論生物醫(yī)藥地球化學(xué)模式

論生物醫(yī)藥地球化學(xué)模式

眾所周知，世界變化是一個(gè)現(xiàn)在引起關(guān)注的焦點(diǎn)。與人類(lèi)排放co的方向直接相關(guān)的海洋碳循環(huán)已成為主要問(wèn)題之一。浮游植物對(duì)碳及相關(guān)生源要素的同化、顆?！芙狻z體有機(jī)碳形態(tài)間的轉(zhuǎn)化、浮游動(dòng)物的攝食、顆粒沉降、界面交換等各種生物地球化學(xué)過(guò)程,構(gòu)成了碳及營(yíng)養(yǎng)鹽氮(N)、磷(P)、硅(Si)的循環(huán)體系。過(guò)程研究無(wú)疑是認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜循環(huán)體系的根本,而建立在過(guò)程研究基礎(chǔ)上的系統(tǒng)集成與模式構(gòu)筑,則是一個(gè)強(qiáng)有力的手段,它有助于將分散的過(guò)程統(tǒng)合在一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的系統(tǒng)下,定量認(rèn)識(shí)不同過(guò)程在整個(gè)體系中的貢獻(xiàn),理解生物地球化學(xué)循環(huán)的控制機(jī)制,預(yù)測(cè)系統(tǒng)的變化;海洋生物地球化學(xué)模式研究的重要意義,便在于此。海洋生物地球化學(xué)模式,簡(jiǎn)言之,即以數(shù)學(xué)描述生物地球化學(xué)循環(huán),系統(tǒng)表述整個(gè)體系,有機(jī)聯(lián)系不同貯庫(kù)和單元,定量表達(dá)過(guò)程動(dòng)力學(xué)。其基本結(jié)構(gòu)即一物質(zhì)守恒方程為:ue014C/ue014t=U·?C+?·(D?C)+SMS其中C指物質(zhì)濃度,t指時(shí)間,U指平流(包括垂直流)速率,D指水平或垂直擴(kuò)散系數(shù),SMS意即源扣除匯,代表了生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程,哈密特算子(▽)運(yùn)算符表示C對(duì)水平或垂直方向的偏微分。也就是說(shuō)物理、化學(xué)、生物各種過(guò)程共同控制著整個(gè)物質(zhì)循環(huán),而其中生物過(guò)程又是相當(dāng)關(guān)鍵的一環(huán),故而涉及海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)的一些基本問(wèn)題,這就使得海洋生物地球化學(xué)模式與海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模式實(shí)際上相互交織往往難分彼此。海洋生物地球化學(xué)模式的歷史可以追溯到1949年Riley等的開(kāi)創(chuàng)性工作,但本文將略過(guò)早期的工作,集中論述90年代以來(lái)在物質(zhì)循環(huán)過(guò)程動(dòng)力學(xué)模式上的新進(jìn)展。特別是作為筆者之一的美國(guó)緬因大學(xué)柴扉博士在2002年9月間成功組織JGOFS(全球海洋通量研究計(jì)劃)學(xué)術(shù)會(huì)議EquatorialPacificSynthesisandModelingWorkshop,我們將試圖結(jié)合與會(huì)者報(bào)告的最新進(jìn)展做一總結(jié),分別就物理過(guò)程、生態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩大方面的科學(xué)問(wèn)題,以及受到普遍關(guān)注的長(zhǎng)期低頻變動(dòng)問(wèn)題,進(jìn)行論述。徐永福就CO2的生物地球化學(xué)循環(huán)模式、高會(huì)旺等對(duì)海洋浮游生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型都曾做過(guò)綜述,本文將重點(diǎn)放在近年來(lái)的研究熱點(diǎn)上,期望有助于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的進(jìn)一步推進(jìn)。1亞氏物理模式構(gòu)成生物地球化學(xué)循環(huán)的物理過(guò)程,首先是海流輸送與渦動(dòng)混合。因物理過(guò)程模擬上的簡(jiǎn)化程度不同可有一維、二維、三維之分。在水平梯度可忽略的情況下只考慮垂直變化即構(gòu)成一維模式,特別是營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直交換往往決定了整個(gè)循環(huán)態(tài)勢(shì),表層混合層動(dòng)力學(xué)與輻射場(chǎng)驅(qū)動(dòng)著循環(huán)體系,故一維模式多見(jiàn)于模式研究中。常見(jiàn)的一維混合層模式可以分為3類(lèi),即巨湍動(dòng)能模式(bulkTurbulentKineticEnergy,TKE)、切變非穩(wěn)模式(shearinstability)、湍動(dòng)閉合模式(turbulenceclosure),涉及垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和混合層深度的問(wèn)題,需要合適的應(yīng)力數(shù)據(jù)與嚴(yán)格的物理上的模擬計(jì)算;或利用溫度、鹽度的剖面歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出混合層深度用于生物地球化學(xué)模式中;另有一種做法是轉(zhuǎn)化為零維模式,考慮發(fā)生在混合層底部的物質(zhì)交換并將混合層深度定義為隨時(shí)間變化的量。在近極地渦流(gyre)海區(qū)風(fēng)生上升流顯然是上層海水營(yíng)養(yǎng)鹽的輸送泵,而對(duì)亞熱帶渦流,人們發(fā)現(xiàn)根據(jù)擴(kuò)散定律計(jì)算的發(fā)生在混合層底部的垂直渦動(dòng)交換的量并不足以支持上層初級(jí)生產(chǎn)所需的營(yíng)養(yǎng)鹽。Emerson等發(fā)現(xiàn)位于北太平洋亞熱帶渦流的ALOHA有很高的輸出生產(chǎn),若垂直擴(kuò)散是營(yíng)養(yǎng)鹽唯一的輸入機(jī)制,則不能平衡;Doney等對(duì)位于北大西洋亞熱帶渦流的BATS建立的一維模式,設(shè)定了高垂直擴(kuò)散系數(shù),得到了與觀測(cè)接近的大輸出生產(chǎn)量;但Haigh等對(duì)ALOHA建立的一個(gè)等密度模式并不如其他混合層模式一般需要設(shè)定大的垂直擴(kuò)散系數(shù)以維持?jǐn)?shù)值計(jì)算上的穩(wěn)定,故計(jì)算得到了一個(gè)低得多的輸出生產(chǎn)量。所以就物理過(guò)程的模擬而言,亞熱帶渦流的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充機(jī)制可以說(shuō)是懸而未決的一個(gè)問(wèn)題。一個(gè)可能的途徑是間歇性的由渦旋導(dǎo)致的上升流,構(gòu)成重要的物理輸入過(guò)程,即“渦旋加強(qiáng)說(shuō)”;McGillicuddy等用一個(gè)簡(jiǎn)單的生物模式結(jié)合區(qū)域性的物理模式模擬馬尾藻海的中尺度環(huán)境,提出營(yíng)養(yǎng)鹽輸入以渦旋導(dǎo)致的上升流為主導(dǎo);另有模式指出渦旋相互作用導(dǎo)致的上升流。然而Oschlies等構(gòu)筑的海盆尺度的北大西洋模式得到的結(jié)果似乎并不支持“渦旋加強(qiáng)說(shuō)”,認(rèn)為平流輸送應(yīng)是主導(dǎo)機(jī)制。Spall等也指出越過(guò)鋒面的水平傳輸可以是影響寡營(yíng)養(yǎng)海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源的一個(gè)重要因素。此外,上升流導(dǎo)致的有機(jī)顆粒向上層的輸送進(jìn)而礦化釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽,也有可能是支持寡營(yíng)養(yǎng)陸架海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)的一種機(jī)制。2世紀(jì)20年代中期的重過(guò)程充分耦合物理和生物、化學(xué)過(guò)程的生物地球化學(xué)模式,近年來(lái)尤其重視發(fā)展生態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的模擬?？梢源笾路?個(gè)時(shí)期,90年代中期之前與之后,區(qū)別在考慮生態(tài)系的復(fù)雜程度,早期重過(guò)程,可籠統(tǒng)稱為傳統(tǒng)的NPZD模式,考慮真光層深度、N與P營(yíng)養(yǎng)鹽供給以及浮游動(dòng)物攝食對(duì)初級(jí)生產(chǎn)的限制,生物方面只分浮游植物、浮游動(dòng)物和細(xì)菌三大類(lèi)群;而后期開(kāi)始導(dǎo)入非傳統(tǒng)的水華限制因子、生物的群落結(jié)構(gòu)、生理特點(diǎn)的影響。2.1營(yíng)養(yǎng)模式研究以Fasham等為經(jīng)典,他們率先發(fā)展出含真光層食物網(wǎng)動(dòng)力學(xué)的模式(圖1),模式中包含的生態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與方程見(jiàn)表1、2、3。其結(jié)果與百慕大觀測(cè)站S的實(shí)測(cè)資料比較,證明能夠成功模擬新生產(chǎn)和再生生產(chǎn)并且用于研究生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽分布的影響。Sarmiento等又將此生態(tài)模式與高度垂直分層、考慮季節(jié)型態(tài)的大西洋環(huán)流模式結(jié)合,計(jì)算營(yíng)養(yǎng)鹽的物理輸送速率、生物吸收速率、初級(jí)生產(chǎn)、新生產(chǎn)、再生生產(chǎn),并與CZCS遙感葉綠素資料對(duì)比,發(fā)現(xiàn)模式雖在物理部分存在問(wèn)題導(dǎo)致葉綠素的分布部分偏離實(shí)際,但基本形態(tài)可以再現(xiàn)。這類(lèi)模式的狀態(tài)變量從不同形態(tài)的營(yíng)養(yǎng)鹽、顆粒碎屑到浮游植物、細(xì)菌、浮游動(dòng)物不等。在此依單元多寡的復(fù)雜程度序簡(jiǎn)介富有代表性的一些模式。Doney等對(duì)大西洋百慕大連續(xù)站(BATS)建立的四單元NPZD模式,研究影響葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布和通量以及再生的因素,采用了依賴光強(qiáng)而變化的非恒定的浮游植物葉綠素與氮的比值;Hurtt等成功地模擬了1988—1991年BATS的變化,雖是零維且浮游動(dòng)物未作為狀態(tài)變量,但他們考慮到不同粒級(jí)不同生理階段的影響,在參數(shù)化方面有其建樹(shù);Bissett等其后對(duì)BATS建立的氮和碳循環(huán)的一維模式則是在這類(lèi)模型中導(dǎo)入浮游植物群落演替影響的先驅(qū)之一;Dadou等對(duì)東北熱帶大西洋一個(gè)寡營(yíng)養(yǎng)站點(diǎn)建立的模式,含溶解有機(jī)氮變量,并且分為難分解與易分解的2個(gè)單元,細(xì)菌的作用則隱含在顆粒向溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化的過(guò)程以及溶解有機(jī)物的分解過(guò)程中。2.2fe含量的調(diào)節(jié)機(jī)制近些年來(lái),圍繞著HNLC問(wèn)題,人們注意到其他營(yíng)養(yǎng)鹽如Fe、Si的限制,浮游植物不同粒級(jí)、不同群落的演替,大型、小型浮游動(dòng)物的攝食,發(fā)展出更為復(fù)雜的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模式。特別是浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)變化的預(yù)測(cè),可能是未來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)這一領(lǐng)域?qū)⒘D解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。鐵限制假設(shè)早在80年代提出,并實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),人們一度認(rèn)為它將解決全球變暖問(wèn)題,然而針對(duì)南大洋建立的施鐵模式以及現(xiàn)場(chǎng)施鐵實(shí)驗(yàn)并不能證實(shí)這一點(diǎn)。Price等和Miller等提出了Fe與浮游動(dòng)物攝食共同限制的設(shè)表3方程列表Table3EquationsdΡΗYdt=(1-εΡΗY?DΟΝ)μΡΗYαΡAR√μ2ΡΗY+(αΡAR)2(ΝΗ4ΝΗ4+ΚΝΗ4+ΝΟ3e-ΨΝΗ4ΝΟ3+ΚΝΟ3)ΡΗY-GΡΗY-λΡΗY?DEΤΡΗYdΖΟΟdt=(1-εΡΗYΖΟΟ?DEΤ)GΡΗY+(1-εDACΖΟΟ?DEΤ)GBAC+(1-εDEΤΖΟΟ?DEΤ)GDEΤ-(λΖΟΟ?ΝΗ4+λΖΟΟ?DΟΝ+λΖΟΟ?ΝUL)ΖΟΟ這里?Gx=μΖΟΟΡxX2(ΡΡΗYΡΗY2+ΡBACBAC2+ΡDEΤDEΤ2)FΟΟDΚFΟΟD+FΟΟDΖΟΟX=ΡΗY?BAC?DEΤFΟΟD={ΡΡΗYΡΗY2+ΡBACBAC2+ΡBEΤDEΤ2ΡΡΗYΡΗY+ΡBACBAC+ΡDEΤDEΤFDΜΡΡΗYΡΗY+ΡBACBAC+ΡDEΤDEΤSharadadBACdt=μBACBACmin(ΝΗ4?ηDΟΝ)+DΟΝΚBACΝ+min(ΝΗ4?ηDΟΝ)+DΟΝ-λBAC?ΝΗ4BAC-GBACdΝΟ3dt=-μΡΗYαΡAR√μ2ΡΗY+(αΡAR)2ΝΗ4ΝΗ4+ΚΝΗ4ΡΗY-μBACBACmin(ΝΗ4?ηDΟΝ)ΚBACΝ+min(ΝΗ4?ηDΟΝ)+DΟΝ+λBAC?ΝΗ4BAC+λΖΟΟ?ΝΗ4ΖΟΟdΝΗ4dt=-μΡΗYαΡAR√μ2ΡΗY+(αΡAR)2ΝΗ4ΝΗ4+ΚΝΗ4ΡΗY-μBACBACmin(ΝΗ4?ηDΟΝ)ΚBACΝ+min(ΝΗ4?ηDΟΝ)+DΟΝ+λBAC?ΝΗ4BAC+λΖΟΟ?ΝΗ4ΖΟΟdDΟΝdt=εΡΗY?DΟΝμΡΗYαΡAR√μ2ΡΗY+(αΡAR)2(ΝΗ4ΝΗ4+ΚΝΗ4+ΝΟ3e-ΨΝΗ4ΝΟ3+ΚΝΟ3)ΡΗY+λΖΟΟ?DΟΝΖΟΟ+λDEΤ?DΟΝDEΤ-μBACBACDΟΝΚBACΝ+min(ΝΗ4?ηDΟΝ)+DΟΝdDEΤdt=εΡΗYΖΟΟ?DEΤGΡΗY+εBACΖΟΟ?DEΤGBAC+(εDEΤΖΟΟ?DEΤ-1)GDEΤ+λΡΗY?DEΤΡΗY-λDEΤ?DEΤDEΤ想,認(rèn)為Fe可調(diào)節(jié)浮游植物的群落結(jié)構(gòu),Fe含量低的條件下以微型藻類(lèi)為主,并不受鐵限制,但易為生長(zhǎng)快速的小型浮游動(dòng)物所攝食從而限制了水華的發(fā)生。Chai等在一個(gè)全球環(huán)流模式之上建立的模式雖未包含F(xiàn)e變量但將其影響隱含在光合作用速率的變化中,結(jié)果表明Fe限制確是再現(xiàn)初級(jí)生產(chǎn)力季節(jié)變動(dòng)的必要因素;Armstrong建立的模式更多側(cè)重浮游植物生理方面的問(wèn)題,有助于評(píng)價(jià)Fe的作用。關(guān)于Si對(duì)浮游植物群落演替的重要性同樣在80年代已經(jīng)提出,Si充足供應(yīng)的條件下,硅藻發(fā)生水華,至Si耗盡,則讓位給更小型的浮游植物,Taylor等建立的零維模式很好地模擬出北大西洋某一站點(diǎn)的這一現(xiàn)象。Dugdale等同時(shí)認(rèn)識(shí)到Si對(duì)輸出生產(chǎn)的重要性,建立了一個(gè)零維模式,表明足量Si存在的情況下硅藻外殼的沉降會(huì)加速生物泵的運(yùn)轉(zhuǎn),故稱“硅泵”;Dugdale等繼而用同樣模式研究西赤道太平洋的硅調(diào)節(jié)問(wèn)題,他們假定浮游植物吸收Si/N的比例是1∶1,但Hutchins等以及Takeda指出這一比值隨Fe濃度變化,說(shuō)明Si限制似乎不是獨(dú)立于Fe限制而存在的。Chai等新近以一個(gè)一維模式研究赤道太平洋上升流生態(tài)系的氮和硅循環(huán)(圖2),模式包含10個(gè)單元,分小型浮游植物和硅藻,并分小型和大型浮游動(dòng)物,同時(shí)考慮總CO2,通過(guò)Si和NO3的消耗(即新生產(chǎn)力)將硅、氮的循環(huán)與碳循環(huán)聯(lián)系起來(lái),Fe限制因子隱含在決定硅藻生長(zhǎng)速率的常數(shù)中,不做顯性表達(dá);他們用一個(gè)三維環(huán)流模式計(jì)算得到的區(qū)域平均、年平均的上升流速率和垂直擴(kuò)散系數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)此一維生態(tài)動(dòng)力學(xué)模式,可以很好地再現(xiàn)研究海區(qū)低硅高氮低葉綠素(LSHNLC)的特征;模式計(jì)算的結(jié)果表明硅的低濃度限制著硅藻的生長(zhǎng),使得硅藻在研究海區(qū)浮游植物中僅占16%;通過(guò)改變硅藻生長(zhǎng)速率常數(shù)模擬的鐵營(yíng)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)得到了類(lèi)似IronEx-2現(xiàn)場(chǎng)施鐵實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,當(dāng)然我們需要指出,這個(gè)結(jié)果實(shí)際上是在假定鐵限制硅藻生長(zhǎng)的前提下得出的;同時(shí)發(fā)現(xiàn)浮游動(dòng)物的攝食壓力是敏感參數(shù);估算得到CO2?！?dú)馔窟_(dá)4.3mol/(m2·a),與海區(qū)觀測(cè)的結(jié)果一致。此模式的敏感實(shí)驗(yàn)及其與JGOFSEqPac數(shù)據(jù)的比較,進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了硅限制和“硅泵”的作用;在給出實(shí)測(cè)范圍內(nèi)的一系列Si(OH)4濃度數(shù)據(jù)和相對(duì)于Si(OH)4而言較高的一個(gè)NO3濃度值的情況下,表層Si(OH)4濃度相對(duì)于NO3而言變化不大,表現(xiàn)出硅限制、非氮限制水體的恒化器(chemostat)功能特征,垂直分布特征也與實(shí)測(cè)相符;硅藻隨Si(OH)4濃度而增加,小型浮游植物和NO3消耗則減少,在中等Si(OH)4濃度的條件下達(dá)到表層總CO2和?！?dú)釩O2通量的最高值;硅藻扮演著硅泵的角色向深層水輸出硅,意味著赤道上升流區(qū)域的沉積生源硅應(yīng)該是上層海洋要素變動(dòng)的一個(gè)放大器;而這個(gè)海區(qū)能夠穩(wěn)定地維持在一個(gè)狹小的生物和化學(xué)性質(zhì)變動(dòng)范圍內(nèi),由模式看來(lái),皆拜硅藻之賜,硅藻滋養(yǎng)了大型浮游動(dòng)物,這些動(dòng)物同時(shí)也攝食小型浮游植物。此外,Gnanadesikan提出了一個(gè)全球三維模式模擬Si的循環(huán),發(fā)現(xiàn)底層水Si的分布對(duì)渦動(dòng)混合參數(shù)很敏感,但模式并沒(méi)有將Si與N和C的循環(huán)聯(lián)系起來(lái),因此Si在全球尺度上的重要性還是未知數(shù)。2.3其他來(lái)源的研究在第1節(jié)中我們已提及依靠垂直擴(kuò)散提供的氮不足以支持上層初級(jí)生產(chǎn)的問(wèn)題,除了物理上可能有的其他來(lái)源,人們也提出了固氮菌作用的可能性。Gruber等用一個(gè)一維模式診斷BATS的碳收支,認(rèn)為碳的去除依賴于輸出生產(chǎn)而非平流或海氣交換,同時(shí)提出固氮菌支持初級(jí)生產(chǎn)的假設(shè);真正模擬固氮的先鋒是Hood等,盡管他們沒(méi)能同時(shí)解釋碳的去除與沉積物捕獲器測(cè)量的顆粒通量。3浮游植物群落模式近年來(lái),為了研究ENSO事件引起的生物地球化學(xué)體系的年際變化,人們也建立起了一系列的模式。Stoens等建立一個(gè)三維的模式模擬氮的循環(huán),證實(shí)ENSO事件發(fā)生時(shí)赤道太平洋下降流增強(qiáng)導(dǎo)致氮向上層海水的供應(yīng)減弱故使得葉綠素含量顯著降低,氮濃度的高低對(duì)這里的生物生長(zhǎng)似乎是關(guān)鍵的;當(dāng)然鐵也被認(rèn)為是限制赤道太平洋海區(qū)的營(yíng)養(yǎng)鹽,有一些研究表明赤道波如Kelvin波和熱帶非穩(wěn)定波(TIWs)可能是向上層海水提供營(yíng)養(yǎng)鹽鐵的機(jī)制之一;Leonard等用一個(gè)含鐵限制的一維模式模擬計(jì)算5年(1990—1994年)的時(shí)間變化,其中包括一個(gè)ENSO事件,很好地再現(xiàn)了ENSO期間浮游植物豐度的下降與群落結(jié)構(gòu)的變動(dòng);然而Friedrichs等的一維模式并不表明群落結(jié)構(gòu)的變動(dòng)是產(chǎn)生ENSO與非ENSO期間初級(jí)生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和浮游植物豐度差異的主導(dǎo)因素。對(duì)于亞極地渦流的StationP,McClain用一個(gè)一維模式研究1951—1980期間的長(zhǎng)期變動(dòng),盡管計(jì)算得到變化劇烈的混合層深度和氮濃度,但并沒(méi)有觀察到顯著的初級(jí)生產(chǎn)和生物量的變動(dòng);相反地,Wong等的零維模式對(duì)1965—1990年的模擬計(jì)算卻得出結(jié)論,認(rèn)為輸出生產(chǎn)變化的相當(dāng)大部分由混合層深度和太陽(yáng)輻射的變化引起,但需要注意的是,其模式是零維,對(duì)混合層深度的變化可能過(guò)為敏感。年代際變化的問(wèn)題,實(shí)際上也就是全球變化的生物地球化學(xué)響應(yīng),早在80年代后期開(kāi)始引起注意,但一直是一個(gè)引發(fā)爭(zhēng)論的問(wèn)題,甚至對(duì)同一海區(qū)的研究也有相互矛盾的論點(diǎn)出現(xiàn),因?yàn)榇髿狻Ｑ蟆锶κ且粋€(gè)高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。人們希望數(shù)值模式手段可以幫助澄清迷霧。Haigh等在一個(gè)等密度環(huán)流模式上構(gòu)筑一個(gè)簡(jiǎn)單的生物模式,首次對(duì)體系轉(zhuǎn)換(regimeshift)的影響進(jìn)行了數(shù)值研究,表明亞熱帶渦流冬—春季混合層深度(MLD)有加深的傾向,而在亞極地渦流的某些海區(qū)則有淺化的傾向,導(dǎo)致浮游植物生物量的相應(yīng)改變;不過(guò)模式所揭示的空間分布特征相當(dāng)復(fù)雜,這也可能是向來(lái)不同研究者對(duì)體系轉(zhuǎn)換的生物地球化學(xué)響應(yīng)不能得到一致結(jié)論的原因之一。最近該領(lