一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的构建方法及应用与流程

本发明涉及利用计算机进行贝类养殖过程的数值模拟，尤其涉及一种贝类养殖区域碳收支模型的构建方法及应用。
背景技术：
：目前为止，对贝类养殖碳汇通量的评估主要是通过对贝类养殖的产量来估算，但贝类移去的碳是海水中的碳，能否转化为大气碳汇(吸收大气二氧化碳)是复杂的物理-生物-化学的过程，则需要创建贝类养殖碳汇的评估模型才能完成。贝类养殖碳汇的评估模型有助于根据养殖海区的海况设计合理的贝类养殖密度，使贝类养殖在减少水质污染的条件下成为大气的碳汇，贝类养殖碳汇的评估模型的应用对贝类养殖海区的碳汇评估有实用价值，对贝类养殖和藻类养殖混养管理具有广阔前景。技术实现要素：本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，首先提供一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的构建方法。该海洋贝类养殖碳汇评估模型是利用基于贝类养殖碳收支平衡及其物理化学环境条件下构建的碳汇模型，该模型能够模拟贝类养殖对养殖环境的影响，计算养殖水体中碳的流通，进行碳汇评估。本发明还提供一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的应用。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的构建方法，包括以下步骤：S1、根据贝类养殖生化-物理过程，构建初始海洋贝类养殖碳汇评估模型，该模型包括三个化学模块、物理模块和生物模块部分；所述化学模块是指海水碳酸盐体系；所述化学模块需要确定的参数包括k1、k2、pCO2、其中k1、k2分别为碳酸的第一、第二解离常数；所述生物模块是指贝类的呼吸过程、贝类的钙化过程、藻类的光合作用；其中贝类的呼吸、钙化过程，通过实验溶解氧和碱度计算呼吸率和钙化率；藻类的光合作用通过室外黑白瓶实验，获得光合作用速率；即所述生物模块需要确定的参数包括呼吸率、钙化率以及光合作用速率；所述物理模块是海气交换作用，海气交换作用选取CO2的海气交换通量作为需要确定的参数；S2、基于贝类的室内室外呼吸实验确定初始或更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型的各参数；S3、基于步骤S2得到的参数，对海洋贝类养殖碳汇评估模型进行更新，得到更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型；S4、验证由步骤S3得到的更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型，采用更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型进行数值模拟计算，计算海水中各形态碳的含量，及其流通量，得到模拟结果；验证该模拟结果与实测资料，判断误差是否满足预设要求，当满足，则确定该更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型为最优的海洋贝类养殖碳汇评估模型；否则，返回步骤S2。优选的，所述贝类养殖生化-物理过程包括：贝类的钙化作用和呼吸作用；海水碳酸盐缓冲能力；物理过程的水体交换、垂直混合、风速、海气交换；浮游植物的光合作用。优选的，所述步骤S2中，贝类的室内呼吸实验是指在室内模拟不同温度和盐度条件下贝类的生理过程，其通过测得实验室所使用的海水各组分含量的变化计算出以下参数：呼吸率、钙化率，其各组分包括：总无机碳(DIC)、碱度(TA)和溶解氧(DO)；贝类的室外呼吸实验是指在室外选择研究区域进行模拟，具体为：根据养殖区域与外界交换的程度，分别选取开放和密闭的两个研究区域进行与室内一致的实验，其通过测得室外实验所使用的海水各组分含量的变化计算出以下参数：呼吸率、钙化率、光合作用速率，其各组分包括：总无机碳(DIC)、碱度(TA)、溶解氧(DO)；再对这两个研究区域进行现场调查测得相关水文-生化数据资料，其数据资料包括开放和密闭这两个区域海水各组分含量的变化和水体温盐；其中开放和密闭这两个区域水体各组分包括总无机碳(DIC)、碱度(TA)、溶解氧(DO)、pH、颗粒性有机碳(POC)、营养盐。优选的，所述步骤S4中，采用更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型进行数值模拟计算，具体是：基于统计资料找出模型运算的初始值，其初始值包括贝类产量、海水条件、贝类生长速率，将初始值代入更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型，预估预设时间尺度下海水中各形态碳的含量，及其流通量。