长江口及邻近海域季节性赤潮生消过程控制机理研究

【摘要】： 近20年来,随着长江流域经济的快速增长和人口的急剧增加,排入长江口邻近海域的富营养化物质逐年增多,由此导致了长江口及邻近海域富营养化问题日趋严重,赤潮发生的频率和规模呈逐年增大的趋势。本论文以认识长江口及邻近海域赤潮生消控制机理为切入点,通过建立东海浮游植物竞争生长三维生态动力学模型,在利用现场培养实验结果优化了与浮游植物生长相关的重要高灵敏度参数,并通过海上现场调查数据对模型进行验证的基础上,应用所建立的生态动力学模型深入研究了光照、温度和营养盐在东海近海赤潮生消过程中的作用。论文的研究成果对于揭示东海近海赤潮发生过程中的控制机制具有重要意义。 一在充分考虑东海浮游植物种群特征和对浮游植物生长具有重要影响的因素(光照、温度、营养盐)的限制作用的基础上,建立了东海浮游植物竞争生长三维生态动力学模型,模型模拟和验证结果表明,浮游植物生物量、DIN、PO_4-P、SiO_3-Si的平面分布和季节变化特征的模拟计算结果与海上现场监测结果基本相符。 (1)以MASNUM浪-潮-流耦合三维水动力学模型为基本框架,建立了东海浮游植物竞争生长三维生态动力学模型。模型中浮游植物分为甲藻和硅藻两个功能群,并综合考虑了光照、温度和营养盐(DIN、PO_4-P、SiO_3-Si)对浮游植物生长的限制作用。对于模型参数,首先通过参数灵敏度分析确定了模型的高灵敏度参数,然后通过实验计算了与浮游植物生长相关的重要高灵敏度参数,最后通过对2002年5月围隔实验各状态变量的模拟对模型的高灵敏度参数进行了优化,最终确定了模型的参数值。 (2)应用建立的三维生态动力学模型模拟的2002年浮游植物生物量、DIN、PO_4-P、SiO_3-Si的平面分布与实际调查结果基本吻合,季节变化与实际调查数据和历史数据季节变化也较为一致。模型验证的2005年浮游植物生物量、DIN、PO_4-P、SiO_3-Si等状态变量季节变化结果与海上调查结果也基本吻合。说明所建立的东海浮游植物竞争生长三维生态动力学模型的逻辑结构及参数值的选择是基本合理的。 二利用所建立的生态动力学模型,通过光照、温度、营养盐限制因子的变异系数探讨了赤潮季节性生消过程的控制因素,通过数值实验考察了光照、温度、营养盐输入(包括陆源和外海输入)在东海近海赤潮生消过程中的作用,初步明确了赤潮发生与否、赤潮优势种演替中光照、温度、营养盐输入的控制和作用机制。 (1)通过计算光照、温度、营养盐限制因子的变异系数探讨了长江口及邻近海域季节性赤潮生消的控制因素,结果表明,温度是控制总浮游植物季节性生消的关键因素。温度是控制甲藻赤潮季节性生消的关键因素,硅藻赤潮的季节性生消由光照、温度和营养盐共同控制,光照影响最大,营养盐次之,温度影响最小。5、6月份赤潮期间,温度是控制甲藻赤潮生消的关键因素,磷酸盐和光照是控制硅藻赤潮生消的关键因素。7、8月份赤潮期间,温度和磷酸盐是控制硅藻赤潮生消的关键因素。 (2)应用模型进行的温度数值实验结果表明,20℃时甲藻赤潮规模最大;温度低于20℃时,随着温度的升高,甲藻赤潮规模增大;高于20℃时,随着温度的升高,甲藻规模逐渐减少;温度高于28℃或低于12℃甲藻赤潮不再发生。温度在12-24℃之间时温度不是控制硅藻赤潮生消的关键因素,而当温度高于24℃时,随温度升高,硅藻赤潮规模减小,温度高于30℃硅藻赤潮也不能发生。 (3)应用模型进行的光照数值实验结果表明,光照强度在100 W·m~(-2)以下时,硅藻未有赤潮发生,硅藻赤潮规模随光照强度的增大而增大。光照强度在50 W·m~(-2)以下时,甲藻未有赤潮发生,光照强度在150 W·m~(-2)时甲藻赤潮规模最大。 (4)应用模型进行的陆源输入影响数值实验结果表明,陆源营养盐输入通量的增加会增大长江口及邻近海域赤潮的规模。控制陆源营养盐的输入可以达到预防赤潮发生的目的:当模型计算海域的DIN、PO_4-P输入通量分别降为2002年的输入通量的30%时,硅藻赤潮已不能发生,甲藻赤潮全年累计发生时间只有一天,且规模也很小;而当模型计算海域的DIN、PO_4-P输入通量降为2002年的输入通量的20%时,全年甲藻赤潮也不再发生。陆源输入DIN/PO_4-P比值的降低和SiO_3-Si/DIN比值的增大会增大硅藻赤潮占总赤潮的比例。以上结果表明,20世纪80年代以来东海海域DIN、PO_4-P营养盐陆源输入通量的增加可能是导致东海近年来赤潮频发的主要原因,而长江营养盐输入DIN/PO_4-P的增大及SiO_3-Si/DIN的降低可能是导致近年来甲藻赤潮频发的主要原因。 (5)应用模型进行的外海营养盐输入数值实验结果表明,台湾海峡和黑潮边界营养盐输入对长江口及邻近海域7、8月份赤潮影响较大,而对5、6月份赤潮影响较小。黄东海边界营养盐的输入对于5、6月份和7、8月赤潮都有明显影响。