基于三级营养级的景观湖泊富营养化机理及模型研究

Being a dual carrier of landscape and water ecosystem, the landscape-lake has the urgent eutrophication problem to be solved. The eutrophication mechanism model is the significant theoretical basis for simulation and analysis. This subject starts from the landscape-lake eutrophication mechanism and model study. First, the biological mechanism of the typical fish and the nutrients transmission in the food chain are studied based on the microcosm experiment and stable isotope tracer method. Then, the fish mathematical expression affecting water quality is established based on the assimilation and alienation role. The two-trophic level eutrophication model is modified in accordance with the interaction rules between biology and nutrition in large loop of nutrients-phytoplankton-zooplankton-fish. The three-trophic level eutrophication model is integrated by the fish model and two-trophic level eutrophication model. Finally, the three-trophic level model is applied to the following areas: ① water quality prediction and warning: predicting water quality trend, analyzing the eutrophication risk of runoff pollutants on the lake and assessing the eutrophication state. ② ecological remediation simulation: building mathematical model based on the mechanism of ecological measures, simulating the water quality effect under the three trophic level model framework and choosing the optimum ecological remediation method. In this way the theoretical basis is provided for water quality management and maintenance of the landscape-lake.

景观湖泊作为景观和水生态功能的双重载体，其富营养化问题亟待解决，而富营养化机理模型是富营养化模拟与分析的重要理论基础。本课题从景观湖泊富营养化机理及模型研究出发，首先采用微宇宙实验和稳定同位素示踪法对景观湖泊中代表性鱼类的生物作用机理、营养物质在生物链上的传递进行研究；然后，基于鱼类同化和异化作用，建立鱼类对水质影响机理的数学表达式，并根据营养物质-浮游植物-浮游动物-鱼类间生物和物质作用的大循环，修改两级营养级模型机理数学表达式，耦合鱼类和两级营养级模型，建立三级营养级模型；最后，基于模型进行应用：①景观湖泊水质预测预警：预测水质变化趋势，分析径流污染物对湖泊的富营养化风险，评判水体富营养化状态；②富营养化湖泊生态修复效果模拟：分析生态措施的作用机理建立数学模型，并纳入三级营养级模型框架模拟生态工程的修复效果，实现最佳生态修复工程的比选，为景观湖泊水质的管理和维护提供理论依据。

富营养化机理模型是景观湖泊水质模拟与分析的重要理论基础，可对水体水质变化趋势进行预测与评估。但以往研究，鱼类作为湖泊水生生物链的最高级未被纳入模型中，鱼类对生态系统功能和群落结构的影响被忽略，导致模型的准确度不够；另一方面，生态机理模型结构复杂、变量多、参数多，参数识别和校验存在困难，模型模拟精度的提高受到一定的制约。.针对上述问题，本课题剖析了景观湖水质和生态系统的结构，并分析了富营养化模型的框架结构；设计了微宇宙实验分析景观湖泊内部生物和营养物质的相互作用关系，并分析鱼类同化异化速率，为鱼类模型提供部分先验参数信息；构建了三级营养级模型，并进行参数识别、校验；最后针对研究湖泊进行了模拟评估，分析水体水质变化规律。.运用微宇宙系统来模拟天然环境中景观湖泊水体富营养化的过程。通过人为设置水体中营养级，了解了不同营养级景观湖泊中营养盐的变化规律；通过构建高、低密度罗非鱼的微宇宙系统，获知不同密度罗非鱼对湖泊水质指标的作用效果，并了解低密度和高密度对水体影响程度的差异；通过分析罗非鱼排泄物的营养盐含量及排泄率，了解了罗非鱼排泄物对湖泊水质的作用效果以及浮游植物生物量和群落结构的变化情况。.基于鱼类的生物能量学理论构建了鱼类子模型，对现有的复杂两级营养级模型进行修改添加鱼类影响，在此基础上完成了三级营养级模型的构建。将MCMC、AMDR （Adaptive Metropolis; Delayed Rejection）、遗传算法（GA）和并行计算相结合，实现最优采样抽提初始值，并基于MC偏差和Geweke值校验模型参数的后验分布，实现参数的不确定性采样和识别，克服了模型参数识别和校验困难的问题。.本课题通过富营养化机理研究和模型构建的有机结合，实现了对湖泊水质的模拟分析，进而实现了景观湖泊水质预测和评估的常规应用，可为景观湖泊水质的管理和维护提供一定的理论支持。