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入海氮磷负荷演变及其对珠江河口水质—水生态过程的影响机制研究

入海氮磷负荷演变及其对珠江河口水质—水生态过程的影响机制研究

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作者：张宇健东莞理工学院

学位级别：硕士

河口是流域与海洋的交汇地带,独特的物理化学环境提供着重要的生态系统服务。随着社会经济发展,沿海流域高强度人类活动导致大量氮磷营养物质输入河口,改变了河口水体物理化学性质,影响了浮游植物等水生生物的生长,并通过食物网级联作... 详细信息

河口是流域与海洋的交汇地带,独特的物理化学环境提供着重要的生态系统服务。随着社会经济发展,沿海流域高强度人类活动导致大量氮磷营养物质输入河口,改变了河口水体物理化学性质,影响了浮游植物等水生生物的生长,并通过食物网级联作用进一步影响了河口生态系统的结构和功能。当前研究较少从沿海地区社会经济发展与河口生态环境保护统筹兼顾的复合视角关注河口水生态系统对流域人类活动氮磷排放活动的动态响应,流域与河口间的相互影响机制仍有待于进一步研究。本研究针对珠江河口上游流域超量氮磷负荷输出与河口生态系统稳定性维持之间的矛盾,从“社会经济-生态”的整体视角开展研究。首先,以东江-北江-珠江三角洲流域和珠江河口伶仃洋水域作为研究区域,收集历史数据并制定共享社会经济路径(SSPs)情景,构建入海氮磷负荷估算模型,分析流域氮磷负荷输出历史演变规律和未来变化趋势;然后,构建二维水动力-水质耦合模型,模拟不同情景下珠江河口氮磷浓度时空分布特征;最后,以水质变化下浮游植物生物量为关键变量,基于食物网模型进一步探究生态系统结构和功能变化,从而明确珠江河口生态系统稳定性对流域氮磷负荷输入的响应,并提出面向生态系统稳定性维持的政策建议。主要结论如下:(1)1990-2010年东江、北江、珠江三角洲流域的氮磷负荷输出呈上升趋势,2020年氮磷负荷输出有所下降。对比2020年,只有在SSP1(可持续发展路径)情景下所有流域无机氮磷负荷输出实现负增长。SSP3情景下氮磷负荷输出增长最高(42-47%),其次是SSP5、SSP4和SSP2情景。清远市、韶关市和河源市是氮磷负荷输出热点城市,化肥施用是无机氮磷负荷的主要贡献源。对于高城镇化地区而言,人类排泄物逐步成为最主要的氮磷负荷来源。减少化肥施用量或提高化肥重复利用率能有效减少以农业为主的区域氮磷负荷输出,在城市发展过程中应注重提高乡镇居民排污接入污水处理系统的比率。(2)水动力条件是主导珠江河口整体氮磷浓度时空分布格局的重要因素,氮磷浓度从入海口沿西北-东南向外海逐渐降低,东西两岸比河口中部氮磷浓度更高。入海口附近水域受氮磷负荷输入影响较大,属于重度富营养化状态,而外海水域富营养化风险较低且受影响较小。枯水期时河口整体水质更好。在最低氮磷负荷输入(SSP1)情景下珠江河口入海口区、河口中部和沿岸水域依然有较高富营养化风险,因而削减氮负荷输入对改善珠江河口水质和减轻富营养化压力有重要意义。(3)浮游植物等初级生产者对大多数更高营养级功能组的生物量积累起正向促进作用,是珠江河口生态系统最重要的功能组之一。然而,浮游植物较低的生态转化效率表其明物质和能量未被充分利用。系统连接指数、系统杂食指数、上升性、维持性等属性指数均表明珠江河口尚属于不成熟生态系统,稳定性有待提高。未来不同情景氮磷负荷输入变化将不会对当前珠江河口生态系统稳定性造成显著冲击。枯水期外海水域浮游植物生物量相对较低,可能无法为更高营养级生物提供足够的物质、能量基础,也会导致生态系统趋于不稳定状态。

关键词：人类活动入海氮磷负荷珠江河口水质变化生态系统稳定性

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