鄒 濤, 張 華, 于 靖

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基于muddy-LOICZ模型的小清河河口及下游河段營(yíng)養(yǎng)鹽通量估算

鄒 濤, 張 華, 于 靖

(中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東煙臺(tái)264003)

基于2013年7月、9月小清河口及9月小清河下游河道分段營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù), 采用LOICZ及改進(jìn)的muddy LOICZ生物地球化學(xué)收支模型, 分析了小清河口及下游河道分區(qū)域的水體存留時(shí)間和營(yíng)養(yǎng)鹽收支。結(jié)果表明, 小清河口夏、秋季水體存留時(shí)間分別為0.67 d和3.09 d, 夏、秋季DIP平均收支分別為–2.96×103、–1.72×103mol/d, 夏、秋季DIN平均收支分別為–1.55×106、–0.77×106mol/d。進(jìn)一步分析表明, 河口生產(chǎn)力旺盛, 存在凈生產(chǎn)過(guò)程, 成為氮磷的匯, 且磷匯通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮匯, 存在強(qiáng)烈的反硝化反應(yīng)的脫氮過(guò)程, 說(shuō)明該河口的低氧問(wèn)題需得到進(jìn)一步重視。不同的河道區(qū)域其生產(chǎn)力水平、呼吸作用、光合作用和硝化作用等強(qiáng)度等均有所不同, 且在羊口鎮(zhèn)附近有大量支流和生活排污進(jìn)入, 小清河下游流域的綜合治理不能單一全篇而論, 而應(yīng)該針對(duì)不同的河道區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行分別治理。需要注意的是, LOICZ模型為箱式模型, 忽略物理過(guò)程的作用以及更詳細(xì)的生物地球化學(xué)過(guò)程。

LOICZ模型; 小清河口; 營(yíng)養(yǎng)鹽通量

近海海洋生態(tài)系統(tǒng)正面臨著巨大的沖擊, 如富營(yíng)養(yǎng)化加劇、赤潮頻發(fā)、水質(zhì)惡化、季節(jié)性底層缺氧等[1], 已有的大量研究表明, 陸源污染物、營(yíng)養(yǎng)鹽等隨河流徑流輸入是造成近海環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因[2-3]。因此, 對(duì)河流流域、河口海灣水體物質(zhì)分布和收支平衡的研究, 是理解陸海相互作用(Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone, LOICZ)及河流入海環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 也是制定建立陸海統(tǒng)籌的環(huán)境保護(hù)與治理策略的前提[4]。

萊州灣地處“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”和“山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)”疊加區(qū), 是被東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)3市所環(huán)抱的半封閉型海灣。近年來(lái), 萊州灣生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的變化, 具體表現(xiàn)為灣內(nèi)海水的富營(yíng)養(yǎng)化不斷加重[5], 產(chǎn)卵場(chǎng)遭到破壞、優(yōu)勢(shì)種和群落結(jié)構(gòu)等均發(fā)生較大改變[6-7], 生物多樣性的顯著降低, 漁業(yè)資源接近枯竭[8], 尤以西南部為甚[9]。造成這一變化的主要原因是陸源河流攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽不斷增多[10]。在河流輸入方面, 盡管小清河流量只有黃河的4.6%, 但其入海污染物濃度卻是黃河的12倍, 入海物質(zhì)通量相當(dāng)于黃河入渤?？偽镔|(zhì)的54.6%, 處于同一量級(jí)[11], 況且黃河大部分入海物質(zhì)都進(jìn)入渤海中部而非萊州灣。小清河是萊州灣污染物質(zhì)的主要來(lái)源[12-13], 營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物含量較高[14-15]、水體處于嚴(yán)重缺氧水平[16]。因此, 開(kāi)展小清河口與萊州灣水體以及下游河段營(yíng)養(yǎng)鹽分布收支平衡有助于深入研究小清河陸源物質(zhì)輸入對(duì)萊州灣生態(tài)環(huán)境的影響, 也將有助于萊州灣環(huán)境問(wèn)題有的放矢的解決。

