太湖有机碳循环三维模型

太湖有机碳循环三维模型

湖泊是水生自然因素之一。这是地球水元素收集的地方之一。进入湖泊的碳,部分被出湖河流带至其他区域,部分被储存在湖底,部分通过水-气界面与大气进行交换,对大气碳的含量造成影响。而湖泊水体中的碳循环就更加复杂,浮游植物、浮游动物、鱼类、沉水植物、湖底沉积物、水动力条件乃至风场等因素都会对湖泊水体中的碳循环产生影响。目前,国内碳循环的研究重点主要集中在海洋,有关海洋碳循环模型及海-气界面二氧化碳交换的文章相当普遍,然而对湖泊水体的碳循环研究相对较少,至今也只严国安、陈毅凤等对内陆水体碳循环进行过简单的估算,而没有关于湖泊水体碳循环模型研究的相关报道。有鉴于此,本文在太湖三维水动力模型的基础上,首次建立了太湖湖泊水体碳循环模型,通过对太湖水体二氧化碳生物固定、有机碳降解、碳酸盐平衡、碳在不同营养级流动及空间输移、界面交换等过程的模拟,期望揭示太湖碳循环的特征,为弄清太湖水-气界面碳交换和湖泊对大气二氧化碳含量变化的影响奠定基础。1无机碳的来源太湖中的碳主要以有机碳和无机碳两种形态存在。湖泊水体中的有机碳来源有两种途径:一为外来,一为自生。其中外来的有机碳主要为地表径流带入的有机碳,它包括:①陆生植物的碎屑以及其在陆地上降解形成的腐殖酸等溶解性有机物;②陆生植物碎屑由风作用从湖面的输入;③人类活动产生的含有机碳的废水;④湖泊沉积物的再悬浮和沉积物释放。自生有机碳途径主要为湖泊水体浮游植物、高等水生植物光合作用及细菌的光化学反应。无机碳的来源途径也为外来和自生两种。外来途径包括:①陆生植物碎屑矿化形成的溶解和颗粒态无机碳随地表径流输入;②陆地碳酸盐风蚀、水解随地表径流输入;③大气中CO2通过水-气界面向湖泊水体的扩散;④湖泊沉积物的再悬浮和沉积物释放。自生主要包括湖泊有机碳在浮游动物、鱼类及微生物作用下的矿化分解及湖泊底泥中有机碳在底栖动物、微生物作用下的矿化。湖泊水体有机碳的输出主要为随出湖河道径流的输出、有机质在湖泊内矿化与降解、人类捕捞造成的输出。无机碳输出途径为径流输出、通过水气界面以气态CO2的输出以及向深层土壤的渗漏。所以太湖湖泊碳循环过程就可概化成图1。2水体各态碳的源汇本文所用水动力学模型参见文献,无机碳、有机碳、二氧化碳、浮游植物中的碳、浮游动物中碳的控制方程如下:∂C∂t+u∂C∂x+v∂C∂y+(w*-w0Η)∂C∂σ=Eh(∂2C∂x2+∂2C∂y2)+1Η2∂∂σ(Ez∂C∂σ)+s(C)+ε(C)(1)∂C∂t+u∂C∂x+v∂C∂y+(w∗−w0H)∂C∂σ=Eh(∂2C∂x2+∂2C∂y2)+1H2∂∂σ(Ez∂C∂σ)+s(C)+ε(C)(1)式中s(C)为源汇项;ε(C)为方程坐标变化水平扩散项产生的偏差项,其表达式如下:ε(C)=Eh{2Η∂2C∂x∂σ(∂h∂x-σ∂Η∂x)+∂2C∂σ21Η2(∂h∂x-σ∂Η∂x)2-2∂C∂σ1Η2∂Η∂x(∂h∂x-σ∂Η∂x)+∂C∂σ1Η(∂2h∂x2-σ∂2Η∂x2)+2Η∂2C∂y∂σ(∂h∂y-σ∂Η∂y)+∂2C∂σ21Η2(∂h∂y-σ∂Η∂y)2-2∂C∂σ1Η2∂Η∂y(∂h∂y-σ∂Η∂y)+∂C∂σ1Η(∂2h∂y2-σ∂2Η∂y2)}ε(C)=Eh{2H∂2C∂x∂σ(∂h∂x−σ∂H∂x)+∂2C∂σ21H2(∂h∂x−σ∂H∂x)2−2∂C