孟 鑫 ，王 冬 ，李培良 ，范開(kāi)國(guó) ，顧艷鎮(zhèn) *

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心 天津300202；3.中國(guó)人民解放軍91039部隊(duì)，北京 102401）

海洋牧場(chǎng)溶解氧生態(tài)模型初探

孟 鑫1，王 冬2，李培良1，范開(kāi)國(guó)3，顧艷鎮(zhèn)1*

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心 天津300202；3.中國(guó)人民解放軍91039部隊(duì)，北京 102401）

文中利用黃海沿岸威海小石島海洋牧場(chǎng)2016年6-11月份和榮成西霞口海洋牧場(chǎng)2016年6-10月份海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)網(wǎng)實(shí)時(shí)高頻溫、鹽、深、溶解氧、葉綠素濃度等水環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)牧場(chǎng)的海底環(huán)境進(jìn)行季節(jié)變化分析和日變化分析，并利用自由水域假設(shè)建立溶解氧生態(tài)模型，對(duì)兩個(gè)牧場(chǎng)的生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并分析，得到其GPP，R和NEP的月變化趨勢(shì)，并結(jié)合實(shí)測(cè)溶解氧數(shù)據(jù)和海底視頻，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的西霞口海洋牧場(chǎng)進(jìn)行合理建議。研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于這兩個(gè)淺水動(dòng)物養(yǎng)殖型海洋牧場(chǎng)，物理過(guò)程對(duì)溶解氧變化的貢獻(xiàn)和生物過(guò)程相當(dāng)。

溶解氧；海洋牧場(chǎng)；新陳代謝；初級(jí)生產(chǎn)力

海水中的溶解氧是衡量海氣相互作用、水質(zhì)和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志，過(guò)高或者過(guò)低的溶解氧濃度水平都會(huì)危害水生生物的生活[1]。海洋中的溶解氧主要來(lái)源于兩個(gè)過(guò)程:氧氣通過(guò)海氣界面進(jìn)入海水屬于物理過(guò)程；水生植物光合作用釋放的氧氣屬于生物過(guò)程。

山東省2015年全面啟動(dòng)海洋牧場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)項(xiàng)目，在全國(guó)率先建立以海洋牧場(chǎng)區(qū)水質(zhì)和水動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)為核心的海洋牧場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)控，獲得海洋環(huán)境要素實(shí)時(shí)高頻數(shù)據(jù)[2-3]。

另一方面，隨著資源環(huán)境問(wèn)題的日益突出，海洋牧場(chǎng)建設(shè)面臨著從經(jīng)濟(jì)型向生態(tài)型的轉(zhuǎn)變發(fā)展。本文通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外科學(xué)理論的基礎(chǔ)上對(duì)海洋牧場(chǎng)溶解氧參數(shù)進(jìn)行分析和初步模型計(jì)算，以此來(lái)度量水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)承載力，為海洋牧場(chǎng)科學(xué)管理和決策提供技術(shù)依據(jù)，推動(dòng)海洋牧場(chǎng)建設(shè)的可持續(xù)、健康發(fā)展；同時(shí)提出可行的改進(jìn)技術(shù)，為以后的研究工作提供思路。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 牧場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)

海洋牧場(chǎng)實(shí)時(shí)高分辨率水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)水溫、鹽度、深度等數(shù)據(jù)以及水質(zhì)參數(shù)溶解氧濃度、葉綠素濃度均來(lái)自于山東省海洋牧場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)項(xiàng)目。

溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)來(lái)自于海底觀測(cè)平臺(tái)搭載的TRDI CTD-NH溫鹽深儀。測(cè)量溫度精度±0.005℃，分辨率0.000 1℃、鹽度精度0.000 3 S/m，分辨率0.000 01 S/m、壓力精度為全量程0.1%，分辨率0.002%。溶解氧濃度數(shù)據(jù)來(lái)自于海底觀測(cè)平臺(tái)搭載的SBE43式溶解氧傳感器。測(cè)量量程為120%飽和度，測(cè)量精度是飽和度的±2%。葉綠素濃度數(shù)據(jù)來(lái)自于海底觀測(cè)平臺(tái)搭載的SCF葉綠素?zé)晒庥?jì)。其最小檢測(cè)量為0.02 μg/L，測(cè)量精度0.003 μg/L，量程為 150 μg/L。觀測(cè)平臺(tái)另搭載ROS C600海底高清彩色攝像機(jī)完成水下環(huán)境的視頻連續(xù)觀測(cè)，該系統(tǒng)輔助探頭還包括水下燈和腐蝕在線監(jiān)測(cè)儀。數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間分辨率均為1 min/次，本文視處理情況取10 min平均或1 h平均來(lái)計(jì)算。