與河口單寬通量計(jì)算相比, LOICZ收支模型及改進(jìn)的muddy LOICZ模型(http: //www.loicz.org/)可在沿河流或物質(zhì)輸運(yùn)方向上將水體分為若干個(gè)箱子, 探討每個(gè)箱子的收支平衡, 解決沿河流方向上的物質(zhì)輸運(yùn)與平衡問(wèn)題, 該模型是建立在物質(zhì)平衡以及營(yíng)養(yǎng)鹽在河口系統(tǒng)中循環(huán)過(guò)程之上, 可通過(guò)估算某一區(qū)域內(nèi)氮、磷的實(shí)際通量, 反映營(yíng)養(yǎng)鹽的源匯[17-18], 迄今為止, 已經(jīng)應(yīng)用到了世界200多個(gè)河口或海岸地區(qū)[19]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

小清河下游自東營(yíng)廣饒王道閘水壩至萊州灣西側(cè)入?？? 全長(zhǎng)70多公里, 河道較窄, 水深約為2~3 m, 附近海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮, 河口、河道內(nèi)水動(dòng)力不足, 水交換能力差。地處東亞季風(fēng)區(qū), 全年約有80%的降水和徑流量集中在夏季, 較之秋季, 夏季河道寬水深大。

2013年7月、9月分別對(duì)小清河下游王道閘至萊州灣進(jìn)行兩次大面調(diào)查, 共設(shè)置18個(gè)大面站(站位如圖1所示, 其中A15站位為25 h連續(xù)觀測(cè)站), 主要調(diào)查指標(biāo)為溫度、鹽度、水位、流速以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等。根據(jù)觀測(cè)到秋季的河口區(qū)鹽度變化, 將14~15、17~18站中間點(diǎn)定義為河口區(qū)的上下邊界。

根據(jù)在河口M1站位25 h連續(xù)觀測(cè)資料、石村站水文記錄計(jì)算7月、9月徑流量分別為180 m3/s和40 m3/s[20], 降水量取自多年平均的壽光市降水量, 蒸發(fā)量根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA40萊州灣數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均。溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)、溶解無(wú)機(jī)磷(DIP)、懸浮顆粒物濃度(SPM)數(shù)據(jù)分別來(lái)自于2013年的兩次觀測(cè), 其中河口DIN、DIP、SPM數(shù)據(jù)為連續(xù)站M1站位數(shù)據(jù)25 h平均數(shù)據(jù), 見(jiàn)表1。

表1 小清河河口LOICZ收支模型計(jì)算參數(shù)

2 研究方法

LOICZ收支模型是一個(gè)簡(jiǎn)單的箱式模型, 將每一個(gè)箱子(即研究對(duì)象)看作是水平、垂向混合均勻的黑箱子, 它是建立在物質(zhì)平衡基礎(chǔ)上的, 以任意物質(zhì)()為例, 根據(jù)物質(zhì)平衡:

其中,()表示為一段時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的通量,和分別為在時(shí)間段21內(nèi)通過(guò)系統(tǒng)邊界的輸入和輸出通量,為該段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生或消耗的通量。小清河口在夏季、秋季均屬?gòu)?qiáng)混合型河口[20], 垂向可認(rèn)為混合均勻, 忽略表底交換。以下根據(jù)LOICZ收支模型手冊(cè)[21-22], 簡(jiǎn)要介紹其基本原理及算法。

2.1 水鹽平衡與淡水存留時(shí)間

要計(jì)算存留時(shí)間, 首先要明白淡水通量(V)的概念。圖2為河口LOICZ淡水收支模型。

淡水通量簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō), 就是淡水(如蒸發(fā)、降水、河川徑流、陸地徑流等等)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某水體邊界的量, 可以看成速率。其計(jì)算公式由水量平衡推導(dǎo)得到:

假設(shè)某一水體儲(chǔ)量1隨時(shí)間的變化記為, 則:

(4)

即研究區(qū)域的淡水通量主要由河流徑流、蒸發(fā)、降水, 以及可能的支流徑流等匯入決定。

對(duì)于鹽度而言, 由于鹽度是保守性物質(zhì), 因而有

與水體平衡類(lèi)似, 但是不同的是由于V是由于潮汐作用引起的流入、流出, 其對(duì)于水體鹽度分別是海水鹽度S和系統(tǒng)內(nèi)水體鹽度S。同樣忽略地下水、并簡(jiǎn)化蒸發(fā)、降水對(duì)應(yīng)的鹽度均為0, 則有

(6)

利用水鹽平衡計(jì)算出V、V是至關(guān)重要的, 只有明確了河口系統(tǒng)與外海的交換通量, 才可能進(jìn)行河口與外海的營(yíng)養(yǎng)鹽交換, 因而, 對(duì)于LOICZ收支模型, 水鹽平衡是計(jì)算營(yíng)養(yǎng)鹽交換通量的基礎(chǔ)[23]。

假設(shè)研究系統(tǒng)(河口區(qū))淡水儲(chǔ)量為V, 河口區(qū)總的水體體積為, 則根據(jù)鹽度平衡, 可以得到

則存留時(shí)間可以表達(dá)為

存留時(shí)間是河口區(qū)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo), 反映了來(lái)自上游的淡水水體在河口區(qū)停留的時(shí)間, 反映了污染狀態(tài)更新的程度。

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡

假若營(yíng)養(yǎng)鹽是保守性的, 則與鹽度類(lèi)似, 可以采用如2.1同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。但是如果營(yíng)養(yǎng)鹽是非保守性的, 事實(shí)上, 營(yíng)養(yǎng)鹽與水、鹽不同, 其在河口系統(tǒng)內(nèi)會(huì)參與生物地球化學(xué)循環(huán), 進(jìn)而消耗或再生成。因此, 對(duì)于非保守性營(yíng)養(yǎng)鹽而言,。圖3為河口營(yíng)養(yǎng)鹽收支模型。

假設(shè)以代表任意營(yíng)養(yǎng)鹽, 其在河口系統(tǒng)的交換如圖3所示, 根據(jù)物質(zhì)平衡, 可以得到:

上式, 可以各變量與鹽度平衡方程類(lèi)似,V可由鹽度平衡得到。上式也可以簡(jiǎn)單看作, 如果為正, 則輸入量小于輸出量, 即有營(yíng)養(yǎng)鹽從研究系統(tǒng)產(chǎn)生, 說(shuō)明河口是營(yíng)養(yǎng)鹽的源; 反之, 則為營(yíng)養(yǎng)鹽的匯, 有營(yíng)養(yǎng)鹽存儲(chǔ)于研究系統(tǒng)。

通過(guò)LOICZ營(yíng)養(yǎng)鹽收支模型可以得到營(yíng)養(yǎng)鹽在河道、河口、外海間輸送模式, 不同于水鹽收支模型, 營(yíng)養(yǎng)鹽在河口系統(tǒng)內(nèi)部同樣存在生物地球化學(xué)循環(huán), 因此河口也成為營(yíng)養(yǎng)鹽的源或匯, 已有大量的研究證實(shí)不同河口的營(yíng)養(yǎng)鹽源匯問(wèn)題。LOICZ營(yíng)養(yǎng)鹽收支模型建立的目的, 就是探討河口在營(yíng)養(yǎng)鹽由陸向海輸運(yùn)過(guò)程中的作用。

