河口_近海区域低氧形成的物理机制研究进展_王海龙

第28卷第1期2010年1月

海洋科学进展

AD VA N CES IN M A RIN E SCIEN CE

V o l.28　N o.1

Januar y,2010

河口/近海区域低氧形成的物理机制研究进展＊

王海龙1,丁平兴2,沈　健3

(1.广东省电力设计研究院,广东广州510663;2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;

3.V ir ginia Institute o f M arine Science T he College o f William&M ary,Glouceste r Point V A23062)

摘　要:低氧/缺氧已成为严重威胁河口/近海与陆架浅海生态系统安全的要素之一。生物地球化学过程大量耗氧与水体分层限制表、底层水体交换是河口/近海低氧/缺氧问题的直接原因;而河口/近海和陆架海的各种物理过程控制了营养盐和有机质输运、水体层化,成为导致低氧/缺氧发生的根本原因之一。先讨论了近几年来国内外主要大河河口/近海和陆架浅海低氧现象发生的物理机制:径流冲淡水、潮汐、风、环流对低氧的影响,以及低氧对海-气大尺度变化和气候变化的响应等。再以长江口为例,重点分析了水动力过程对长江口夏季底层低氧的具体影响,

同时对溶解氧统计模型和动力学模型的研究工作进行了阐述。最后对各种研究方法的优缺点进行总结,对长江口外海夏季底层低氧的研究工作进行了展望。

关键词:河口/近海;陆架海;低氧/缺氧;层化;物理机制

中图分类号:P734.4 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2010)01-0115-11

低氧是影响世界河口/近海生态系统的一种普遍现象,且低氧/缺氧水体在整个地质时间都存在。过去50a里人口增长和土地利用变化、生活和工业废水排放、海岸线开发和全球变暖使得低氧对河口/近海海洋生态系统的影响更加严重[1,2]。低氧/缺氧频繁爆发,释放温室气体N2O[3]、有毒气体H2S[4],破坏生物多样性及海底生物群落的结构[5,6],外来物种入侵[7]、导致鱼类产量下降、甚至大批鱼类的死亡[1-3,5]。全球海洋低氧/缺氧面积日益增大、持续时间增长、爆发频率持续增加,严重破坏生态环境,成为威胁海洋生态系统安全的重要因素之一。

水体分层限制表层高氧水体与底部低氧水体交换,生物化学过程耗氧是导致水体低氧的直接原因[8]。不同海域甚至同一海域的不同部分以及不同时间内导致水体层化和底部耗氧的过程都各不相同,而不论是影响层化的因素还是影响生物地球化学过程的要素归根结底都受到背景动力场的控制。动力场不但影响到水团特性,而且控制营养盐和有机质的输运与沉积过程。本文着重讨论了控制不同海域低氧发生发展的物理机制;然后以我国滨海主要缺氧区———长江口外海夏季底层低氧为例,对水动力过程的影响进行具体分析。最后总结低氧研究中模型方法(统计模型和动力模型)的特点。

1　影响河口/近海低氧发生的水动力过程

湖泊缺氧、大洋深处氧含量低值区(OM Z,Ox ygen M inim um Zo ne)也属于缺氧水体研究的一部分,但由于其特殊性:如湖泊不会受到开放外海高盐水入侵以及潮汐等的影响[9],大洋深处OMZ变化主要受大洋环流年际、年代际周期振荡和气候长期变化趋势影响[10]。因此暂不讨论这2种水体缺氧的物理机制,本文主要讨论河口/近海与陆架海这些同时受到冲淡水、潮汐、大洋环流影响的水体低氧形成的物理机制,也就是分别探讨冲淡水、潮汐、风、环流在河口/近海与陆架海低氧现象中所起到的作用[11]。

＊收稿日期:2008-10-14

资助项目:国家重点基础发展规划中荷战略联盟项目———河口海岸区域物理与生态过程之间相互作用(973-2004CB720505)

作者简介:王海龙(1976-),男,山东滨州人,博士后,主要从事河口近海水动力和生态环境数值模拟方面研究.

