大氣氮沉降對(duì)南黃海初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程影響的數(shù)值研究*

郭 偉， 史 潔，2** ， 朱君瑩， 趙 亮

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

大氣沉降和河流輸入是海洋生態(tài)系統(tǒng)氮元素的主要外部來(lái)源[1]，模式評(píng)估結(jié)果顯示氮、磷等元素的大氣沉降量與河流輸入量相當(dāng)，在某些海域甚至大于河流輸入量[2-4]。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人為氮氧化物的排放從1980—2000年增加了2.4倍[5]。已有研究表明，西北太平洋邊緣海的大氣硝酸鹽沉降從1980—2003年增加了1.8～4.2倍[6]。Duce等[7]通過(guò)生態(tài)模型預(yù)測(cè)，到2030年時(shí)，中國(guó)近海以及西北太平洋的總大氣氮沉降量會(huì)在2000年的基礎(chǔ)上增加1.0～1.5倍。因此，大氣沉降對(duì)海區(qū)氮循環(huán)及初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的貢獻(xiàn)會(huì)越來(lái)越重要。

黃海位于中國(guó)大陸和朝鮮半島之間，是典型的半封閉陸架海，平均水深44 m。黃海東、西沿岸大約有30多條河流注入，是黃海陸源物質(zhì)的主要來(lái)源，但是對(duì)于遠(yuǎn)離陸地的黃海中部地區(qū)，河流的影響較弱，大氣沉降是陸源物質(zhì)向海洋輸送的主要途徑。Zhang等[8-9]通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在西北太平洋近岸海區(qū)，包括黃海，尤其是在真光層，由于垂直輸運(yùn)較弱，與河流輸送相比，大氣沉降已經(jīng)是黃海營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來(lái)源之一。此外，Zhang等[10]通過(guò)在千里巖島和嵊泗列島的觀測(cè)，定量估算了西北太平洋邊緣海和陸架海的大氣沉降量，認(rèn)為大氣沉降對(duì)海洋溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)的貢獻(xiàn)與河流輸入同樣重要；并且指出大氣沉降對(duì)西北太平洋近岸海域中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)有著重要作用。也有研究[11]估算黃海全年大氣氮沉降量可達(dá)494 GgN/a，約是河流輸入量的5倍。

大氣沉降作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮元素的主要外源[2-4]，對(duì)海洋氮循環(huán)以及初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程都具有重要影響。大氣氮沉降會(huì)直接增加海洋氮儲(chǔ)庫(kù)，影響海洋中各營(yíng)養(yǎng)鹽(氮、磷等)含量和比例，以及氮循環(huán)路徑和速率，改變浮游植物的營(yíng)養(yǎng)鹽限制狀況，進(jìn)而影響初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程[1]。Qi等[11]基于海上站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)估算黃海的大氣氮沉降通量，進(jìn)而計(jì)算得出大氣氮沉降可支持黃海0.3%～6.7%的初級(jí)生產(chǎn)力；也有研究[12]表明，在全年來(lái)看，來(lái)自大氣沉降的氮支持了黃海17%～37%的新生產(chǎn)力；亞洲沙塵事件帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)鹽沉降與黃海春季水華的強(qiáng)弱有明顯的相關(guān)關(guān)系[13-15]。然而，由于海區(qū)自身營(yíng)養(yǎng)鹽狀況的不同，且溫度和光照也對(duì)浮游植物生長(zhǎng)具有限制作用，導(dǎo)致大氣沉降的氮不一定完全被浮游植物吸收，進(jìn)而支持海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)，因而以往研究直接利用沉降量去估算對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)往往存在高估。因此，本文利用三維物理-生物耦合模型來(lái)模擬大氣氮沉降對(duì)南黃海主要初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的影響，并通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)區(qū)分不同季節(jié)的大氣氮沉降的貢獻(xiàn)。