對(duì)于傳統(tǒng)的碳、氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素而言, 碳在生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2, 且CO2會(huì)以氣體的形式與大氣進(jìn)行交換, 增加或減少水體中的CO2, 因此河口內(nèi)的碳通量并不穩(wěn)定。同樣, 河口區(qū)存在硝化及亞硝化細(xì)菌, 可以將水體中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氣體形式, 并將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為硝酸鹽, 此外, 河口區(qū)由于靠近近海經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶, 部分河口區(qū)環(huán)境質(zhì)量較差, 存在大量的大氣氮沉降, 也會(huì)導(dǎo)致氮通量的不穩(wěn)定, 因此, 碳、氮均不適合最為L(zhǎng)OICZ模型的標(biāo)志元素。磷在水氣界面幾乎不存在交換, 理論上, 河口水體中的各種形式的磷的總量是一定的, 適合作為河口生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)志性元素[23], 碳、氮通量則根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中, 初級(jí)生產(chǎn)者構(gòu)建有機(jī)物所需的碳氮磷比計(jì)算, 根據(jù)Redfield系數(shù), C︰N︰P=106︰16︰1。

河口內(nèi)生物進(jìn)行光合作用會(huì)產(chǎn)生有機(jī)碳(production), 進(jìn)行呼吸作用會(huì)消耗有機(jī)碳(respiration), 因此引入()概念, 即二者差值。如前所述, 光合、吸收作用過(guò)程中存在

(–)= –D·/(11)

(–)= –D·/(12)

結(jié)合(11)與(12), 可以得到

Dexp=D·/(13)

需要注意的是, 這樣計(jì)算出的DDINexp僅僅是參與光合、呼吸作用的DIN, 而在河口生態(tài)系統(tǒng)還存在硝化、反硝化作用固定或釋放的氮, 是觀測(cè)到的氮通量DDINobs與DDINexp的差值, 通過(guò)參數(shù)(–), 來(lái)表征這部分氮通量, 即

(–)Dobs–Dexp(14)

(–)與–是LOICZ營(yíng)養(yǎng)鹽收支模型的重要參數(shù), 分別表示了河口生態(tài)系統(tǒng)中生物光合呼吸作用、硝化反硝化作用的強(qiáng)弱, 是河口生態(tài)過(guò)濾器的重要體現(xiàn), 也是LOICZ模型的重要結(jié)果。

2.3 考慮顆粒態(tài)的模型改進(jìn)

營(yíng)養(yǎng)鹽在水體中以顆粒態(tài)和溶解態(tài)的形式存在, 而河口恰恰是懸浮顆粒物濃度較高的地方, 因而河口營(yíng)養(yǎng)鹽的收支平衡就需要考慮懸浮顆粒物的作用, 在通常只有測(cè)量溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的情況下, 引入?yún)?shù)d, 作為顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽與總營(yíng)養(yǎng)鹽之比來(lái)估算總營(yíng)養(yǎng)鹽, 即改進(jìn)的muddy LOICZ 模型[19, 24]。

d(–)/≈/=/(+) (15)

其中,為總態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽,為溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽, POC、TOC分別為顆粒態(tài)和總有機(jī)碳, SPM為懸浮物濃度, 單位為mg/L,為參數(shù), 用歐洲多個(gè)高濁度河口統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到其值為72[25], 進(jìn)一步將其用于長(zhǎng)江口的營(yíng)養(yǎng)鹽通量研究中, 引入系數(shù), 取值0.782[19]。

d·SPM/(SPM+72) (16)

通常,d可以通過(guò)溶解態(tài)與顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽含量直接求出, 也可通過(guò)懸浮顆粒物含量估算, 但需注意的是此時(shí)參數(shù)、需本地化。若進(jìn)一步對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行分析, 與營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)相關(guān)因子均可引入, 如可考慮懸浮物濃度、粒徑()、鹽度()等對(duì)其的影響, 因此,d可表示為

d(,,) (17)

