湖泊浮游植物固碳能力调控因子与管理策略研究

湖泊浮游植物固碳能力调控因子与管理策略研究

王钦1 潘佳敏2 李媛3 朱英英4

宁波伊玛环境科技股份有限公司 浙江 宁波 315800

摘要：人类社会在实现可持续发展过程中，面对的主要挑战之一就是气候变化。“蓝碳”代表的是水生态环境系统中的固定碳，而且这个概念正在逐渐从海洋扩散到内陆水域。湿地生态系统，例如湖泊、水库、池塘等，只占据全球总面积的5%到8%，但对于区域碳循环的作用却不可小觑。目前，对于内陆水域特别是湖泊的“蓝碳”研究较为滞后。本文主要是针对影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素的识别以及浮游植物固碳的多主体模拟进行研究，内容与结果如下。

关键词：湖泊；浮游植物；固碳；多层线性模型

前言：一定的温室气体能维持地球的适宜生物生存环境，但随着工业化发展，人口的扩大、经济的快速发展以及居民生活质量的提升，导致温室气体的排放量逐渐上升。当前研究基本确认全球的平均气温受到温室气体的浓度的直接作用，而在所有的温室气体当中，二氧化碳的数量是最大的，占据总数的三分之二。因此，需要关注重点如何减少大气中的温室气体，特别是二氧化碳的浓度，以保持其在适宜的范围内。

一、影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素识别

（一）直接影响浮游植物固碳的微观框架

浮游植物生物数量在提升基础生产力方面起着关键的推动作用，而光照是浮游植物完成光合过程的主要能源，其供应状况在很大程度上影响着浮游植物生产有机物的效率。当太阳的辐射在水体内衰退，其初级生产能力的垂直分布也会逐渐降低，主要由于湖泊表面的水分子、悬浮颗粒物以及浮游生物都会吸收和散射光线，从而影响到相对较低的浮游植物对光的接受能力。

（二）间接影响浮游植物固碳的微观框架

一些学术研究提到，水的温度会直接决定生命的存活、繁衍方式，并且会影响到群落的组织与分布，从而间接地改变了浮游植物的基础生产能力。这主要是因为，水的温度会通过改变浮游植物的数量来改变基础生产能力，任一种对于浮游植物的发展至关重要的营养成分，都有可能对其生长和繁殖造成阻碍。多种因素如氮、磷、氯、硅酸盐等，会对自然水域的浮游植物的发展产生影响[1]。大部分的科学研究都证实：将总氮和总磷两种营养成分以及它们之间的相互作用进行综合考量，能够有效地预估浮游植物的发展情况。

（三）间接影响浮游植物固碳的宏观框架

目前的研究主要集中在微观层次上，探讨捕食者行为如何影响浮游植物的生物量和初级生产能力，但这些研究却忽略了湖泊本身的分布以及周围土地使用情况等陆地大环境因素所带来的影响。两种方式的土地利用变动会对浮游植物的基础生产能力造成影响。第一种方式是通过调整水的清澈程度、水温等实际环境，从而直接作用于浮游植物的基础生产能力。第二种方式是通过调整水体内的化学成分含量，从而作用于浮游植物的基础生产能力。

二、浮游植物固碳的多主体仿真

（一）基于多主体理论的建模概述

研究提出湖泊社会生态管理系统的多主体仿真模型，如图1所示。该系统由四个部分组成：浮游植物行为部分、浮游动物行为部分、物化因素部分以及镇区管理者决策部分。其中，前三个部分构成了浮游植物固碳管理的主要部分，而最后部分属于边界系统。水温、光照、氮、磷的营养成分，浮游生物数量，都在一定程度上决定了浮游植物的固碳能力。为了维持湖泊的生态平衡并满足其开采使用的要求，湖泊管理人员根据当前的水环境质量和固碳能力，设立相应的水质和固碳的目标，并且通过设计污染物管理策略以及生物管理策略对湖泊物理、化学元素以及浮游动植物的分布情况进行调控[2]。在仿真模型中，浮游植物和浮游动物为主要典型主体，物理和化学环境是构建模型的基本要素，管理决策子系统属于边界系统，利用NetLogo计算机模拟工具来完成模型的构建。

