湖泊富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型研究進(jìn)展

潘婷，秦伯強(qiáng)，丁侃

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是全球最為突出的水環(huán)境問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。2020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，在開(kāi)展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的110個(gè)重要湖庫(kù)中，中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)高達(dá)90.9%，我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況不容忽視[2]。基于理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合構(gòu)建的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型，能夠揭示湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，評(píng)估和預(yù)測(cè)水質(zhì)水環(huán)境變化趨勢(shì)，是開(kāi)展湖泊定量評(píng)價(jià)和科學(xué)治理與管理的重要工具。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著生態(tài)過(guò)程機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型不斷發(fā)展[3]?，F(xiàn)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型的發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，指出存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望，以期為開(kāi)展富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型研究及應(yīng)用提供參考。

1 富營(yíng)養(yǎng)化模型分類

湖泊的模擬在很多方面與河流不同，由于湖泊換水周期較長(zhǎng)，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化敏感程度較大，對(duì)湖泊的研究側(cè)重浮游植物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)。傳統(tǒng)研究中一般將富營(yíng)養(yǎng)化模型分為3類：?jiǎn)我粻I(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷模型、浮游植物相關(guān)模型和生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型[3]，然而第1類和第2類模型都是針對(duì)藻類與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系建模，生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型又包含著前面2類的關(guān)鍵狀態(tài)變量，因此，這種分類方法很難突出反映湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的要素?，F(xiàn)根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化模型的建模核心分為3類：第1類是以營(yíng)養(yǎng)鹽為核心的模型，第2類是以水體初級(jí)生產(chǎn)力為核心的模型，第3類是以湖泊整體為核心的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。這種分類方法考慮了影響富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素及其相互作用，第1類是以引起富營(yíng)養(yǎng)化的直接因素營(yíng)養(yǎng)鹽為建模核心，第2類是以富營(yíng)養(yǎng)化的重要衡量指標(biāo)初級(jí)生產(chǎn)力為建模核心，第3類則是以整個(gè)湖泊動(dòng)力場(chǎng)變化和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系為建模核心。

1.1 以營(yíng)養(yǎng)鹽為核心的模型

早期模型大都是依據(jù)平衡準(zhǔn)則研究水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化過(guò)程，典型代表是Vollenweider(VOL)模型。1968年，加拿大湖沼學(xué)家Vollenweider[4]首次建立了能夠反映夏季藍(lán)綠藻和磷負(fù)荷關(guān)系的模型，并于1975年提出了第1個(gè)預(yù)測(cè)水體營(yíng)養(yǎng)狀況的VOL模型。該模型假定水體均勻混合，依據(jù)物質(zhì)平衡準(zhǔn)則，湖泊水體中磷的變化等于單位容積內(nèi)輸入的磷減去輸出的磷以及從水柱中沉積到底泥中的磷[5]，該模型能夠預(yù)測(cè)湖泊中的營(yíng)養(yǎng)鹽的長(zhǎng)期變化狀況，但不能反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，如未考慮底泥向水柱中釋放磷的過(guò)程。研究表明，湖泊底泥釋放的磷是湖泊中水體磷的主要來(lái)源之一，如太湖底泥釋放的磷總量貢獻(xiàn)了藍(lán)藻水華暴發(fā)期間對(duì)磷需求總量的23%～90%[6]。

研究人員采用涵蓋營(yíng)養(yǎng)鹽與浮游植物2種要素的動(dòng)力學(xué)方程去模擬浮游植物的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)變化過(guò)程。Dugdale[7]使用源自酶動(dòng)力學(xué)的Michaelis-Menten(M-M)方程，描述了穩(wěn)態(tài)條件下藻類生長(zhǎng)隨營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化情況。兩者的關(guān)系可用下式表示：

(1)

式中：μ——生長(zhǎng)速率；μmax——最大生長(zhǎng)速率；S——環(huán)境水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度；KS——營(yíng)養(yǎng)鹽半飽和常數(shù)。

由于浮游植物具有儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)鹽的功能，可能會(huì)大量吸收環(huán)境水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，上述公式并未全面揭示藻類生長(zhǎng)率動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，根據(jù)此種現(xiàn)象，Droop[8]認(rèn)為藻類生長(zhǎng)速率取決于細(xì)胞內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。表達(dá)式如下：

(2)

式中：μ——生長(zhǎng)速率；μmax——最大生長(zhǎng)速率；C0——細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽的最低濃度；C——細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。

