物量的閾值區間[2 882 g/m2，4 990 g/m2]，利用這個閾值區間可以簡單快速地判定草藻歸一化系數Ki的大小，同時這一閾值也是判定草型湖泊是否呈現富營養化特征的重要依據。得出的結論為構建富營養化湖泊的草藻歸一化處理模型提供重要的理論參考。

藍藻水草初級生產潛力歸一化系數閾值范圍

0　引言

湖泊富營養化分為藻型富營養化和草型富營養化兩種類型。長期以來，國內外大多數學者對湖泊富營養化的研究集中在藻型富營養化方面[1-5]，其原因是藻型富營養化的危害性(包括透明度下降、臭味、影響水生生物生長與繁殖、產生藻毒素及衍生物、影響營養元素的生物地球化學循環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期性，草型富營養化問題常常被忽視。然而，草型富營養化會引發水體的“沼澤化”、“茭黃水”等嚴重問題[6]，嚴重妨害水體正常功能的發揮。在湖泊生態系統中，藻型富營養化與草型富營養化湖泊(區)的生態特征，特別是營養元素N，P的生物地球化學特征存在顯著差異，故對兩種類型的富營養化進行歸一化處理對于理解N，P的生物地球化學循環具有重要的理論及現實意義[7]。近年來，太湖西部湖區的藻型富營養化與東部湖區的草型富營養化并存，嚴重危害著整個湖泊水生態系統。本研究選取太湖的梅梁灣(藻型湖區)、胥口灣(草型湖區)和東太湖(草型湖區)為研究對象，探討藻型富營養化與藻型富營養化的歸一化處理模式。

1　材料與方法

1.1研究區概況

梅梁灣是太湖典型的藻型湖區，湖區面積為124 km2，自20世紀90年代以來，該湖區一直遭受藍藻水華的困擾，特別是2007年藍藻水華大爆發引發了全球性的關注[8]。隨著N，P等營養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湖區(湖區面積分別為172.4 km2和120 km2)也呈現富營養化的趨勢，但由于其物理觀感較好，且對水生生態系統和人類健康的直接影響相對較小，這種富營養化現象常常被忽略。事實上，隨著“茭黃水”的發生和東太湖沼澤化趨勢的加劇，草型富營養化帶來的危害也不容忽視[6]。

1.2數據來源

太湖水體中歷年TN，TP，Chl-a含量的數據來源于太湖網《太湖流域及東南諸河省界水體水資源質量狀況通報》。水中TN和TP的測試是將現場采集的樣品分別用堿性過硫酸鉀和過硫酸鉀在121 ℃條件下進行消解，消解后的樣品用分光光度法進行測試[7]。2009年3個湖區水體中Chl-a含量、草型湖區的生物量通過野外檢測獲得[7]。

1.3歸一化模型

1.3.1模型假設

本模型的構建是基于以下假設的。

(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，初級生產能力也相近。

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

(3)3個湖區的初級生產力統一表達為等價Chl-a的形式，且草型湖區中水草的分布具有均一化特征，故可以通過一定的轉換，將水草的生物量單位可以轉化為mg/L。

(4)等價Chl-a含量數值上等于水草轉化的Chl-a含量與水體中測得的Chl-a含量的總和。

1.3.2模型構建

根據以上假設，構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Chl-a含量值，mg/L；Chl-a為水體中Chl-a現存量，mg/L；Ki為歸一化轉化系數，H為平均水深，m；B為草型湖泊(區)的生物量，g/m2。

該模型是建立在大量歷史數據統計分析和嚴密邏輯推理的基礎上的，有效消除了主觀因素和偶然因素對模型自身的干擾，但模型僅局限于平均水深不超過10 m的湖泊生態系統。

2　結果與討論

2.1各湖區營養水平變化趨勢

各湖區營養水平的變化趨勢見圖1。

圖1　各湖區營養水平的變化趨勢

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

2.2草藻轉化系數及其應用

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

圖2　太湖草型湖區TP與Chl-a的關系曲線

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

圖3　太湖草型湖區水體中TP含量與Ki的關系曲線

太湖草型湖區水草生物量與Ki的關系曲線見圖4。根據“積溫相同，初級生產潛力相近”的原則，近似地選取太湖相對應的草藻轉化系數作為江蘇其它湖泊的轉化系數，計算出草型湖泊(包括固城湖、石臼湖)的等價Chl-a的含量，如計算得出兩個湖泊2009年的等價Chl-a的含量分別為6.31 μg/L和8.08 μg/L，這與通過湖泊生態系統中營養鹽通用轉化模型計算得出的等價Chl-a相對誤差不超過6.7%，這表明通過太湖草藻轉化系數計算固城湖和石臼湖的等價Chl-a是可行的。利用等價Chl-a與TP之間的關系計算出江蘇省各湖泊生態系統中營養物磷的最大轉化率見圖5?？梢?，江蘇省各個湖泊初級生產能力大小順序為：固城湖>石臼湖>太湖>寶應湖>洪澤湖>高郵湖>玄武湖>邵伯湖，湖泊的生產潛力越大，其自身對營養鹽輸入的響應越靈敏，對營養鹽的利用效率也越高，越容易引發水體的富營養化，營養鹽的控制標準相對也應該更嚴格。因此，江蘇省湖泊生產潛力的研究對于制定江蘇省各湖泊營養鹽的基準與控制標準，乃至其湖泊富營養化預防與控制具有重要的理論參考價值。

圖4　太湖草型湖區水草生物量與Ki的關系曲線

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

圖5江蘇各湖泊Rmax分布情況

3　結語

(1)自20世紀90年代以來，太湖的營養水平一直處于富營養化的水平，且梅梁灣、胥口灣和東太湖3個湖區的營養水平呈現出上升的趨勢。

(2)草藻歸一化系數Ki隨水體中TP含量線性增長。

(3)存在一個水生生物量的閾值區間[2 882，4 990]，當水草生物量小于2 882 g/m2時，草藻歸一化系數Ki隨著水生生物量的增加而增加，當水草生物量大于4 990 g/m2時，草藻歸一化系數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)是否呈現富營養化特征的重要理論依據。

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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

國家自然科學基金(41001338)，河南省高等學校重點項目(15A610012)，河南省教育廳重點課題(2015-ZD-029)，河南理工大學博士基金項目(B2012-008)。

揣小明，男，1982年生，博士，副教授，碩士生導師，主要從事環境生物地球化學研究。

2015-07-18)