1.2 實(shí)時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)

海表面10 m實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)從威海市氣象臺(tái)站獲得。風(fēng)速風(fēng)向以每小時(shí)的數(shù)據(jù)分辨率導(dǎo)出，另附日最大風(fēng)速、日極大風(fēng)速。根據(jù)海洋牧場(chǎng)地理位置，本文選取威海站、成頭山站的數(shù)據(jù)做分析，其地理位置如圖1所示。

1.3 輔助數(shù)據(jù)

高精度岸線數(shù)據(jù)來(lái)自GSHHG(Global Selfconsistent,Hierarchical,High-resolution Geography Database)Version 2.3.6.。

高精度水深數(shù)據(jù)來(lái)自GEBCO_2014(General Bathymetric Chart of the Oceans General Bathymetric Chart of the Oceans)，分辨率 1/120°。

海洋牧場(chǎng)界址坐標(biāo)來(lái)自山東省海洋與漁業(yè)廳《關(guān)于萊州灣東部等15處海洋生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的批復(fù)》附件。本文選取的兩個(gè)牧場(chǎng)其具體信息如圖1、表1所示，兩個(gè)牧場(chǎng)白天陽(yáng)光均可到達(dá)海底深度，監(jiān)測(cè)視頻截取如圖2。

表1 研究牧場(chǎng)概況一覽表

圖1 海洋牧場(chǎng)及氣象臺(tái)站地理位置示意圖

圖2 各海洋牧場(chǎng)日夜視頻截取（a.夜間、b.日間）

1.4 自由水域理論

Sargent和Austin于1949年首次利用氧濃度的晝夜變化計(jì)算出一個(gè)珊瑚礁系的生產(chǎn)率和呼吸率。Odum(1956)首次提出晝夜變化的“自由水域（Free-Water）”理論的概念和計(jì)算方法來(lái)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)并分析水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[4]?！白杂伤颉狈ê瓦^(guò)去用來(lái)計(jì)算新陳代謝的光/暗瓶培養(yǎng)等方法相比有顯著的優(yōu)勢(shì)，自O(shè)dum后這種方法開(kāi)始廣泛被用于各種水生生態(tài)系統(tǒng)的研究[5-8，15-19]。

根據(jù)自由水域的假定，海水中溶解氧濃度的變化可以由下式表示：

式中：Q為單位面積的溶解氧變率；P為單位面積的總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）變率；R為單位面積的呼吸率；Din為單位時(shí)間單位面積的混合擴(kuò)散導(dǎo)致的海氣交換；A為小擾動(dòng)（可忽略）。

本文所研究的海洋牧場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布放深度均較淺，且夏季觀測(cè)到的最高水溫也能達(dá)到25℃及以上，這與渤黃海夏季表層水溫相一致，證明混合可到達(dá)水底；此外秋冬季節(jié)混合作用可以直達(dá)海底，故研究區(qū)域滿足其假設(shè)條件。

