北部湾生态动力过程的模型分析研究

摘要

北部湾是我国重要的海湾和渔场，被誉为我国“最后的洁净”，近年来在我国沿海经济发展的成就和潜力倍受关注，然而工业化、城镇化进程的持续加快，也给北部湾的生态环境带来了巨大压力。鉴于此，研究北部湾生态系统的时空分布特征及其对动力环境变化的响应过程具有重要意义，可为我国北部湾生态环境保护建设、资源管理开发和经济发展策略制定等提供科学参考依据。
　　本文在已建立的“北部湾三维水动力—NPZD生态耦合模型”的基础上进行了进一步的拓展和应用研究，结合历年观测数据、卫星遥感数据和数值模型结果，在水动力模型考虑了更高精度的物理强迫条件，以日平均风场、热通量作为海表驱动，潮位、HYCOM水位以及径流输入作为水边界驱动，并加入三维温度、盐度侧向通量驱动;在生态模型方面，采用MODIS月平均叶绿素a遥感数据和世界海洋图集WOA2013数据作为初始场和边界输入，以2014年为例，得到北部湾生态系统的年变化和分布特征，考虑不同海区的差异性，将其划分为6个研究区块，分析影响生态系统分布的关键区位以及关键时期的动力环境特征，进一步估算了北部湾的初级生产力和f-ratio，并对营养盐的输运和循环收支进行分析。本文的研究结果表明:
　　冬季在强而均匀的东北季风的控制下，北部湾环流呈一个大的不闭合的逆时针结构;春季风向转型，环流整体上仍为逆时针方向;夏季在西南季风与南海环流的共同作用下，湾口存在一顺时针环流，而湾中、北部仍为逆时针环流，但流速有所减小;秋季也属季风转型期，湾中、南部流速较小且流向不规则，但环流整体上仍呈逆时针方向。琼州海峡月平均流终年向西，水通量秋冬季较大，春夏季较小，年平均水通量为0.08Sv。
　　北部湾的生态系统受动力条件控制显著，在水平方向上，叶绿素a呈由东向西、由近岸向外海、由湾北部向湾中部和湾南部逐渐减小的分布特征;无机氮主要集中在湾北部，呈东部高西部低、近岸高外海低的分布特征;磷酸盐仅在径流入海口有较高值，近岸浓度高于外海，湾中部值最低。在垂向上，近岸水体混合充分，生态要素分布均匀;水深较大的外海，春夏季由于水体层化，出现中下层的叶绿素a浓度高于表层的现象，秋冬季水体垂向混合均匀，叶绿素a和营养盐分布都较均匀。不同区位的叶绿素a和营养盐的年循环特征存在较大差异，秋、冬季，琼州海峡携带大量的粤西沿岸的高营养水体进入北部湾，加上适宜的水温，浮游植物大量繁殖，琼州海峡西侧海域呈高叶绿素、高营养盐的分布;夏季，北部湾的营养盐主要来源于径流携带的陆源营养物质，叶绿素a高值区在广西沿岸河口区与红河河口;北部湾大部分区域浮游植物的生长受磷酸盐的限制，只有海南岛西侧受限于氮盐;琼州海峡是影响北部湾中、北部的关键区位，其关键时期为秋季和冬季;广西沿岸及红河河口是影响近岸的浮游植物生长的重要区位，其关键时期为夏季。北部湾初级生产力年平均值约140mgC/(m2·d)，冬季最高，夏季最低，水平方向上呈远岸高近岸低的分布趋势;不同区块的初级生产力不论大小还是季节变化均有明显差异，琼州海峡西侧海域的初级生产力最高，近岸海域的初级生产力较低，广西近岸和越南近岸的初级生产力最高值在秋季，其他区域的初级生产力最高值在冬季;初级生产力以再生生产力为主，年平均f-ratio约0.2。
　　琼州海峡2014年向北部湾年输入无机氮108.3×103t，磷酸盐3.7×103t，最大输运在10月;经过一年的输运，南海往北部湾的无机氮净输入66.6×103t，磷酸盐净输入4.6×103t。生物过程相对于物理过程对北部湾的营养盐循环收支影响更大。浮游植物在营养盐更新中具有重要作用，浮游植物光合作用吸收是营养盐最大的汇;浮游植物因死亡或被捕食的细胞液释放是无机氮收支中最大的源，可以补充光合作用消耗的33.4％的氮;浮游植物呼吸作用释放是磷酸盐收支中最重要的来源，可补充光合作用消耗的32.4％的磷;河流营养盐输运是生态系统重要的外部输入，对近岸海域影响较大，对北部湾整体海域的贡献则相对较小;在生物过程和物理过程共同作用下，北部湾在2014年中氮增加了4.8×103t，而磷减少了0.4×103t。
　　本文的研究成果与现场、遥感观测数据及前人的数模结果相比表明，模型能较好地模拟出北部湾的水文动力特征、叶绿素a和营养盐的分布特征以及季节变化特征，在量级上也与实测资料基本符合，有助于北部湾海洋生物地球化学的进一步研究，可为北部湾的渔业资源开发、海洋环境保护提供科学基础依据。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 北部湾自然环境概况

1．2．2 海洋生态动力学模型研究进展

1．2．3 北部湾生态动力学模型研究进展

1．3 研究内容和技术路线

第二章 北部湾生态要素的季节变化特征

2．1 北部湾生态动力学模型的构建

2．1．1 水动力模型

2．1．2 生态动力学模型

2．2 生态变量的平面、断面季节分布特征

2．2．1 平面分布特征

2．2．2 断面分布特征

2．3 不同区位的生态要素的年循环变化

2．3．1 叶绿素

2．3．2 无机氮

2．3．3 磷酸盐

2．4 本章小结

第三章 北部湾初级生产力与f-ratio的季节变化特征

3．1 初级生产力的季节变化特征

3．2 初级生产力的水平分布特征

3．3 f-ratio的季节变化特征

3．4 本章小结

第四章 北部湾营养盐输运与收支分析

4．1 营养盐输运

4．1．1 琼州海峡营养盐输运

4．1．2 湾口营养盐输运

4．1．3 北部湾营养盐输运

4．2 营养盐循环收支

4．2．1 不同区块的营养盐收支情况

4．2．2 生物过程对营养盐循环贡献的季节变化

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要结论

5．2 存在的不足与展望

参考文献

附录

致谢