特大型高浑浊河口光衰减参数化及其对近海浮游生态系统的影响
近期，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室冯志轩研究员团队在河口-近海水体光学特性及其对浮游生态系统的影响研究取得新进展，提出了一种针对特大型、高浑浊河口的光衰减参数化新方案，并运用水动力-沉积物输运-生态动力耦合数值模型探究了光照条件的时空变化对长江口外春季藻华的控制。相关成果以“Light attenuation parameterization in a highly turbid mega estuary and its impact on the coastal planktonic ecosystem”为题，发表在Frontiers in Marine Science期刊。
研究背景
光照是水生生态系统植物光合作用的必需条件，也是限制初级生产力的关键因子。长江冲淡水（Changjiang Diluted Water, CDW）是东亚边缘海最重要的物质和淡水来源。由于多种动力条件交织，长江口门外形成最大浑浊带（Turbidity Maximum Zone, TMZ），迅速衰减水下光照强度，进而导致浮游植物生长的光照限制；在TMZ外海，适宜的光照和营养条件有利于浮游植物的生长和繁殖，但也时常爆发有害藻华，影响河口-近海生态系统健康和稳定性。因此，准确量化水下光照强度的分布是进行遥感和模型应用的先决条件。
光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）通常指能被植物光合作用所利用的太阳辐射有效光谱成分。在光学性质均一的水体，PAR衰减遵循Beer-Lambert定律，但自然界水体中含有多种具有光学特性的物质。一般来说，光衰减（Kd）指真光层内某一深度处的向下辐照度的衰减，可视为海水、悬浮沉积物（Total Suspended Sediment, TSS）、浮游植物叶绿素a（Phytoplankton Chlorophyll-a, Chl-a）和有色溶解有机物（Colored Dissolved Organic Matter, CDOM）等光学物质衰减的多组分组合。由于河口水团梯度较大，各种物质的时空分布及其对光衰减的相对贡献都不尽相同。之前的研究通常假定简单的光照随深度指数衰减，或采用其它地区的光衰减参数化方案和系数，未必适用于长江口海区。光场分布的不确定性，会给河口-近海水域的浮游植物初级生产力模拟带来误差。因此有必要建立一种适用于长江口海区的光衰减参数化方案，并深入研究浮游生态系统对河口-近海光照分布的敏感性。
图1 采样站位（左）、耦合水动力学-沉积物-生态系统模型域和计算网格（右）
研究结果
本研究以长江口2021年3月、5月和10月的现场观测数据为基础，建立了该海区的光衰减参数化拟合方程。结果表明，悬浮沉积物对水下光衰减最重要，其可以解释光衰减Kd方差的近80%（图 2A），CDOM是第二个重要的变量（此处以盐度为代用指标），其次是叶绿素a。使用多元线性回归拟合，得到基于悬浮沉积物、叶绿素a和盐度的光衰减Kd参数化方程（图 2C）。最后，利用2021年5月两个固定站点的全潮观测数据作为验证，显示其具有较好的拟合度（图 2D）。
图2 PAR的漫衰减系数Kd（PAR），与原位剖面拟合：（A）Kd 与悬浮泥沙的关系，（B）Kd与悬浮泥沙和叶绿素a的关系，（C）Kd 与悬浮泥沙、叶绿素a和盐度( CDOM )的关系，（D）对最佳拟合关系的验证。这些变量的范围是0 < TSS < 60.4gm-3，0 < Chl-a< 14.5gm-3，0 < Sal < 33 psu。
该研究进一步结合水动力-沉积物-生态系统耦合模型ECOM-si，设计了一系列敏感性实验，以评估悬浮沉积物、叶绿素a和CDOM的不同组合对光衰减和浮游植物生物量的影响。为了说明新光衰减参数方案在近海生态系统建模中的优势，在ECOM-si模式中使用了新旧两种参数化方案分别进行模型计算，定义叶绿素a浓度大于5.0mgL-1 为高值区。我们使用地球静止海洋彩色成像仪（GOCI-II）进行验证。结果表明，新的参数化（图 3A）得到的高叶绿素a高值区，与 GOCI-II卫星反演值更为接近（图 3C）。
图3 模型模拟与卫星反演的表层叶绿素a浓度。（A、B）分别使用新、旧光参数化方案来模拟海表叶绿素a浓度；（C）5月15日14时15分（北京时间）GOCI – II海表叶绿素a浓度。
此外，新旧光衰减参数化对。由于新参数化中悬浮沉积物的比重更重，因此近岸水域的Kd值更大。比较两种方案的Kd分布发现，原参数化方案低估了悬浮颗粒物对水下光强的散射衰减作用（图 4）。
高悬浮沉积物浓度局限在近岸TMZ内（图5A）。浑浊的海水强烈地衰减光照，形成了浮游植物光合作用的光限制区。叶绿素a高值区位于TMZ外海，此处适宜光照和养分足以维持浮游植物的生长。叶绿素a高值区的北部中心对应于26 psu 等盐度线，南部中心则与沿着浙江近海31psu等盐度线分布。比较两种光参数化的模型结果，我们发现原参数化低估了叶绿素a高值区域的叶绿素a浓度，却对其他区域产生高估（图 5B）。
图4 使用（A）原参数化和（B）本研究的Kd新参数化，模拟得到的海表月平均Kd分布。红色虚线和蓝色实线分别表示悬浮沉积物（gm-3）和盐度（psu）的等值线。
图5（A） 2021年5月海表月平均值模拟结果。绿色背景表示叶绿素a，红色虚线和蓝色实线等值线分别表示悬浮沉积物浓度和盐度。（B）新旧光参数化之间的叶绿素a差值，黑线为等深线。
长江河口受复杂的水动力、沉积和生物地球化学过程控制，如强烈的潮汐混合、羽流季节性变化和锋面等，这些都会影响营养物质的输运、水下光强的分布以及浮游植物的生长和累积。我们的研究增进了对长江口海区浮游植物藻华动态变化的机理性认识（图6），展示了基于原位观测数据来量化光衰减系数Kd的方法，为后续的生态模型和实测研究提供了科学依据。
图6 长江口河流羽流、沉积物再悬浮、浮游植物藻华和锋面过程对水下光照强度控制的概念示意图
研究团队及资助
上述论文第一作者为华东师范大学河口海岸学国家重点实验室硕士毕业生林起屹南，通讯作者为冯志轩青年研究员，合作作者包括王一鹤副研究员、张凡副研究员、曹芳副研究员、吴辉研究员、汪亚平教授，以及硕士研究生王雪和卞昭璇。本研究得到上海市教委重大项目、国家自然科学基金和上海市“一带一路国际联合实验室”等项目的资助。
文献信息
Lin Q, Feng Z*, Wang Y, Wang X, Bian Z, Zhang F, Cao F, Wu H and Wang YP (2024) Light attenuation parameterization in a highly turbid mega estuary and its impact on the coastal planktonic ecosystem. Front. Mar. Sci. 11:1486261. doi: 10.3389/fmars.2024.1486261