胶州湾营养盐和叶绿素对春季强降雨事件响应的数值研究❋

罗崇鑫，林 磊，史 洁,3❋❋，高会旺,3

(1.中国海洋大学海洋生态与环境教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 2.山东科技大学海洋科学与工程学院, 山东 青岛 266590;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237)

海洋生态系统是海洋中生物与非生物环境所构成的具有自我调节能力的生态学功能单位，是海洋科学最重要的研究领域之一[1-3]。随着全球气候变化，强降雨事件愈加呈现频发的趋势[4-5]。强降雨通过地表径流、大气湿沉降将大量营养盐输送到近海海域，使得其营养盐浓度迅速增长，从而导致近岸水华、赤潮和水母爆发等灾害，给近海海洋生态系统的稳定性造成严重的影响[6-9]。

胶州湾是典型的半封闭海湾，同时也是青岛的“母亲湾”，对青岛市乃至山东省的经济发展起着至关重要的作用。环胶州湾有多条河流，包括大沽河、李村河、娄山河和海泊河等，其中大沽河的径流量占入湾河流总径流量的85%以上。气候态的季节、年际等长时间尺度的研究表明，受人为活动的影响，胶州湾的营养盐浓度一直在升高，富营养化面积逐渐增大，氮、磷污染严重的区域主要位于东北部[10-11]。胶州湾营养盐收支的模拟结果[12-13]显示，其无机氮与磷酸盐的环境容量分别为1.63×109和6.5×107mol/a，且向外海输送氮5.03×103t/a，磷0.17×103t/a和硅3.37×103t/a。此外，叶绿素的实测数据[14-15]显示，胶州湾的叶绿素在一年内呈现双峰分布，分别在2和8月达到峰值。

相关资料显示，过去的40年里青岛发生了多达22次暴雨事件，且春季发生频率有所增高[16]。研究表明，夏、秋季的强降雨通过增大地表径流和湿沉降为胶州湾输送了大量的无机营养盐，对胶州湾生源要素、pCO2、浮游动物和植物的群落结构均造成明显的影响[17-18]。相比于夏季和秋季，胶州湾春季的营养盐和叶绿素浓度均处于较低的水平，浮游植物对强降雨所带来的大量营养盐的响应可能与夏、秋季有所不同，但是其具体响应及机制尚不明确。

因此，本文选取了2013年5月的一次春季强降雨事件，其单次降雨量约为全年降雨量的1/10，且在之后一个月内无较大降雨，对此次降雨事件的研究既可以分析强降雨对胶州湾营养盐和叶绿素的直接影响，也可以分析其对胶州湾营养盐和叶绿素的中长期影响。因此，本文采用胶州湾流域-水动力-生态耦合模型，具体研究了春季强降雨事件过后，胶州湾生源要素的响应，并通过设计数值实验，分析了胶州湾营养盐和叶绿素对春季强降雨事件的响应机制。

1 研究方法

本文使用胶州湾流域-水动力-生态耦合模型来模拟胶州湾营养盐和叶绿素的时空分布，模型[19]包含大沽河流域模型、胶州湾水动力模型及嵌套的生态模型三个部分组成，分别计算大沽河淡水、营养盐入海通量、胶州湾流场、温盐场和胶州湾营养盐、叶绿素等生态要素的时空分布。

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)模型为基础，根据大沽河流域的实际数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的地形数据(http://www.gscloud.cn/)和气象数据(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)而建立的，已成功应用于大沽河流域非点源氮输出对胶州湾水质的影响，模型的详细介绍见文献[20]。大沽河流域模型可以根据实际的气象情况，为胶州湾水动力模型和生态模型提供河流边界条件，如淡水、无机氮和无机磷等生态要素通量。