此外, LOICZ收支模型不僅可以用于河口、海灣等地區(qū), 利用該關(guān)系式可以計(jì)算不同研究區(qū)域的d值, 進(jìn)而可以將河口、河段分為不同的箱子, 每個(gè)箱子具有其各自的d值, 得出到在考慮環(huán)境要素變化情況下各箱子之間的營(yíng)養(yǎng)鹽交換通量。

3 結(jié)果與討論

3.1 小清河河口營(yíng)養(yǎng)鹽交換及收支平衡

采用已有的LOICZ模型及改進(jìn)的muddy LOICZ模型, 對(duì)小清河河口營(yíng)養(yǎng)鹽交換及收支平衡進(jìn)行探討。在進(jìn)行LOICZ模型水量、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡計(jì)算時(shí), 該區(qū)域并未有支流匯入, 并假定1)沒(méi)有地下水進(jìn)入; 2)蒸發(fā)降水等僅帶來(lái)水體與鹽度的改變, 而忽略其引起的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化; 3)不考慮粒徑、鹽度等變化對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)的影響,d依據(jù)營(yíng)養(yǎng)鹽溶解態(tài)與總態(tài)之比得到, 且碳、氮、磷的d值是相同的, 根據(jù)觀測(cè)的和已有文獻(xiàn)的SPM、POC、DOC數(shù)據(jù), 計(jì)算得到夏、秋季d值分別為0.19、0.31。

2013年分別于夏、秋季對(duì)小清河流域、河口進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè), 由于兩次河流徑流量差異較大[20], 因此對(duì)其進(jìn)行分別討論。

據(jù)此, 采用muddy LOICZ收支模型計(jì)算得到, 小清河口夏、秋季水體存留時(shí)間分別為0.67 d和3.09 d, 夏、秋季DIP平均收支分別為–2.96×103、–1.72× 103mol/d,夏、秋季DIN平均收支分別為–1.55×106、–0.77×106mol/d, 具體參數(shù)見(jiàn)表2和圖4~圖6。

表2 muddy LOICZ模型估算小清河河口夏、秋季DIN、DIP收支

從季節(jié)上看(圖4~圖6), 小清河口水體輸運(yùn)速度、存留時(shí)間嚴(yán)重依賴(lài)于徑流量,V、V基本與徑流量成正比關(guān)系。夏秋季徑流量之比為4.5, 而V、V之比為5, 這與小清河口單寬水鹽通量分析基本一致[20], 即徑流量大小決定了小清河口水交換的基本形態(tài), 處于決定性的支配地位, 計(jì)算得到的夏、秋季存留時(shí)間分別為0.67d和3.09d。

夏秋兩季, 小清河口D、D均小于0, 顯示河口區(qū)輸出量小于輸入量, 即河口成為氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的匯。DIN的收支通量分別為–1.55×106mol/d、–0.77×106mol/d, 相較九龍江高出一個(gè)量級(jí)[26], DIP的收支通量分別為–2.96×103mol/d、–1.72×103mol/d, 較九龍江低一個(gè)量級(jí)[26], 顯示小清河與九龍江完全不同的污染類(lèi)型。已有的研究表明, 小清河屬無(wú)機(jī)氮嚴(yán)重超標(biāo)河口, 為劣五類(lèi)[27], 而磷處于限制條件; 河口生產(chǎn)力旺盛, 有大量的營(yíng)養(yǎng)鹽在此經(jīng)過(guò)生物作用固化, 形成氮磷的匯, 由于本身處于磷限制條件下, 形成磷匯通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮匯。(–)>0暗示小清河口存在凈生產(chǎn)過(guò)程, 即光合作用強(qiáng)于呼吸作用; 在小清河口(–)<0, 且達(dá)到102量級(jí), 暗示存在強(qiáng)烈的反硝化過(guò)程, 河口的低氧問(wèn)題需引起重視, 與大鵬灣、九龍江相比, 小清河凈生產(chǎn)過(guò)程較高。