1 方法

1.1 物理-生態(tài)耦合模型

本研究所運(yùn)用的三維物理-生物耦合模型主要包括水動(dòng)力模塊和生物地球化學(xué)模塊。水動(dòng)力模塊基于Princeton Ocean Model[16-17](POM)，模擬區(qū)域范圍為117.5°E～131.5°E，24.0°N～41.0°N，包括渤、黃、東海，以南黃海為主要研究區(qū)域(見(jiàn)圖1)，為考慮海海界面和大河影響，將東海和渤海也包括在內(nèi)。模型的空間分辨率均為1/18(°)，垂直分為21層，對(duì)上混合層進(jìn)行加密[18]。模型的生態(tài)模塊(見(jiàn)圖2)基于NORWECOM[19-20]，生態(tài)過(guò)程經(jīng)過(guò)修改使得更適合中國(guó)海生態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)[21]。生態(tài)模塊變量包括：大型硅藻(DIA)和小型鞭毛藻(FLA)兩種藻類(lèi)，無(wú)機(jī)氮(DIN)、無(wú)機(jī)磷(DIP)和硅酸鹽(SIL)三種主要營(yíng)養(yǎng)鹽，以及兩種碎屑(碎屑DET和生物硅SIS)。水體中的生物過(guò)程包括：浮游植物光合作用生長(zhǎng)、呼吸和死亡以及碎屑的再礦化，底棲層中的生物過(guò)程包括碎屑的礦化溶出、再懸浮等過(guò)程，此外還考慮浮游植物和碎屑從海表到海底的沉降過(guò)程以及營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積物-水界面交換通量、河流輸入和大氣沉降。水動(dòng)力模塊為生態(tài)模塊提供流場(chǎng)、垂直和水平湍流混合系數(shù)，用來(lái)計(jì)算各生態(tài)變量的對(duì)流輸運(yùn)和湍流混合；提供溫度用來(lái)計(jì)算浮游植物生長(zhǎng)、呼吸等過(guò)程的溫度限制因子。

((a)不同背景色表示不同大氣氮沉降數(shù)據(jù),沿岸黑色點(diǎn)為河流入?？?；(b)研究區(qū)域水深分布，單位為m，其中黑色虛線表示36°N斷面。(a) Different background colors represent different atmospheric nitrogen deposition data the estuaries are denoted by black dots around the coastline the bathymetry of the research area. (b) The black dotted line is the 36° N section.)

圖1 模型模擬區(qū)域(a)和研究區(qū)域(b)
Fig.1 Model domain (a) and research area (b)

1.2 模型強(qiáng)迫條件及大氣輸入

物理模塊的初始條件和開(kāi)邊界條件均來(lái)自大區(qū)的模擬結(jié)果[18]，包括日均的環(huán)流、水溫、鹽度和海面動(dòng)力高度等外洋信號(hào)和潮汐強(qiáng)迫；大氣強(qiáng)迫為2015年日均的NCEP/DOE再分析資料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)，包括海表溫度、降水、蒸發(fā)、氣壓、熱通量和風(fēng)應(yīng)力；生態(tài)變量的初始條件和開(kāi)邊界條件來(lái)自 WOA2005(World Ocean Atlas)數(shù)據(jù)集和已發(fā)表的多年觀測(cè)資料[22]；河流(主要的10條河流)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入來(lái)自已發(fā)表的觀測(cè)資料(2015年河流泥沙公報(bào))與已發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果[23-28]；計(jì)算水中光強(qiáng)所需的懸浮顆粒物(SPM)資料來(lái)自SeaWiFS衛(wèi)星數(shù)據(jù)(https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/)。

圖2 生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型概念圖[21]Fig.2 Schematic illustration of the biophysical model[21]

季節(jié)Season渤海Bohai Sea黃海Yellow Sea東海East China Sea干沉降①濕沉降②干沉降①濕沉降②干沉降①濕沉降②冬(1—3月)Winter (Jan～Mar)10.94.34.023.04.34.8春(4—6月)Spring (Apr～Jun)11.034.65.160.14.018.5夏(7—9月)Summer (Jul～Sep)11.113.13.733.12.66.4秋(10—12月)Autumn (Oct～Dec)11.11.54.318.43.53.2

Note:①Dry deposition/mmol·m-2;②Wet deposition/mmol·m-2

1.3 模型實(shí)驗(yàn)

本研究共包含5個(gè)模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)初始場(chǎng)、大氣動(dòng)力強(qiáng)迫、河流輸入等均相同。模型在不加大氣氮沉降的情況下運(yùn)行兩年，第二年末的結(jié)果作為所有數(shù)值實(shí)驗(yàn)的初始場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)1為在此基礎(chǔ)上繼續(xù)運(yùn)行一年，模擬得到不加大氣氮沉降下2015年南黃海DIN和葉綠素濃度分布的季節(jié)變化；實(shí)驗(yàn)2為第三年添加大氣氮沉降；實(shí)驗(yàn)3、4、5分別為第三年的冬、春、夏三個(gè)季節(jié)分別添加大氣氮沉降(月均)。

