1、第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，两种海洋初级生产力模型在长江口毗邻海区的应用比较*于源，高咏卉，朱天蒙，李纪*（上海交通大学海洋学院，上海 ；杜克大学，北卡罗来纳州 ）摘要：河口毗邻海域是海洋浮游植物相对活跃的区域，对初级生产力和全球碳循环有重要意义。本文结合现场实测数据和卫星数据，利用针对近岸优化的切萨皮克湾生产力模型（）和初级生产力垂向归纳模型（），分别计算了 年、和 月长江口毗邻海域浮游植物的净初级生产力（）和总初级生产力（）。结果表明，两个模型在研究区域的初级生产力空间分布基本一致：在月，从高纬度近岸到低纬度远岸递增；月，初级生产力高值区以长江口和杭州湾为中心呈
2、弧形分布；月，初级生产力形成两个封闭的高值区。个月份全部 个站位中有超过 的站位 的计算结果大于 的结果，且个月份 的生产力结果比 的计算结果分别高 、和 。通过与历史实测数据对比可知，计算所得长江口毗邻海域 更加接近历史实测数据。相比于 更加适合长江口毗邻海域 计算的模型。另外，水底溶解氧与 、海表叶绿素浓度在各个月份都有显著的负相关关系。关键词：切萨皮克湾生产力模型（）；垂向归纳模型（）；长江口；初级生产力（）中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：于源，高咏卉，朱天蒙，等 两种海洋初级生产力模型在长江口毗邻海区的应用比较 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项
3、目：国家自然科学基金项目（）；上海交通大学重点前瞻布局基金项目（）资助 （）；（）收稿日期：；修订日期：作者简介：于源（），女，硕士生。：*通讯作者：海洋初级生产力（，）是海洋浮游植物通过光合作用将无机物转换为有机物的能力。初级生产力又可以分为总初级生产力（，）和净初级生产力（，），前者是指自养生物产生的总有机碳，后者是总初级生产力扣除自身呼吸消耗。研究海洋初级生产力对研究全球热量收支、气候变化以及生态 平 衡 等 重 要 问 题 都 具 有 不 可 或 缺 的 重 要 意义。对海洋初级生产力进行定量研究有助于定量把握水体碳、氮、磷等物质的生物地球化学循环，以及合理规划水生生物资源。近岸海域是
4、海洋生态系统中生产力最高的区域之一，支撑着丰富多样的海洋动植物，并为人类提供了丰富的海产品。尽管近岸海域水体面积只占全球海洋面积的，然而它们所产生的初级生产力在全球海洋初级生产力中的占比却高达。近岸海域的复杂性不仅来自于上升流和复杂的异养生物循环，更来自于陆地及河流输入的携带着大量陆源营养盐、有色溶解性物质和悬浮颗粒的冲淡水与海水发生混合。近岸海域的水体条件与远岸相比在时间变化和空间分布上更为复杂多变，使近岸海域初级生产力的预测变得更为困难。东海区域是中国生产力最高的海域之一，孕育着丰富的渔业资源。每年长江冲淡水携带丰富的营养盐输入长江口毗邻海域，支撑着此地的高初级生产力和丰富的生物资源。但由
5、于近年富营养化问题趋于严重，也使长江口及其毗邻海区成为中国近海有害藻华多发区之一。同时，长江冲淡水在携带着营养盐的同时也携带巨量的泥沙悬浮物，使长江口毗邻海域形成了独特的生态环境特征。目前对长江口海洋初级生产力的测定方法主要是同位素方法和初级生产力垂向归纳模型（，）法，。同位素法起步较早，应用广泛，但也存在成本高、点位离散和时间上的不连续性等问题，无法大面积、长时间地对初级 生 产 力 进 行 测 定。年 和 收集了 年全球 个站点的期于源，等：两种海洋初级生产力模型在长江口毗邻海区的应用比较 组相关数据，总结出估算海洋浮游植物初级生产力的 模型。此模型由于其方程相对简单，参数易于获取等优点，
