水动力条件对藻类影响的实验研究

水动力条件对藻类影响的实验研究

（国内外研究现状）

研究方向1：扰动的水流对水体中悬浮物及营养盐的浓度分布产生影响，进而间接影响水体中藻类的生长

主要观点：

1.水流由于受到风、浪、湖流等水动力因素的影响产生变化，从而对水体沉积物产生扰动。其中所富含的营养盐便会伴随着沉积物的再悬浮和迁移等过程而释放出来，从而为富营养化藻类生长提供了必要的营养物质基础。

秦伯强等人就太湖蓝藻水华往往伴随着大风过程之后爆发的现象展开调查，通过对太湖水动力过程的观测研究之后，提出以水动力驱动为基础的太湖内源释放的概念性模式[1-3], 认为周期性的剧烈的风浪扰动不断打破水土物理界面, 将底泥间隙水中大量的活性营养盐释放到水体是太湖磷释放的主要模式，并且在太湖梅梁湾观测到典型风浪引起的水体营养盐浓度增高的现象。张路，范新成[4]等人利用恒温震荡器构筑的模拟水流扰动环境,研究了太湖水-沉积物界面的磷释放和吸附行为及其对藻类生物量的影响。结果表明：沉积物的磷释放和吸附作用是同时存在的，何种作用为主取决于上覆水体中磷酸盐的浓度及扰动强度等因素的综合作用。扰动强度增大、上覆水磷酸盐浓度较低有利于磷的释放，反之当外部磷酸盐浓度较高时，则吸附作用是主要的。沉积物在水体扰动条件下的释磷作用对夏季藻类的持续暴发起了一个推波助澜的作用。由于夏季强风过境频频,湖流波浪使沉积物处于扰动状态，再悬浮强烈，沉积物释磷作用显著，这些释放的磷酸盐对藻类的持续暴发起了一个后续营养库的作用. 因此扰动条件下的释磷作用可能是太湖藻类生物量在夏季能居高不下的主要原因之一。彭进平，逄勇[5]等人以环形水槽为研究手段，利用其可控的流速及可模拟的无限长，模拟研究了不同流速对湖泊（太湖）水体中磷素质量浓度的影响。结果表明，在研究范围内，溶解性磷质量浓度与水体流速有着明显的正相关关系,其关系式为：y=0.003x+0.0404，r2=0.9612；而在低流速下，溶解性磷TDP是TP的主要组成成分，其质量浓度的相对比例可高达87%；溶解性磷TDP是水体藻类可直接利用的养分，在如此丰富的可直接供给的养分下，藻类必然会蓬勃生长；同时，低流速也导致了较轻的藻类上浮，两者结合，再加上水流的单向流动而致使表层藻类富集。彭进平等人[6]还通过对水动力过程后水体磷素的变化的研究，就其对富营养化的贡献作了分析探讨。研究表明，水动力过程后，TP的质量浓度因重力对含磷颗粒的作用而随沉降时间的延长而渐渐变小，且初期幅度大，后期则趋于平稳；而TDP 的质量浓度则在初期因悬浮物的脱附作用而增大，继而随着悬浮物的粘带作用沉降而减少，但经足够长的静置沉降，其又由于水底沉积物的释放作用而增加，有初期“汇”，后期“源”的特点。而分析则表明：水动力过程后，水体磷素会因沉降而变小，但在相当长（50 min）的时间里，其质量浓度仍处于高值，从而为湖泊的富营养化提供了最为必要的营养成分，加上不停地受到包括风动力在内的影响，这应是浅水湖泊富营养化，并难以治理的根源。朱广伟[8]在一次风速12 m/s的强风浪过程中及在连续多天弱风浪之后，对太湖梅梁湾一浅水区营养盐、悬浮物等的垂向分布进行了实地观测和分析。结果表明, 在水底沉积物约20 cm的情况下，强风浪期间与弱风浪期间相比，湖水中悬浮物浓度提高了10倍，总磷浓度提高了近3.6倍。

2.风浪作用所造成水流扰动促使底泥再悬浮，增加了水体营养盐浓度, 可能会促使初级生产力增加, 但同时由于悬浮物浓度增加降低了透明度又会抑制水体的初级生产力。

国外许多浅水湖泊和海湾的研究也表明悬浮物浓度对透明度、光衰减系数、真光层深度甚至湖泊初级生产力均有显著的影响[9-13]。Pierson等[11]基于一个半分析模型对瑞典Mälaren