∂σ1H2∂H∂x(∂h∂x−σ∂H∂x)+∂C∂σ1H(∂2h∂x2−σ∂2H∂x2)+2H∂2C∂y∂σ(∂h∂y−σ∂H∂y)+∂2C∂σ21H2(∂h∂y−σ∂H∂y)2−2∂C∂σ1H2∂H∂y(∂h∂y−σ∂H∂y)+∂C∂σ1H(∂2h∂y2−σ∂2H∂y2)}式中C为无机碳、有机碳、二氧化碳、浮游植物中的碳、浮游动物中碳的浓度;x为x方向坐标;y为y方向坐标;σ为σ方向坐标;t为时间;H为湖面到湖底的水深;w0为某态碳的下沉数度;w*为σ方向速度;Eh为水平方向的扩散系数;Ez为垂直方向扩散系数。水中各态碳的源、汇存在差异,所以各态碳均有不同的源、汇表达式。水体中无机碳源汇项s(Ic)表达式如下:s(Ιc)=koc+icwr-aic-sic-sdic+bco(2)s(Ic)=koc+icwr−aic−sic−sdic+bco(2)式中koc为水体中有机碳降解对水体无机碳的贡献;icwr为水体和底泥间隙水的交换对水体无机碳的贡献;aic为浮游植物对无机碳的吸收对水体无机碳的贡献;sic为沉水植物对无机碳的吸收对水体无机碳的贡献;sdic为颗粒态无机碳的沉降对水中无机的贡献;bco为水中的碳酸盐平衡对水体无机碳的贡献。水体中有机碳(由于本文对活体浮游植物态碳、活体浮游动物态碳和活体鱼类态碳进行了单独模拟,故文中提到的水体中有机碳是除这三类有机碳以外的有机碳)的源汇项s(Oc)表达式如下:s(Οc)=frz+adf+zra+ocwr+fdeath+zdeath-koc-sdoc(3)s(Oc)=frz+adf+zra+ocwr+fdeath+zdeath−koc−sdoc(3)式中frz为鱼类捕食浮游动物过程中产生碎屑对水体有机碳的贡献;adf为死亡的浮游植物对水体有机碳的贡献;zra为浮游动物滤食浮游植物过程中产生的碎屑对水体有机碳的贡献;ocwr为底泥间隙水和水体间的有机碳交换对水体有机碳的贡献;fdeath为鱼类死亡对水体有机碳的贡献;zdeath为浮游动物的死亡对水体有机碳的贡献;sdoc为水体中颗粒态有机碳的沉降对水体有机碳的贡献。水体中二氧化碳的源汇项s(CO2)表达式为s(CΟ2)=flux+prc+prsc+zrc+frc-UC-SUC+bco(4)s(CO2)=flux+prc+prsc+zrc+frc−UC−SUC+bco(4)式中flux为水-气界面的二氧化碳通量,mg/(m2·h);其表达式为flux=μΚΤ([CΟ2]water-[CΟ2]air)(5)flux=μKT([CO2]water−[CO2]air)(5)式中μ为由于CO2和水反应而使其传输速度发生变化的系数;KT为在相应温度下,CO2在水气界面的传输速度;[CO2]water为水体中的CO2浓度;[CO2]air为空气中的CO2浓度;prc为浮游植物呼吸作用对水体二氧化碳量的贡献;prsc为沉水植物呼吸作用对水体二氧化碳的贡献;zrc为浮游动物呼吸作用对水体二氧化碳的贡献;frc为鱼类呼吸作用对水体二氧化碳的贡献;UC为浮游植物光合作用对本生含碳量的贡献;SUC为沉水植物光合作用对水体二氧化碳的贡献。浮游植物态碳的源汇项s(Ac)表达式为s(Ac)=UC+aic-prc-z?f-adf(6)s(Ac)=UC+aic−prc−z?f−adf(6)式中z?f为浮游动物对浮游植物的滤食对浮游植物态碳的贡献。浮游动物态碳的源项s(Zc)表达式为s(Ζc)=z?f-zrc-ffz+zd-zdeath(7)s(Zc)=z?f−zrc−ffz+zd−zdeath(7)式中ffz为鱼类对浮游动物的捕食对浮游动物态碳的贡献;zd为浮游动物滤食含有机碳的碎屑对浮游动物态碳的贡献。鱼类由于存在自游泳作用,其不随水体的流动而运动。本文的模型假设鱼类在垂直方向均匀分布,故所以湖体中鱼类中的碳变化控制方程为∂Fc∂t=frz+frsb-frc-fdeathh-faest(8)∂Fc∂t=frz+frsb−frc−fdeathh−faest(8)式中frz为鱼类捕食浮游动物对鱼类态碳的贡献;frsb为鱼类捕食沉水植物对鱼类态碳的贡献;fdeathh为鱼类死亡对鱼类态碳的贡献;faest为鱼类被捕捞对鱼类态碳的贡献。frz=1Ηζ∫-h?GRAΖΖΟΟ-FΙSΗBFBΖ-BΖFminBΖ+ΚBΖFΙSΗΖCBΖdz(9)frz=1H∫−hζ?GRAZZOO−FISHBFBZ−BZFminBZ+KBZFISHZCBZdz(9)式中H为湖面到湖底的水深;h为水面平衡位置到湖底的距离;ζ为水面离开平衡位置的位移;BF为鱼类生物量;BZ为浮游动物生物量;GRAZZOO-FISH为鱼类对浮游动物捕食率;BZFmin为鱼类能捕食的最小浮游动物生物量;KBZFISH为鱼类捕食浮游动物的半饱和常数。沉水植物也不参与对流扩散,所以沉水植物态碳的变化控制方程为dSpcdt=SUC+sic+sicw-prsc-sdeath-frsbb(10)dSpcdt=SUC+sic+sicw−prsc−sdeath−frsbb(10)式中sdeath为沉水植物死亡对沉水植物态碳的贡献;frsbb为鱼类捕食沉水植物对沉水植物态碳的贡献;sicw为沉水植物吸收底泥间隙水中无机碳对本身含碳量的贡献。底泥中有机碳变化的控制方程为dΟcsdt=WBΡ*Ac+WD*DC-VrexΚΤ-20*Οcs-sedroc*Οcs+sdeath(11)式中WBP为藻类下沉速率;WD为有机碎屑下沉速率;DC为有机碎屑含碳量;Vrex为底泥及间隙水中可交换碳的降解速率;K为温度对碳交换的影响系数;Ocs为底泥中的有机碳的含量;sedroc为底泥有机碳的溶解速率。底泥中无机碳变化的控制方程为dΙcsdt=WDΙC*DΙC+VrexΚΤ-20Οcs-sedric*Ιcs(12)式中WDIC为无机碎屑下沉速率;DIC为无机碎屑含碳量;sedric为底泥无机碳的溶解速率;底泥间隙水中有机碳的变化控制方程为dΟcwdt=sedroc*Οcs+ocwr-Vrex?ΚΤ-20*Οcw(13)底泥间隙水中无机碳的变化控制方程为dΙcwdt=sedric*Ιcs+icwr+Vrex?ΚΤ-20*Οcw-sicw(14)水体碳酸盐中H2CO3主要以CO2的形式存在,水中碳酸盐化学平衡表达式如下:2ΗCΟ-3=Η2CΟ3+CΟ2-33z-siskoc新型表达的计算水动力学边界条件参见参考文献。表层:-Ez*∂Ac∂z+(floatal-sinkal)*Ac=0-Ez*∂Οc∂z-sinkoc*Οc=0-Ez*∂Ιc∂z-sinkicΙc=0-Ez*∂Ζc∂Ζ=0-Ez*∂CΟ2∂z=flux底层:-Ez*∂Ac∂z+(floatal-sinkal)*Ac=Qsed-Ez*∂Οc∂z-sinkoc*Οc=Sreloc-Ez*∂Ιc∂z-sinkΙc*Ιc=Srelic-Ez*∂Ζc∂z=0-Ez*∂CΟ2∂z=04参考文献和实际观测模型涉及到的众多参数,大部分由模型利用2000年1～12月实测资料率定得来,另有小部分参数来自于参考文献和实际观测。