2 結(jié)果

2.1 南黃海無(wú)機(jī)氮和葉綠素濃度季節(jié)變化特征

模型模擬得到東中國(guó)海物理場(chǎng)、DIN及葉綠素濃度分布的季節(jié)變化。其中，物理場(chǎng)的模擬結(jié)果在已發(fā)表文獻(xiàn)中與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較驗(yàn)證[32]。圖3為模擬得到的南黃海DIN濃度水平(以表層為例)和垂直(以36°N斷面為例)分布的季節(jié)變化與觀測(cè)資料[33-36]的對(duì)比。可以看出，受近岸河流的排放影響，近岸區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度四季都較高。春季，表層DIN沿岸海域濃度最大可以達(dá)到25.0 mmol/m3，由沿岸向黃海中部迅速減小，黃海中部表層由于春季浮游植物旺發(fā)消耗了大量營(yíng)養(yǎng)鹽，DIN濃度較低，小于5.0 mmol/m3(見(jiàn)圖3(b)、(f))；斷面上，黃海中部真光層內(nèi)DIN濃度較低，下層水水體中DIN濃度高(見(jiàn)圖3(j))。夏季，由于水體層化加強(qiáng)，斷面上可以看出營(yíng)養(yǎng)鹽躍層較春季有所加強(qiáng)，下層高DIN濃度海水難以向上補(bǔ)充，DIN濃度最小值出現(xiàn)在次表層，濃度小于1.0 mmol/m3(見(jiàn)圖3(k))；表層DIN低濃度區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，濃度值進(jìn)一步減小，小于2.0 mmol/m3(見(jiàn)圖3(c)、(g))。秋季，由于氣溫降低、海表風(fēng)加強(qiáng)，促進(jìn)了海洋垂直混合，底層富營(yíng)養(yǎng)鹽海水可以向上層海水補(bǔ)充，加之溫度降低限制了浮游植物生長(zhǎng)的吸收，表層DIN濃度與夏季相比明顯增加(見(jiàn)圖3(d)、(h))；斷面上也可以看出營(yíng)養(yǎng)鹽躍層減弱，次表層DIN低值區(qū)基本消失(見(jiàn)圖3(l))。冬季，表層DIN濃度則達(dá)到了全年最大，黃海中部最大值可以達(dá)到5.0 mmol/m3，且低DIN區(qū)域范圍是四季中最小(見(jiàn)圖3(a)、(e))；斷面上DIN濃度垂直分布趨向均勻(見(jiàn)圖3(i))。與實(shí)測(cè)對(duì)比可以看出，模型可以成功量化DIN的主要生消機(jī)制，模擬得到的季節(jié)變化特征與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。近岸水深較淺區(qū)域，高DIN濃度范圍要大于實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果，由于本研究主要分析黃海中部區(qū)域的兩個(gè)重要初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程(春季水華和次表層葉綠素最大值)，模型對(duì)黃海中部的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較高，因此以下基于模型結(jié)果的分析具有較高的可靠性。

((a)、(b)、(c)、(d)分別表示2、5、8和11月的表層DIN實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；(e)、(f)、(g)、(h)分別表示2、5、8和11月的表層DIN模擬結(jié)果；(i)、(j)、(k)、(l)分別表示2、5、8和11月的36°N斷面DIN模擬結(jié)果。(a)～(d) show the observations of surface DIN in February, May, August, and November, respectively; (e)～(h) show the horizontal model results of surface DIN in February, May, August, and November, respectively; (i)～(l) show the vertical model results of DIN in the 36°N section in February, May, August, and November, respectively.)

圖3 南黃海表層以及36°N斷面DIN季節(jié)變化(單位：mmol/m3)
Fig.3 The seasonal variations of DIN concentrations in the surface of the Southern Yellow Sea and in the 36 ° N section(Unit: mmol/m3)

