大型藻类与塑料颗粒沉降和拖曳力模型研究：形态特征对沉降速度的影响

《Scientific Reports》：Sedimentation and drag in drifting macrophytes and plastic objects: a model

　　本研究针对生态与地球化学建模及海藻养殖优化中预测大型藻类沉降速度和拖曳力敏感性的需求，开发了一种将多样形态的大型藻类和塑料颗粒近似为椭球体并纳入Corey形状因子(Sf)的通用模型。通过测量26种大型藻类、大叶藻(Zostera marina)及塑料颗粒的形态参数（湿重、体积、厚度、投影面积）和沉降速度，研究团队建立了包含形状因子的沉降速度模型（模型C），其预测精度（MSD=2.08×10-5 m2/s2）显著优于忽略形状因子的模型A（MSD=4.28×10-5 m2/s2）。该模型为碳封存、深海有机质输送及塑料颗粒沉降预测提供了关键理论工具。

　　

在全球范围内，大型藻类水华正逐渐成为沿海生态系统的突出问题。从大西洋马尾藻带的漂浮马尾藻(Sargassum natans, S. fluitans)到黄海的浒苔(Ulva prolifera)，这些藻华在登陆时往往对沿海社区和环境造成严重困扰。在波罗的海西南部，藻华规模虽小但物种多样性更高，常由多种藻类共同形成，其中大叶藻(Zostera marina)的碎片和完整植株也占据显著生物量比例。这些脱离基底的大型水生植物（大型藻类）有的漂浮于水面，有的虽呈负浮力但仍随流漂移，尤其在受遮蔽的浅水区堆积降解后，易引发环境问题。准确预测其沉降行为对理解碳循环、优化海藻养殖系统设计乃至评估塑料颗粒的海洋归宿都具有重要意义。

然而，现有模型多基于拉格朗日粒子追踪法，很少考虑大型藻类特异形态对水动力的影响。由于大型藻类形态多样——从无分支的丝状、叶状到多级分支的立体结构，其流体力学响应远比沉积物颗粒复杂。本研究提出假设：若将大型藻类近似为椭球体，并引入Corey形状因子(S_f = c/√(a·b)，其中a、b、c分别为最长、中间和最短相互垂直轴直径)来量化形态偏离球形的程度，或可建立普适的沉降速度预测模型。

为验证该假设，研究团队收集了26种73份大型藻类样本（包括褐藻、红藻、绿藻及大叶藻）和16种塑料颗粒（圆盘、乒乓球、塑料网和橡皮筋），系统测量了其湿重、体积、厚度、投影面积等形态参数，并计算了名义直径(d_n)和S_f。沉降速度在静水中通过释放样本并记录其加速后匀速下沉段的时间获得，确保测量深度超过加速阶段（15厘米）。

关键技术方法包括：1) 通过排水法测定藻体体积(V)并计算名义直径d_n；2) 结合扫描投影图像与Fiji软件分析，通过直接测量明显轴长（扁平藻体的a·b或圆柱状藻体的c）并利用体积关系推导其他轴长；3) 在控制水温与盐度的静水环境中多次测量沉降速度(ω)；4) 使用遗传算法优化拖曳力系数(C_D)模型，将样本分为建模组（20份）与验证组（29份）进行模型训练与测试。

粒子性状

名义直径d_n范围在0.576–4.844厘米，体积0.1–59.5立方厘米，湿重0.11–46.10克。形状因子S_f介于0.00029（如Ulva gigantea）至0.0689之间，显著低于球形物体的理论最大值1。漂浮藻类（如带气囊的Fucus vesiculosus）S_f普遍高于沉降藻类，而扁平薄叶状（如Kornmannia leptoderma）或细密分支藻类（如Cladophora flexuosa）S_f较低。大叶藻因样本形态差异（叶片、完整植株等）S_f变幅较大。

沉降速度

49份负浮力藻类的沉降速度差异显著（图2）。Saccharina latissima叶状体沉降慢于根状茎；Ulva linza因管状叶内滞留空气速度减半。绿藻纲（Ulvophyceae）平均沉降速度显著低于褐藻纲（Phaeophyceae）和红藻纲（Rhodophyceae）（p=0.0069和0.0441）。扁平分支藻类（如墨角藻属）沉降快于扁平无分支藻类（如P. leucosticta）（p=0.0112）。速度与名义直径、相对密度(ρ/ρ_SW-1)呈非线性正相关，但与S_f相关性最强（图3）。

模型优化

基于Riazi和Türker (2019)的椭球体沉降方程(ω = √[(4/3)(ρ/ρ_SW-1)gd_nS_f^2/3/C_D])，研究团队通过遗传算法拟合C_D表达式。模型A（忽略S_f）预测误差较大（r2=0.3576）；模型B（仅分子含S_f^2/3）精度提升（r2=0.7210）；模型C（分子分母均含S_f）进一步降低均方偏差（建模组MSD=2.12×10^-5，验证组MSD=2.08×10^-5，r2=0.7926），对藻类沉降预测最优（图4）。但模型C对高S_f塑料颗粒（如乒乓球S_f=1）预测过差，而模型B对此类颗粒更具普适性。模拟显示（图5），大尺寸与低S_f藻类沉降速度显著减缓。

本研究通过将大型藻类形态参数化为椭球体特征，成功构建了高精度沉降速度预测模型。模型C在藻类中的应用表明，形态复杂性可通过Corey形状因子有效量化，且藻体表面材质对拖曳力系数的影响相对一致。该模型为量化大型藻类在碳循环中的沉降通量、优化养殖系统流体设计提供了关键工具。对塑料颗粒的预测结果提示，未来需进一步纳入表面材质属性（如弹性、可压缩性）以扩展模型普适性。研究成果发表于《Scientific Reports》，为海洋生态建模与塑料污染治理奠定了理论基础。