模拟蓝藻（Microcystis aeruginosa）在水层分层的水库中因风引起的湍流而产生的繁殖响应：从生物量和垂直分布的角度进行分析

《Ecological Indicators》：Modeling the response of Microcystis aeruginosa blooms to wind-induced turbulence in a stratified reservoir: Biomass and vertical distribution perspectives

有害蓝藻水华的形成机制及调控策略研究，基于Daheiting水库的Microcystis aeruginosa优势种，构建三维耦合水动力-藻类动态模型，揭示热分层与风诱导湍流的协同调控机制：低初始生物量时，增强热分层和浅混合层深度通过优化光照条件促进生物量积累；高初始生物量时，深层混合层稀释藻体密度降低光衰减，反而利于生长。湍流耗散率达2.69×10^-4 m2/s3时生物量增量最大，且临界耗散率与分层强度正相关、与混合层深度负相关。研究为分层水库水华防控提供了理论依据。

　　有害藻华，特别是由蓝藻属的微囊藻引发的藻类爆发，已成为全球水生生态系统面临的重大挑战之一。微囊藻因其独特的气体囊泡调控浮力和形成群体的特性，极易在富营养化的水域中形成大规模藻华。这些藻华不仅对水体的生态平衡造成威胁，还可能影响水质安全，尤其是在饮用水源地。本文的研究聚焦于微囊藻（*Microcystis aeruginosa*）在热分层水体中的生长机制，探讨风驱动的湍流如何与热分层相互作用，进而影响藻类的时空分布和生物量变化。

研究指出，尽管风引起的湍流是藻类空间迁移和生物量积累的主要驱动力之一，但目前大多数关于热分层水体中藻华的研究，主要关注热分层指标与藻华动态之间的关系，而忽视了湍流在其中的关键作用。这种湍流与热分层在时空尺度上的不匹配，为研究它们的协同效应带来了新的挑战。为此，本研究构建了一个结合湍流驱动的物理和生理过程的蓝藻爆发模型，用于模拟微囊藻生物量和垂直分布的时空动态，同时分析其对初始生物量、热分层强度、混合层深度以及风事件的响应。

研究结果表明，湍流对微囊藻生物量的影响具有非线性特征。当湍流耗散率达到2.69 × 10?? m2/s3时，生物量增加达到最大值。此外，实现均匀分布（Morisita’s Index < 1）的临界湍流耗散率与热分层强度呈正相关，但与混合层深度呈负相关。值得注意的是，临界湍流耗散率随着生物量的增加而升高，当生物量超过2.5 × 10? cells/mL时，微囊藻始终表现出聚集的垂直分布模式。

热分层强度和混合层深度对生物量的影响取决于初始生物量。在初始生物量较低的情况下，较强的热分层和较浅的混合层有助于生物量的积累，因为它们提供了更稳定的环境，使藻类能够长期停留在光照充足的表层区域。相反，当初始生物量较高时，较强的热分层和较浅的混合层反而会加剧藻类的自我遮蔽效应，限制其在混合层内的分布，从而抑制生物量的增长。这一发现表明，热分层和混合层深度在不同初始生物量条件下对藻类生长的促进或抑制作用存在显著差异。

研究还发现，湍流对微囊藻垂直分布模式的影响具有重要调控作用。随着湍流强度的增加，Morisita’s Index（MI）呈现下降趋势，表明湍流有助于打破藻类的聚集状态，使其在水体中更均匀地分布。然而，当生物量较高时，即使湍流强度增加，微囊藻仍倾向于保持聚集状态。这表明，生物量水平在决定湍流对藻类分布模式影响时起着关键作用。临界湍流耗散率（ε_c）与生物量和热分层强度呈正相关，而与混合层深度呈负相关。这意味着，在较高的生物量和较强的热分层条件下，需要更高的湍流强度才能打破藻类的聚集现象。

此外，研究指出，混合层深度对生物量的影响也具有阈值特性。在某些情况下，混合层深度较浅反而有助于生物量的积累，因为这可以减少藻类的自我遮蔽效应，提升水体中光的利用率。然而，在其他情况下，混合层深度较深可能反而促进生物量的增长，因为这有助于稀释藻类细胞，降低表层的光衰减系数，使更多的光能够穿透到混合层的下层，从而促进藻类的生长。这种复杂的相互作用表明，单一地调整热分层或混合层深度并不能完全控制藻类的爆发，必须综合考虑多种因素。

研究还探讨了风速对热分层强度和混合层深度的影响。风速的变化会显著影响热分层的强度和混合层的深度，进而影响藻类的生长和分布。例如，当空气温度高于表层水温时，热分层强度可能增加，从而需要更高的湍流强度来打破藻类的聚集状态。相反，当空气温度低于表层水温时，热分层强度可能减弱，此时较低的湍流强度即可有效控制藻类的聚集。因此，风速和空气温度的协同作用在热分层和藻类分布中起着重要作用。

从应用角度来看，研究结果为控制热分层水体中的有害藻类提供了新的思路。通过调控水位变化、引入人工混合等手段，可以有效破坏热分层结构，从而降低藻类聚集的风险。此外，研究还强调了生物光学反馈机制在藻类生长中的重要性。藻类自身的光衰减效应会显著影响水体中的光场分布，进而影响其生长速率和分布模式。因此，在未来的模型构建中，需要更全面地考虑这些生物光学因素，以提高模型的准确性和实用性。

尽管本研究在一定程度上揭示了热分层和湍流对微囊藻生长的协同机制，但仍存在一些局限性。例如，研究假设营养物质浓度在整个研究期间保持稳定，忽略了水体中营养物质的垂直分布不均可能对藻类生长产生的影响。此外，研究仅关注微囊藻的生长动态，未考虑其他藻类物种（如甲藻和硅藻）之间的资源竞争，以及浮游动物摄食等生物过程对藻类爆发的潜在影响。这些因素在实际生态系统中可能对藻类的生长和分布产生重要影响，因此未来的研究需要进一步整合多因素模型，以更全面地理解热分层与藻类爆发之间的复杂关系。

综上所述，本研究通过构建一个结合湍流驱动的物理和生理过程的蓝藻爆发模型，深入探讨了热分层和风诱导湍流对微囊藻生物量和垂直分布的影响。研究发现，这些因素在不同初始生物量条件下对藻类的生长和分布具有显著的调控作用，揭示了其协同机制。这些发现不仅有助于理解藻类爆发的形成过程，还为制定有效的藻类控制策略提供了科学依据。然而，未来的研究仍需进一步完善模型，考虑更多生态因子和生物过程，以更准确地模拟和预测藻类的动态变化。