中国广西沿海海湾营养盐和浮游植物动力学数值模拟外文翻译资料

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中国广西沿海海湾营养盐和浮游植物动力学数值模拟

肖旭东, 王宝东, 孙夏, 梁胜康

摘要 河流污染物持续增加，使得广西沿海水域的营养盐富集和水质恶化。然而, 应对富营养化控制对策的关键——营养负荷和水质的定量响应关系,并没有很好地被研究。在本研究中，利用营养盐循环和浮游植物动力学盒子模型对广西沿海港湾河流营养盐通量进行量化和整合。模型概念和生物地球化学方程是相同的；而大多数模型参数对于每个海湾是特定的。参数用2006-2007年季节性观察数据进行校准，并用2009年的年均值进行验证。营养盐和浮游植物动力学的一般特征被重现，模型被验证在开放式的海湾条件下是可行的。由于相对较少的营养盐输入，珍珠湾和防城湾的溶解无机氮在春季水华过程中减少。磷的浓度在春季很高，之后由于持续的浮游植物消耗而减少。叶绿素a浓度在夏季达到年度最大值，而在冬季达到最小值。在廉州湾，富营养化是以营养盐浓度和浮游植物生物量的增加为特征。为了控制廉州湾蓝藻水华，需要减少约80%的氮或减少70%的磷。本文对模型的缺点进行讨论，并提出了针对广西沿海海湾环境保护的建议。

关键词 生态系统模型；营养盐；浮游植物；季节性变化；沿海港湾

1简介

近年来, 由于过度人为营养盐排放，沿海水域的富营养化和水质恶化受到全球关注。(Kuusisto等人, 1998; Wang等人, 1999; Savchuk, 2002; Chau等人, 2004; Park等人, 2005; Los and Wijsman, 2007; Han等人, 2011) 由于沿海生态系统是复杂、动态和非线性的，所以只通过有限区域的观察很难完全理解这个问题。相反，沿海生态系统的力学可以用数值模拟来探究，数值模拟来源于过程研究的知识集合。模型包含了重要的营养盐循环和浮游生物动力学，可以强化我们对海洋系统行为的了解和决策过程的优化。(Baretta等人, 1995; Cloern, 2001; Stow等人, 2009) 虽然生态系统建模的一般趋势是从盒子模型转向三维模型，但是湍急的盒子模型可以提供第一个长期生态系统动力学过程的方法，并提供季节和年度趋势的可靠结果。(Meacute;nesguen等人, 2007)

广西沿海海湾位于中国北部湾北部，包含五个主要的半封闭水体：珍珠湾,防城湾,钦州湾，廉州湾和铁山湾(图1)，有全日潮的特点。赵等人(2002) 使用三维模型研究海湾的水动力学。一些研究表明，陆源营养盐输入导致钦州湾和廉州湾沿海生态系统不断恶化 (Chen, 2001; Xin等人, 2010; Lan, 2011; Long等人, 2011; Zhuang等人, 2011)。 廉州湾赤潮水华频发的富营养化现象也有报道(He and Wei, 2009).。但是，大多数以前的研究(Qiu, 2001; Zhuang等人, 2010; Lan and Peng, 2011; Long等人, 2011; Zhang等人, 2011)是定性描述性的，而不是机理性的。而很大程度上决定生物地球化学循环系统的河流和其他源强的输入，还没有被深入研究。另外，很少有人注意到陆源输入和水质之间的定量响应关系，这限制了营养盐控制对策的发展。在本研究中,利用营养盐循环和浮游植物动力学盒子模型对广西沿海港湾河流营养盐通量进行量化和整合。参数用2006-2007年季节性观察数据进行校准，并用2009年的年均值进行验证。基于模型计算结果，提出了廉州湾营养盐削减目标。

2 监测方案

四个季节的调查是由中国国家海洋局第一海洋研究所分别在 2006年7月、2006年12月、2007年4月和2007年10月进行。采集了10个站点的表面和底层水样品 (图1)。水样经0.45mu;m孔径的醋酸纤维素滤膜过滤。硝氮(NO3-N),亚硝氮(NO2-N)、氨氮 (NH4-N)和磷酸盐(PO4-P) 用由王等人(2003)先前描述的分光光度法进行测定。溶解无机氮(DIN)由NO3-N,NO2-N和NH4-N进行加和计算得到。叶绿素a(chl-a)依照斯特里克兰和帕森斯(1972)使用的荧光计测定法进行测量。对巡测过程中每个湾的站点数据加和平均,并且用于校准模型。