1.5 對(duì)海氣交換項(xiàng)Din的處理

氣體的海氣交換表達(dá)式如下[13]：

式中：O2meas為實(shí)測(cè)溶解氧濃度值；O2sat為該時(shí)刻海水溫度、鹽度、壓強(qiáng)條件下的飽和溶解氧濃度，本文飽和溶解氧濃度公式采取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)海洋調(diào)查規(guī)范 GB 12763.4-2007-5.7.3(3)式[9]并根據(jù) USGS NO.81.11[10]進(jìn)行氣壓訂正；Zmix表示混合層深度，本文所研究的海洋牧場(chǎng)上下混合均一，故Zmix一項(xiàng)由水深代替；k為氣體交換速度項(xiàng)，單位一般為cm/h或m/h。指數(shù)n值的確定決定于海氣交換界面是自由界面（取-1/2）還是固定界面（取-2/3），本文研究取值-1/2。施密特?cái)?shù)由Wanninkhof（1992）運(yùn)用最小平方法原理擬合其和溫度的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)求得[11]。對(duì)牧場(chǎng)海表面風(fēng)速的概率統(tǒng)計(jì)顯示各有近30%的風(fēng)速低于3 m/s和大于6 m/s，且日極大風(fēng)速能達(dá)16 m/s，經(jīng)計(jì)算比對(duì)圖4各試驗(yàn)測(cè)量值及經(jīng)驗(yàn)曲線后選定k600=(2.07+0.215U101.7)/100，k600=(0.266±0.019)U102的線性均值[12-13]作為本文k600計(jì)算值。

圖4 常用風(fēng)速/氣體交換速度經(jīng)驗(yàn)公式及著名風(fēng)速試驗(yàn)值[13]

1.6 日夜光照時(shí)間長(zhǎng)度的計(jì)算

根 據(jù) Iqbal（1983）An Introduction to Solar Radiation一書(shū)所述[14]，由牧場(chǎng)所在位置的緯度和日期（DOY）計(jì)算可得一天中的光照時(shí)長(zhǎng)（h），由圖5知，夏至?xí)r牧場(chǎng)所在位置光照時(shí)長(zhǎng)能長(zhǎng)達(dá)14.5 h。

圖5 本文各研究牧場(chǎng)每日光照時(shí)長(zhǎng)隨日期的變化

1.7 生態(tài)模型的建立

對(duì)于一天中的日照時(shí)段，其計(jì)算公式為

對(duì)于夜晚，其計(jì)算公式為

式中：VNEPd表示白天的每小時(shí)凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力速率；VRn表示夜晚的每小時(shí)呼吸率。

總初級(jí)生產(chǎn)力（gross primary productivity，GPP）指植物生產(chǎn)的有機(jī)碳量，它包括初級(jí)生產(chǎn)者自身呼吸作用所消耗的能量，而凈初級(jí)生產(chǎn)力是扣除其自身呼吸剩下的生產(chǎn)總量。由于在測(cè)定生產(chǎn)量時(shí)很難將微小型初級(jí)生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者區(qū)別開(kāi)，難于計(jì)算初級(jí)生產(chǎn)者自身的凈生產(chǎn)量，故引入凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem productivity，NEP）這一概念，它表示從總初級(jí)生產(chǎn)力中扣除植物和異養(yǎng)生物呼吸量（Respiration，R）之后的生產(chǎn)量。

計(jì)算得該牧場(chǎng)的新陳代謝生態(tài)參數(shù)[15]：總初級(jí)生產(chǎn)力GPP、呼吸率R和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP。

2 結(jié)果與討論

2.1 海洋環(huán)境要素的變化特征

從夏到秋，牧場(chǎng)內(nèi)水溫經(jīng)歷了先升高后降低的過(guò)程，同時(shí)實(shí)測(cè)溶解氧濃度先降低后升高。受夏季入海徑流增大和降水增多的影響，兩牧場(chǎng)海水鹽度均略有降低，但保持較大的穩(wěn)定性。飽和溶解氧濃度跟海水的物理狀態(tài)有關(guān)，隨著溫度的顯著升高，牧場(chǎng)海水飽和溶解氧濃度也有所降低，之后海水溫度降低，飽和溶解氧濃度隨之升高。夏秋交替，海面南風(fēng)消退，北風(fēng)逐漸強(qiáng)盛。

圖6 小石島海洋牧場(chǎng)各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖6為小石島海洋牧場(chǎng)各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間變化曲線。水環(huán)境數(shù)據(jù)取1 h平均；風(fēng)速為日平均；a,b中疊加黑色線為日平均；a中疊加藍(lán)色線為飽和溶解氧濃度Osat。