南黃海中部春季表層浮游植物水華和夏季次表層葉綠素最大值現(xiàn)象是兩個(gè)重要初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程。圖4為模擬得到的黃海中部(34°N～36°N，123°E～125°E)表層葉綠素濃度的季節(jié)變化圖(黑線)，全年看來(lái)，葉綠素濃度峰值出現(xiàn)在4—5月，達(dá)1.5 mg/m3，其余月份濃度較低，模型成功再現(xiàn)黃海中部春季水華現(xiàn)象。MODIS反演海表葉綠素濃度數(shù)據(jù)(灰線)也明顯看出葉綠素濃度在春季的峰值。但在秋冬季節(jié)，MODIS反演結(jié)果明顯大于模擬結(jié)果，這是由于衛(wèi)星反演的葉綠素濃度受水體中碎屑和有色溶解有機(jī)物質(zhì)等的影響[37]，反演值偏高。尤其是在秋冬季節(jié)，由于海表降溫和大風(fēng)影響，水體垂直混合增強(qiáng)，水體中懸浮物濃度增高，導(dǎo)致衛(wèi)星反演葉綠素濃度很高，而此時(shí)低水溫限制了浮游植物，實(shí)際水中葉綠素濃度很低，因此衛(wèi)星反演結(jié)果在一定程度上存在高估[38-40]。圖4中不同標(biāo)記分別代表已發(fā)表的黃海中部現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的葉綠素濃度數(shù)據(jù)[41-45]，可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)基本一致。夏季(見(jiàn)圖5)，模型模擬得到的葉綠素垂直分布可以看出(見(jiàn)圖5(a))，除近岸區(qū)域由于陸源營(yíng)養(yǎng)鹽排放一直支持較高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(見(jiàn)圖3(k))和較高的生產(chǎn)力外，黃海中部區(qū)域上層水體由于營(yíng)養(yǎng)鹽在春季水華期間耗盡，限制了浮游植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉綠素濃度很低，小于0.4 mg/m3。黃海中部葉綠素濃度最大值出現(xiàn)見(jiàn)次表層，大概40 m水層，葉綠素濃度可達(dá)1.8 mg/m3，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果[46](見(jiàn)圖5(b))較為吻合。

圖4 黃海中部表層葉綠素濃度季節(jié)變化與衛(wèi)星及觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 4 The seasonal variations of the surface chlorophyll concentrations in the central Yellow Sea and the comparison with satellite and observation data

((a)，(b)分別表示模式模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，單位：mg/m3。(a) and (b) show the model results and the observations, respectively. Unit: mg/m3.)

2.2 南黃海氮營(yíng)養(yǎng)鹽響應(yīng)

大氣氮沉降的直接作用就是會(huì)增加海洋氮儲(chǔ)庫(kù)，其作用在表層尤為明顯。圖6為考慮大氣氮沉降下(實(shí)驗(yàn)2)表層DIN濃度與不考慮時(shí)(實(shí)驗(yàn)1)的年平均差值分布圖。從圖中可以看出，大氣氮沉降導(dǎo)致的黃海表層DIN濃度變化量空間差異顯著，近岸海域增加量較大，可以達(dá)到3.0 mmol/m3，由近岸海域到黃海中部海域呈明顯的遞減趨勢(shì)。這一變化主要決定于原黃海營(yíng)養(yǎng)鹽分布。近岸海域，由于受人類(lèi)活動(dòng)影響，河流等營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源眾多，導(dǎo)致本身DIN濃度較高，相對(duì)于浮游植物生長(zhǎng)吸收來(lái)說(shuō)存有富余，故大氣沉降的氮在此處不能被浮游植物生長(zhǎng)吸收，其效果是顯著增加此處DIN濃度。黃海中部區(qū)域，本身營(yíng)養(yǎng)鹽不足，尤其是在春季水華期間，大氣沉降的DIN是此處營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源，能夠及時(shí)被浮游植物吸收利用，幾乎沒(méi)有剩余，故從營(yíng)養(yǎng)鹽分布來(lái)看，黃海中部差值較小，小于0.5 mmol/m3。

圖6 添加大氣氮沉降后黃海表層年均DIN濃度變化量水平分布(單位： mmol/m3)Fig.6 The horizontal distribution of the variation in yearly mean surface DIN concentration after adding the atmospheric nitrogen deposition in the Yellow Sea (Unit: mmol/m3)