1.2 水动力模型

水动力模型部分是Liu等[21]基于POM海洋模型(Princeton Ocean Model with Wetting and Drying Capability)建立的胶州湾水动力模型。研究区域包括胶州湾及其周边海域(见图1)，在水平方向采用了矩形网格，网格分辨率约为200 m×190 m；垂向采用σ坐标分为5层。由于胶州湾潮滩面积广阔，约占总面积的1/3，因此模型采用干湿网格法再现漫滩过程，以0.05 m水深作为判断干湿网格的临界水深。模型采用零初始场，即水位和流速的初值为零，全湾均匀分布。模型在开边界处采用多分潮(M2、S2、O1、K1)潮汐水位驱动，所用到的潮汐开边界水位调和常数来自渤海、黄海、东海海洋图集[22]。研究考虑了胶州湾周围多条入海河流的影响，其中，大沽河河流径流数据由大沽河流域模型提供[20]，其他河流径流量数据从已发表的文献[23-24]及观测资料中获取。由于大沽河流域面积占胶州湾入海河流流域面积的约90%，且径流量占总径流量的85%以上[20]，因此本文忽略了强降雨对其他入海河流的影响。海-气边界处，大气温度、短波辐射和风等大气强迫主要来源于欧洲气象中心(ECMWF，http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)数据网站。模型外模时间步长为1.5 s，内模时间步长为12 s。模型经过不断修改和完善，已被成功应用于胶州湾动力场的研究中。如，Liu等[19]及Lin和Liu[25]利用该模型模拟的动力场分析了胶州湾水体存留时间的时空分布特征；Cai等[26]利用该模型分析了密度变化对胶州湾潮致余流的影响；Lin等[27]利用该模型分析了岸线变化对胶州湾湾口余流的影响；孙健安等[28]利用该模型分析了大沽河河水在胶州湾的水龄。因此，本研究对胶州湾水动力场的模拟结果可以用于驱动生态模型以及动力机制的分析。

图1 胶州湾水深及生态模型验证站位(黑色圆点)示意图

1.3 生态模型

图2 生态模型概念图

生态模型与水动力模型采用同样的空间网格配置，生态模型的计算嵌套在动力模型的内模中，其时间步长为12 s。大沽河流域模型提供大沽河径流和氮、磷等营养盐通量数据[37]，其他河流径流量一方面来源于对重点河口的连续观测资料，另外还参考了已发表的相关文献[24]。生态要素初始场、验证场、调试水质模式所需数据等由观测所得，大气沉降和海底边界营养盐通量来源于已发表的文献资料[31-33]。考虑到黄海营养盐浓度较低，模型在开边界处采用无梯度的边界条件；生态过程涉及的参数(如浮游植物最大生长率、Chla与浮游植物含碳量的比值、营养盐半饱和常数等)来自于以往的室内培养实验以及其他类似模型的研究结果[34-35]。

1.4 数值实验方案

模型使用气候态强迫数据运行3年达到稳定后，使用2012—2013年的强迫数据，得到了2012—2013年胶州湾的动力和生态结果(包括温度、盐度、流速、营养盐和叶绿素等)。为了研究强降雨对胶州湾营养盐及浮游植物分布和总量的变化情况，本文以2013年5月26日的春季强降雨事件为例，分析了胶州湾营养盐和叶绿素浓度对强降雨事件的响应。同时，我们设计了3组数值实验，分别探讨了大沽河河流径流和大气湿沉降过程对春季强降雨事件的响应，以及对胶州湾营养盐和叶绿素的影响。具体实验方案见表1。在Case 0中，我们考虑了强降雨过程带来的大沽河河流径流增大和湿沉降过程；在Case 1中，我们不考虑强降雨导致的大沽河河流径流增大，既不考虑淡水也不考虑河流带来的营养盐，仅考虑了强降雨导致的大气湿沉降过程；在Case 2中，我们不考虑强降雨带来的大气湿沉降过程。以往的研究表明，温度也是限制胶州湾浮游植物生物量的重要因素。本文发现，2006年5月青岛市的年降雨量与2013年相近，但是在5月存在显著差异；此外，2006年5月胶州湾的海水温度与2013年同期也存在较明显的差异，因此我们模拟了2006年5月份胶州湾的水动力场，并用其海水温度替换Case 0的数据，以此来得到温度对胶州湾叶绿素的影响(Case 3)。

