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《中国海洋大学》 2003年
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胶州湾氮、磷营养盐循环收支动力学模型及其应用

葛明  
【摘要】: 本文根据N—P—Z—D模型的基本原理,建立了胶州湾氮、磷营养盐循环收支动力学模型,主要包括营养盐输入,营养盐生物、化学迁移和转化内循环,溶解态和颗粒态物质水动力输出3个逻辑模块,涉及溶解无机氮(DIN)、磷酸盐(PO_4-P)、浮游植物、浮游动物、有机碎屑和溶解有机态营养盐6个状态变量。该模型能够较好地模拟1998年胶州湾DIN、PO_4-P和浮游植物生物量季节变化规律。该模型逻辑结构和参数取值合理。应用该模型对胶州湾DIN和PO_4-P的自净容量、环境容量、剩余环境容量、收支状况、逗留时间以及胶州湾的初级生产力、新生产力和f比值进行研究,主要结论如下: 1.胶州湾营养盐环境容量:胶州湾DIN和PO_4-P营养盐自净容量都是夏季最大,冬季最小,春秋居中,这主要是海洋中物理、化学和生物自净过程共同作用的结果。胶州湾DIN和PO_4-P剩余环境容量在20世纪70年代末至80年代中期变化较小,相对国家一级海水水质标准下的环境容量还具有约60%的容纳能力。但自80年代中期至90年代中后期,营养盐剩余环境容量迅速减小,至1997年DIN剩余环境容量已超过国家一级海水水质标准下胶州湾DIN环境容量约70%,而自90年代末开始胶州湾DIN剩余环境容量又有所增加,而PO_4-P剩余环境容量减小速度趋缓。营养盐剩余环境容量的变化表明,20世纪80年代中期以前,胶州湾海域富营养化程度较轻,海水质量能够达到国家一级海水水质标准的要求。而80年代中期以后到90年代中后期,胶州湾海域富营养化程度逐渐加重。从90年代末开始,政府对胶州湾生态环境保护措施开始发挥作用,海域富营养化程度又有所减轻。 2.胶州湾PO_4-P收支:1998年胶州湾PO_4-P输入量大于输出量,处于盈余状态。在PO_4-P各种来源中,河流径流输入PO_4-P通量达1430t,占主要地位(55%),由于浮游生物活动产生的内部循环所再生的PO_4-P通量达740t,居其次(29%),沉积物释放PO_4-P通量达410t,所占比例最少(16%)。在PO_4-P 胶州湾氮、磷营养盐循环收支动力学模型及其应用 的水动力输出过程中,直接以PO4一P形式输出的仅占24%,通过浮游植物“固 定”磷和溶解有机磷形态输出起到了主要作用,分别占总输出的46%和29%。 胶州湾D取收支:1998年胶州湾D取收支基本平衡。河流径流输入、沉积 物释放和大气沉降是胶州湾海水中DIN的主要外部来源,由浮游生物活动而 在水体中再生的DIN是胶州湾海水中DIN的内部来源。在DIN各种来源中, 以河流径流输入为主(48%),年通量达14700t,循环再生的DIN次之(26%), 年通量达8100t,沉积物释放较少(22%),年通量达780Ot,大气沉降的最 少(1%),年通量仅300t。在氮的支出过程中,直接以DIN形式输出的占 64%,通过浮游植物细胞“固定”氮和溶解有机氮形态输出,分别占总输出 的22%和14%。 胶州湾DIN和P04一P的逗留时间:D州和P04一P的逗留时间都是冬季最长, 夏季最短,但一年中PO4一P(2一20d)的逗留时间变化幅度比DIN(4一10d) 大。 胶州湾的新生产力:’SN法估算海域的新生产力只适用于DIN作为浮游植物 生长的主要氮源,且不考虑外源输入NH4一N和真光层内硝化作用的海域。对 于外源输入NH4一N通量不可忽略的海域,以’SN法估算的新生产力结果偏小。 而以输出生产力法估算新生产力时,在时间上应该取一个或几个完整的生态 循环周期,且在计算过程中必须同时考虑颗粒态物质和溶解有机态物质的输 出。模型计算结果表明,胶州湾的f比冬季最高,夏季最低,而春秋居中, 月平均值在0.75一0.94之间,年平均值为0.80,胶州湾在初级生产过程中所 需的DIN大部分是由新生源(外源)提供的。胶州湾的新生产力月平均值在 56一765 mge·m一2·d一’之间,年平均值为395 mge·m一2·d一’。胶州湾新生 产力的变化趋势与初级生产力相同,冬季最低,夏季最高,春秋居中。 总之,本论文建立了胶州湾氮、磷营养盐循环收支动力学模型,并应用此工 具建立了胶州湾海水中D州和P04一P环境容量的计算方法,对中国近岸海域富 营养化污染研究,沿岸陆源排放DIN和PO4一P总量控制方案制定等都有一定借 鉴作用。模型对胶州湾DIN和PO4一P收支状况、逗留时间以及新生产力的计算 对胶州湾海洋生态领域的研究也是非常有益的尝试。
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