長(zhǎng)江口及閩浙海域浮游植物動(dòng)力學(xué)模型研究

王一鶴， 吳輝， 朱建榮， 沈健

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062；2.威廉瑪麗學(xué)院 弗吉尼亞海洋研究所,費(fèi)吉尼亞 23062，美國(guó))

長(zhǎng)江口及閩浙海域浮游植物動(dòng)力學(xué)模型研究

王一鶴1， 吳輝1， 朱建榮1， 沈健2

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062；2.威廉瑪麗學(xué)院 弗吉尼亞海洋研究所,費(fèi)吉尼亞 23062，美國(guó))

基于一個(gè)三維、高分辨率、水動(dòng)力泥沙生態(tài)數(shù)值模式，綜合考慮多種物理及生態(tài)因子，模擬研究了長(zhǎng)江口及閩浙海域甲藻和硅藻兩種浮游植物生物量的時(shí)空分布規(guī)律.數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該海域藻類生長(zhǎng)主要集中在春末、夏季及秋初，硅藻有春季和夏季兩次水華，而甲藻僅在春季發(fā)生一次水華.該海域浮游植物的高值區(qū)主要集中在30-50 m等深線附近.該處是外海高溫、低濁度水體與近岸低溫、高濁度、高營(yíng)養(yǎng)鹽長(zhǎng)江沖淡水的交匯區(qū)域，滿足浮游植物生長(zhǎng)所需要的外部物理環(huán)境和內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)鹽需求.本文進(jìn)一步探討了徑流、陸架環(huán)流等關(guān)鍵物理過(guò)程對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響.

長(zhǎng)江口及閩浙海域; 浮游植物; 物理過(guò)程; 數(shù)值模擬

0 引 言

浮游植物作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，是該生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,其生物量的多少很大程度上決定著該海域的水產(chǎn)性能[1].因此，研究浮游植物動(dòng)力學(xué)[2]，即研究浮游植物在物理動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下受營(yíng)養(yǎng)鹽限制、浮游動(dòng)物攝食以及自身新陳代謝等一系列作用影響的生物量時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)于研究海區(qū)營(yíng)養(yǎng)傳遞及能量流動(dòng)，以及進(jìn)一步研究赤潮形成的外界環(huán)境和物理過(guò)程機(jī)制有著重要的意義.

以往的研究表明，限制浮游植物生長(zhǎng)的因子通常包括光照、水溫、和營(yíng)養(yǎng)鹽等[3].目前，已經(jīng)有一套較為成熟的理論來(lái)解釋大洋中一年內(nèi)浮游植物生物量的變化特征.冬季，由于水體的混合作用使沉積于底層的營(yíng)養(yǎng)鹽帶到表層，但由于水溫的限制作用，浮游植物未能達(dá)到生長(zhǎng)需求；春季，溫度開(kāi)始回升，自冬季儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)鹽在適合的溫度條件下被浮游植物吸收，浮游植物生物量劇增；夏季，由于表層水體受太陽(yáng)輻射作用持續(xù)升溫造成水體層化現(xiàn)象明顯，不利于底層的營(yíng)養(yǎng)鹽向上輸送，同時(shí)由于春季水華造成的海表面營(yíng)養(yǎng)鹽匱乏，此時(shí)浮游植物生物量劇增現(xiàn)象得到緩解；秋季，水溫開(kāi)始下降，層化現(xiàn)象逐漸被打破，表層營(yíng)養(yǎng)鹽得到了補(bǔ)充，故使浮游植物生物量再次增加[4,5].

然而，河口及近岸地區(qū)相對(duì)于大洋動(dòng)力因素更為復(fù)雜，同時(shí)還涉及徑流等陸源營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入.河口地區(qū)的關(guān)鍵物理過(guò)程如何對(duì)浮游植物生物量的時(shí)空變化產(chǎn)生影響仍然存在一些不明朗的地方，尤其缺少定量研究.因此，本文基于研究組已經(jīng)建立的三維高分辨率、渤黃東海水動(dòng)力泥沙生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模式，模擬研究長(zhǎng)江口及閩浙海域的初級(jí)生產(chǎn)力過(guò)程；探討徑流和陸架環(huán)流等關(guān)鍵物理過(guò)程對(duì)浮游植物生物量時(shí)間和空間分布上的影響.