优选的，所述化学模块需要确定的参数k1、k2、pCO2、硼酸碱度[B(OH)4-]是通过以下方式确定：实测获得以下组分数据：总无机碳(DIC)、碱度(TA)、pH、温度(S)、盐度(T)；通过以下公式确定k1、k2、pCO2、pH≈-log[H+]其中k1、k2分别为碳酸的第一、第二解离常数，是通过经验公式计算确定，已知经验公式是k1、k2关于温度、盐度的函数表达式；所述生物模块中呼吸率和钙化率、光合作用速率通过以下公式计算：呼吸率(OR)＝[(DO0-DOt-ΔDO)×V]/t钙化率(GR)＝[(TA0-TAt-ΔTA)/2×V]/t光合作用速率(PR)＝[(DIC0-DICt-ΔDIC)×V]/t式中：DO0和DOt分别为实验开始和结束时海水中溶解氧DO含量，单位为mg/L；DIC0和DICt分别为实验开始和结束时海水中总无机碳，单位为μmol/L；TA0和TAt分别为实验开始和结束时海水中总碱度，单位为μmol/L；Δ为空白瓶中DO、DIC及TA的变化值；V为实验用容器的体积，单位为L；t为实验持续时间，单位为h；所述物理模块中CO2的海气交换通量，依据以下公式：Flux＝-KT(KH(pCO2-pA))其中KT表示海气交换速率，C表示气体浓度，KH表示气体在海水中的溶解度，pA表示气体分压，pCO2表示海水CO2分压；根据Henry定律，气体浓度C与分压P可进行转换：C＝KHP已知海气交换速率KT与风速及Schmidt参数有关，并有经验公式：KT(cm/h)＝0.31(Sc/660)-0.5(U10)2其中Sc表示Schmidt参数，U10表示距离海洋表面10米高处的风速。Schmidt参数表征的是水的动力学粘度，它影响薄膜层的厚度，进而影响海气交换速率。Schmidt参数的计算公式如下：Sc＝A-BT+CT2-DT3。其中T指水温，A，B，C，D的取值如下表：气体ABCDO2163881.831.4830.008004CO22073.1125.623.62760.043219一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的应用，是采用最优的海洋贝类养殖碳汇评估模型对贝类养殖的碳汇进行评估，首先估算出贝类养殖的碳收支平衡，再通过养殖水体二氧化碳分压(pCO2)与大气CO2分压的比较，判断贝类养殖是否为碳汇，当养殖水体pCO2≤大气CO2分压，则为碳汇，反之为碳源。优选的，其应用还包括敏感性分析，即通过对需要探讨的变量进行梯度设定，分析不同梯度下，海水碳酸盐体系各组分的含量，进而评估在形成碳源\汇过程中，各生化-物理过程所占作用大小。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1)目前贝类碳汇的模型评估仅仅是考虑碳的收支平衡，按时间累积计算碳汇量，未细化各生理过程的作用。而本发明则具体分析了贝类养殖过程中的生化-物理过程，以及与水体各组分的关系，这个模型能够更准确的对贝类碳汇进行评估。2)采用室内室外两部分实验来对模型的参数进行选取，确保所选取的参数更加可靠。3)由于贝类养殖碳汇的对象是大气，只有通过对比大气与水体二氧化分压的比较，先对碳汇进行判断才能评估碳汇量，而目前这方面的研究只局限于对碳汇量的估算，即首先判断贝类养殖为碳汇。而本发明提出的模型的应用，能够直接通过养殖水体二氧化碳分压(pCO2)与大气CO2分压的比较，判断贝类养殖是否为碳汇。4)本发明还引进了碳汇敏感性分析，能够更加深入的分析各过程在贝类养殖碳/源汇形成过程中的作用占比。附图说明图1为本发明涉及的海洋贝类养殖碳汇评估模型构建的总体流程图。图2为本发明涉及的海洋贝类养殖碳汇评估模型的主体部分图。图3为本发明涉及的海洋贝类养殖碳汇评估模型的部分结果图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。如图1，一种海洋贝类养殖碳汇评估模型的构建方法，包括以下步骤：S1、根据贝类养殖生化-物理过程(是指贝类的钙化作用和呼吸作用；海水碳酸盐缓冲能力；物理过程的水体交换、垂直混合、风速、海气交换；浮游植物的光合作用)，构建初始海洋贝类养殖碳汇评估模型，该模型包括三个化学模块、物理模块和生物模块部分；所述化学模块是指海水碳酸盐体系；所述化学模块需要确定的参数包括k1、k2、pCO2、其中k1、k2分别为碳酸的第一、第二解离常数；所述生物模块是指贝类的呼吸过程、贝类的钙化过程、藻类的光合作用；其中贝类的呼吸、钙化过程，通过实验溶解氧和碱度计算呼吸率和钙化率；藻类的光合作用通过室外黑白瓶实验，获得光合作用速率；即所述生物模块需要确定的参数包括呼吸率、钙化率以及光合作用速率；所述物理模块是海气交换作用，海气交换作用选取CO2的海气交换通量作为需要确定的参数；所述化学模块需要确定的参数k1、k2、pCO2、硼酸碱度[B(OH)4-]是通过以下方式确定：实测获得以下组分数据：总无机碳(DIC)、碱度(TA)、pH、温度(S)、盐度(T)；通过以下公式确定k1、k2、pCO2、pH≈-log[H+]其中k1、k2分别为碳酸的第一、第二解离常数，是通过经验公式计算确定，已知经验公式是k1、k2关于温度、盐度的函数表达式；所述生物模块中呼吸率和钙化率、光合作用速率通过以下公式计算：呼吸率(OR)＝[(DO0-DOt-ΔDO)×V]/t钙化率(GR)＝[(TA0-TAt-ΔTA)/2×V]/t光合作用速率(PR)＝＝[(DIC0-DICt-ΔDIC)×V]/t式中：DO0和DOt分别为实验开始和结束时海水中溶解氧DO含量，单位为mg/L；DIC0和DICt分别为实验开始和结束时海水中总无机碳，单位为μmol/L；TA0和TAt分别为实验开始和结束时海水中总碱度，单位为μmol/L；Δ为空白瓶中DO、DIC及TA的变化值；V为实验用容器的体积，单位为L；t为实验持续时间，单位为h；所述物理模块中CO2的海气交换通量，依据以下公式：Flux＝-KT(KH(pCO2-pA))其中KT表示海气交换速率，C表示气体浓度，KH表示气体在海水中的溶解度，pA表示气体分压，pCO2表示海水CO2分压；根据Henry定律，气体浓度C与分压P可进行转换：C＝KHP已知海气交换速率KT与风速及Schmidt参数有关，并有经验公式：KT(cm/h)＝0.31(Sc/660)-0.5(U10)2其中Sc表示Schmidt参数，U10表示距离海洋表面10米高处的风速。Schmidt参数表征的是水的动力学粘度，它影响薄膜层的厚度，进而影响海气交换速率。Schmidt参数的计算公式如下：Sc＝A-BT+CT2-DT3。其中T指水温，A，B，C，D的取值如下表：气体ABCDO2163881.831.4830.008004CO22073.1125.623.62760.043219S2、基于贝类的室内室外呼吸实验确定初始或更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型的各参数；其中贝类的室内呼吸实验是指在室内模拟不同温度和盐度条件下贝类的生理过程，其通过测得实验室所使用的海水各组分含量的变化计算出以下参数：呼吸率、钙化率，其各组分包括：总无机碳(DIC)、碱度(TA)和溶解氧(DO)；贝类的室外呼吸实验是指在室外选择研究区域进行模拟，具体为：根据养殖区域与外界交换的程度，分别选取开放和密闭的两个研究区域进行与室内一致的实验，其通过测得室外实验所使用的海水各组分含量的变化计算出以下参数：呼吸率、钙化率、光合作用速率，其各组分包括：总无机碳(DIC)、碱度(TA)、溶解氧(DO)；再对这两个研究区域进行现场调查测得相关水文-生化数据资料，其数据资料包括开放和密闭这两个区域海水各组分含量的变化和水体温盐；其中开放和密闭这两个区域水体各组分包括总无机碳(DIC)、碱度(TA)、溶解氧(DO)、pH、颗粒性有机碳(POC)、营养盐；S3、基于步骤S2得到的参数，对海洋贝类养殖碳汇评估模型进行更新，得到更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型；S4、验证由步骤S3得到的更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型，采用更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型进行数值模拟计算，具体是：基于统计资料找出模型运算的初始值，其初始值包括贝类产量、海水条件、贝类生长速率，将初始值代入更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型，预估预设时间尺度下海水中各形态碳的含量，及其流通量，得到模拟结果；验证该模拟结果与实测资料，判断误差是否满足预设要求，当满足，则确定该更新后的海洋贝类养殖碳汇评估模型为最优的海洋贝类养殖碳汇评估模型；否则，返回步骤S2。在确定了最优的海洋贝类养殖碳汇评估模型后，则可以采用该海洋贝类养殖碳汇评估模型对贝类养殖的碳汇进行评估，首先估算出贝类养殖的碳收支平衡，再通过养殖水体二氧化碳分压(pCO2)与大气CO2分压的比较，判断贝类养殖是否为碳汇，当养殖水体pCO2≤大气CO2分压，则为碳汇，反之为碳源。其次，还包括敏感性分析，即通过对需要探讨的变量进行梯度设定，分析不同梯度下，海水碳酸盐体系各组分的含量，进而评估在形成碳源\汇过程中，各生化-物理过程所占作用大小。图2为本发明涉及的海洋贝类养殖碳汇评估模型的主体部分图。图中Airseaexchange代表海气交换模块，其运算是由海气交换模块计算所得的CO2交换通量；DIC代表海水碳酸盐体系模块，其运算是由海水碳酸盐体系模块运算多得的DIC含量；Calcificantion代表贝类的钙化作用其运算是由钙化速率决定；Respiration代表呼吸作用，其运算是由呼吸速率决定；Photosynthesis代表光合作用，其运算是由光合作用速率决定；Outwaterexchange代表与外界水体的交换过程，其运算是由封闭和开放条件下现场调查结果决定。本图解释了模型中各子模块之间的运算关系。图3本发明涉及的海洋贝类养殖碳汇评估模型的部分结果图。图中是由海洋贝类养殖碳汇评估模型的运算结果所得的可视化结果图，其中各参数分别表示总无机碳(DIC)、碳酸盐碱度(CALK)、海水二氧化碳分压(pCO2)。附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页1 2 3