膠州灣營養鹽和葉綠素對春季強降雨事件響應的數值研究?

羅崇鑫，林 磊，史 潔,3??，高會旺,3

(1.中國海洋大學海洋生態與環境教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2.山東科技大學海洋科學與工程學院, 山東 青島 266590;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266237)

海洋生態系統是海洋中生物與非生物環境所構成的具有自我調節能力的生態學功能單位，是海洋科學最重要的研究領域之一[1-3]。隨著全球氣候變化，強降雨事件愈加呈現頻發的趨勢[4-5]。強降雨通過地表徑流、大氣濕沉降將大量營養鹽輸送到近海海域，使得其營養鹽濃度迅速增長，從而導致近岸水華、赤潮和水母爆發等災害，給近海海洋生態系統的穩定性造成嚴重的影響[6-9]。

膠州灣是典型的半封閉海灣，同時也是青島的“母親灣”，對青島市乃至山東省的經濟發展起著至關重要的作用。環膠州灣有多條河流，包括大沽河、李村河、婁山河和海泊河等，其中大沽河的徑流量占入灣河流總徑流量的85%以上。氣候態的季節、年際等長時間尺度的研究表明，受人為活動的影響，膠州灣的營養鹽濃度一直在升高，富營養化面積逐漸增大，氮、磷污染嚴重的區域主要位于東北部[10-11]。膠州灣營養鹽收支的模擬結果[12-13]顯示，其無機氮與磷酸鹽的環境容量分別為1.63×109和6.5×107mol/a，且向外海輸送氮5.03×103t/a，磷0.17×103t/a和硅3.37×103t/a。此外，葉綠素的實測數據[14-15]顯示，膠州灣的葉綠素在一年內呈現雙峰分布，分別在2和8月達到峰值。

相關資料顯示，過去的40年里青島發生了多達22次暴雨事件，且春季發生頻率有所增高[16]。研究表明，夏、秋季的強降雨通過增大地表徑流和濕沉降為膠州灣輸送了大量的無機營養鹽，對膠州灣生源要素、pCO2、浮游動物和植物的群落結構均造成明顯的影響[17-18]。相比于夏季和秋季，膠州灣春季的營養鹽和葉綠素濃度均處于較低的水平，浮游植物對強降雨所帶來的大量營養鹽的響應可能與夏、秋季有所不同，但是其具體響應及機制尚不明確。

因此，本文選取了2013年5月的一次春季強降雨事件，其單次降雨量約為全年降雨量的1/10，且在之后一個月內無較大降雨，對此次降雨事件的研究既可以分析強降雨對膠州灣營養鹽和葉綠素的直接影響，也可以分析其對膠州灣營養鹽和葉綠素的中長期影響。因此，本文采用膠州灣流域-水動力-生態耦合模型，具體研究了春季強降雨事件過后，膠州灣生源要素的響應，并通過設計數值實驗，分析了膠州灣營養鹽和葉綠素對春季強降雨事件的響應機制。

1 研究方法

本文使用膠州灣流域-水動力-生態耦合模型來模擬膠州灣營養鹽和葉綠素的時空分布，模型[19]包含大沽河流域模型、膠州灣水動力模型及嵌套的生態模型三個部分組成，分別計算大沽河淡水、營養鹽入海通量、膠州灣流場、溫鹽場和膠州灣營養鹽、葉綠素等生態要素的時空分布。

1.1 流域模型

大沽河流域模型是以流域水文模型(SWAT，Soil and Water Assessment Tool)模型為基礎，根據大沽河流域的實際數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的地形數據(http://www.gscloud.cn/)和氣象數據(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)而建立的，已成功應用于大沽河流域非點源氮輸出對膠州灣水質的影響，模型的詳細介紹見文獻[20]。大沽河流域模型可以根據實際的氣象情況，為膠州灣水動力模型和生態模型提供河流邊界條件，如淡水、無機氮和無機磷等生態要素通量。

1.2 水動力模型

水動力模型部分是Liu等[21]基于POM海洋模型(Princeton Ocean Model with Wetting and Drying Capability)建立的膠州灣水動力模型。研究區域包括膠州灣及其周邊海域(見圖1)，在水平方向采用了矩形網格，網格分辨率約為200 m×190 m；垂向采用σ坐標分為5層。由于膠州灣潮灘面積廣闊，約占總面積的1/3，因此模型采用干濕網格法再現漫灘過程，以0.05 m水深作為判斷干濕網格的臨界水深。模型采用零初始場，即水位和流速的初值為零，全灣均勻分布。模型在開邊界處采用多分潮(M2、S2、O1、K1)潮汐水位驅動，所用到的潮汐開邊界水位調和常數來自渤海、黃海、東海海洋圖集[22]。研究考慮了膠州灣周圍多條入海河流的影響，其中，大沽河河流徑流數據由大沽河流域模型提供[20]，其他河流徑流量數據從已發表的文獻[23-24]及觀測資料中獲取。由于大沽河流域面積占膠州灣入海河流流域面積的約90%，且徑流量占總徑流量的85%以上[20]，因此本文忽略了強降雨對其他入海河流的影響。海-氣邊界處，大氣溫度、短波輻射和風等大氣強迫主要來源于歐洲氣象中心(ECMWF，http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)數據網站。模型外模時間步長為1.5 s，內模時間步長為12 s。模型經過不斷修改和完善，已被成功應用于膠州灣動力場的研究中。如，Liu等[19]及Lin和Liu[25]利用該模型模擬的動力場分析了膠州灣水體存留時間的時空分布特征；Cai等[26]利用該模型分析了密度變化對膠州灣潮致余流的影響；Lin等[27]利用該模型分析了岸線變化對膠州灣灣口余流的影響；孫健安等[28]利用該模型分析了大沽河河水在膠州灣的水齡。因此，本研究對膠州灣水動力場的模擬結果可以用于驅動生態模型以及動力機制的分析。

圖1 膠州灣水深及生態模型驗證站位(黑色圓點)示意圖

1.3 生態模型

圖2 生態模型概念圖

生態模型與水動力模型采用同樣的空間網格配置，生態模型的計算嵌套在動力模型的內模中，其時間步長為12 s。大沽河流域模型提供大沽河徑流和氮、磷等營養鹽通量數據[37]，其他河流徑流量一方面來源于對重點河口的連續觀測資料，另外還參考了已發表的相關文獻[24]。生態要素初始場、驗證場、調試水質模式所需數據等由觀測所得，大氣沉降和海底邊界營養鹽通量來源于已發表的文獻資料[31-33]。考慮到黃海營養鹽濃度較低，模型在開邊界處采用無梯度的邊界條件；生態過程涉及的參數(如浮游植物最大生長率、Chla與浮游植物含碳量的比值、營養鹽半飽和常數等)來自于以往的室內培養實驗以及其他類似模型的研究結果[34-35]。

1.4 數值實驗方案

模型使用氣候態強迫數據運行3年達到穩定后，使用2012—2013年的強迫數據，得到了2012—2013年膠州灣的動力和生態結果(包括溫度、鹽度、流速、營養鹽和葉綠素等)。為了研究強降雨對膠州灣營養鹽及浮游植物分布和總量的變化情況，本文以2013年5月26日的春季強降雨事件為例，分析了膠州灣營養鹽和葉綠素濃度對強降雨事件的響應。同時，我們設計了3組數值實驗，分別探討了大沽河河流徑流和大氣濕沉降過程對春季強降雨事件的響應，以及對膠州灣營養鹽和葉綠素的影響。具體實驗方案見表1。在Case 0中，我們考慮了強降雨過程帶來的大沽河河流徑流增大和濕沉降過程；在Case 1中，我們不考慮強降雨導致的大沽河河流徑流增大，既不考慮淡水也不考慮河流帶來的營養鹽，僅考慮了強降雨導致的大氣濕沉降過程；在Case 2中，我們不考慮強降雨帶來的大氣濕沉降過程。以往的研究表明，溫度也是限制膠州灣浮游植物生物量的重要因素。本文發現，2006年5月青島市的年降雨量與2013年相近，但是在5月存在顯著差異；此外，2006年5月膠州灣的海水溫度與2013年同期也存在較明顯的差異，因此我們模擬了2006年5月份膠州灣的水動力場，并用其海水溫度替換Case 0的數據，以此來得到溫度對膠州灣葉綠素的影響(Case 3)。

表1 數值實驗方案

2 結果

2.1 模型驗證

對大沽河徑流的模擬結果顯示，模型能夠較為準確的模擬出大沽河的年入海徑流量，并再現其時間變化(見圖3)。以往的研究表明，大沽河向膠州輸送的總氮和總磷分別為 890～5 600 t/a 和35.2～1 700 t/a，氮、磷的入海總量與降雨量呈明顯的正相關[36-37]。本研究模擬的總氮和總磷的入海總量分別為2 042.75和390.47 t/a，與以往的研究結果相近。同時，膠州灣水質及非點源污染的研究[19-20]也表明，大沽河流域模型模擬的河流徑流和營養鹽通量基本可靠。

圖3 流域模型模擬的大沽河(a)徑流量、(b)葉綠素a、(c)總氮和(d)總磷濃度

本文采用了2013年3、5、7和8月膠州灣大面觀測的營養鹽和葉綠素數據，對膠州灣生態動力模型的模擬結果進行了驗證。模擬結果顯示(見圖4)，模型能準確模擬膠州灣海水溫度、鹽度的時間變化，且數值誤差在5 %以內，可以再現膠州灣銨態氮、磷酸鹽和硅酸鹽的季節變化，且在數值上與觀測結果較為一致。模型對葉綠素的模擬結果與實測數據一致，能夠準確模擬膠州灣葉綠素的時空分布和季節變化(見圖5)。同時，該模型已成功應用于膠州灣磷酸鹽年齡及POPs時空分布的研究[28,38]。因此可以認為，膠州灣流域-水動力-生態模型足以支撐本文對膠州灣無機鹽和葉綠素對強降雨事件響應的研究。

圖4 模擬(實線)與觀測(黑色圓點)的膠州灣空間平均的(a)海水溫度、(b)鹽度、(c)葉綠素a濃度、(d)銨鹽濃度、(e)磷酸鹽濃度和(f)硅酸鹽濃度

((a，b)為夏季，(c，d)為秋季。(a，b)：Summer,(c，d)：Autumn.)

2.2 營養鹽和葉綠素對春季強降雨事件的響應

模擬結果顯示，春季強降雨過后，膠州灣空間平均的總溶解態無機氮(DIN)和磷酸鹽濃度迅速增大(見圖6)。這可能是由于工、農業生產導致陸源污染物中氮、磷無機鹽的含量很高，強降雨導致地表徑流和大氣濕沉降迅速增大，同時將大量的溶解態氮、磷污染物輸送到海灣中，從而引起膠州灣DIN和磷酸鹽濃度的增大。此外，淡水的輸入增大了河口附近的水交換，河流輸送的DIN和磷酸鹽在潮流和潮致余流的作用下逐漸被輸送到膠州灣其他區域。強降雨通過大沽河徑流為膠州灣提供了超過107mol的營養鹽，通過大氣濕沉降提供了106mol的營養鹽，由此可知，地表徑流是強降雨向膠州灣輸送營養鹽的主要途徑。

圖6 春季強降雨過后膠州灣空間平均的葉綠素a(圓點)、DIN(正方形)和磷酸鹽(三角形)濃度的變化

強降雨前、后膠州灣DIN和磷酸鹽的空間分布(見圖7～8)顯示，降水前膠州灣營養鹽濃度存在明顯的空間差異，東北部區域營養鹽濃度較高，大沽河河口附近區域營養鹽濃度低；降雨后1 d，河口附近區域營養鹽濃度迅速增大(DIN在50 mmol/m3以上，磷酸鹽在5 mmol/m3以上)，而其他區域則無明顯變化；降雨后15 d，在潮流和潮致余流的作用下，河口營養鹽被輸運到灣內其他區域，導致膠州灣內部營養鹽濃度逐漸升高；降雨過后30 d，灣中部區域DIN、磷酸鹽在余流作用下被輸送到灣外，營養鹽濃度明顯減小。強降雨前，膠州灣空間平均的葉綠素濃度為1.4，在灣頂部區域較大(>2.0)。強降雨過后1 d，膠州灣葉綠素濃度有所降低，灣頂部區域降低0.3，灣口附近區域無明顯變化；強降雨過后15 d，膠州灣葉綠素濃度仍然低于降雨前，灣內區域比強降雨前低1.014以上。直到強降雨過后30 d，膠州灣內部的葉綠素a濃度發生明顯升高，灣頂部區域增大3.0以上，灣中部區域增大約2.0(見圖9)。

圖7 (a)降雨前膠州灣DIN濃度的空間分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d、(d)降雨后30 d膠州灣DIN濃度與降雨前的差異

圖8 (a)降雨前膠州灣磷酸鹽濃度的空間分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d和(d)降雨后30 d膠州灣磷酸鹽濃度與降雨前的差異

圖9 (a)降雨前膠州灣葉綠素a濃度的空間分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d，(d)降雨后30 d膠州灣Chl a濃度與降雨前的差異

3 討論

浮游植物是海洋生態系統中重要的生產者，浮游植物的光合作用和呼吸作用是海洋生態系統的物質循環和能量轉化的重要組成部分，海水中無機營養鹽含量的變化是浮游植物群落結構變化的主要因素之一。海水中的無機營養鹽有多種來源，包括河流徑流輸送、點源污染、大氣干、濕沉降、海底釋放、浮游生物礦化等，其中點源和河流是無機營養鹽的主要輸入途徑[37]。強降雨過后，河流徑流和大氣濕沉降的迅速增大，為膠州灣帶來大量營養鹽，導致膠州灣營養鹽濃度和組成發生改變[17,39]。此外，淡水的輸入也會改變河口區域的流場，進而影響營養鹽的時空分布[26,40]。然而，營養鹽濃度的升高并未直接導致浮游植物生物量的增大，直到強降雨過后一個月，葉綠素濃度才明顯升高。以往的研究[25]表明，膠州灣全灣空間平均的水體平均存留時間約2個月，在灣頂區域較大(大于4個月)，強降雨帶來的營養鹽會在膠州灣內停留較長一段時間，對膠州灣葉綠素濃度的影響可能存在滯后效應。因此，本文通過4組數值實驗，量化了強降雨所帶來的徑流增大和濕沉降對膠州灣營養鹽和葉綠素濃度的影響，并探討了膠州灣春季葉綠素濃度變化的影響機制。

3.1 河流徑流對膠州灣營養鹽和葉綠素的影響

Case 1的結果顯示(見圖10(a))，強降雨會導致膠州灣營養鹽濃度迅速增大，春季強降雨通過河流徑流向膠州灣輸送大量的營養鹽，在降雨過后7 d內營養鹽濃度迅速升高，隨后逐漸降低，而葉綠素濃度卻沒有明顯變化。強降雨過后DIN濃度相較于控制實驗明顯增大(～28 μmol/L)，磷酸鹽和硅酸鹽也略有升高(～5.0 μmol/L)，這個升高過程會持續約7 d，隨后在余流的作用下逐漸被輸送出海灣，濃度逐漸降低；然而，營養鹽濃度的增大并未引起葉綠素濃度的變化(見圖10(a))。強降雨導致河流徑流的增大會導致海灣內營養鹽濃度的迅速升高，然后逐漸降低，但是河流徑流的增大并未引起葉綠素濃度的變化，即春季強降雨導致的河流徑流量增加不是葉綠素濃度變化的主要影響因素。

3.2 大氣濕沉降對膠州灣營養鹽和葉綠素的影響

Case 2的結果表明，強降雨通過大氣沉降向膠州灣輸送大量的營養鹽，對膠州灣營養鹽濃度的影響會持續近30 d，而葉綠素濃度卻沒有明顯變化(見圖10(b))。強降雨通過濕沉降帶來的營養鹽會導致海灣營養鹽濃度在降雨后1周內先迅速升高，后逐漸降低至降雨前的水平，隨后的1周內再逐漸升高，然后逐漸降低。然而，在營養鹽濃度變化的過程中，膠州灣葉綠素濃度與控制實驗并未產生明顯差異。強降雨過后幾天內營養鹽的升高是大氣濕沉降帶來的營養鹽導致的，之后的降低應該是由于海水的物理稀釋作用導致的。而一周后營養鹽濃度的變化可能與水體輸運過程有關。強降雨導致濕沉降通量的增大同樣會導致海灣內營養鹽濃度的迅速變化，然而也無法對葉綠素濃度造成影響，即強降雨帶來的濕沉降通量增加不是葉綠素濃度變化的主要影響因素。