表1 数值实验方案

2 结果

2.1 模型验证

对大沽河径流的模拟结果显示，模型能够较为准确的模拟出大沽河的年入海径流量，并再现其时间变化(见图3)。以往的研究表明，大沽河向胶州输送的总氮和总磷分别为 890～5 600 t/a 和35.2～1 700 t/a，氮、磷的入海总量与降雨量呈明显的正相关[36-37]。本研究模拟的总氮和总磷的入海总量分别为2 042.75和390.47 t/a，与以往的研究结果相近。同时，胶州湾水质及非点源污染的研究[19-20]也表明，大沽河流域模型模拟的河流径流和营养盐通量基本可靠。

图3 流域模型模拟的大沽河(a)径流量、(b)叶绿素a、(c)总氮和(d)总磷浓度

本文采用了2013年3、5、7和8月胶州湾大面观测的营养盐和叶绿素数据，对胶州湾生态动力模型的模拟结果进行了验证。模拟结果显示(见图4)，模型能准确模拟胶州湾海水温度、盐度的时间变化，且数值误差在5 %以内，可以再现胶州湾铵态氮、磷酸盐和硅酸盐的季节变化，且在数值上与观测结果较为一致。模型对叶绿素的模拟结果与实测数据一致，能够准确模拟胶州湾叶绿素的时空分布和季节变化(见图5)。同时，该模型已成功应用于胶州湾磷酸盐年龄及POPs时空分布的研究[28,38]。因此可以认为，胶州湾流域-水动力-生态模型足以支撑本文对胶州湾无机盐和叶绿素对强降雨事件响应的研究。

图4 模拟(实线)与观测(黑色圆点)的胶州湾空间平均的(a)海水温度、(b)盐度、(c)叶绿素a浓度、(d)铵盐浓度、(e)磷酸盐浓度和(f)硅酸盐浓度

((a，b)为夏季，(c，d)为秋季。(a，b)：Summer,(c，d)：Autumn.)

2.2 营养盐和叶绿素对春季强降雨事件的响应

模拟结果显示，春季强降雨过后，胶州湾空间平均的总溶解态无机氮(DIN)和磷酸盐浓度迅速增大(见图6)。这可能是由于工、农业生产导致陆源污染物中氮、磷无机盐的含量很高，强降雨导致地表径流和大气湿沉降迅速增大，同时将大量的溶解态氮、磷污染物输送到海湾中，从而引起胶州湾DIN和磷酸盐浓度的增大。此外，淡水的输入增大了河口附近的水交换，河流输送的DIN和磷酸盐在潮流和潮致余流的作用下逐渐被输送到胶州湾其他区域。强降雨通过大沽河径流为胶州湾提供了超过107mol的营养盐，通过大气湿沉降提供了106mol的营养盐，由此可知，地表径流是强降雨向胶州湾输送营养盐的主要途径。

图6 春季强降雨过后胶州湾空间平均的叶绿素a(圆点)、DIN(正方形)和磷酸盐(三角形)浓度的变化

强降雨前、后胶州湾DIN和磷酸盐的空间分布(见图7～8)显示，降水前胶州湾营养盐浓度存在明显的空间差异，东北部区域营养盐浓度较高，大沽河河口附近区域营养盐浓度低；降雨后1 d，河口附近区域营养盐浓度迅速增大(DIN在50 mmol/m3以上，磷酸盐在5 mmol/m3以上)，而其他区域则无明显变化；降雨后15 d，在潮流和潮致余流的作用下，河口营养盐被输运到湾内其他区域，导致胶州湾内部营养盐浓度逐渐升高；降雨过后30 d，湾中部区域DIN、磷酸盐在余流作用下被输送到湾外，营养盐浓度明显减小。强降雨前，胶州湾空间平均的叶绿素浓度为1.4，在湾顶部区域较大(>2.0)。强降雨过后1 d，胶州湾叶绿素浓度有所降低，湾顶部区域降低0.3，湾口附近区域无明显变化；强降雨过后15 d，胶州湾叶绿素浓度仍然低于降雨前，湾内区域比强降雨前低1.014以上。直到强降雨过后30 d，胶州湾内部的叶绿素a浓度发生明显升高，湾顶部区域增大3.0以上，湾中部区域增大约2.0(见图9)。