隨著溫度升高和水生生物生命過(guò)程的活躍，小石島海洋牧場(chǎng)溶解氧濃度在8月20號(hào)降至日均最低4.8 mg/L，在7月31日出現(xiàn)溶解氧日最大濃度差5.8 mg/L。同時(shí)，海水溫度從觀測(cè)初始的17℃逐漸升高，最高至27℃，水溫高于25℃的時(shí)間可維持半月，此時(shí)期與溶解氧濃度最低值時(shí)期相一致。秋季開(kāi)始后溶解氧濃度日變幅已不如夏季顯著，其值開(kāi)始緩慢上升，在11月末達(dá)到9 mg/L，此時(shí)海水溫度降至10℃左右。

圖7 西霞口海洋牧場(chǎng)各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線。

圖7所示為西霞口海洋牧場(chǎng)各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線。水環(huán)境數(shù)據(jù)取1 h平均；風(fēng)速為日平均；a,b中疊加黑色線為日平均；a中疊加藍(lán)色線為飽和溶解氧濃度Osat。

西霞口海洋牧場(chǎng)海水溫度從5月底的日均15℃升溫到26℃，在八月中旬達(dá)到年日均最高溫后緩慢降低，在10月中上旬降至20℃。受海水溫鹽影響飽和溶解氧濃度也逐漸降低。由圖7可知，6月份到8月份溶解氧濃度逐漸降低，從日均9 mg/L降至6.3 mg/L，9月末維持在7 mg/L左右。

圖8 海洋牧場(chǎng)葉綠素隨時(shí)間分布圖（空白部分為缺測(cè)）

分析溶解氧濃度在夏季降低并維持的原因有二：首先隨著氣候變化溫度升高，海水本身對(duì)于氧氣的溶解能力隨之降低；其次，小石島海洋牧場(chǎng)和西霞口海洋牧場(chǎng)的葉綠素濃度分別從7月初和7月中旬開(kāi)始暴增（圖8），這是水生植物（生活在沿岸淺海域中的有根植物和水體上層的浮游植物）開(kāi)始大量繁殖的標(biāo)志，然而葉綠素日較差也隨之增大，這說(shuō)明適宜的溫度不僅為浮游植物提供了優(yōu)越的生存環(huán)境，也適合浮游動(dòng)物的繁殖和生長(zhǎng)，牧場(chǎng)內(nèi)養(yǎng)殖作物一方面對(duì)水生植物的牧食導(dǎo)致葉綠素的較大變化，一方面呼吸作用消耗的溶解氧大于水生植物光合作用制造的溶解氧量，所以溶解氧濃度降低。而隨著秋季結(jié)束，水溫降低，一方面其氧氣溶解度隨之升高，另一方面過(guò)冷的環(huán)境條件不再適合水生生物的生存繁殖，雖然用于光合作用的植物葉綠素會(huì)減少，光合作用強(qiáng)度減弱，但水生動(dòng)物即將進(jìn)入冬眠模式，其生物量的大大減少更減少了呼吸作用的耗氧量，相比之下溶解氧濃度會(huì)升高。

圖9 西霞口海洋牧場(chǎng)夏季參數(shù)的日變化

觀測(cè)數(shù)據(jù)也很好地顯示了溶解氧濃度的日變化特征。以西霞口海洋牧場(chǎng)134 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理為例，可看到飽和溶解氧、實(shí)測(cè)溶解氧、溫度、鹽度日變化特征，見(jiàn)圖9。溶解氧濃度日變化變幅約為0.9 mg/L，氧飽和度日變化僅為0.14 mg/L。研究牧場(chǎng)的溶解氧飽和百分比最大可達(dá)83%（2016-09-14 16:00 9.45 mg/L），最小至 50%（2016-08-24 4:00）。

海水溫度在每天的清晨6時(shí)達(dá)到一天中的最小值，日出后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，海水吸收輻射能量，在午后3時(shí)溫度達(dá)到最高，之后太陽(yáng)輻射減弱，空氣溫度小于海水溫度，海水失熱，溫度降低。飽和溶解氧濃度受海水溫度的直接影響，故其呈現(xiàn)變化周期與海水溫度一致的反相變化，在每日海水溫度最低時(shí)最高，在每日海水溫度最高時(shí)最低。實(shí)測(cè)溶解氧濃度明顯的日周期變化表現(xiàn)在每天清晨4、5點(diǎn)達(dá)到一天中的最小值，然后逐漸升高至午后3點(diǎn)達(dá)到一天中的最大值，隨即降低。

實(shí)測(cè)溶解氧濃度并未呈現(xiàn)與溫度變化周期一致的反相變化，這是因?yàn)?，日出之前水生生物的呼吸作用一直消耗氧氣，故日出之前?huì)逐漸降低，日出之后光合作用開(kāi)始制造氧氣釋放到水體中補(bǔ)充呼吸作用的消耗，隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，光合作用制造氧氣的速度也在一定范圍內(nèi)隨之增大，故午后3時(shí)左右溶解氧濃度達(dá)到一天中的最大值。實(shí)測(cè)溶解氧的這一與溫度同步的同相變化周期顯示出在光照適宜，生物繁多的海區(qū)中，影響溶解氧濃度變化的生物過(guò)程占主導(dǎo)。海水鹽度日變化變幅極其微小，在0.02 psu以內(nèi)。

2.2 溶解氧生態(tài)模型計(jì)算結(jié)果及其分析

鑒于較深層水體其溶解氧日變化過(guò)程會(huì)受到更多物理過(guò)程的影響[7]，本文用1 h平均的溶解氧濃度進(jìn)行計(jì)算生態(tài)參數(shù)，以濾去高頻物理過(guò)程的影響。

小石島海洋牧場(chǎng)月均總初級(jí)生產(chǎn)力GPP在9月份達(dá)到最大值2.337±0.970 gO2/m3d，之后逐漸減小，到11月時(shí)僅有均0.681 gO2/m3d，這是因?yàn)?1月時(shí)溫度迅速降低至10℃，光照時(shí)長(zhǎng)也大大減少，環(huán)境條件已不能讓水生植物保持夏季一樣的生命力，總初級(jí)生產(chǎn)力變得相對(duì)較弱。GPP在7月略有下降，這應(yīng)該是浮游動(dòng)物牧食的結(jié)果，浮游動(dòng)物由于適宜的溫度條件和豐盛的食物來(lái)源開(kāi)始繁殖，其對(duì)水生植物的牧食使水生植物量有所減少，故7月略有降低。持續(xù)適宜的環(huán)境條件作用下，水生植物和動(dòng)物的生物量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，故8、9月份GPP依然很高，水生植物生長(zhǎng)依然茂盛。呼吸量在8月最大（3.382±2.261 gO2/m3d），這與該牧場(chǎng) 8月份出現(xiàn)溶解氧濃度最小值相一致，之后呼吸量逐漸降低，但在11月仍保持日均1.762 gO2/m3d的水平，這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，溫度下降，環(huán)境條件雖已不適合水生植物大量繁殖，但經(jīng)由夏季和秋季繁衍的動(dòng)物，已發(fā)育成熟進(jìn)入待捕撈時(shí)期，故該牧場(chǎng)11月份呼吸量仍較大。雖然GPP和R在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)變化較大，但凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力維持較穩(wěn)定的水平，其值在-1 gO2/m3d左右波動(dòng)。這證明了該海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由GPP/R示意圖可知，該牧場(chǎng)處于輕微異養(yǎng)狀態(tài)，生物量較大。夏季總初級(jí)生產(chǎn)力較高，呼吸率也較高，最大值都可以達(dá)到7 gO2/m3d，且變幅也比秋季大，這是夏季水生生物大量繁殖的結(jié)果。

圖10 小石島海洋牧場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝速率

西霞口海洋牧場(chǎng)在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)GPP逐漸升高，但增幅不大，9月份最高1.724±1.475 gO2/m3d。R值呈逐漸升高的趨勢(shì)，但在8月份例外，結(jié)合其葉綠素濃度變化可以推測(cè)，水生植物繁殖速度速度慢于動(dòng)物的攝食速度，導(dǎo)致水生植物急劇減少，進(jìn)而影響了水生動(dòng)物的正常生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才恢復(fù)平衡，故在8月GPP增大的情況下呼吸量有所減少。NEP的值波動(dòng)較大，雖然8月NEP負(fù)值情況最小但這并不意味著健康的牧場(chǎng)狀態(tài)。9月負(fù)值最大，達(dá)-2.777±1.932 gO2/m3d。

