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PCLakeは、浅い湖や池における富栄養化の影響を研究するために使用される動的な数学モデルです。PCLakeは、栄養循環の一般的な枠組みの中で、最も重要な生物群とその相互関係を明示的にモデル化します。PCLakeは、科学者と水管理者の両方によって使用されています。PCLakeは2019年にPCLake+に拡張され[ 1 ] 、成層湖にも適用できます。
一般的に、浅い湖は、2 つの対照的な安定状態のいずれかにあります。[ 2 ] 沈水植物と魚食魚がいる透明な状態、または植物プランクトンと底生魚が優占する濁った状態です。一方の状態から他方の状態への変化は、主に生態系への栄養素 (リンと窒素) の流入によって引き起こされます。 [ 3 ]栄養素の負荷が臨界値を超えると、富栄養化により透明な状態から濁った状態に変化します。集水域での都市の水質汚染や集約農業の結果、世界の多くの浅い湖や池は、濁った水と劣悪な生態学的品質を伴う富栄養状態にあります。この濁った状態では、湖は有毒なシアノバクテリア(藍藻とも呼ばれる) の藻類ブルームにも見舞われます。しかしながら、透明状態への回復は困難である。なぜなら、透明状態への切り替えに必要な臨界栄養負荷量は、濁った状態への切り替えに必要な臨界負荷量よりも低い場合が多いからである。したがって、栄養投入量を減らしても、必ずしも透明水相への切り替えにつながるわけではない。そのため、このシステムはヒステリシスを示す。
PCLakeは、浅い湖沼における富栄養化の影響を研究するために設計されています。[ 4 ]一方、このモデルは、科学者がこれらの生態系の一般的な挙動を研究するために使用されています。たとえば、PCLakeは、代替安定状態とヒステリシス現象を理解するために使用され、その観点から、水深やフェッチ長などの湖の特徴の相対的な重要性が理解されます。[ 5 ]また、浅い湖に対する気候温暖化の潜在的な影響も研究されています。[ 6 ]他方、PCLakeは、濁った状態を望ましくないと考える湖水資源管理者によって適用されます。彼らは、このモデルを使用して、特定の湖の臨界負荷を定義し、修復措置の有効性を評価することができます。この目的のために、メタモデルも開発されています。[ 7 ]メタモデルは、完全な動的モデルを実行する必要なく、いくつかの重要なパラメータのみに基づいて特定の湖の臨界負荷値の推定値を導出するために水管理者によって使用できます。[ 8 ]
数学的には、PCLake は一連の連立微分方程式で構成されています。状態変数(> 100) とパラメータ(> 300)の数が多いため、このモデルは比較的複雑であると特徴付けられます。主な生物学的変数は、一次生産を記述する植物プランクトンと沈水植物です。簡略化された食物網は、動物プランクトン、動物底生生物、幼魚と成魚のシロマス、および魚食魚で構成されています。主な非生物的要因は、透明度と栄養素であるリン (P)、窒素 (N)、およびシリカ (Si) です。モデルの基礎には、水と栄養素の収支 (流入と流出) があります。このモデルは完全に混合された水域を記述し、水柱と上部の堆積層の両方を含みます。N、P、および Si の全体的な栄養素サイクルは、完全に閉じている (流入と流出および脱窒を除く) と記述されます。モデルへの入力データは、湖の水文特性、栄養塩負荷量、湖の寸法、および堆積物の特性です。モデルは、クロロフィルa、透明度、シアノバクテリア、植生被覆率、魚類バイオマス、ならびに窒素、リン、ケイ素の濃度と流量、および酸素濃度を計算します。オプションとして、湿地植生と湖との水の交換を伴う湿地帯を含めることもできます。
PCLakeは、40以上のヨーロッパ（主にオランダ）の湖の栄養塩、透明度、クロロフィル、植生データに基づいて較正されており、体系的な感度と不確実性分析が実施されています。[ 13 ] PCLakeは主にオランダの湖で使用されていますが、パラメータを調整したり、モデルに若干の変更を加えたりすれば、他の地域の同様の非成層湖 にも適用できる可能性があります。
PCLake（当時はPCLoosと呼ばれていた）の最初のバージョンは、1990年代初頭にオランダ国立公衆衛生環境研究所（RIVM）において、ロースドレヒト湖の研究・修復プロジェクトの一環として構築されました。その後、拡張と改良が重ねられてきました。PCLakeと並行して、水路やその他の線状水域の生態系モデルであるPCDitchも開発されました。これらのモデルは、かつてRIVMの一部であったオランダ環境評価庁（PBL）のヤン・H・ヤンセ博士とその同僚によってさらに発展させられました。2009年以降、このモデルはPBLとオランダ生態学研究所が共同所有しており、水生生態学研究に関連してPCLakeのさらなる開発と応用が行われています。