3.2 小清河下游河道營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡

由于夏季存在降水、其他支流、隱形排污口等外源水匯入, 且不易統(tǒng)計(jì), 在此僅以秋季為例, 探討下游各河段營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡。根據(jù)觀測(cè)各站位將小清河分為若干個(gè)區(qū)域, 每個(gè)區(qū)域以與其前后相鄰站位的中間點(diǎn)為上下邊界, 每個(gè)區(qū)域視為一個(gè)箱子BOX(共18個(gè)站位, 其中14號(hào)站位于老彌河口, 鄰近13號(hào)站, 作為同一個(gè)箱子, 1號(hào)站作為上邊界), 其內(nèi)各參數(shù)無(wú)變化, 各區(qū)域基本參數(shù)如圖7所示, 鹽度在15號(hào)站顯著上升, 顯示15號(hào)站以下游受萊州灣水交換影響明顯, DIN、DIP濃度均有所下降; 4號(hào)站附近DIP濃度偏高可能是由于其附近的支流匯入。

同樣根據(jù)muddy LOICZ收支模型, 計(jì)算小清河王道閘以下流域水體、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽收支情況及各區(qū)域(–)、(–)值, 計(jì)算結(jié)果如圖8~圖10所示。

計(jì)算得到的秋季小清河各區(qū)域間平均水體交換量(V)為4.02×106m3/d, 與秋季河口水體平均對(duì)流交換量(V)3.5×106m3/d幾乎一致。對(duì)于下游河道而言, 流域內(nèi)各區(qū)域平均存留時(shí)間不足1d, 河口處平均存留時(shí)間約為1.2 d, 與國(guó)內(nèi)其他小型河口[26, 28], 如九龍江(2 d)、大鵬灣(1 d)等幾乎一致。

D在區(qū)域2~6、10~11、15為正, 顯示這幾個(gè)區(qū)域?yàn)镈IP的源, 即輸入量小于輸出量, 從站位圖(圖1)不難發(fā)現(xiàn), 區(qū)域2~6處于上游來(lái)水, 并有三岔溝支流匯入, 區(qū)域10~11正好處于羊口鎮(zhèn)生活區(qū), 區(qū)域15為老彌河匯入點(diǎn), 由于在觀測(cè)中并未就支流營(yíng)養(yǎng)鹽濃度就行取樣觀測(cè), 而是直接觀測(cè)的河段取樣點(diǎn), 已經(jīng)隱含存在支流匯入的影響。大量的支流營(yíng)養(yǎng)鹽注入被認(rèn)為是該區(qū)域中已存在的, 因此被認(rèn)為是DIP的源。同樣,D為正的區(qū)域也是上游來(lái)水、支流匯入的區(qū)域, 被認(rèn)為是DIN的源, 在–值上同樣反映幾乎相反趨勢(shì), 即光合作用小于呼吸作用。

在區(qū)域4~5、10~12 (–)>0, 暗示其固氮作用較強(qiáng)。整個(gè)河道, 以農(nóng)田為主且無(wú)支流匯入的區(qū)域7~9和河口區(qū), (–)>0, 說(shuō)明該河段生產(chǎn)力旺盛, 光合作用強(qiáng)于呼吸作用, 而在其余河段則相反。這很可能是由于這些地區(qū)存在大量的支流、生活排污等污水流入, 抑制了生物的光合作用, 而其呼吸作用、反硝化作用進(jìn)一步增強(qiáng)。這也說(shuō)明對(duì)于小清河流域的綜合治理不能單一全篇一論, 而應(yīng)該針對(duì)不同的河道區(qū)域進(jìn)行分別治理。