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江口及閩浙海域一直是我國(guó)東南沿海關(guān)注的焦點(diǎn)區(qū)域.這里動(dòng)力條件復(fù)雜，且季節(jié)性變化明顯，深受長(zhǎng)江沖淡水、臺(tái)灣暖流、沿岸流及季風(fēng)的影響.冬季，受北風(fēng)和科氏力的影響，長(zhǎng)江沖淡水出口門外向南輸送，在閩浙沿岸由東北向西南運(yùn)動(dòng)，給閩浙海域帶來(lái)了低溫和高營(yíng)養(yǎng)鹽的水體，另一方面，高溫的臺(tái)灣暖流沿長(zhǎng)江口外水下河谷流向長(zhǎng)江口區(qū)域，這兩股水流在閩浙海域附近交匯并在舟山群島至臺(tái)灣海峽中北部海域形成一條海洋鋒面；夏季，由于東南季風(fēng)的作用，長(zhǎng)江沖淡水在出口門外先向東南方向運(yùn)動(dòng)，隨后轉(zhuǎn)向東北，形成沖淡水羽狀鋒，而閩浙海域的沿岸流也隨著長(zhǎng)江沖淡水的轉(zhuǎn)向逐漸消退，鋒面也逐漸消失[6,7].

長(zhǎng)江每年攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)鹽匯入東海，同時(shí)受外海臺(tái)灣暖流及黑潮次表層水入侵所攜帶的大量磷酸鹽和硅酸鹽影響，長(zhǎng)江口附近海域浮游植物特點(diǎn)顯著.據(jù)近幾年的調(diào)查結(jié)果顯示，浮游植物生物量較高的時(shí)期主要集中在春季和夏秋季，種類上以硅藻門和甲藻門為主，硅藻細(xì)胞豐度占優(yōu)[8-10].近些年來(lái)，目標(biāo)海域赤潮問(wèn)題愈演愈烈，其中諸如米氏凱倫藻和東海原甲藻的赤潮出現(xiàn)頻率增加[11].從《2013年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》(http://www.coi.gov.cn/)[12]可以看到，2009—2013年間，東海作為我國(guó)赤潮事件爆發(fā)最多的海域，其引發(fā)赤潮第一優(yōu)勢(shì)種為東海原甲藻.閩浙海域赤潮爆發(fā)的地點(diǎn)主要集中在30～50 m等深線附近(見(jiàn)圖1)，此區(qū)域正是長(zhǎng)江沖淡水與外海水體的交匯區(qū)域，外海的高溫低濁度水體與長(zhǎng)江沖淡水的高營(yíng)養(yǎng)鹽水體在此交匯，滿足了浮游植物生長(zhǎng)所需要的外部環(huán)境和內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)需求，從而造成了浮游植物生物量的劇增.

圖1 研究區(qū)域地形圖Fig.1 Topographic map of the study area

2 研究方法

本文采用的數(shù)值模式為ECOM-si[13]，其來(lái)源于普林斯頓海洋模型POM[14]，并采用HSIMT-TVD平流格式求解物質(zhì)輸送方程[15].模型的生態(tài)模塊移植自FVCOM的可變生態(tài)模型FBM[16,17]，選擇了包括氮鹽、磷酸鹽、硅藻、甲藻、浮游動(dòng)物及碎屑共6個(gè)生態(tài)變量的N2P2ZD生態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊，建立長(zhǎng)江口及閩浙海域生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型.具體的模式設(shè)置如下.

2.1 模式范圍和網(wǎng)格、計(jì)算時(shí)間

模式的范圍為一扇形，包括整個(gè)長(zhǎng)江河口及渤黃東海，東邊到西太平洋邊緣及日本海區(qū)域(133°E附近)，北邊囊括整個(gè)渤海，南邊到達(dá)臺(tái)灣島以南(22°N附近)(見(jiàn)圖2).模式網(wǎng)格分辨率較高，所關(guān)心的長(zhǎng)江口及閩浙海域網(wǎng)格分辨率從長(zhǎng)江口內(nèi)的幾百米到?jīng)_淡水?dāng)U展區(qū)的2～3 km.網(wǎng)格正交性、平滑性、岸線擬合和局部加密均得到了很好的體現(xiàn)，這也保證了模式的穩(wěn)定性和計(jì)算精度.模式垂向采用σ坐標(biāo)，將垂向分為非均勻的20層，取表層的厚度更薄，是為了著重研究表層水體中的生物過(guò)程以及表層沖淡水對(duì)浮游植物生物量變化的影響.此數(shù)值模式已成功的應(yīng)用于長(zhǎng)江沖淡水的模擬研究[18,19].