公式(2)將生長(zhǎng)速率與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，但藻類的生長(zhǎng)實(shí)際上是細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的綜合反映[9]，該公式無(wú)法評(píng)估環(huán)境水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的影響，將其作為湖泊管理模型使用時(shí)，則需要了解細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)鹽變化過(guò)程，降低了模型的可利用性。

1.2 以水體初級(jí)生產(chǎn)力為核心的模型

湖泊水體的初級(jí)生產(chǎn)力是評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)。水體初級(jí)生產(chǎn)力的高低取決于溶解氧、光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、植物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境等多種因素。早期Smith等[10]提出生物-光學(xué)模式計(jì)算水體初級(jí)生產(chǎn)力。Behrenfeld等[11]建立了估算水體初級(jí)生產(chǎn)力的VPGM模型，模型參數(shù)有溫度、葉綠素a濃度等，其中各項(xiàng)參數(shù)可通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)的手段獲得，該模型在估算湖泊、海洋等水體的初級(jí)生產(chǎn)力方面得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 以湖泊整體為核心的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型

湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是以湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、時(shí)空變化規(guī)律為研究對(duì)象，并分析湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫-響應(yīng)機(jī)制。生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型涵蓋生態(tài)過(guò)程和水動(dòng)力過(guò)程，以質(zhì)量平衡為理論依據(jù)，主要考慮物理遷移擴(kuò)散項(xiàng)以及由生物、化學(xué)、物理過(guò)程引起的源匯變化等，建立相關(guān)微分方程組，運(yùn)用數(shù)值方法求解，模擬預(yù)測(cè)湖泊中的生物與非生物成分變化及其之間的相互作用等[12]。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型有CAEDYM、PCLake、AQUATOX、WASP、EFDC、MIKE、Deflt-3D、CE-QUAL系列等[13-14 ]，現(xiàn)重點(diǎn)介紹CAEDYM、PCLake、AQUATOX、WASP模型，其研發(fā)者、適用范圍、關(guān)鍵狀態(tài)變量、主要特點(diǎn)及局限性對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 4種常用生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)比

1.3.1 CAEDYM模型

CAEDYM模型是由澳大利亞西澳大學(xué)水研究中心研發(fā)，基于傳統(tǒng)的“N-P-Z”(nutrients-phytoplankton-zooplankton)模型延伸擴(kuò)展，模型模擬對(duì)象主要有碳、氮、磷、溶解氧循環(huán)以及浮游動(dòng)植物動(dòng)力學(xué)過(guò)程，尤其適用于底泥釋放比重大的湖泊[15]。CAEDYM模型能夠同一些水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。根據(jù)研究目標(biāo)的不同，可以與一維水動(dòng)力模型如DYRESM模型耦合研究湖泊分層變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[16]，也可以與三維水動(dòng)力模型如ELCOM模型耦合全面系統(tǒng)地研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部變化規(guī)律[17]。

1.3.2 PCLake模型

PCLake模型是由荷蘭湖沼生態(tài)模型學(xué)家Janse等研發(fā)，最初研發(fā)是針對(duì)溫帶地區(qū)的淺水非分層湖泊，該模型綜合考慮了水柱和頂層沉積物中的生物過(guò)程和非生物變化過(guò)程，生物過(guò)程如有對(duì)3類浮游植物(藍(lán)藻、綠藻和硅藻)的模擬，非生物過(guò)程如有對(duì)沉積物與水柱之間有機(jī)-無(wú)機(jī)物質(zhì)交換的描述[18]。針對(duì)原模型非分層的局限，通過(guò)水生生物地球化學(xué)模型框架(FABM)，PCLake可與多維水動(dòng)力模型耦合克服這一局限[19]。應(yīng)用PCLake模型，也可確定湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的營(yíng)養(yǎng)鹽閾值，研究氣候變化、生物操縱等對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的影響[20]。

1.3.3 AQUATOX模型

AQUATOX模型是由水生態(tài)模型CLEAN模型逐漸發(fā)展而來(lái)，由湖沼學(xué)家Park等研發(fā)，是為數(shù)不多的可以描述有毒化學(xué)物質(zhì)的綜合影響的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型之一，該模型同樣也可以模擬傳統(tǒng)的污染物的遷移轉(zhuǎn)換過(guò)程[21]。通過(guò)對(duì)研究對(duì)象的物理過(guò)程(光、風(fēng)、溫度等)、生物過(guò)程(植物與動(dòng)物)、營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化模擬以及有機(jī)有毒化學(xué)物質(zhì)遷移等過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究水體生態(tài)系統(tǒng)的全面模擬[22]。

