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我室团队在长江口底层水体缺氧研究方面取得新进展

何宇晴、刘安琪   2020-06-11

        过去几十年,主要由于人类活动引起的近海富营养化逐渐加重,以及一部分全球变暖海温升高而层化增强等作用,全球近海缺氧现象不断发生并且涉及的海域数量越来越多(图1)。氧气是维持大多数海洋生物生命不可或缺的重要物质。掌握缺氧的变化规律,尤其是缺氧发生的区域、时机和严重程度等重要信息,成为海洋治理和生态文明建设的共同需求。要实现这个目标,必须充分认识缺氧过程的关键机理,必须发展可靠地缺氧预报预警能力。

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图1.全球近海缺氧区(用红色圆点表示,数据综合了全球多个来源并截止到2010年左右)

        从基本原理上看,表层浮游植物初级生产和底层缺氧的确可以建立起合理的机制关系,也就是浮游植物产生的有机质是消耗海水中氧气的主要物质,即两者存在“耦合”关系。基于这种耦合关系并在综合考虑相关海域的范围、岸线形状和地形等环境因素后有可能在一定程度上可以对底层缺氧进行合理地预判。

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图2.长江口外断面上现场观测得到的Sigma-t密度(C)、叶绿素浓度(D)和溶解氧浓度(E)

        然而,在受复杂环流系统影响较大,且多种富营养化因素共同作用的长江口海域,利用浮游植物初级生产和缺氧之间的经典关系来判断缺氧的方法可能并不总是那么好用。我室海洋动力与生态环境团队最近发表了相关研究进展。根据他们提供的大量的现场观测数据(图3―4)和卫星叶绿素数据显示,尽管长江口海域缺氧区内的表层浮游植物平均浓度较周边区域会高很多,表层浮游植物初级生产高值区域(以浮游植物现存生物量作代表)与底层缺氧区域在空间位置上并不完全吻合,也就是出现了“解耦”现象。

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图3.长江口缺氧范围(绿色)、历年来有害藻华发生位置(红色和粉色)和主要环流系统示意图(箭头)。其他颜色表示水深

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图4.长江口表层浮游植物生物量(用实测叶绿素a浓度表示)与底层溶解氧浓度之间的关系,数据来自2006年4个航次

        国重室研究团队利用了多年研究,建立了一个生态数值模型对此现象进行了解释(有兴趣的读者可以参考Zhouet al., 2009;Zhouet al., 2017)。数值模拟首先验证了硅藻是导致长江口底层水体缺氧的有机质的主要贡献者(有兴趣的读者可以参考Wanget al.,2017)。然后模拟给出了长江口缺氧核心区域(图5)。结果表明,尽管缺氧区内的表层浮游植物平均浓度较周边区域会高很多,但是夏秋季节的浮游植物高生物量分布区域与底层缺氧区域并不是完全对应,并且在长江口出现了底层缺氧区斑块状分布的特点,除了邻近口门的核心斑块,在其东侧、北侧和南侧分别存在一些离岸稍远的缺氧区斑块。

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图5.数值模拟重现的长江口底层溶解氧最低浓度(左图)和夏季缺氧的核心区域及其斑块分布特征(右图)。

        研究表明,这种解耦主要是由于非均匀的离岸平流和次表层水偏离表层长江羽状锋引起的。这些脱离的水团携带了丰富的有机质主要输往缺氧核心区的东北部和东部,输运过程中的耗氧导致了离岸的缺氧斑块,这些斑块与近岸的浮游植物高生产力区存在空间上的不一致和时间上的滞后等特征。模拟也发现,浮游植物藻华过程和缺氧过程均受台风等天气尺度过程干扰,期间也会发生营养盐补充和藻华间歇性发生的过程,底层溶解氧浓度也会产生短时间内连续降低或者突然升高等现象,类似的现象我们在长江口缺氧时间序列观测浮标上已经有过观测证据(有兴趣的读者可以参考Niet al.,2016)。模拟结果的分析认为表层硅藻生产力与底层缺氧存在一到八周的时间差,这期间内,缺氧核心区块逐渐向外扩张并产生脱离核心区的缺氧斑块,这个现象在以往研究中没有被发觉或者进行解释。在当前的研究中,利用数值模型能够比较合理地体现浮游植物初级生产与缺氧之间的耦合与非耦合关系,通过类似的数值模拟就有可能建立起一种预测缺氧发生的技术途径(图5―6)。

        这项研究也表明建立物理与生物地球化学过程耦合的生态动力学数值模型对当前以及未来缺氧的业务化监测预警均具有重要意义。研究也建议在赤潮(有害藻华)的业务化监测过程中要增加缺氧监测和分析的环节,以更好的理解两者之间的相互联系。研究成果发表在高水平期刊上:ZhouF, Chai F, Huang D, Wells M, Ma X, Meng Q, Xue H, Xuan J, Wang P, NiX, Zhao Q, Liu C, Su J and Li H, 2020. Coupling and Decoupling ofHigh Biomass Phytoplankton Production and Hypoxia in a Highly DynamicCoastal System: The Changjiang (Yangtze River) Estuary. Frontiers inMarine Science, 7(259),doi:10.3389/fmars.2020.00259.

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图6.数值模拟给出的长江口缺氧区内水柱积分的硅藻浓度与底层溶解氧的关系

相关论文:

NiX B, Huang D J, Zeng D Y, Zhang T, Li H L and Chen J F, 2016. Theimpact of wind mixing on the variation of bottom dissolved oxygen offthe Changjiang Estuary during summer. Journal of Marine Systems. 154,Part A, 122-130, doi:10.1016/j.jmarsys.2014.11.010.

WangB, Chen J, Jin H, Li H, Huang D and Cai W, 2017. Diatom bloom-derivedbottom water hypoxia off the Changjiang estuary, with and withouttyphoon influence. Limnology and Oceanography. 62 (4), 1552-1569,doi:10.1002/lno.10517.

ZhouF, Xuan J L, Ni X B and Huang D J, 2009. A preliminary study onvariations of the Changjiang Diluted Water between August 1999 and2006. Acta Oceanologica Sinica. 28 (6), 1-11,doi:10.3969/j.issn.0253-505X.2009.06.001.

ZhouF, Chai F, Huang D, Xue H, Chen J, Xiu P, Xuan J, Li J, Zeng D, Ni Xand Wang K, 2017. Investigation of hypoxia off the Changjiang Estuaryusing a coupled model of ROMS-CoSiNE. Progress in Oceanography. 159,237-254, doi:10.1016/j.pocean.2017.10.008.