图7 (a)降雨前胶州湾DIN浓度的空间分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d、(d)降雨后30 d胶州湾DIN浓度与降雨前的差异

图8 (a)降雨前胶州湾磷酸盐浓度的空间分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d和(d)降雨后30 d胶州湾磷酸盐浓度与降雨前的差异

图9 (a)降雨前胶州湾叶绿素a浓度的空间分布及(b)降雨后1 d、(c)降雨后15 d，(d)降雨后30 d胶州湾Chl a浓度与降雨前的差异

3 讨论

浮游植物是海洋生态系统中重要的生产者，浮游植物的光合作用和呼吸作用是海洋生态系统的物质循环和能量转化的重要组成部分，海水中无机营养盐含量的变化是浮游植物群落结构变化的主要因素之一。海水中的无机营养盐有多种来源，包括河流径流输送、点源污染、大气干、湿沉降、海底释放、浮游生物矿化等，其中点源和河流是无机营养盐的主要输入途径[37]。强降雨过后，河流径流和大气湿沉降的迅速增大，为胶州湾带来大量营养盐，导致胶州湾营养盐浓度和组成发生改变[17,39]。此外，淡水的输入也会改变河口区域的流场，进而影响营养盐的时空分布[26,40]。然而，营养盐浓度的升高并未直接导致浮游植物生物量的增大，直到强降雨过后一个月，叶绿素浓度才明显升高。以往的研究[25]表明，胶州湾全湾空间平均的水体平均存留时间约2个月，在湾顶区域较大(大于4个月)，强降雨带来的营养盐会在胶州湾内停留较长一段时间，对胶州湾叶绿素浓度的影响可能存在滞后效应。因此，本文通过4组数值实验，量化了强降雨所带来的径流增大和湿沉降对胶州湾营养盐和叶绿素浓度的影响，并探讨了胶州湾春季叶绿素浓度变化的影响机制。

3.1 河流径流对胶州湾营养盐和叶绿素的影响

Case 1的结果显示(见图10(a))，强降雨会导致胶州湾营养盐浓度迅速增大，春季强降雨通过河流径流向胶州湾输送大量的营养盐，在降雨过后7 d内营养盐浓度迅速升高，随后逐渐降低，而叶绿素浓度却没有明显变化。强降雨过后DIN浓度相较于控制实验明显增大(～28 μmol/L)，磷酸盐和硅酸盐也略有升高(～5.0 μmol/L)，这个升高过程会持续约7 d，随后在余流的作用下逐渐被输送出海湾，浓度逐渐降低；然而，营养盐浓度的增大并未引起叶绿素浓度的变化(见图10(a))。强降雨导致河流径流的增大会导致海湾内营养盐浓度的迅速升高，然后逐渐降低，但是河流径流的增大并未引起叶绿素浓度的变化，即春季强降雨导致的河流径流量增加不是叶绿素浓度变化的主要影响因素。

3.2 大气湿沉降对胶州湾营养盐和叶绿素的影响

Case 2的结果表明，强降雨通过大气沉降向胶州湾输送大量的营养盐，对胶州湾营养盐浓度的影响会持续近30 d，而叶绿素浓度却没有明显变化(见图10(b))。强降雨通过湿沉降带来的营养盐会导致海湾营养盐浓度在降雨后1周内先迅速升高，后逐渐降低至降雨前的水平，随后的1周内再逐渐升高，然后逐渐降低。然而，在营养盐浓度变化的过程中，胶州湾叶绿素浓度与控制实验并未产生明显差异。强降雨过后几天内营养盐的升高是大气湿沉降带来的营养盐导致的，之后的降低应该是由于海水的物理稀释作用导致的。而一周后营养盐浓度的变化可能与水体输运过程有关。强降雨导致湿沉降通量的增大同样会导致海湾内营养盐浓度的迅速变化，然而也无法对叶绿素浓度造成影响，即强降雨带来的湿沉降通量增加不是叶绿素浓度变化的主要影响因素。

图10 强降雨后(a)河流径流和(b)湿沉降对胶州湾营养盐和叶绿素的影响(Case 0的结果减去Case 1和Case 2的结果)；(c)Case 0和Case 3中海水温度与叶绿素a浓度的变化

3.3 海水温度对胶州湾春季叶绿素的影响

上述结果表明，春季胶州湾营养盐浓度的增大，并未引起叶绿素浓度的升高。Case 3的结果(见图10(c))表明，海水温度是浮游植物生长的重要控制因素，只有在温度适宜且营养盐丰富的环境内，浮游植物才会迅速生长。当海温低于20 ℃且差异较小时，胶州湾叶绿素浓度与控制实验接近，均维持在1.0 μg/L左右。当海温逐渐升高，且产生明显变化(～2.0 ℃)后，叶绿素浓度会发生明显的差异(～1.05 μg/L)，且叶绿素浓度与海温的变化趋势一致，温度越高，叶绿素浓度越大。春季，胶州湾海水温度较低，即使强降雨为海湾输送大量营养盐，浮游植物也不会产生迅速的响应，随着海水温度的升高，叶绿素浓度逐渐增大。

3.4 强降雨前后胶州湾的余流场

潮汐占主导的近海海湾区域，余流是控制物质输运的主要因素[41-42]。为了分析春季强降雨对胶州湾营养盐和叶绿素的控制机制，我们分别计算了降雨前、后胶州湾的欧拉余流(见图11)。结果显示，降雨前胶州湾西北部区域存在一顺时针余涡，阻碍了大沽河附近区域的营养盐与外界的交换(见图11(a))。而降雨后1 d，由于河流径流的增大，该区域的余涡消失，余流流向一致，均为向东南方向的输运(见图11(b))，这就导致了大沽河输送到胶州湾的大量营养盐被输运到胶州湾南部区域。同时，余流的变化使得胶州湾内部的物质更易被输运出去，从而导致湾内Chla浓度的降低。降雨过后15和30 d，余涡再次出现(见图11(c)，(d))，再次阻碍了胶州湾内部与外界的物质输运。在余流的作用下，该区域的营养盐进入到胶州湾的东部区域，从而导致胶州湾内部营养盐浓度的增大。此外，随着春季气温的升高，湾顶部区域海水温度的响应更为明显，而且由于湾顶部的水体存留时间较长[25]，强降雨带来的营养盐并未完全被输运出胶州湾。因此，胶州湾湾顶部浮游植物的生长速率逐渐加快，Chla浓度逐渐升高。

图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胶州湾的欧拉余流

4 结语

本文以胶州湾为研究对象，采用流域-水动力-生态耦合模型，以2013年5月的一次春季强降雨事件为例，探讨了胶州湾主要营养盐(DIN、磷酸盐和硅酸盐)和叶绿素对春季强降雨事件的响应，并通过数值实验分析了胶州湾春季叶绿素浓度变化的主要控制因素。模拟结果显示，春季强降雨过后胶州湾营养盐浓度迅速升高，然后在余流作用下逐渐被输送到湾内其他区域，这个过程持续一个月以上。春季强降雨通过河流径流和大气湿沉降带来的营养盐均会造成胶州湾营养盐浓度的改变，河流径流的影响持续时间更长，大气湿沉降的影响比较复杂。然而，胶州湾叶绿素浓度对春季强降雨事件并未有明显的响应，数值实验表明，胶州湾春季叶绿素浓度的变化主要受海水温度的控制，对大量营养盐的输入并不敏感。