1.3.4 WASP模型

WASP模型是由美國(guó)環(huán)保局(EPA)研發(fā)的水質(zhì)分析模擬軟件，WASP包含2個(gè)獨(dú)立的計(jì)算程序：DYNHYD和WASP，2個(gè)程序既可以聯(lián)合運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行。根據(jù)模擬污染物類型的不同，WASP水質(zhì)程序分為有毒化學(xué)模塊(TOXI)和富營(yíng)養(yǎng)化模塊(EUTRO)，可以模擬水體中溶解氧、氮、磷、藻類的遷移及其相互作用等，該模型比較適用于生態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、毒性物質(zhì)影響顯著的湖泊[23]。

2 模型應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 富營(yíng)養(yǎng)化影響機(jī)制探究

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化主要受到氣候變化、水動(dòng)力條件、外源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷輸入等因素的影響。近年的研究表明，氣候變化和水動(dòng)力條件是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化持續(xù)發(fā)展，特別是藻類水華暴發(fā)的關(guān)鍵因素[24-27]?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹并探究氣候變化、水動(dòng)力條件對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化影響的模型應(yīng)用。

2.1.1 氣候變化

氣候變化會(huì)造成氣溫、風(fēng)速、降水模式等變化，并會(huì)對(duì)湖泊的物理特性、生物化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響，富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型是揭示氣候變化對(duì)湖泊水環(huán)境影響機(jī)制的有效途徑。關(guān)于氣候變化這一因素的引入主要有2種方式，其一是在實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上直接加上變化幅度，其二是采用區(qū)域氣候模式(RCM)降尺度輸出數(shù)據(jù)作為富營(yíng)養(yǎng)化模型的驅(qū)動(dòng)變量。目前運(yùn)用模型探究湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)主要集中在2個(gè)方面，包括浮游植物生物量以及溶解氧濃度對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

浮游植物的生長(zhǎng)與溫度顯著相關(guān)，氣溫對(duì)水溫產(chǎn)生直接影響[28]。在全球變暖背景下，水溫升高會(huì)影響水體的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于深水湖泊而言，水溫升高、分層期提前均會(huì)造成浮游植物春季物候提前；同時(shí)水溫升高會(huì)提高藻類的光合作用及呼吸作用速率，進(jìn)而使得藻類生長(zhǎng)速率變化，在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的湖泊，氣候變暖延長(zhǎng)了生長(zhǎng)季節(jié)，進(jìn)一步促進(jìn)了藻類生長(zhǎng)[29]。Alex等[30]研究了氣候變暖對(duì)Bassen湖中浮游植物生長(zhǎng)過(guò)程的影響，應(yīng)用RCM降尺度輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PROTECH模型，結(jié)果顯示水溫升高，導(dǎo)致春季浮游植物生長(zhǎng)提前，營(yíng)養(yǎng)鹽提前消耗限制了夏季水華的暴發(fā)。Trolle等[31]運(yùn)用一維湖泊生態(tài)模型DYRESM-CAEDYM研究氣候變化對(duì)3種不同營(yíng)養(yǎng)化程度湖泊的影響，預(yù)測(cè)溫度變化對(duì)湖泊中總磷、總氮和葉綠素a的影響。Tang等[32]根據(jù)GCM模型輸出的氣象數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)EFDC模型模擬太湖在未來(lái)氣候情景下的水質(zhì)變化，結(jié)果表明，藍(lán)藻暴發(fā)時(shí)間每10 a大約提前6 d。

影響溶解氧生物化學(xué)機(jī)制的過(guò)程主要有大氣復(fù)氧、碳化需氧、硝化作用耗氧、浮游植物耗氧、底泥耗氧、浮游植物制氧及細(xì)菌呼吸耗氧等[33]。富營(yíng)養(yǎng)化模型立足于描述上述各個(gè)過(guò)程，以此研究溶解氧濃度變化的內(nèi)在機(jī)制及驅(qū)動(dòng)因子。水溫、風(fēng)速、風(fēng)向可通過(guò)影響湖泊中這些物理、生物、化學(xué)過(guò)程影響溶解氧的空間分布和時(shí)間變化。Bocaniov等[34]運(yùn)用三維水動(dòng)力生態(tài)模型ELCOM-CAEDYM探究Erie湖中溶解氧對(duì)氣溫、風(fēng)速的響應(yīng)，溫度升高和風(fēng)速降低會(huì)延長(zhǎng)湖泊的熱力分層時(shí)間，增加了低氧和缺氧區(qū)域的大小和持續(xù)時(shí)間。