圖2 模式計(jì)算范圍和網(wǎng)格Fig.2 Calculating scope and grid of the numerical model

因水體溫度、鹽度以及營(yíng)養(yǎng)鹽等對(duì)外部動(dòng)力的響應(yīng)調(diào)整較慢，為使模式能更好的模擬生物過(guò)程，在模型驗(yàn)證及數(shù)值試驗(yàn)中，模式的計(jì)算時(shí)間均為三年.模式第一年只計(jì)算物理場(chǎng)，計(jì)算參數(shù)包括流速、溫度、鹽度等；第二年打開(kāi)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入開(kāi)關(guān)，使?fàn)I養(yǎng)鹽以保守物質(zhì)輸入；第三年開(kāi)始計(jì)算耦合了生態(tài)模塊的水動(dòng)力模式.

2.2 N2P2ZD生態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊介紹

N2P2ZD生態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊包含氮鹽、磷酸鹽、硅藻、甲藻、浮游動(dòng)物以及生物碎屑6個(gè)生態(tài)變量.考慮的生物過(guò)程包括光合作用、呼吸作用、死亡作用、動(dòng)物攝食，礦化作用以及種間競(jìng)爭(zhēng)等(見(jiàn)圖3).浮游植物通過(guò)光合作用按照redfield比(N∶P=16∶1)攝取營(yíng)養(yǎng)鹽，光合作用同時(shí)還受溫度和光強(qiáng)的限制.浮游植物通過(guò)呼吸作用按照redfield比轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)鹽；通過(guò)死亡作用轉(zhuǎn)化為碎屑；同時(shí)，浮游植物被浮游動(dòng)物攝食.浮游動(dòng)物在攝食浮游植物過(guò)程中伴隨著主動(dòng)呼吸消耗以及攝食損失，僅有部分被攝食浮游植物被轉(zhuǎn)化為浮游動(dòng)物組織，其余部分伴隨著主動(dòng)呼吸消耗轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)鹽以及由于攝食損失被轉(zhuǎn)化為碎屑；浮游動(dòng)物同樣包含呼吸作用和死亡作用，產(chǎn)物同浮游植物.碎屑通過(guò)礦化作用按照redfield比被礦化為營(yíng)養(yǎng)鹽.生態(tài)模塊與外部環(huán)境之間的關(guān)系包括河流邊界及外海開(kāi)邊界的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入，平流擴(kuò)散作用及沉降作用，水溫及光照對(duì)各生物作用的限制等.

3 模型設(shè)置及驗(yàn)證

3.1 模型設(shè)置

圖3 生態(tài)模塊示意圖Fig.3 Ecological module diagram

本文共設(shè)計(jì)了6組數(shù)值試驗(yàn)，1組用于營(yíng)養(yǎng)鹽資料的驗(yàn)證，采用2005至2007年1 h一個(gè)的實(shí)際觀測(cè)長(zhǎng)江徑流量(大通水文站實(shí)時(shí)觀測(cè)資料)、6 h一個(gè)的風(fēng)資料(取自NCEP)驅(qū)動(dòng)模式.外海開(kāi)邊界條件為陸架環(huán)流和潮流的疊加，陸架環(huán)流和潮流皆以流通量形式給出.陸架環(huán)流為SODA月平均數(shù)據(jù)，潮流由11個(gè)主要分潮組成.模型溫鹽初始場(chǎng)資料源于SODA數(shù)據(jù).海氣熱通量由大氣相對(duì)溫度、壓強(qiáng)、濕度、云量等資料計(jì)算得到，上述資料均來(lái)源于NCEP.另外，模型的生態(tài)模塊初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)值僅考慮了營(yíng)養(yǎng)鹽的邊界條件，其余生態(tài)變量的初始值皆為0.01 Nmol/m3.營(yíng)養(yǎng)鹽的徑流邊界根據(jù)他人研究資料給出[20]，外海開(kāi)邊界及初始場(chǎng)皆源于SODA數(shù)據(jù).

另外5組實(shí)驗(yàn)均是氣候態(tài)下試驗(yàn)，用于分析該海域浮游植物分布特點(diǎn)以及徑流量及陸架環(huán)流作用對(duì)浮游植物生物量變化的影響.控制實(shí)驗(yàn)除了長(zhǎng)江徑流量和風(fēng)資料采用多年月平均條件外，其他條件與第一組試驗(yàn)皆一致.其余四組為敏感性實(shí)驗(yàn)，分別改變單一物理動(dòng)力因子，具體的實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1.由于長(zhǎng)江徑流和陸架環(huán)流是此區(qū)域最重要的營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源，因此本文只討論這兩個(gè)因素的影響.實(shí)驗(yàn)中改變徑流和陸架環(huán)流皆只改變流量值，并沒(méi)有改變邊界輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.

3.2 模型驗(yàn)證

本文所采用的水動(dòng)力模型相對(duì)較為成熟，能準(zhǔn)確的反映出長(zhǎng)江口及附近海域的流場(chǎng)、溫度及鹽度，并在許多實(shí)例中得到運(yùn)用.關(guān)于物理場(chǎng)的驗(yàn)證可參考先前的研究論文[19,20].

表1 各組敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)置Tab.1 Settings of each sensitivity experiment

3.2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽驗(yàn)證

營(yíng)養(yǎng)鹽作為浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，直接決定了浮游植物的生物量.因此，正確的模擬營(yíng)養(yǎng)鹽是一個(gè)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的根本.本文利用2007年5月閩浙海域走航的觀測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.圖4、圖5顯示的是觀測(cè)值與該時(shí)段該區(qū)域模型計(jì)算的氮鹽及磷酸鹽對(duì)比.從圖中可以看出，模型計(jì)算結(jié)果良好，能較好的展現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)鹽的水平和垂向結(jié)構(gòu).氮鹽表層濃度大于底層，而磷酸鹽恰恰相反.表層的營(yíng)養(yǎng)鹽主要由長(zhǎng)江徑流攜帶向外海輸運(yùn)，出口門外向南沿岸輸送，與此時(shí)外海的低營(yíng)養(yǎng)水體混合，在50m等深線附近形成一條營(yíng)養(yǎng)鹽的梯度鋒面.底層營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)源于外海臺(tái)灣暖流及黑潮次表層陸架環(huán)流水體的入侵，特別是磷酸鹽，觀測(cè)及模型皆呈現(xiàn)出50m等深線以東底層磷酸鹽濃度大于表層的特征.

注：左邊為觀測(cè)資料，右側(cè)為模型驗(yàn)證結(jié)果；上方兩張圖反映的是氮鹽的驗(yàn)證結(jié)果，單位為mmol N/m3,下方兩張圖反映的是磷酸鹽的驗(yàn)證結(jié)果，單位為mmol P/m3；圖5與此圖設(shè)置相同圖4 表層營(yíng)養(yǎng)鹽驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Surface nutrient concentration verification

圖5 底層營(yíng)養(yǎng)鹽驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Bottom nutrient concentration verification

3.2.2 浮游植物分布

相對(duì)于保守或半保守的溫度、鹽度和營(yíng)養(yǎng)鹽等數(shù)值模擬，浮游植物的定量模擬目前還普遍存在困難，其原因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)鹽的攝取通常采用了營(yíng)養(yǎng)鹽半飽和方案，且并沒(méi)有考慮浮游植物孢子休眠等復(fù)雜生物過(guò)程，相關(guān)生態(tài)過(guò)程參數(shù)也僅能經(jīng)驗(yàn)性的確定.同樣的，本研究模式模擬的浮游植物分布在定量上存在一定的誤差，但在定性上和歷史資料比較相似，能較好的反應(yīng)浮游植物的分布特點(diǎn).對(duì)浮游植物的分布特點(diǎn)將在下一章中進(jìn)行詳細(xì)的介紹.

4 生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)果討論

4.1 氣候態(tài)下浮游植物春夏季模擬結(jié)果

模型分別計(jì)算了硅藻和甲藻兩種藻類，統(tǒng)計(jì)了模型1—9月(0—270日)研究區(qū)域(118°—124°E、24°—32°N)表層平均浮游植物生物量濃度值，如圖6.從圖中我們得知，甲藻的整體生物量相對(duì)于硅藻偏低.分析其原因，是因?yàn)榧自宓纳L(zhǎng)率比硅藻小，因此在溫度光照營(yíng)養(yǎng)鹽等條件皆滿足的情況下，甲藻的整體生物量不及硅藻.甲藻生物量的高值主要集中在春季(90—180日)，而硅藻在整個(gè)春夏秋都保持著很高的生物量.這是因?yàn)榧自迳L(zhǎng)的適宜溫度相較于硅藻較低，進(jìn)入夏季之后，水溫較高，對(duì)甲藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生了溫度抑制作用.甲藻僅在春季發(fā)生一次水華，而硅藻在春季和夏秋季發(fā)生兩次水華.這是因?yàn)樵诖合慕惶娴募竟?jié)，由于春季水華的發(fā)生，表層的營(yíng)養(yǎng)鹽消耗殆盡，甲藻相較于硅藻更加能適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)鹽的環(huán)境，故在120—150日這段時(shí)間里，硅藻的生物量有略微下降的現(xiàn)象，而此時(shí)甲藻生物量依舊在持續(xù)增加.

圖6 模型計(jì)算的硅藻、甲藻1—9月表層平均濃度變化Fig.6 Model calculating biomass concentration of diatom and dinflagellata during the time from January to September

將模型計(jì)算輸出的表層結(jié)果從4—9月做逐月平均處理，進(jìn)一步分析春末、夏及秋初長(zhǎng)江口及閩浙海域浮游植物生物量的分布特點(diǎn).硅藻和甲藻的空間分布結(jié)果見(jiàn)圖7.從浮游植物時(shí)空分布特點(diǎn)來(lái)看，浮游植物的生物量主要集中在30～50m 等深線附近，而這里正是近岸長(zhǎng)江沖淡水與外海水體的交匯區(qū).近岸水體雖然攜帶了大量營(yíng)養(yǎng)鹽，但是同時(shí)也攜帶了大量其他陸源懸浮物，導(dǎo)致該區(qū)域水體透明度較低，從而受到浮游植物生長(zhǎng)的光限制，遠(yuǎn)岸水體雖然透明度較高，但由于水體攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽較少，故亦不適合浮游植物生長(zhǎng).恰恰在兩者的交匯區(qū)，由于水體的交換，近岸營(yíng)養(yǎng)鹽向外擴(kuò)散，且擺脫光限制，從而造成浮游植物生物量的暴增.4月初，由于長(zhǎng)江沖淡水出口門后沿岸向南輸運(yùn)，沖淡水的高濁度低溫水體不適合浮游植物生長(zhǎng)，故在浙江沿岸及杭州灣地區(qū)有一條明顯的浮游植物真空帶；而離岸較遠(yuǎn)的地區(qū)以及福建及臺(tái)灣海峽附近，由于濁度降低，加上富營(yíng)養(yǎng)鹽的長(zhǎng)江沖淡水和溫暖的臺(tái)灣暖流水相混合，促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng).進(jìn)入5、6月，海表面溫度增加，浮游植物的生長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)一步向北擴(kuò)展，但是杭州灣及長(zhǎng)江口門內(nèi)由于泥沙含量較大，水體透明性較差，依然不適宜藻類的生長(zhǎng).另一方面，由于4月浮游植物在適合條件下的生物量爆發(fā)導(dǎo)致該區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽不足，相對(duì)而言，甲藻比硅藻更加適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)鹽的環(huán)境，故在5、6月甲藻生物量穩(wěn)定增加，而硅藻在閩浙海域由于營(yíng)養(yǎng)鹽供給不足出現(xiàn)了浮游植物生物量下降的現(xiàn)象.7、8月，雖然此時(shí)長(zhǎng)江沖淡水在東南風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下不再沿岸向南輸送，但由于夏季臺(tái)灣暖流的增強(qiáng)，同樣帶來(lái)了足夠的營(yíng)養(yǎng)鹽，特別是磷酸鹽的補(bǔ)給又給予藻類再次爆發(fā)的可能.隨著溫度進(jìn)一步升高，由于甲藻的不耐高溫性，甲藻生物量明顯下降，而硅藻此時(shí)順勢(shì)爆發(fā).9月，再一次面臨營(yíng)養(yǎng)鹽供給不足的問(wèn)題，硅藻生物量明顯下降，而甲藻在溫度回落以及低營(yíng)養(yǎng)鹽狀態(tài)下生物量反而有所增加，此時(shí)北部相較于南部浮游植物生物量較高，這是因?yàn)楸辈侩x長(zhǎng)江口較近，仍能得到一定的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充.

4.2 物理因素變化對(duì)浮游植物的響應(yīng)

長(zhǎng)江徑流和陸架環(huán)流作為影響長(zhǎng)江口及閩浙海域兩個(gè)主要的物理過(guò)程，對(duì)該海域水文物理場(chǎng)的分布起到至關(guān)重要的作用，同時(shí)，長(zhǎng)江徑流和陸架水流入侵?jǐn)y帶的營(yíng)養(yǎng)鹽又為浮游植物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)源.因此，為進(jìn)一步研究徑流量和陸架環(huán)流作用對(duì)浮游植物生物量時(shí)空變化的影響，本文分析了另外4組單一物理因子變化試驗(yàn).由于進(jìn)入夏季，在溫度營(yíng)養(yǎng)鹽條件都較為符合的條件下，營(yíng)養(yǎng)鹽及浮游植物參與生態(tài)循環(huán)作用顯著，物理因素的改變對(duì)浮游植物生物量改變研究起來(lái)就顯得更為復(fù)雜，故本文著重分析4月(即浮游植物水華首發(fā)時(shí)間)時(shí)物理因素變化對(duì)浮游植物的影響.以甲藻為例，各敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8.

4.2.1 長(zhǎng)江徑流的影響

如圖所示，徑流量的改變基本上只對(duì)長(zhǎng)江口門附近的浮游植物產(chǎn)生影響，在遠(yuǎn)離口門的閩浙海域幾乎看不出浮游植物生物量的變化.這可以說(shuō)明，在4月，閩浙海域及以南海域浮游植物的生長(zhǎng)對(duì)長(zhǎng)江徑流變化的響應(yīng)不敏感.從某種程度上這是可以理解的，因?yàn)殚}浙海域營(yíng)養(yǎng)鹽的集聚是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間沖淡水累積過(guò)程，且營(yíng)養(yǎng)鹽總體較為充沛，不太受長(zhǎng)江徑流波動(dòng)的影響.

注：圖中左一自上而下分別為硅藻4、5、6月表層分布，左二自上而下為硅藻7、8、9月表層分布，左三是甲藻4、5、6月表層分布，最后一列為甲藻7、8、9月表層分布；單位為mmol N/m3圖7 硅藻、甲藻各月平均表層分布Fig.7 Surface average monthly concentration of diatom and dinflagellata

注：第一行從左至右分別是控制實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二，第二行依次是實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)四；單位為mmol N/m3圖8 各實(shí)驗(yàn)4月表層甲藻分布Fig.8 Surface average monthly dinflagellata concentration of each sensitivity experiment in April

4.2.2 陸架環(huán)流的影響

陸架環(huán)流的增減對(duì)甲藻生物量變化顯著.陸架環(huán)流的增強(qiáng)或減弱造成了甲藻高值區(qū)的南北移動(dòng).當(dāng)陸架環(huán)流增強(qiáng)時(shí)，甲藻生物量的高值區(qū)向北偏移，而陸架環(huán)流減弱時(shí)則出現(xiàn)相反的現(xiàn)象.陸架環(huán)流的強(qiáng)弱會(huì)影響該海域的營(yíng)養(yǎng)鹽和溫度分布，從而改變浮游植物的生長(zhǎng)條件.

從營(yíng)養(yǎng)鹽的分布角度來(lái)說(shuō)(見(jiàn)圖9和圖10)，雖然陸架環(huán)流同樣能夠帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)鹽特別是磷酸鹽的補(bǔ)充，但是由于該區(qū)域在浮游植物生物量未爆發(fā)前本身就積累了大量營(yíng)養(yǎng)鹽，且其值由于長(zhǎng)江沖淡水一個(gè)冬季的積累往往比陸架環(huán)流補(bǔ)充的值要大.因此，總體上，本區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽總量比較充沛，在爆發(fā)初期的4月份不至于成為一個(gè)顯著的限制因素.

我們發(fā)現(xiàn)海水溫度的變化可能是更重要的一個(gè)因素(見(jiàn)圖11).在控制實(shí)驗(yàn)下，可以看到閩浙海域的溫度存在近岸低、遠(yuǎn)岸高和北部低、南部高的特點(diǎn).在這樣的情況下，溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽一樣成為限制浮游植物生長(zhǎng)的重要因素.東海主要的甲藻種東海原甲藻可以忍受低營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境并種群增長(zhǎng)，其最適溫度約為22 ℃，適溫范圍在15～25 ℃之間[21].只有當(dāng)“富營(yíng)養(yǎng)鹽水體”的溫度上升到適宜的生長(zhǎng)溫度(大于15 ℃)后，初級(jí)生產(chǎn)力才可能爆發(fā).由于陸架環(huán)流、特別是臺(tái)灣暖流和黑潮帶來(lái)了大量高溫水體，因此對(duì)本區(qū)海溫的回升起到重要作用，特別是近岸溫度較低但富含營(yíng)養(yǎng)鹽的水體.在陸架環(huán)流減弱的情況下，閩浙海域的海溫顯著降低(降幅超過(guò)1 ℃)，因此海溫適宜浮游植物生長(zhǎng)的區(qū)域發(fā)生南移.長(zhǎng)江口和舟山以東海域，由于水溫過(guò)低， 初級(jí)生產(chǎn)力受抑制.相反，在陸架環(huán)流增強(qiáng)的情況下，高溫水體可以輸送

注：第一行從左至右分別是表層控制實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)四，第二行依次是底層控制實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)四；單位為mmol P/m3圖10 各控制實(shí)驗(yàn)4月表底層磷酸鹽分布Fig.10 Average monthly phosphorus concentration of each sensitivity experiment in April

到更北的區(qū)域，使得整個(gè)海域的表層溫度升高超過(guò)1 ℃.這顯著減輕了北部區(qū)域富營(yíng)養(yǎng)鹽水體的浮游植物生長(zhǎng)溫度限制，從而促使該區(qū)域初級(jí)生產(chǎn)力的爆發(fā).影響浮游植物生長(zhǎng)的因素很多，溫度只是其中的一個(gè)方面.同時(shí)，陸架環(huán)流的增強(qiáng)或減弱不僅是改變了海溫，還會(huì)對(duì)近岸水體的離岸交換產(chǎn)生影響.這些都是值得深入研究的問(wèn)題，但受篇幅限制本文不做展開(kāi)討論.

注：左為控制實(shí)驗(yàn)下的SST，中為實(shí)驗(yàn)三的SST變化(和控制實(shí)驗(yàn)相減)，右為實(shí)驗(yàn)四的SST變化；單位為℃圖11 各實(shí)驗(yàn)下的海水表面溫度(SST)比較Fig.11 Sea surface temperature comparison

5 總 結(jié)

本文利用了一個(gè)三維泥沙生態(tài)水動(dòng)力模型，初步探討了長(zhǎng)江口及閩浙海域春夏季浮游植物生長(zhǎng)規(guī)律，并分析了徑流和陸架環(huán)流等物理因子的改變對(duì)浮游植物生物量變化的影響.本文利用徑流及風(fēng)等的實(shí)際數(shù)據(jù)模擬了長(zhǎng)江口及閩浙海域的營(yíng)養(yǎng)鹽分布情況，結(jié)果較為合理，并將模型計(jì)算的浮游植物結(jié)果與近些年來(lái)該海域初級(jí)生產(chǎn)力爆發(fā)事件的規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，情況也基本與事實(shí)相符.之后，本文就浮游植物的分布特點(diǎn)展開(kāi)討論，分析其動(dòng)力機(jī)制.最后，本文利用單動(dòng)力因子實(shí)驗(yàn)，分析關(guān)鍵物理因子對(duì)浮游植物分布的影響.

浮游植物生長(zhǎng)主要受營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度和光照的限制.在長(zhǎng)江口及閩浙海域，浮游植物水華主要發(fā)生在春季和夏季.甲藻僅在春季發(fā)生一次水華，而硅藻在春季和夏季發(fā)生兩次水華.從浮游植物空間分布來(lái)看，其高值區(qū)主要集中在30～50 m等深線附近.此區(qū)域由于受長(zhǎng)江沖淡水與外海的混合作用，在特定條件下滿足了浮游植物生長(zhǎng)所需要的外部環(huán)境和內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)需求，從而造成了浮游植物生物量的劇增，而近岸由于濁度高、遠(yuǎn)岸由于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低皆不適合藻類生長(zhǎng).另一方面，由于受到溫度及營(yíng)養(yǎng)鹽供給的影響，浮游植物在時(shí)間上的空間分布也呈現(xiàn)一定的規(guī)律，春季高值區(qū)偏南，而夏秋高值區(qū)逐漸往北移動(dòng).

徑流和陸架環(huán)流能改變浮游植物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)和外部環(huán)境，從而改變浮游植物生物量的時(shí)空分布.從模型計(jì)算的該海域4月結(jié)果來(lái)看，徑流對(duì)目標(biāo)區(qū)域浮游植物生物變化影響較小，且基本位于長(zhǎng)江口門附近；陸架環(huán)流的強(qiáng)弱能造成浮游植物生物量空間上的北南移動(dòng)，陸架環(huán)流增強(qiáng)時(shí)，浮游植物生物量高值區(qū)向北移動(dòng)，而陸架環(huán)流減弱時(shí)呈現(xiàn)出相反的特征.這與陸架環(huán)流改變導(dǎo)致的溫度場(chǎng)變化有關(guān).

綜上所述，本研究初步揭示了長(zhǎng)江口及閩浙海域浮游植物生物量的時(shí)空分布特征，并且分析了徑流及陸架環(huán)流流量變化對(duì)浮游植物生物量變化的影響.但物理因子如何具體作用于浮游植物的外部環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)需求的探討還不夠深入，這是今后繼續(xù)研究的方向.

[1] 陸健健. 河口生態(tài)學(xué)[M]. 北京: 海洋出版社, 2003.

[2] 魏皓, 趙亮, 武建平，等. 浮游植物動(dòng)力學(xué)模型及其在海域富營(yíng)養(yǎng)化研究中的應(yīng)用[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2001, 16(2): 220-225.

[3] ZHANG J. Nutrient elements in large Chinese estuaries[J]. Continental Shelf Research, 1996, 16(8): 1023-1045.

[4] FINDLAY H S, YOOL A, NODALE M, et al. Modelling of autumn plankton bloom dynamics[J]. Journal of Plankton Research, 2005, 28(2): 209-220.

[5] 宋洪軍, 季如寶, 王宗靈. 近海浮游植物水華動(dòng)力學(xué)和生物氣候?qū)W研究綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2011, 26(3): 257-265.

[6] 朱建榮，沈煥庭. 長(zhǎng)江沖淡水?dāng)U展機(jī)制[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社，1997.

[7] 黃榮祥. 臺(tái)灣海峽中、北部海域溫、鹽度特征[J]. 海洋科學(xué), 1989(6): 33-38.

[8] 欒青杉, 孫軍. 2005年夏季長(zhǎng)江口水域浮游植物群集特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30: 4967-4975.

[9] 趙冉, 白潔, 孫軍，等. 2006年夏季長(zhǎng)江口及其鄰近水域浮游植物群集[J]. 海洋湖沼通報(bào), 2009(2): 88-96.

[10] 林軍, 朱建榮, 張經(jīng)，等. 長(zhǎng)江口外海區(qū)浮游植物生物量分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2011, 35(1): 74-87.

[11] 欒青杉, 孫軍. 2005年秋季長(zhǎng)江口及其鄰近水域浮游植物群集[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2010, (2): 202-208.

[12] 國(guó)家海洋局. 2013年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL]. (2014-03)[2014-03-31]. http://cn.chinagate.cn/economics/2014-03/31/content_31952090_7.htm

[13] BLUMBERG A F. A primer for ECOM-si[R]. Technical Report of HydroQual, Mahwah N J,1994：66.

[14] BlUMBERG A F, MELLOR G L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model[J]. Three-Dimensional Coastal Ocean Models, 1987:1-16.

[15] WU H, ZHU J. Advection scheme with 3rd high-order spatial interpolation at the middle temporal level and its application to saltwater intrusion in the Changjiang Estuary[J]. Ocean Modelling, 2010, 33(1-2): 33-51.

[16] CHEN C S, BEARDSLEY R C, COWLES G. An unstructured grid, finite-volume coastal ocean model: FVCOM User Manual[R]. SMAST/UMASSD, 2006.

[17] 林軍. 長(zhǎng)江口外海域浮游植物生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型研究[D]. 上海：華東師范大學(xué), 2011.

[18] WU H, ZHU J, SHEN J, et al. Tidal modulation on the Changjiang River plume in summer[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978-2012), 2011, 116(C8):192-197.

[19] WU H, SHEN J, ZHU J, et al. Characteristics of the Changjiang plume and its extension along the Jiangsu Coast[J]. Continental Shelf Research, 2014, 76(2):108-123.

[20] GAO L, LI D, ZHANG Y. Nutrients and particulate organic matter discharged by the Changjiang (Yangtze River): Seasonal variations and temporal trends[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2005-2012), 2012, 117(G4):197-205.

[21] 陳炳章, 王宗靈, 朱明遠(yuǎn)，等. 溫度、鹽度對(duì)具齒原甲藻生長(zhǎng)的影響及其與中肋骨條藻的比較[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2005, 23(1): 60-64.

(責(zé)任編輯 李萬(wàn)會(huì))

Numerical simulation on the phytoplankton dynamics in Changjiang estuary and Min-Zhe coastal waters

WANG Yi-he1, WU Hui1, ZHU Jian-rong1, SHEN Jian2

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;2.VirginiaInstituteofMarineScience,CollegeofWilliam&Mary,VA43062,USA)

This study was based on a high-resolution, three-dimensional, physics-biogeochemistry coupling numerical model that considered multiple dynamics and biochemical factors to simulate the spatial and temporal distribution of the dinoflagellata and diatoms. The results showed that the algae bloomed in late spring, summer and early autumn in this area. The diatoms bloomed twice in spring and summer and dinflagellata bloomed only once in spring. The high phytoplankton mass concentrated around the area of 30 to 50 isobath, which was an frontal area between the high temperature and low turbidity shelf waters and the low temperature and rich nutrient Changjiang diluted water. This area satisfied the physical and biogeochemical requirements for the growth of the phytoplankton. Furthermore, we also analyzed the influences of the physical dynamics such as runoff and shelf circulation on the phytoplankton growth.

Changjiang estuary and Min-Zhe coastal waters; phytoplankton; physical processes; numerical simulation

1000-5641(2015)04-0097-13

2014-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(2011CB409801)；河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研業(yè)務(wù)費(fèi) (2013RCDW01)

王一鶴，男，碩士研究生，從事河口海岸動(dòng)力研究.E-mail：wyhe11909045@gmail.com.

吳輝，男，副教授，研究方向?yàn)楹涌诤０秾W(xué).E-mail：hwu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.2

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.011