E-mail:wanghailong@

(段　焱　编辑)

116

　海　洋　科　学　进　展28卷1.1　径流冲淡水

冲淡水不但是低氧区营养盐和有机质的重要输入途径;而且在河口区及毗邻海域形成盐跃层,对河口区水体垂向分层起到重要贡献;同时冲淡水和外海水之间形成重力环流,影响河口底部水体的滞留时间,进而影响低氧区营养盐和有机质的生物地球化学过程,因此冲淡水在河口/近岸的低氧形成中起到重要作用。

冲淡水是河口/近海低氧区营养盐的最主要的输入途径,土地利用变化及流域农业施肥引起的富营养盐被径流输运至河口区。波罗的海北部19个河口底部水体低氧的变化与土地利用和地形变化所影响下冲淡水携带的营养盐总量相关最好[12]。长江巨量冲淡水和泥沙直接影响了沿岸海域的环流、营养盐动力学、浮游植物群落等,在夏季更是可以影响到河口外300～400km的营养特征[13];长江口外海夏季底层低氧也是冲淡水携带的大量营养盐导致初级生产力极大提高所致[14-16]。美国路易斯安那-德克萨斯之间墨西哥湾北部低氧的日趋严重与密西西比河、Atchafalay a河近50a来的营养盐通量成数倍增长密不可分[2]。此外,美国Chesapeake湾、Neuse河口、Pam lico河口、以及欧洲黑海、亚得里亚海、德国湾、北海等这些径流冲淡水控制的河口/近海,夏季低氧程度与冲淡水通量大小相关[1,17-19]。冲淡水起到非常重要的营养盐和有机质载体的作用。

冲淡水与外海水体之间盐度差形成的盐跃层限制表底层水体交换也是低氧形成、维持和发展的重要过程之一。Diaz[1]总结了世界上主要低氧河口和近海,发现海洋能量低(弱潮、流速小、风速小)、径流量大的河口/近海易于形成持续的层化,从而限制与表层富氧水交换,发生低氧。长江与密西西比河的径流量分别占世界大河径流量的第5和第7位,对应的东中国海和墨西哥湾北部低氧面积非常广阔[2,15]。2003年6、7月长江冲淡水径流量分别达37100m3·s-1,56600m3·s-1,长江口外海羽状水体充分发展,与台湾暖流涌升共同作用下形成强盐跃层,推算出低氧面积超过20000km2[15,16]。特别干旱的1988和2000年墨西哥湾低氧面积小于5000km2,1993—1997年之间超过15000km2,1999和2001年更是超过20000km2[2,20]。Pamlico河口的冲淡水导致的盐度垂向分层与溶解氧含量之间具有很强的相关关系[19],此外还有Chesa-peake湾、Neuse河口等[17,18]。

径流影响下的河口重力环流的强弱,控制水体滞留时间,进而影响营养盐和有机质的生物地球化学过程。当径流量低时,Fo rth河口水体滞留时间长,使得河口底部的硝化耗氧和有机物耗氧过程增加,因此出现低氧现象[21]。东中国海陆架水体滞留时间短,水体交换快,因此长江口外海的低氧不是持续发生的[20]。珠江夏季径流量非常大,水体滞留时间短,因此,虽然珠江口营养盐含量非常高,但珠江口内一般不存在低氧现象[22]。研究认为当河口重力环流(和径流)增大时,溶解氧含量垂向梯度对底部水体生物化学耗氧和垂向扩散率(水体分层)的相对重要性不再敏感,表、底层溶解氧含量相差不大[17]:如北卡来罗纳州Cape Fear因为具有较强的重力环流和冲淡水通量,因此,虽然具有很强的盐跃层,但是溶解氧含量垂向差别不大;而Pamlico河口重力环流和径流相对较弱,因此溶解氧含量垂向结构与盐跃层之间具有很强的相关关系。S atilla河口系统是强潮强非线性河口,复杂地形和岸线对潮流的调整形成涡旋状余环流,成为营养盐和有机质的滞留区,因此出现斑块状低氧水体[23]。墨西哥湾北部底部水体环流流速小,水体滞留时间长,因此也就成为低氧持续发生的代表性海域之一[8,20]。

1.2　潮　汐

潮汐混合可以影响到水体分层的稳定性,因此部分海域低氧呈现潮周期和大、小潮周期变化[24]。H ar-vey河口潮差很小,很难形成湍对流,因此沉积物耗氧效应下水体易发生低氧;而Tom ales湾强潮系统湍混合强烈,即使强冲淡水和降雨存在也很难发生低氧[26]。Nar rag ansett河口上端次表层水低氧一般发生在7—9月的小潮期间,对潮差大小(潮汐混合)反映敏感[26]。Chesapeake湾底部水体夏季经历长时间低氧,但大潮期间密度跃层和低氧区呈现时间尺度为几个小时的规律振荡[27]。周期性的潮促使Satilla河口环流涡旋结构形成的斑块状低氧水体不会持续存在[23]。此外潮流强弱影响河口与外海水体交换时间,进而可以影