6、自发表以来成为估算海洋初级生产力最常用的模型方法，此方法也是估算中国近岸海域初级生产力最常用的模型，。但由于近岸与远洋水体性质差异大，当此模型应用在近岸浑浊水体时可能会高估水体的初级生产力。等利用 模型计算日本有明海湾（）的真光层初级生产力比实际生产力高 倍，这主要是因为遥感数据在浑浊水体中叶绿素浓度和真光层深度的估算不合理导致的。模型中关于真光层深度的系数更适用于较清澈水体，而对于类似于 的近岸浑浊水体来说可能会导致生产力的高估。切萨皮克湾的水质特点和生化过程都与长江口区域有很多相似之处，它是美国最大的河口区域，是美国东海岸生产力最高的水域。每年有冲淡水携带大量氮、磷营养盐和颗粒物质输入切萨
7、皮克湾，湾内呈现富营养化趋势。湾内春季发生藻华，夏季层化明显，易爆发有害藻华 。年 等 在 模型的基础上，根据美国切萨皮克湾 年的 个航次的 个站点的 和 的实测数据，对 模型进行了调整，得出了针对切萨皮克湾水域特点的切萨皮克湾生产力模型（，）。中 包 含 的 和 的计算公式用切萨皮克湾实测值检验时的均方根误差分 别 为 和 。此 模 型 在 保 留 了 模型中的各变量的基础上对模型的公式进行了对数变换，并用逐步多元线性回归分析法对公式的参数进行了调整，使之与实测值的拟合结果更好，更加适合被应用在切萨皮克湾这样的近岸浑浊水域。等 利用 模型计算了切萨皮克湾 年的初级生产力，并描述了其季节变化和
8、年际变化。本文将使用 模型，结合现场实测数据和卫星数据，估算长江口毗邻海域初级生产力，并得出调查海域的初级生产力平面分布。同时通过同一套数据代入 模型并且计算结果从而比较二者在结果上的差异，以期改进长江口毗邻海区初级生产力的估算方法。研究对进一步厘清中国近岸碳循环过程，为合理规划渔业捕捞和保护河口生态环境等提供有益参考。数据与方法数据来源如图所示，研究所用的叶绿素浓度、海表面温度、溶解氧和水深数据等现场实测数据均来自国家自然科学基金委“长江口共享航次”在长江口附近海域和杭州湾外海（，）的个航次。个航次均设有 个站位，调查时间分别为 年月 日，月 日，月 日。海表面叶绿素浓度为现场 在取得样品后
9、，按照 海洋调查规范 中的分光光度法测得的实测值。海表面有效光合辐射（）数据和海水漫射衰减系数（）来自 数据网站（：）、月调查时间段内的 卫星 的二级遥感产品。真光层深度 的计算是根据李国胜等利用东海真光层深度实测值推演得到的针对东海真光层深度的遥感反演公式。公式如下：。（）其中 代表 波段海水漫射衰减系数，单位为。图调查海区站位分布图 估算模型 是以 为基础，对 进行对数变换后针对近岸水体，结合长期生产力实测数据调整参数建立的初级生产力模型。其公式如下：，（）。（）其中：和 分别为总初级生产力和净初级生中国海洋大学学报 年产力，单位是 ；为海表面叶绿素浓度的实测值，单位为 ；代表海表面光合有
10、效辐射，取自遥感数据，单位为；为真光层深度，单位为；根据遥感数据及上文公式计算，代表日照时长，其单位为，根据站位所在经纬度得出；代表海表面的摄氏温度，单位为，由 数据读取；代表海水深度，单位为，为走航实测数据。而 是计算海洋浮游植物初级生产力的常用公式，其计算公式如下：（），（）。（）式中：由于 用于拟合的实测数据是使用 实测得出的，所以公式中 代表真光层浮游植物净初级生产力，其单位为 ；为水柱的最大固碳速率，其单位为 ；其他参数意义同上。数据处理采用 计 算 各 个 站 位 的 生 产 力 数 据，使 用 软件对生产力计算结果以及相关参数数据进行相关性分析，计算变量间的 相关性系数和进行相关
11、性的显著性分析。用 软件绘制调查区域生产力和各项参数的平面分布图，将数据在平面上进行差值后得到均匀的平面分布图。文中提到的生产力数据平均值均为平均值标准差。结果水文结果本文用到的调查海域所有站位水文参数的平均值和大小范围（见表），从不同月份各个参数的大小比较来看，调查区域 平均浓度月 月 月，平均值月月 月，平均值月 月月，平均值月 月月。、和 月从 数据中提取的各个站位底层溶解氧（）的浓度平均值分别为 、和 ，其大小范围分别为 、，底层溶解氧浓度平均值月 月月。表模型中使用的调查海域内所有站位的水文数据平均值及大小范围 月份 （）（）温度 如图所示，月份 高值区域出现在杭州湾同纬度 附近区域