4 結(jié)論

采用LOICZ推薦的生物地球化學(xué)收支模型及改進(jìn)的muddy LOICZ生物地球化學(xué)收支模型, 基于2013年7月、9月小清河口及9月小清河下游河道分段營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù), 分析了小清河口及下游河道分區(qū)域水體的存留時(shí)間和營(yíng)養(yǎng)鹽收支。結(jié)果表明, 小清河口夏、秋季水體存留時(shí)間分別為0.67d和3.09d, 夏、秋季DIP平均收支分別為–2.96×103、–1.72×103mol/d, 夏、秋季DIN平均收支分別為–1.55×106、–0.77× 106mol/d。

河口生產(chǎn)力旺盛, 有大量的營(yíng)養(yǎng)鹽在此經(jīng)過(guò)生物固作用化, 形成氮磷的匯, 而由于本身處于磷限制條件下, 形成磷匯通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮匯, (–)>0暗示小清河口存在凈生產(chǎn)過(guò)程, 即光合作用強(qiáng)于呼吸作用; (–)<0暗示小清河口存在強(qiáng)烈的反硝化反應(yīng)的脫氮過(guò)程, 說(shuō)明該河口的低氧問(wèn)題需得到進(jìn)一步重視。

不同的河道區(qū)域其生產(chǎn)力水平、呼吸作用、光合作用和硝化作用等強(qiáng)度等均有所不同, 且在區(qū)域7~9的羊口鎮(zhèn)附近有大量支流和生活排污進(jìn)入, 說(shuō)明對(duì)于小清河流域的綜合治理不能單一全篇一論, 而應(yīng)該針對(duì)不同的河道區(qū)域進(jìn)行分別治理。

需要注意的是, LOICZ模型是箱式模型, 并不能充分考慮研究區(qū)域的水動(dòng)力因素, 因而不能說(shuō)明決定系統(tǒng)源匯收支的物理、化學(xué)、生物等過(guò)程有哪些以及這些過(guò)程的貢獻(xiàn)[29]。

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Estimate of the budget of nutrients in the Xiao Qinghe River and estuary based on the muddy LOICZ model

ZOU Tao, ZHANG Hua, YU Jing

(Key Laboratory of Coastal Environmental Process and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Science, Yantai 264003, China)

By uploading the nutrient concentration, salinity and suspended particulate matter in the Xiao Qinghe River (XQR) estuary (in July and September) and along the XQR (from WangDao, in July) into the classical LOICZ model and muddy LOICZ model, the residual time and nutrient budget in the estuary and the river box were calculated. The estuarine LOICZ model result showed that the residual time of water mass in the estuary was 0.67 day and 3.09 days in July and September, respectively. The average budgets of DIP were –2.96 × 103mol/d in July and –1.72 × 103mol/d in September, and the average budgets of DIN were –1.55 × 106mol/d in July and –0.77 × 106mol/d in September, respectively. This indicated that the XQR estuary was the high productivity area to be the sink of N and P resulting from the contribution of biology and primary production. The flux of P was far less than that of N due to the phosphorus-limitation in the XQR estuary. The negative value ofof the XQR indicated the nitrogen metabolism in the estuary. The riverine LOICZ model demonstrated that many pollutants were from branch channels and wastewater discharges into the XQR from the Yangkou community. It is of note to highlight here that the LOICZ model was a zero-order model that provides order of magnitude estimates of the fate of the nutrients, and that it is unable to mimic the subtle controls involved in estimating nitrogen ?xation and denitri?cation, such as the effects of dissolved oxygen, carbon, and nitrate availability.

LOICZ model; Xiaoqinghe estuary; Nutrient; Budget

(本文編輯: 康亦兼)

[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41406029); Key Research Program of Chinese Academy of Science (KZZD-EW-14); NSFC-Shandong Joint Fund (No.U1406403)]

Sep. 29, 2016

P76

A

1000-3096(2017)05-0117-10

10.11759/hykx20160929001

2016-09-29;

2016-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.41406029); 中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14); NSFC-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目(No.U1406403)

鄒濤(1982-), 男, 博士, 助理研究員, 從事近海環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究, E-mail: tzou@yic.ac.cn