湖泊對(duì)氣候變化能迅速做出反應(yīng)，氣候變化直接與間接交互影響著湖泊的生態(tài)系統(tǒng)功能，運(yùn)用富營(yíng)養(yǎng)化模型能夠定量衡量氣候變化的影響大小以及進(jìn)行歸因分析，揭示氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響亟須研究。

2.1.2 水動(dòng)力條件

水華暴發(fā)形成的必要條件之一是藻類長(zhǎng)期處于弱水動(dòng)力環(huán)境中[35]。水體水動(dòng)力環(huán)境包括水力停留時(shí)間、水體擾動(dòng)、流速等多種因子，這些因子與藻類生長(zhǎng)繁殖密切相關(guān)，是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素[36]。

針對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制，運(yùn)用水動(dòng)力模型模擬湖流流場(chǎng)等，對(duì)于認(rèn)識(shí)湖泊環(huán)境變化意義深遠(yuǎn)[37]。林衛(wèi)青等[38]以淀山湖為研究對(duì)象運(yùn)用Delft3D模型探究了水力停留時(shí)間對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響，研究發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間對(duì)水體中浮游植物是否過(guò)度生長(zhǎng)有著重要影響。秦伯強(qiáng)[37]、胡維平[39]、吳挺峰[40-41]、李未[42]等針對(duì)太湖開(kāi)展了一系列有關(guān)水動(dòng)力影響的研究，研究結(jié)果表明在不同的風(fēng)向和風(fēng)力作用下，引起的水動(dòng)力狀態(tài)變化、水流對(duì)藻類的夾帶和釋放對(duì)藍(lán)藻水華的暴發(fā)和消失意義重大，同時(shí)輻合區(qū)的分布與水華聚集區(qū)相一致，輻散區(qū)的分布與未發(fā)生水華的區(qū)域相一致，正是由于輻合區(qū)和輻散區(qū)的時(shí)空分布隨風(fēng)場(chǎng)的變化不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致了藍(lán)藻水華在短時(shí)間尺度內(nèi)的高度時(shí)空分異性。

水動(dòng)力條件與湖泊水體的富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，以水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，耦合生態(tài)模型，可以深入研究水動(dòng)力因子對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展歷程的影響[36]。

2.2 決策服務(wù)

2.2.1 短期預(yù)警

藻類的大量生長(zhǎng)繁殖是水華發(fā)生的重要原因，運(yùn)用富營(yíng)養(yǎng)化模型研究浮游植物的生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)藻類生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)短期內(nèi)湖泊浮游植物生物量的時(shí)空分布，對(duì)于做好防控預(yù)警工作意義重大[43-44]。隨著模型方法的逐漸發(fā)展完善，以及高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可獲得性，使得藻類水華精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)警成為可能。

短期預(yù)警的工作主要是在生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，國(guó)內(nèi)對(duì)太湖、巢湖等開(kāi)展了一系列藻類水華短期預(yù)警研究，研究成果也得到了實(shí)踐應(yīng)用。針對(duì)太湖生態(tài)系統(tǒng)，李未等[45]建立了一種藻類水華短期數(shù)值預(yù)報(bào)方法，為實(shí)現(xiàn)水華的早期防控提供了有效的技術(shù)支撐；Zhang等[46]研發(fā)了基于Windows系統(tǒng)的太湖生態(tài)模型(WSE)軟件，該軟件封裝了相關(guān)函數(shù)、邊界條件和參數(shù)設(shè)置等，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果基本一致；葉瑞等[47]基于ELCOM-CAEDYM模型構(gòu)建了太湖藍(lán)藻水華預(yù)警平臺(tái)，在已有研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)對(duì)于處在下風(fēng)向的湖灣，湖灣外來(lái)藍(lán)藻輸入量的大小可能取決于湖灣的主軸線與風(fēng)向之間的夾角。針對(duì)巢湖生態(tài)系統(tǒng)，扶磊等[48]基于FVCOM-FABM-PCLake生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽集中在巢湖湖西區(qū)域，該區(qū)域易聚積大量水華；蔣晨韻等[49]以巢湖2016年9月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為建?；A(chǔ)，模擬結(jié)果顯示在溫度適宜、營(yíng)養(yǎng)鹽充足的條件下，風(fēng)速和風(fēng)向是影響水華暴發(fā)的關(guān)鍵因子；邱銀國(guó)等[50]構(gòu)建的巢湖水動(dòng)力-水質(zhì)-藻類耦合的水華預(yù)測(cè)預(yù)警模型，對(duì)于實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華科學(xué)防控意義重大。水華預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于生態(tài)模型的模擬精度，驅(qū)動(dòng)預(yù)警模型氣象因子的預(yù)測(cè)，且后期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果存在一定的不確定性，預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的差異。

2.2.2 湖泊管理

湖泊管理修復(fù)的主要措施之一是削減營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷，富營(yíng)養(yǎng)化模型能夠模擬營(yíng)養(yǎng)物削減與湖內(nèi)水質(zhì)響應(yīng)的關(guān)系，為湖泊管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。Zhang等[51]運(yùn)用生態(tài)模型WASP，研究了Winnipeg湖多個(gè)氮磷負(fù)荷情景，評(píng)估氮磷負(fù)荷變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響，結(jié)果顯示削減磷負(fù)荷后，與參考營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷情景相比，藍(lán)藻占比隨之下降，夏末浮游植物生物量峰值降低，促進(jìn)了非固氮藍(lán)藻的生長(zhǎng)。陳小華等[52]采用Mike-Ecolab水動(dòng)力-富營(yíng)養(yǎng)化耦合模型模擬營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷衰減對(duì)洱海水環(huán)境的影響，在預(yù)設(shè)的4種入湖營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷削減模式下，在2015年均可達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)推薦值(0.44 mg/L)，在2030年可能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)推薦值(0.23 mg/L)。

以上研究都是基于假定的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷削減情景，研究結(jié)論與實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距，無(wú)法直接應(yīng)用到湖泊的具體管理實(shí)施過(guò)程，因此需要將水文模型、面源污染模型與富營(yíng)養(yǎng)化模型耦合，模擬湖泊對(duì)流域?qū)嶋H營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷輸入的響應(yīng)過(guò)程，但水文模型、面源污染模型與富營(yíng)養(yǎng)化模型累積的不確定性限制了建模成果的應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了一系列復(fù)雜程度不同的富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型的研究重點(diǎn)與適用范圍，需要根據(jù)特定研究目標(biāo)選取合適的模型解決水環(huán)境問(wèn)題。以營(yíng)養(yǎng)鹽、初級(jí)生產(chǎn)力為核心的富營(yíng)養(yǎng)化模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，在一定程度上可以預(yù)測(cè)水體水質(zhì)狀況；但浮游植物的生長(zhǎng)不僅與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境、水體中營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān)，水體中的其他生物與非生物成分、水動(dòng)力條件、外部環(huán)境中的氣象條件等都會(huì)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生影響，生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的建立為綜合考慮這些因子提供了方法。生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型基于機(jī)理過(guò)程能動(dòng)態(tài)展示富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生發(fā)展過(guò)程，更符合實(shí)際，精度較高，但是這類模型的構(gòu)建需要跨學(xué)科的認(rèn)知基礎(chǔ)，包含的參數(shù)眾多，需要高質(zhì)量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，且有些參數(shù)較難測(cè)量或獲取成本較高，參數(shù)識(shí)別有一定的難度且需花費(fèi)大量的時(shí)間。

在富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型的發(fā)展中也存在一些問(wèn)題：(1)富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理模型的不確定性主要源于模型結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分辨率、參數(shù)等。模型中關(guān)于物理、生物化學(xué)過(guò)程的處理包含著一定的假設(shè)和概化，不同模型對(duì)各個(gè)過(guò)程的處理存在差異，多模型聯(lián)合應(yīng)用可以降低建模結(jié)果的不確定性及加強(qiáng)模型的穩(wěn)健性；現(xiàn)階段遙感技術(shù)的應(yīng)用可提供時(shí)空分辨率更高的數(shù)據(jù)，提高對(duì)有害藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)的理解，進(jìn)而改進(jìn)模型，因此，監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步也可能會(huì)促進(jìn)模型的改進(jìn)。(2)模型的復(fù)雜程度與模擬精度的關(guān)系并不呈單調(diào)遞增關(guān)系，模型并非越復(fù)雜精度越高，明確研究目標(biāo)后，在建模時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾、關(guān)鍵過(guò)程，才能在有限的資源下，更好地研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程。