12、的 和 站位，分别达到 和 ，而月份 的最高值 出现在 站位；月份真光层深度呈现从近岸到远岸逐渐增大的总体趋势；呈现从近岸到远岸，从北到南逐渐增加的趋势，月份海域 平均值高于其他两个月份。月份的 在高值区域、低值区域、低值区域均分布在 附近；而在 附近的 、站位则出现了 的高值；、站位 的含量均在 以下，其中 站的 含量更是低至 。月份，此海域 出现了以 和 为中心的两个封闭的高值区，而嵊泗列岛附近的 高值区域与 低值区范围大致对应；站的 浓度为 ，为 月份所有站位中 浓度最低的点。海区生产力结果表为研究海域的 模型 和 模型 、的计算结果的平均值和变化范围。从 的 和 计算结果比较来看，无论
13、是平均值还是单独站位的计算结果，的结果均高于 的结果。从两个模型计算结果数值大小对比来看，使用 计算的 个月份的 计算结果均大于 的计算结果。逐个站位结果比较来看，、和 月的所有站位中分别有 、和 的站位，计 算 结 果高于 的 计算结 果，且 所计算的 平均值分别比 计算的 平均值高 、和 倍。期于源，等：两种海洋初级生产力模型在长江口毗邻海区的应用比较图长江口及其毗邻海区、月（左、中、右）海表面叶绿素浓度（第一行）、海表面有效光合辐射（第二行）、真光层深度（第三行）和底层溶解氧浓度（第四行）分布图 （），（），（）（），（，）中国海洋大学学报 年表、月调查海域通过生产力垂向归纳模型（）计算
14、的浮游植物净初级生产力（）和通过切萨皮克湾生产力模型（）计算的浮游植物总初级生产力（）和 （）（），月份 ，比较个不同季节的初级生产力平均值来看，月 月月。从单个季节的分布规律来看，月份所代表的春季生产力分布呈现出明显的由近岸到远岸，由高纬度到低纬度递增的趋势，模型计算的 最高值 出现在杭州湾同纬度地区的 站。月份所代表的夏季生产力分布在此调查区域大致呈现出中间（）高两侧低的分布规律，高值区在长江口口外和杭州湾外呈弧形分布，模型计算的 最高值 出现在调查区域最北端的 站。月份所代表的秋季生产力出现个明显的封闭高值区，它们分别以 和 站为中心，高值区大体以杭州湾为中心呈现弧形分布。讨论 和 的计
15、算结果中，平均值和 平均值均呈现月 月月的规律，与丁庆霞等 计算的 年初级生产力月平均变化特征一致。由图可知，、和 月此海域光合有效辐射差异明显，平均有效光合辐射、和 月递减，这会直接导致浮游植物的光合作用效率递减，进而影响到浮游植物初级生产力。另外，个月份海表面温度的平均值分别为 、和 ，由于此区域藻类的优势种东海原甲藻和中肋骨条藻在的最适生长温度分别为 和 ，由此可推测月份浮游植物的初级生产力受低温限制，而夏季月份光照充足，同时，因高温导致水体层化，使表层水体结构趋于稳定，为藻类提供稳定的生长条件。并且夏季是一年中长江冲淡水水量最大的季节，冲淡水的影响范围扩大并且能够提供更加丰富的营养盐支
16、持。而秋季 月太阳辐射减弱，虽然海水温度降低，但依旧适宜藻类生长。长江冲淡水水量减少导致营养盐运输减弱，因此总体初级生产力较月低，较月高。从图来看，计算的 、计算的 和 结果的水平分布规律大体一致。月份所代表的夏季生产力分布在此调查区域大致呈现出中间高两侧低的分布规律，高值区在长江口口外和杭州湾外呈弧形分布；而在生产力高值区的东侧出现了初级生产力的极小值区域，这是由于在长江口近岸区域，长江冲淡水携带大量悬浮泥沙，导致水体光照不足，限制了浮游植物的初级生产力。随着冲淡水向外海扩散，有充分的营养盐；泥沙沉降，水体透明度增加；夏季太阳辐射强烈使水体层化，使水体稳定度增加；以上几点使得图中高值区浮游植物初级生产力明显升高。而在高值区以东出现了生产力低值区是因为冲淡水输入的陆源营养盐被稀释和被浮游植物耗尽，尽管水体中悬浮物少、真光层较深，但由于水体强烈的层化阻碍了底层营养盐向上补充，使此区域浮游植物生长受到营养盐限制，从而出现生产力低值区。用 软件对所有站位的生产力结果与计算所使用 到 的 参 数 进 行 相 关 性 分 析。结 果 显 示，与 、两个参数都有显著的负相关关系（），相关性系数在