模型参数在整个模拟时间段内为一恒定值,其在不同季节的变化主要通过温度函数、风速等水文气象条件来控制。文中模型涉及到的参数及模型验证点位置见表1、图2。5监测点三维建模与模拟值对比本文利用中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站的实际观测资料对模型进行了校验,其校验结果如下:(1)无机碳图3为1～4号监测点水体无机碳校验时段的模型模拟变化曲线与实测变化曲线对比图。从图中可看出,校验时段2003年1月至2003年12月无机碳的模型模拟值与实测值存在一定误差,而且误差绝对值在不同时间、测点存在一定差异,其变化范围在0.696%～30.97%之间。最大的相对误差出现在8月的2号监测点,最小误差出现在2月的1号监测点。除个别监测点的个别月外,模型模拟的2003年1～12月的无机碳值和实测值的误差都小于30%。在44个监测值与模拟值的比较中误差小于10%的个数为25个,占监测次数的56.8%;误差在10%～20%之间的点数为14个,占监测次数的31.8%;误差在20%～30%之间的点数为4个,占监测次数的9.1%,误差大于30%的个数为1个,占监测次数的2.3%。(2)有机碳图4为1～4号监测点水体有机碳校验时段的模型模拟变化曲线与实测变化曲线对比图。从图中可以看出,水体有机碳含量各监测点模型模拟曲线变化趋势与实测曲线变化趋势基本一致。但通过模型模拟出来的各监测点各时间的值与实测值仍存在一定误差,而且误差绝对值在不同时间、测点存在一定差异,其变化范围在0.626%～51.291%之间。最大的相对误差出现在7月的4号监测点,最小误差出现在3月的1号监测点。在一年中的44个监测值与模拟值的比较中,误差小于10%的个数为22个,占监测次数的50%;误差在10%～20%之间的点数为11个,占监测次数的25%;误差在20%～30%之间的值的个数为6个,占监测次数的13.6%;误差大于30%的值的个数为5个,占监测次数的11.4%。(3)二氧化碳图5为1～4号监测点水体二氧化碳校验时段的模型模拟变化曲线与实测变化曲线对比图。从图中可以看出,水体二氧化碳含量各监测点模型模拟曲线变化趋势与实测曲线变化趋势基本一致。但通过模型模拟出来的各监测点不同时间的值与实测值仍存在一定误差,而且误差绝对值在不同时间、测点存在一定差异,其误差变化范围在0.714%～138%之间。最大的相对误差绝对值出现在1号监测点的5月,最小误差出现在4号监测点的5月。在全年的43个监测值(3号点3月监测值缺失)与模拟值的比较中,误差小于10%的个数为8个,占监测次数的18.6%;误差在10%～20%之间的点数为9个,占监测次数的21%;误差在20%～30%之间的个数为6个,占监测次数的14%;误差在30%～40%之间的个数为4个,占监测次数的9.3%;误差大于40%的个数为16个,占监测次数的37.1%。6实验结果与分析本文初步建立了耦合水动力模型和生态模型的太湖湖泊水体碳循环模型,并利用2003年1～12