3生态系统模型

生态系统模型的结构示意图见图2。考虑了七个变量,包括DIN,PO4-P,溶解性有机氮(DON),溶解性有机磷(DOP),浮游植物(PPT),浮游动物(ZPT)和碎屑(DPT)。其中，氮被作为控制过程的流动参数。该模型概念和生物地球化学方程在不同海湾是相同的。我们假设海洋浮游植物对N和P的吸收和释放率服从16：1的固定比值(Redfield等人,1963)。由于缺乏沉积物和海水交界面的观测数据,碎屑再悬浮和底栖生物养分通量没有包含在我们的模型中。

3.1 演化方程和强迫变量

营养盐的时空演化如下:

生物地球化学项 河流流入 （1）

其中Ci是任意营养盐;t是时间;kO是与外界水体的交换率;CO是外部水区间的浓度。在比邻的北部湾，氮的平均值为1.4 mmol mminus;3，磷的平均值为0.03 mmol mminus;3 ，作为模型边界条件。交换率kO(见表2)依照周等人(1996)的方法进行测量:

其中QF是涨潮时流入海湾的总水量;gamma;E是涨潮时“新”进入的部分海水(帕克等人,1972);gamma;F是在退潮时“新”退出的部分海水(Kashiwai,1984);V是海湾体积(见表1)。5个海湾gamma;E,gamma;F和QF的值已有记述(表6.3.1赵等人,2002)。生物区间的发展方程与方程1很相似，除了河流流入的缺失项。微粒的交换率(kPO,表2)假设为kO的一半。

生态系统季节性变化假设由入射的光合有效辐射(PAR)、温度(图3)和养分输入变化驱动。海湾N和P年负荷的估计如表1所示,它分析了广西海洋环境监测中心在2006 - 2007年收集的河流流量和营养盐浓度的数据。河道流量的季节性变化和营养输入见图4。没有可用的大气沉积和海水养殖数据源。

3.2 主要生态过程和参数

营养物质由河道输入海湾。它们被浮游植物吸收、通过浮游植物的呼吸作用、浮游动物排泄物和溶解性有机营养(DON和DOP)的矿化作用在水中再生。溶解性有机营养物质来源于浮游植物和浮游动物的排泄,以及碎屑降解过程。

浮游植物的增长速度由水温、太阳辐射和营养盐(N和P)决定。种群损耗源于呼吸作用、自然死亡率、浮游动物捕食和下沉。浮游植物浓度计算成氮，并使用化学计量关系转化为叶绿素a(rChl / PN,表2)。浮游动物生物量通过摄食浮游植物和碎屑而增长,受温度和食物供应的限制。浮游动物数量下降源于自然死亡、高级别捕食者消耗、排便和排泄。

碎屑由排泄物、死去的浮游植物和浮游动物组成。碎屑可以通过浮游动物的再摄入或细菌矿化在系统内循环。碎屑沉降给定一个简单的下沉率，并由此产生的通量被认为从水柱中输出量。

生态系统模型的细节之前在胶州湾描述过,营养盐循环方程可以依照李等人的研究。(2007)。Model Maker 4.0 (英国查威尔科技有限公司),一款计算机软件,用于把区间集成在一起,求解微分方程。水动力的估计交换率已在3.1节描述。海水的光衰减系数(beta;0)使用Irigoien和Castel (1997)所述在巡测期间测量的平均悬浮颗粒物浓度来确定。其他模型参数的初始值最初参考胶州湾生态模型(李等人,2007)和其他沿海港湾的文献中参数(徐罩,2005;Park等人,2005)。利用观测值和模拟值的比较来进行参数调整,新的参数在表2中给出。

4模拟结果

4.1模型率定

模拟从2006年1月1日开始至2007年12月31日,冬季巡测的观测值作为初始条件。五个海湾的野外观测数据与模型模拟输出结果的比较见图5和表3。为了简洁，2006年6月前的模拟数据没有在这里显示。柱状图是用来表示测量的空间可变性范围，平均相对标准偏差(RSD)用于量化模拟误差。模拟值和野外观测数据表现出明显的季节性变化。

珍珠湾：测量的DIN,PO4-P和叶绿素浓度分别在0.3~3.6 mmol mminus;3、0.03~0.09 mmol mminus;3、0.7~3.0 mg mminus;3之间变化。当浮游植物在4月开始复苏，DIN减少，在10月和12月达到最大值。相比之下, PO4-P在7月很低但在4月很高。叶绿素a在潮湿的夏秋季节(七月-十月)增加到最大值，在干燥的冬春季节(十二月-三月)下降到最低。PO4-P被很好的模拟 (RSD = 9.1%)。尽管生物量在冬春季节被低估,浮游植物输出通常符合测量得到的季节变化趋势 (RSD = 39.4%)。然而, 未能模拟DIN的最小值,导致RSD值达到146.4%。