大氣氮沉降進(jìn)入海洋水體后，有一部分在海洋表層被浮游植物利用，剩余部分則會(huì)沉降影響到下層水體的DIN濃度。從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的差值在36°N斷面分布來(lái)看(見(jiàn)圖7)，大氣氮沉降引起36°N斷面DIN濃度變化量具有較明顯的季節(jié)差異，冬季(2月：見(jiàn)圖7(a))DIN濃度增加量水平和垂直方向都較為均勻，這是由于，浮游植物生長(zhǎng)受到冬季低溫的限制，因此不能吸收大氣沉降的DIN，水體中DIN濃度的增加量基本與大氣氮沉降量一致。春季(5月：見(jiàn)圖7(b))DIN濃度在近岸海域增加明顯，且由于冬季大氣沉降的累積作用，春季近岸的增加量較冬季增大；而黃海中部區(qū)域，由于春季水華過(guò)程消耗了大量DIN，使得上層水體中冬季和春季沉降的DIN都被利用，圖7(b)中顯示兩實(shí)驗(yàn)DIN濃度的變化并不明顯。夏季(8月：見(jiàn)圖7(c))DIN濃度在表層增加多(最大1.0 mmol/m3)，而次表層增加少，這是由于夏季表層水體中限制浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽為無(wú)機(jī)磷，DIN相對(duì)富余，模型結(jié)果顯示此時(shí)表層氮磷比約為40，大氣沉降下來(lái)的DIN在表層不被浮游植物所消耗而存留；在次表層，氮磷比較小，約為10，大氣沉降的氮到達(dá)此處被吸收，支持了次表層葉綠素最大值現(xiàn)象，故兩個(gè)實(shí)驗(yàn)DIN濃度在次表層幾乎沒(méi)差別。秋季(11月：見(jiàn)圖7(d))，由于水體垂直混合增強(qiáng)，DIN濃度的變化量垂向分布均勻，溫度降低使得浮游植物生長(zhǎng)較弱，大氣沉降的氮累積下來(lái)，并被強(qiáng)混合帶到下層水體；近岸水域由于全年沉降的氮都得不到利用，累積最為明顯，增加量可達(dá)2.0 mmol/m3。

((a)、(b)、(c)、(d)分別表示2、5、8和11月的模擬結(jié)果。(a),(b),(c),and (d) show the model results in February,May,August,and November,respectively.)

圖7 添加大氣沉降后36°N斷面DIN變化量垂向分布(單位： mmol/m3)
Fig. 7 The vertical distributions of the variations in DIN concentrations after adding the
atmospheric nitrogen deposition in the 36°N section (Unit: mmol/m3)

2.3 南黃海葉綠素響應(yīng)

南黃海中部主要初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程包括春季表層浮游植物水華和夏季次表層葉綠素最大值現(xiàn)象，圖8為大氣氮沉降對(duì)兩個(gè)重要初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的影響。添加大氣氮沉降后黃海中部海域春季表層(5月)葉綠素濃度增加的較為明顯，增加量最大達(dá)到0.20 mg/m3(見(jiàn)圖8(a))，可達(dá)水華期間峰值濃度的10%，而近岸區(qū)域葉綠素濃度增加并不明顯。這是由于沿岸區(qū)域，由于受河流輸入以及人類(lèi)活動(dòng)影響較大，海洋表層DIN較為豐富，大氣氮沉降量與本底值相比較小，對(duì)浮游植物生長(zhǎng)影響也就很??；黃海中部浮游植物水華過(guò)程消耗了大量營(yíng)養(yǎng)鹽，此時(shí)大氣氮沉降是營(yíng)養(yǎng)鹽的有效補(bǔ)充，進(jìn)而使水華強(qiáng)度增大。夏季(8月)，36°N斷面上葉綠素濃度的變化量分布可以看出(見(jiàn)圖8(b))，次表層的增幅明顯，而表層沒(méi)有明顯的增加。海洋表層經(jīng)歷了春季水華過(guò)程之后，各種營(yíng)養(yǎng)鹽消耗殆盡，到了夏季，大氣氮沉降有利地緩解了DIN的缺乏，但表層磷酸鹽由于沒(méi)有額外補(bǔ)充而成為限制因子，因此大氣氮沉降不會(huì)促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)，葉綠素濃度增長(zhǎng)并不明顯；而在次表層，從表層進(jìn)入的氮沉降到達(dá)次表層，緩解了此處的氮限制情況，促進(jìn)此處初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程，葉綠素濃度增加顯著。

圖8 添加大氣沉降后春季表層(a)與夏季36°N斷面葉綠素濃度變化量(b)的空間分布(單位： mg/m3)Fig.8 The spatial distributions of the variations in the chlorophyll concentrations in the surface layer during spring (a) and in the 36°N section during summer (b) after adding the atmospheric nitrogen deposition (Unit: mg/m3)

3 討論

3.1 冬、春季大氣氮沉降對(duì)黃海中部春季水華現(xiàn)象的影響

冬季，由于溫度和光照限制了浮游植物對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，此時(shí)大氣沉降的營(yíng)養(yǎng)鹽就會(huì)存留在水中，與春季大氣氮沉降一起支持浮游植物的旺發(fā)。為了區(qū)分冬季和春季的大氣沉降對(duì)春季水華過(guò)程的影響，本研究設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)3和4)。圖9為分別只添加冬季或春季氮沉降下南黃海春季水華期間表層葉綠素濃度增加量的分布。冬季存留下的氮到了春季促進(jìn)了春季水華強(qiáng)度(見(jiàn)圖9(a))，與不添加大氣沉降的結(jié)果相比，最大增加量為0.05 mg/m3以上，黃海中部區(qū)域平均增加量約為0.03 mg/m3。與冬季相比，春季的大氣氮沉降對(duì)春季水華的促進(jìn)作用更加明顯，由圖9(b)可以看出，增加量大于0.05 mg/m3的區(qū)域范圍明顯大于冬季添加大氣沉降的結(jié)果，與不添加大氣沉降的結(jié)果相比，最大值增加量可以達(dá)到0.10 mg/m3以上，黃海中部區(qū)域平均增加量約為0.05 mg/m3。結(jié)果表明，雖然冬季南黃海氮沉降量并不少，但由于冬季大風(fēng)混合作用，通過(guò)海表進(jìn)入水體中的氮被帶到整個(gè)水層，到了春季僅有部分留在真光層中支持了水華過(guò)程。然而，春季的大氣沉降可以直接被浮游植物生長(zhǎng)所利用，直接緩解了水華期間營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏的情況，對(duì)春季水華的促進(jìn)作用更加明顯。

3.2 冬、春、夏季大氣氮沉降對(duì)黃海中部夏季次表層葉綠素最大值現(xiàn)象的影響

實(shí)驗(yàn)3、4和5分別為只在冬季、春季和夏季添加大氣氮沉降的模擬，將所得結(jié)果與全年不添加大氣氮沉降結(jié)果對(duì)比(見(jiàn)圖10)，研究不同季節(jié)的氮沉降對(duì)夏季次表層葉綠素最大值現(xiàn)象的影響。冬季大氣氮沉降一部分在真光層內(nèi)支持春季水華期間的浮游植物生長(zhǎng)，一部分則沉降到達(dá)海洋次表層，到了夏季時(shí)被浮游植物生長(zhǎng)吸收，促進(jìn)了此時(shí)次表層葉綠素最大值現(xiàn)象，與不添加大氣沉降的結(jié)果相比，次表層葉綠素濃度的最大增加量約為0.03 mg/m3(見(jiàn)圖10(a))。春季添加的大氣氮沉降則大部分被春季海洋真光層內(nèi)的水華過(guò)程所消耗，沉降到次表層的量較少，所以對(duì)夏季次表層的影響比冬季沉降要小，最大增加量約為0.02 mg/m3(見(jiàn)圖10(b))。夏季，由于水體層化較強(qiáng)，此時(shí)的大氣沉降的氮都在上層水體中存留，少部分到達(dá)較深的水層，對(duì)次表層葉綠素濃度的影響與春季沉降相當(dāng)，小于冬季沉降(見(jiàn)圖10(c))。

圖9 在不同季節(jié)添加大氣氮沉降后春季黃海表層的葉綠素濃度變化量的水平分布(單位： mg/m3)Fig.9 The horizontal distributions of the variations in the surface chlorophyll concentrations during spring after adding the atmospheric nitrogen deposition in different seasons in the Yellow Sea (Unit: mg/m3)

圖10 在不同季節(jié)添加大氣氮沉降后夏季36°N斷面葉綠素濃度變化量的垂向分布(單位： mg/m3)Fig.10 The vertical distributions of the variations in the chlorophyll concentrations during summer after adding the atmospheric nitrogen deposition in different seasons in the 36°N section (Unit: mg/m3)

