长江口及邻近海域季节性赤潮生消过程控制机理研究 ——浮游植物竞争生长三维生态动力学模型的建立与应用

论文摘要

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、PO4-P、SiO3-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、PO4-P、SiO3-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、PO4-P、SiO3-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、PO4-P、SiO3-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、PO4-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、PO4-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/PO4-P比值的降低和SiO3-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、PO4-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/PO4-P的增大及SiO3-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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 海洋赤潮的研究进展
• 1.1.1 主要生物、化学、物理因素及人类活动与赤潮的关系
• 1.1.2 赤潮研究的主要方法
• 1.2 海洋生态动力学模型的研究进展
• 1.2.1 海洋生态动力学模型的研究状况
• 1.2.2 海洋生态动力学模型在海洋生态学研究中的应用
• 1.2.3 我国海洋生态动力学模型研究进展
• 1.3 东海长江口邻近海域赤潮高发区概况
• 1.3.1 东海长江口邻近海域主要影响水团
• 1.3.2 东海长江口邻近海域营养盐状况
• 1.3.3 东海长江口邻近海域主要赤潮生物
• 1.4 本论文的研究目的与内容
• 2 东海浮游植物竞争生长三维生态动力学模型
• 2.1 概念模型的建立
• 2.2 三维生态动力学模型计算海域及目标模拟海域
• 2.3 三维水动力模型
• 2.4 三维生态动力学模型各状态变量控制方程
• 2.4.1 状态变量基本控制方程
• 2.4.2 生态动力学模块过程说明
• 2.4.3 沉积物海水界面的营养盐交换过程
• 2.5 模型条件的设定
• 2.5.1 生态动力学模型配置
• 2.5.2 模型营养盐和浮游植物初始场的设定
• 2.5.3 营养盐输入源归并
• 2.5.4 模型边界条件
• 2.5.5 环境因子
• 2.6 生态动力学模块重要参数率定
• 2.6.1 影响模型主要状态变量变化的关键过程和参数
• 2.6.2 模型高灵敏度参数初始值确定
• 2.6.3 模型参数优化
• 2.7 小结
• 3 浮游植物竞争生长三维生态动力学模型的模拟与验证
• 3.1 东海海域物理场模拟结果
• 3.2 模型模拟－2002 年主要状态变量的模拟
• 3.2.1 浮游植物生物量平面分布场、季节变化的模拟
• 3.2.2 DIN平面分布场、季节变化的模拟
• 4-P平面分布场、季节变化的模拟'>3.2.3 PO₄-P平面分布场、季节变化的模拟
• 3-Si平面分布场、季节变化的模拟'>3.2.4 SiO₃-Si平面分布场、季节变化的模拟
• 3.3 模型验证－2005 年主要状态变量季节变化的模拟
• 3.4 小结
• 4 光照、温度、营养盐效应在东海赤潮生消过程中的作用
• 4.1 长江口及邻近海域主要环境因子与赤潮的关系
• 4.1.1 叶绿素浓度与营养盐之间的关系
• 4.1.2 叶绿素浓度与光照、温度之间的关系
• 4.2 长江口及邻近海域季节性赤潮生消过程控制因素分析
• 4.3 数值实验：光照在长江口及邻近海域赤潮生消过程中的作用
• 4.4 数值实验：温度在长江口及邻近海域赤潮生消过程中的作用
• 4.5 数值实验：陆源营养盐输入在长江口及邻近海域赤潮生消过程中的作用
• 4-P陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响'>4.5.1 DIN、PO₄-P陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响
• 4-P陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响'>4.5.2 PO₄-P陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响
• 3-Si陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响'>4.5.3 SiO₃-Si陆源输入通量对长江口及邻近海域赤潮的影响
• 4.6 数值实验：外海营养盐输入在长江口及邻近海域赤潮生消过程中的作用
• 4.6.1 台湾海峡边界营养盐输入的影响
• 4.6.2 黑潮边界营养盐输入的影响
• 4.6.3 黄海营养盐输入的影响
• 4.7 小结
• 5 结论与创新点
• 参考文献
• 附录Ⅰ 模型符号缩写表
• 附录Ⅱ 90 年代以来生态动力学模型及其分类
• 附录Ⅲ 参数率定所用实验数据说明
• 附录Ⅳ 生态动力学过程各参数灵敏度分析结果
• 附录Ⅴ 浮游植物生长营养盐相关参数初始值计算
• 发表的学术论文
• 致谢