湖的研究发现，无机颗粒物对PAR真光层的影响约占60%。James等[12]在大型浅水湖Peoria 湖研究发现PAR衰减系数在低风浪下超过10m−1, 而在大风浪情况下则高达25m−1以上，其与悬浮物、透明度均存在显著性相关。秦伯强等人在太湖内源释放的研究上最后所关注的焦点是底泥释放出来的营养盐有多少能被浮游植物所利用, 形成多大的生物生产力。由于太湖真光层深度大部分湖区无法到达湖底，而营养盐的释放无论是静态还是动态则主要集中水土界面和上覆水下部[3], 如果这部分营养盐无法扩散到真光层深度范围内，浮游植物则无法有效利用这部分营养盐, 因而内源释放的营养盐对浮游植物生长的支撑就会受到一定限制。由此可见，风浪作用造成的底泥再悬浮增加了水体营养盐浓度，可能会促使初级生产力增加，但同时由于悬浮物浓度增加降低了真光层深度又会抑制湖泊初级生产[14]。

参考文献：

1秦伯强，胡维平，陈伟民.太湖梅梁湾水动力及相关过程的研究[J].湖泊科学，2000，12(4):327-335

2秦伯强, 范成新1 大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨[J ]1 中国环境科学, 2002 , 22 (2) : 150 - 1531

3秦伯强, 胡维平, 张金善, 等1 太湖沉积物悬浮的动力机制及内源释放的概念性模式[J ]1 科学通报, 2003 , 48(17) : 1822 - 18311

4.张路，范成新，秦伯强.模拟扰动条件下太湖表层沉积物磷行为的研究[J].湖泊科学，2001，13(1):35-42

5.彭进平，逄勇，李一平，丁玲，陆玉忠，李景波.水动力条件对湖泊水体磷素质量浓度的影响[J].生态环境，2003，12(4）:388-392

6.彭进平，逄勇，李一平，丁玲，吴昭巧.水动力过程后湖泊水体磷素变化及其对富营养化的贡献[J].生态环境，2004,13(4):503-505

7.李一平，逄勇，陈克森等.水动力作用下太湖底泥启动规律研究[J].水科学进展，2004，15（6）：770-774

8.朱广伟，秦伯强，高光.强弱风浪扰动下太湖的营养盐垂向分布特征[J].环境科学，2004(6)

9.James R T, Martin J, Wool T, et al. A sediment resuspension and water quality model of Lake Okeechobee. J Am Wat Resour Ass,1997, 33: 661~680

10.Van Duin E H, Blom G, Los F J, et al. Modeling underwater light climate in relation to sedimentation, resuspension, water quality and autotrophic growth. Hydrobiologia, 2001, 444: 25~42

11.Pierson D C, Markensten H, Strömbeck N. Long and short termvariations in suspended particulate material: the influence on light available to the phytoplankton community. Hydrobiologia, 2003, 494: 299~304

12.James W F, Best E P, Barko J W. Sediment resuspension and light attenuation in Peoria Lake: can macrophyte improve water quality

in this shallow system? Hydrobiologia, 2004, 515: 193~201

13 Schallenberg M, Burns C W. Effects of sediment resuspension on phytoplankton production: teasing apart the influences of light, nutrients and algal entrainment. Freshwater Biology, 2004, 49(2):143~159

14.张运林，秦伯强，胡维平太湖典型湖区真光层深度的时空变化及其生态意义[J].中国科学（地球科学），2006，36（3）：287-296 研究方向2：（风、浪、湖流等因素所引起的）水动力变化对水体中浮游植物迁移、分布及群落演替方面的影响

主要观点：

水动力变化会对浮游生物的多寡、分布、迁移等产生影响。特别是在大型浅水湖泊中，水动力的作用更加明显。太湖蓝藻水华的主要种类微囊藻的分布，围隔实验显示：随风漂移外来的微囊藻数量大大超过在该区域内生长的微囊藻。漂移微囊藻叶绿素a的浓度是该水域内生长的微囊藻叶绿素a的5倍[15]。Webster[16]曾建立了一个简单的二维藻类迁移模型并提出一个理论，即由于风场的持续作用使得漂浮藻类叩在时空分布上产生很大差异, 漂浮藻类将明显堆积于迎风岸边。Webster[17]等后来又进一步对模型加以改进, 引入了更符合实际的涡旋扩散系数的参数化方案, 从理论上提出存在着一个临界风速, 风速大于还是小于临界风速对藻类在湖泊中的迁移影响很大。朱永春，蔡启铭[18]等在Webster等人工作的基础上, 以三维湖流为背景, 考虑了波浪及藻类自身浮力的影响, 建立了一个太湖梅梁湾三维藻类迁移模型, 以研究在不同风场作用下藻类在湖泊中的迁移过程模拟结果表明, 不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大, 并且存在着一个临界风速, 其范围在一之间, 当风速小于临界风速时, 水面可以近似看作水动力光滑, 没有波浪产生, 在水表面藻类顺着风向迅