水域消落带水华暴发自组织临界性数值计算与光合色素能量传递机理

摘要

由于水华暴发的系统本身是一个多因素耦合、多维消涨的和具有自组织临界性特征的流域生物化学动力学体系。水华的形成、暴发、蔓延、持续与消退行为与水华富营养化物质的含量等因素表现出复杂的非线性和自组织临界性关系。 自组织临界性(Self-Organization Criticality，SOC)理论具有物理意义的范例是沙堆模型(Sandpile Mode，SM)。SOC理论和SM模型研究具有自组织消涨行为的开放体系，富营养污染的水域环境正好是一个有物质交换(如P、N迁入与输出)和能量交换(如光照和水流)的开放体系。因而可以采用SOC理论、SM模型、生物化学反应机制和现场监测数据来深入研究和描述富营养化和水华暴发的内在规律。 随着对富营养化机理的深入研究和计算机技术的飞速发展，富营养化的数学模拟已有了长足进步，本文对富营养化模型的研究进展做了综合评述。为了有效研究富营养化污染物在流域环境中的演化过程、迁移模式、结构形态和全局动力学行为，本文利用数学物理手段，结合环境科学理论，将自组织临界性理论和沙堆模型引入到水域富营养化污染领域的研究。 在Bak P、Tang C和Wiesenfeld提出的BTW模型基础上，以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例，通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型，描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制，利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率-尺度幂律关系作为判断消落带水域是否暴发水华以及规模大小的依据，采用有限尺度标度分析从不同侧面验证了水华暴发系统的自组织临界性，并揭示出各种拟合参数与水华暴发规模之间的定量关系。研究表明：沙堆模型如果存在良好的幂律关系，相应的消落带水域将出现暴发水华，且幂律指数越大，水华污染程度越严重。因此，具有自组织临界性的沙堆模型有可能从不同视角和层次上揭示消落带水华暴发的规模、分布及其内在机制。 光合作用光能的高效吸能、传递和转换及其控制的微观机理是当前国际光合作用基础研究中的核心问题。现己确定，光合作用光能的吸收、传递和转化过程是在光合膜中一系列有序排列的光合色素蛋白复合体中进行。本文首先介绍光合作用原初过程以及主要的光合色素，然后着重讨论了光合色素对光能的吸收，传递与陷获的机理模型。通过这些机理和模型，试图从理论上阐述光合作用原初过程中一系列涉及光子、激子、电子、离子等传递和转化的复杂的物理和化学过程。借此以构建具有物理化学基础且能解释藻类暴发机制的理论构架。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究工作背景

1.2水华及三峡库区流域富营养化的研究现状

1.2.1水体富营养化的成因及水华暴发的相关因素

1.2.2水体富营养化的危害及其防治

1.2.3水体富营养化的研究现状

1.3自组织临界性及沙堆模型

1.3.1自组织临界性的提出与幂次定律(Power Law)

1.3.2沙堆模型及其自组织临界性

1.4光合作用和光合色素概述

1.4.1光合作用

1.4.2光合色素

1.4.3激发能在色素分子中传递

1.5课题研究的内容、目的和意义

1.5.1研究内容

1.5.2研究目的

1.5.3研究意义

2数值沙堆模型研究富营养化污染的演化

2.1富营养化模型研究综述

2.2富营养化污染的自组织临界性特征

2.3富营养化污染的数值沙堆模型

2.3.1数值沙堆模型

2.3.2数值沙堆模型与水华暴发的对应关系

2.3.3数值沙堆模型的构建

2.3.4沙堆模型的数值计算

3数值沙堆模型的分析与讨论

3.1频率—尺度(规模)幂律关系分析

3.2有限尺度标度分析及临界指数

3.3对水华演化机制的进一步认识

3.4小结

4光合色素光能的吸收传递与陷获

4.1光合作用原初反应基本过程

4.2光合色素的结构与光能的吸收

4.2.1叶绿素

4.2.2类胡萝卜素

4.3光合色素的激发与退激发

5激发能在色素分子间的传递机制

5.1概述

5.2能量传递机理

5.2.1交换能传递和F(o)rster共振能传递理论—分子之间弱耦合

5.2.2激子传递理论—强耦合双分子体(dimer)

5.2.3激发态在天线色素阵列中的传递和反应中心的陷获

5.3小结

6结论

6.1数值沙堆模型模拟消落带水华演化机制

6.2光合色素光能量传递机制

致 谢

参考文献

附 录