圖10 強降雨后(a)河流徑流和(b)濕沉降對膠州灣營養鹽和葉綠素的影響(Case 0的結果減去Case 1和Case 2的結果)；(c)Case 0和Case 3中海水溫度與葉綠素a濃度的變化

3.3 海水溫度對膠州灣春季葉綠素的影響

上述結果表明，春季膠州灣營養鹽濃度的增大，并未引起葉綠素濃度的升高。Case 3的結果(見圖10(c))表明，海水溫度是浮游植物生長的重要控制因素，只有在溫度適宜且營養鹽豐富的環境內，浮游植物才會迅速生長。當海溫低于20 ℃且差異較小時，膠州灣葉綠素濃度與控制實驗接近，均維持在1.0 μg/L左右。當海溫逐漸升高，且產生明顯變化(～2.0 ℃)后，葉綠素濃度會發生明顯的差異(～1.05 μg/L)，且葉綠素濃度與海溫的變化趨勢一致，溫度越高，葉綠素濃度越大。春季，膠州灣海水溫度較低，即使強降雨為海灣輸送大量營養鹽，浮游植物也不會產生迅速的響應，隨著海水溫度的升高，葉綠素濃度逐漸增大。

3.4 強降雨前后膠州灣的余流場

潮汐占主導的近海海灣區域，余流是控制物質輸運的主要因素[41-42]。為了分析春季強降雨對膠州灣營養鹽和葉綠素的控制機制，我們分別計算了降雨前、后膠州灣的歐拉余流(見圖11)。結果顯示，降雨前膠州灣西北部區域存在一順時針余渦，阻礙了大沽河附近區域的營養鹽與外界的交換(見圖11(a))。而降雨后1 d，由于河流徑流的增大，該區域的余渦消失，余流流向一致，均為向東南方向的輸運(見圖11(b))，這就導致了大沽河輸送到膠州灣的大量營養鹽被輸運到膠州灣南部區域。同時，余流的變化使得膠州灣內部的物質更易被輸運出去，從而導致灣內Chla濃度的降低。降雨過后15和30 d，余渦再次出現(見圖11(c)，(d))，再次阻礙了膠州灣內部與外界的物質輸運。在余流的作用下，該區域的營養鹽進入到膠州灣的東部區域，從而導致膠州灣內部營養鹽濃度的增大。此外，隨著春季氣溫的升高，灣頂部區域海水溫度的響應更為明顯，而且由于灣頂部的水體存留時間較長[25]，強降雨帶來的營養鹽并未完全被輸運出膠州灣。因此，膠州灣灣頂部浮游植物的生長速率逐漸加快，Chla濃度逐漸升高。

圖11 (a)降雨前和(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d和(d)降雨后30 d膠州灣的歐拉余流

4 結語

本文以膠州灣為研究對象，采用流域-水動力-生態耦合模型，以2013年5月的一次春季強降雨事件為例，探討了膠州灣主要營養鹽(DIN、磷酸鹽和硅酸鹽)和葉綠素對春季強降雨事件的響應，并通過數值實驗分析了膠州灣春季葉綠素濃度變化的主要控制因素。模擬結果顯示，春季強降雨過后膠州灣營養鹽濃度迅速升高，然后在余流作用下逐漸被輸送到灣內其他區域，這個過程持續一個月以上。春季強降雨通過河流徑流和大氣濕沉降帶來的營養鹽均會造成膠州灣營養鹽濃度的改變，河流徑流的影響持續時間更長，大氣濕沉降的影響比較復雜。然而，膠州灣葉綠素濃度對春季強降雨事件并未有明顯的響應，數值實驗表明，膠州灣春季葉綠素濃度的變化主要受海水溫度的控制，對大量營養鹽的輸入并不敏感。