人类活动对白洋淀水生态系统影响的数值模拟研究

作     者：马艺菲 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尤学一

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：白洋淀 富营养化 微塑料 生态补水 MaxEnt Ecopath with Ecosim 水动力与水质模型 

摘      要：人类活动的干扰使得水生态系统的结构和功能遭到了很大程度的破坏。水质退化造成的富营养化以及最近发现的微塑料污染问题是两个重要的水环境问题,已受到人们的广泛关注。目前有关生态补水和富营养化如何改变不同营养级水生生物在水生生态系统中的地位,对关键食物网的影响机制,以及自然水生生态系统中微塑料浓度随时间的潜在变化趋势和如何通过食物网富集的效应等关键问题尚不清楚。因此,本文基于Ecopath with Ecosim模型建立了白洋淀生态系统Ecopath模块,得到了白洋淀的食物网分布。在此基础上,分析了富营养化对于不同营养级水生物的作用机制以及微塑料在不同营养级间的传输以及富集情况。此外,基于Max Ent模型评估了生态补水对于白洋淀水生物栖息地的影响。本文研究以白洋淀为例,取得的主要成果如下:(1)应用Ecopath with Ecosim模型,对白洋淀的生态系统状况、富营养化与水生生物量和关键食物网的关系进行了研究。研究发现,白洋淀生态系统正处于尚不成熟的发展状态。在轻度和中度富营养化条件下,不同营养级的水生生物在食物网中的重要性随着富营养化指数的变化而变化。对于高营养级和低营养级的水生生物,水生生物生物量与富营养化指数的回归方程拟合精度很高,R在0.9以上,水生生物量主要与富营养化指数和时间相关。对于中层营养级水生生物,水生生物量与富营养化指数的回归方程拟合精度较低(0.80.9),说明中层营养级水生物生物量主要依赖于溶解氧、浮游植物生物量和时间。(2)利用Ecopath模型中的污染物示踪模块Ecotracer,建立了微塑料在白洋淀生态系统中水生生物食物网的累积效应模型。结果表明,微塑料在食物网中迅速扩散和积累,最终富集到最高营养级的水生生物黑鱼体内。水环境和生物体内微塑料的浓度随降雨强度呈周期性变化。从2009年开始,到2016年模拟结束,黑鱼、麦穗鱼、鲤鱼、鲫鱼、鳜鱼、杂鱼、草鱼、大型底栖动物、小型底栖动物和浮游动物体内的微塑料浓度分别是其初始浓度的3.97、2.87、2.35、1.8、1.48、1.8、1.86、1.98、1.99和3.49倍。由于黑鱼处于最高营养级,微塑料通过食物网的累积效应最为严重。此外,不同营养级间微塑料的积累具有时间延迟效应,营养级越高,延迟效应越明显。研究结果证明,Ecotracer是探索微塑料在食物网中富集效果的很好模型,微塑料在食物网中的富集现象严重,应引起重视。(3)以白洋淀主要经济鱼类鲤鱼为研究对象,采用水动力水质模型对2017年12月1日至2018年7月1日期间有无生态补水情况下的水动力和水质进行了模拟。选择水深、叶绿素a(Chla)、水温、总磷(TP)、氨氮(NH-N)、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)作为环境变量,应用Max Ent模型对有无生态补水情况下鲤鱼的潜在栖息地分布进行了模拟。结果表明,补水改善了白洋淀的水质和水生生物的生存环境。与未补水情况相比,补水后白洋淀主要污染物浓度明显下降,综合富营养化指数(TLI)由81下降到74左右,水体中DO含量明显增加,鲤鱼最适宜生境面积增加约3.9528km。