圖11 西霞口海洋牧場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝參數(shù)月變化

表2 物理過(guò)程和生物過(guò)程對(duì)溶解氧濃度變化貢獻(xiàn)率

由于溶解氧濃度的變化由物理過(guò)程和生物過(guò)程兩個(gè)過(guò)程共同參與，因此分析其各自對(duì)溶解氧濃度變化的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)牧場(chǎng)中物理過(guò)程和生物過(guò)程的作用相當(dāng)，鑒于海水溶解氧濃度持續(xù)處于不飽和狀態(tài)，水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣不足以支撐生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的呼吸作用消耗，故物理過(guò)程的貢獻(xiàn)率較大一些。

圖12 兩牧場(chǎng)生態(tài)參數(shù)隨月份變化示意圖

綜合來(lái)看，在夏季（6～8月份），小石島海洋牧場(chǎng)的總初級(jí)生產(chǎn)力高于西霞口海洋牧場(chǎng)，步入秋季（9～10月份）后基本相當(dāng)，均有所降低。夏季兩牧場(chǎng)呼吸量相當(dāng)，但秋季時(shí)小石島海洋牧場(chǎng)呼吸量有所減少，而西霞口仍保持夏季相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，這與兩牧場(chǎng)的養(yǎng)殖作物種類有關(guān)?？傮w來(lái)看，雖然溶解氧飽和百分比上西霞口海洋牧場(chǎng)略高于小石島，但西霞口海洋牧場(chǎng)的異養(yǎng)狀態(tài)要比小石島海洋牧場(chǎng)嚴(yán)重。這兩個(gè)海洋牧場(chǎng)都是生物量較大的海洋牧場(chǎng)，水生植物繁殖并進(jìn)行光合作用是總初級(jí)生產(chǎn)力增高的根本原因，大量的養(yǎng)殖作物（魚(yú)、蝦、貝、海參等）在夏秋季節(jié)繁殖生長(zhǎng)消耗大量氧氣導(dǎo)致呼吸率很高，他們對(duì)水生植物的牧食作用又減緩了GPP的增長(zhǎng)。因此在這類牧場(chǎng)，R值代表了該牧場(chǎng)養(yǎng)殖作物量的大小，NEP負(fù)值的絕對(duì)值大小代表了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。

根據(jù)以上分析，可以給出的建議是針對(duì)西霞口海洋牧場(chǎng)可以引入適當(dāng)藻類或人工投餌措施增加養(yǎng)殖作物的食物來(lái)源，或者在以后的放種時(shí)適當(dāng)減少其動(dòng)物量，以減少NEP負(fù)值的波動(dòng)性預(yù)示的動(dòng)物生長(zhǎng)繁殖受到食物來(lái)源的限制現(xiàn)象。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)兩個(gè)海洋牧場(chǎng)的水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行日變化分析和季節(jié)變化分析，并建立生態(tài)模型對(duì)新陳代謝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同海洋牧場(chǎng)的參數(shù)差別較大。

隨著春季向夏季的過(guò)渡，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，溫度逐漸升高，水生生物開(kāi)始大量繁殖，溶解氧濃度受這兩個(gè)因素的影響逐漸降低。而隨著秋季的到來(lái)，太陽(yáng)輻射逐漸減弱，晝短夜長(zhǎng)，海水溫度降低，牧場(chǎng)海區(qū)內(nèi)生物量逐漸下降，溶解氧濃度略有升高。夏秋時(shí)期由于陸地徑流流量增大和降水的原因，牧場(chǎng)海區(qū)內(nèi)鹽度有所下降，但總體保持相當(dāng)大的穩(wěn)定性。