3.3 大氣氮沉降對(duì)海洋中氮循環(huán)過(guò)程的影響

大氣沉降作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮元素的主要外源，會(huì)直接增加海洋氮貯庫(kù)，影響海洋中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與比例，從而改變海洋氮循環(huán)過(guò)程及速率[1]?；诩优c不加大氣氮沉降的模型結(jié)果(實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2)，本研究定量計(jì)算了模型中所涉氮循環(huán)中的三個(gè)過(guò)程的改變，即浮游植物生長(zhǎng)吸收、呼吸釋放以及碎屑礦化。圖11為三個(gè)過(guò)程全年平均水柱積分的變化量的分布圖?？梢钥闯觯砑哟髿獾两抵?，浮游植物生長(zhǎng)吸收的無(wú)機(jī)氮量有明顯增加，變化量最大可達(dá)2.0 mg·m-2·d-1以上，整個(gè)海域平均增大約10%。相應(yīng)地，浮游植物呼吸釋放無(wú)機(jī)氮量也有相應(yīng)的增長(zhǎng)，最大可達(dá)1.5 mg·m-2·d-1以上。浮游植物生長(zhǎng)吸收的增加量大于呼吸釋放的變化量，說(shuō)明大氣氮沉降對(duì)南黃海初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的促進(jìn)作用顯著。同時(shí)，碎屑礦化量也有增加，礦化過(guò)程是有機(jī)碎屑產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)鹽的過(guò)程，而有機(jī)碎屑的主要來(lái)源是浮游植物死亡，因此大氣氮沉降在促進(jìn)浮游植物生物量的同時(shí)，也相應(yīng)促進(jìn)了礦化過(guò)程，使得浮游植物生物量增長(zhǎng)明顯的南黃海東部海域礦化量也顯著增加，變化量最大可達(dá)2.0 mg·m-2·d-1。

((a)，(b)，(c)分別表示浮游植物生長(zhǎng)消耗的氮，浮游植物呼吸釋放的氮，礦化過(guò)程產(chǎn)生的氮。(a), (b), and (c) show the DIN consumption due to growth of phytoplankton, the DIN release due to breathing of phytoplankton, the DIN release due to mineralization, respectively.)

圖11 添加大氣沉降后年均海洋水柱積分氮通量變化量的水平分布(單位： mg·m-2·d-1)
Fig.11 The horizontal distributions of the variations in the yearly mean vertically integrated nitrogen
fluxes after adding the atmospheric deposition (Unit: mg·m-2·d-1)

4 結(jié)語(yǔ)

春季水華和夏季次表層葉綠素最大值現(xiàn)象是南黃海兩個(gè)重要的初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程，各營(yíng)養(yǎng)鹽外部來(lái)源均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，其中大氣沉降的作用不容忽視。本文利用三維物理-生態(tài)耦合模型定量估算了大氣氮沉降的影響。大氣氮沉降最明顯的作用是增加了黃海氮儲(chǔ)量，近岸區(qū)域最為明顯，向中部海區(qū)逐漸遞減，這主要是由于近岸海域無(wú)機(jī)氮來(lái)源眾多，本身水體中DIN濃度較高，氮不是限制浮游植物生長(zhǎng)的主要因子，因此大氣氮沉降不會(huì)被浮游植物生長(zhǎng)吸收，容易出現(xiàn)氮累積。春季水華期間，由大氣氮沉降提供的葉綠素濃度的增加達(dá)到了峰值濃度的10%，數(shù)值實(shí)驗(yàn)顯示冬季的氮沉降在水體中的存留可以促進(jìn)接下來(lái)的春季浮游植物旺發(fā)，而春季的氮沉降影響更加顯著。大氣氮沉降對(duì)夏季次表層葉綠素最大值的貢獻(xiàn)為6%，且冬季沉降的存留影響最大，夏季的沉降在水體強(qiáng)層化的情況下難以到達(dá)次表層，只留在表層提高了此處的氮磷比。

本研究?jī)H考慮了大氣無(wú)機(jī)氮沉降對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響，同時(shí)有研究表明大氣沉降的其他物質(zhì)也對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，比如大氣有機(jī)氮沉降可能會(huì)影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[47]，大氣沉降中的無(wú)機(jī)磷也會(huì)促進(jìn)特定海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力[48]，并且大氣沉降中的鐵和銅對(duì)浮游植物生長(zhǎng)有一定的抑制作用[48-50]。除此之外，本研究中模型使用的大氣沉降數(shù)據(jù)為稀疏的觀測(cè)結(jié)果，整個(gè)南黃海取值相同，事實(shí)上大氣沉降存在一定的空間差異，以后的研究中將利用空氣質(zhì)量模型的模擬結(jié)果，更加準(zhǔn)確的估算大氣氮沉降對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)。