图1：湖泊社会生态管理系统的多主体仿真模型理论框架

（二）氮、磷营养盐的行为建模

氮和磷营养盐在水生生态系统中占据了关键的地位和基础，为水生生物的发展提供了必要的物质环境。在水环境下，氮和磷的转移和变化是一个极其复杂的过程，受到物理、化学、生物等众多因素的作用，主要体现在扩散、吸收和排出、氧化和还原、挥发、重力沉降等。为了简化氮和磷在水环境中的行为，研究只关注自然界和工程领域中最常见的扩散现象以及浮游植物和浮游动物对其的吸收和释放，如图2所示。首先，营养盐需要判断是否与浮游植物相遇，如果是则被浮游植物吸收。然后，营养盐进入浓度差扩散阶段后，返回到下一轮运行的起始阶段。

图2：Patch中氮和磷属性的状态示意图

（三）浮游植物的行为建模

浮游植物是湖泊浮游植物生产力的基础，同时也是湖泊管理的核心，而且它们的数量和代谢情况会对湖泊固碳造成显著的影响。在模型中，浮游植物实体都拥有其特定的状况，包括空间位置、生物量和行为状态，而行为状态则可以进一步细分为移动、死亡、消耗、生长和繁殖等不同状态，如图3所示。鉴于行为状态的改变会影响到其在地理上的位置和数量，因此只会解释关于行为状态的建立过程。需要强调的是，在实际中每个行为状态都是相互关联的，例如，浮游植物在繁殖过程中也会消耗一部分能量以保持其代谢。然而，在研究模型中，应该尽可能将这些相互关联且具有时间顺序的两个或更多行为状态视为一体

[3]。

图3：浮游植物主体行为状态示意图

（四）浮游动物的行为建模

浮游动物是浮游植物的主要捕食者，其数量和分布对浮游植物的群落有着显著的作用。在浮游动物中，每一种都拥有其独特的空间位置、生物量以及行为状态。空间位置与生物量的改变会影响到行为状态的变化，因此需要解释关于行为状态的建模过程。在实际中每个行为状态可能存在重叠，但在建模过程中，将这些重叠的行为状态视为两个或更多的独立且按照时间顺序排列的行为状态。浮游动物的行为状态，如图4所示。

图4：浮游动物主体行为状态示意图

三、结果分析

（一）揭示跨尺度水陆环境因素对湖泊浮游植物固碳的影响

通过“嵌套式”的数据架构，对跨尺度水陆环境因素之间的联系进行抽象模拟，同时，将多层次线性模型融入识别影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素的研究中。在研究中，采取层次化的方法，以此来提出微观假设子框架，如水体透明程度、水温以及浮游植物数量，都会对其固碳产生直接的影响；水温、氮磷比例、轮虫数量、枝角动物数量以及桡足动物数量，都会对浮游植物的生长产生直接的影响，同时也会对浮游植物的固碳能力产生间接的影响；湖泊附近的土地使用情况的改变会对水质产生直接的影响，同时也会对浮游植物固碳的宏观假设产生间接的影响。

（二）将计算与仿真等新概念用于构建湖泊社会生态管理系统

据研究显示，湖泊社会生态管理系统具备多目标层次，且具备显著的浮动特征，说明微小物理因素、浮游植物以及浮游动物的个人活动与相互作用的改变，都能够从宏观系统角度产生并对湖泊固碳含量以及水环境质量产生影响。对“浮游植物行为子系统”“浮游动物行为子系统”“物化因子环境子系统”以及“管理者决策子系统”这四大子系统进行定义。对前三个子系统进行量化研究，包括浮游植物和浮游动物子系统中浮游生物的消耗、生长、繁殖、移动、死亡、捕食与被捕食行为以及物化因子环境子系统中氮、磷营养盐的扩散、被消耗、释放等现象，同时也研究了各子系统间生物碳、氮、磷等物质的交换规则。作为边界系统的管理者决策子系统，通过制定相应的湖泊管理政策来调整核心系统的状态。

结论：湖泊固碳能力不仅受到微观环境中水温、氮、磷和浮游生物数量的影响，同时也受到宏观环境中土地利用覆盖和变化的影响。研究引入“湖泊社会生态管理体系”概念，并将“水环境质量只有向好的方向发展”的限制性管理目标融入其中，进一步提出“固碳量”的灵活指标和“水环境质量”的限制性指标的综合性的系统性管理决策模型。

参考文献：

[1]田育青. 湖泊浮游植物固碳能力调控因子与管理策略研究[D].华中科技大学,2021.

[2]刘海英. 海洋中真核浮游植物的固碳能力不可小觑[N]. 科技日报,2010-04-17(002).

[3]李伟英. 海洋浮游植物光合固碳及其机理[D].厦门大学,2020.