夏秋季節(jié)牧場(chǎng)海區(qū)內(nèi)溶解氧濃度受生命過(guò)程的影響呈現(xiàn)顯著的日變化特征，即與溫度同相位的日變化：在每日凌晨達(dá)到最低，午后2～3時(shí)達(dá)到最高。

牧場(chǎng)在夏秋季節(jié)溶解氧濃度較低時(shí)生命過(guò)程較為活躍，此時(shí)海水溫度較高，適宜水生生生物的生長(zhǎng)繁殖。小石島海洋牧場(chǎng)和西霞口海洋牧場(chǎng)均在在9月份達(dá)到GPP最大值，分別為2.337±0.970 gO2/m3d，1.724±1.475 gO2/m3d。小石島海洋牧場(chǎng)呼吸量在8月最大（3.382±2.261 gO2/m3d），NEP在-1 gO2/m3d左右波動(dòng)較小，這證明了該海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。西霞口海洋牧場(chǎng)呼吸量在9月最大，值4.501±1.790 gO2/m3d，其NEP一直為負(fù)值但波動(dòng)較大，表明其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較弱。對(duì)兩個(gè)牧場(chǎng)來(lái)說(shuō)，牧場(chǎng)海區(qū)內(nèi)溶解氧一直處于不飽和狀態(tài)，物理過(guò)程對(duì)溶解氧濃度變化的貢獻(xiàn)和生物過(guò)程相當(dāng)。

限于數(shù)據(jù)的觀測(cè)長(zhǎng)度，未能對(duì)海洋牧場(chǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期季節(jié)性的變化分析；關(guān)于自由水域法溶解氧濃度生態(tài)模型在海洋牧場(chǎng)中的應(yīng)用，本文僅考慮了較淺水域（真光層）的情況，而多數(shù)牧場(chǎng)的海底觀測(cè)平臺(tái)日間光照情況較差，本模型的改進(jìn)應(yīng)用應(yīng)繼續(xù)考量；此外，可以考慮引入光合有效輻射參數(shù)，這樣就可以對(duì)每日的溶解氧濃度變化進(jìn)行反演模擬，以得到更精細(xì)的牧場(chǎng)生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，拓寬海洋牧場(chǎng)的研究，使模型實(shí)用性更強(qiáng)。

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Preliminary Study on the DO Eco-Model in the Ocean Ranch

MENG Xin1,WANG Dong2,LI Pei-liang1,FAN Kai-guo3,GU Yan-zhen1
1.Collage of Ocean and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China;
2.Navigation Guarantee Center of North China Sea,Ministry of Transport,Tianjin 300202,China;
3.Troop 91039 of the PLA,Beijing 102401,China;

Based on the real-time high-frequency onsite data including temperature,salinity,depth,dissolvedoxygen (DO)and chlorophyll concentration collected by the Observation Network in the Ocean Ranch of Shandong Province,the water environment factors of two selected ocean ranches are analyzed to show the diel and seasonal variations among ranches on the same time.The selected ranches include Weihai Xiaoshi Island ranch during Jun to Nov,2016,and Rongcheng Xixiakou during Jun to Oct,2016.The'Free-Water'technique,which is firstly applied in researching China's offshore marine ranches,is utilized in the DO Eco-model to calculate the ecosystem metabolic rates,so that the inter-monthly variations of GPP,R and NEP are well showed for each ocean ranch.Combined with real-time data and undersea HD video,some rational suggestions are proposed concerning the Xixiakou ocean ranch,the one with bad ecosystem stability.It is also indicated that,in terms of these two shallow coastal aquatic breeding ocean ranch types,the DO concentration never comes to 100%of air saturation,and the physical process contribution to the DO diurnal change corresponds to the biological processes.

dissolved oxygen(DO);ocean ranch;metabolism;primary productivity

X834；P714+.5

A

1003-2029（2017）05-0120-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.019

2017-04-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助專項(xiàng)(201562013);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41476002);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目資助(2012AA09A403);2016年山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016ZDJS09A02)

孟鑫(1993-)，女，碩士研究生，主要從事海洋牧場(chǎng)研究。E-mail:xizi1993425@sina.com

顧艷鎮(zhèn)，E-mail：564337843@qq.com