防城湾:测量的DIN,PO4-P和叶绿素值分别在1.3-4.5 mmol mminus;3， 0.04-0.15 mmol mminus;3，2.2-5.4 mmol mminus;3之间变化。DIN,PO4-P和叶绿素a表现出与珍珠湾类似的趋势。模拟的总体趋势与实际测量相符,而浮游植物生物量在冬春季节也被低估了。DIN，PO4-P，叶绿素a的平均标准偏差结果分别为30.8%，19.3%和34.0%。

钦州湾:测量的DIN,PO4-P和叶绿素a数值分别在4.4-13.4 mmol mminus;3, 0.04-到0.35 mmol mminus;3， 1.9-3.3 mmol mminus;3之间变化。尽管总体数据有可变性,但季节性趋势是明显的。DIN在12月很低，而在10月很高。PO4-P在冬季达到最小值，在春季达到最大值。叶绿素a在春季升高,在夏季达到最大值，在秋冬两季减少。模型的输出结果通常吻合观察结果。DIN被很好的模拟(RSD = 7.0%),而PO4-P和叶绿素a模拟结果与观察值有一定的差异(分别RSD = 56.6%和56.6%)。

廉州湾：测量的DIN,PO4-P和叶绿素a值分别在3.5-23.1 mmol mminus;3,-0.06-0.53 mmol mminus;3，-1.3-32.9 mmol mminus;3之间变化。DIN在10月和12月很低，而在7月很高。PO4-P在春季远高于其他三个季节。叶绿素a的峰值浓度远远超过10.0mgmminus;3(富营养化;国家科学院,NAS,1972)在7月和4月达到最低。叶绿素a的浓度为15.3 mg mminus;3，在12月还很高。模型输出结果吻合观测数据的总体趋势。DIN，PO4-P，叶绿素a的平均标准偏差值分别为74.2%，87.4%和45.1%。

铁山湾:测量的DIN,PO4-P和叶绿素a值分别在2.7-13.1 mmol mminus;3, 0.04-0.24 mmol mminus;3, 0.8-5.3 mmol mminus;3之间变化。与钦州湾的观察结果有类似趋势。DIN,PO4-P，叶绿素a模拟和观测结果之间的一致性在可接受范围内(RSD 分别为14.7%、14.7%和31.9%)。

此外,海湾的模拟结果与实际观测值似乎表现出年际周期。在春季,增强的太阳辐射和上升的水温(图2)引起浮游植物快速增长。在珍珠湾和防城湾，DIN由于相对较低的营养盐供应而被春季藻华复苏消耗。由于持续的浮游植物消耗,PO4-P从春末开始下降。随着水量和营养负荷在夏季的增加，叶绿素a浓度达到年度最大值。藻类生物量从秋季开始下降，到冬季达到最小值。

4.2 模型验证

采用2009年的年均值数据对模型进行验证,数据由广西海洋环境监测中心提供。根据监测数据, 广西沿海海湾2009年年河流营养负荷,比2006-2007年大1.5-1.8倍。珍珠湾的测量验证数据缺失。观测的DIN,PO4-P,叶绿素a在5.4-35.3 mmol mminus;3, 0.40-1.02 mmol mminus;3， 2.1-21.3 mg mminus;3之间变化 (图7)。钦州湾的营养盐值最高, 而浮游植物生物量最低。最高叶绿素a出现在廉州湾,而营养浓度相对较小。叶绿素a和营养浓度的对比表明，钦州湾和廉州湾通过外源性营养物质转化为藻类生物量的途径有很大区别。2009年，防城湾和铁山海湾营养盐和叶绿素a水平相对较高。营养盐负荷和采样对策时空差异的变化可能造成年际变化。

4.3 敏感度分析

为了识别影响模拟的主要过程和因素, 依照李等人的方法进行了参数敏感性分析。(2008)。变异系数(CV)被用来分析参数变量的影响(Hakanson,2000)。结果(为了简洁没有展示细节)表明,珍珠湾和防城湾的营养和浮游植物模拟对于水交换过程和光合作用过程的参数是最敏感的(cv值gt; 0.5)。碎屑降解和沉积过程在一定程度上也影响了模拟(0.1 lt; cv值lt; 0.5)。有机养分矿化率对模拟有微弱的影响(cv值lt; 0.1)。钦州湾、廉州湾和铁山湾的营养和浮游植物模拟,对水体交换过程、光合作用过程中浮游植物的呼吸作用和死亡率以及浮游动物死亡率流程的参数最敏感(cv值gt; 0.5)。模拟对浮游动物摄食过程的参数不太敏感(0.1 lt; cv值lt; 0.5)。浮游动物排泄相关参数,碎屑降解和沉积,有机养分矿化过程对模拟有微弱影响(cv值lt; 0.1)。不同因素下的营养盐和浮游植物的灵敏度分析结果如表4所示。结果表明,模拟值的变化主要依赖于河流营养盐负荷。对于外部输入，廉州湾是

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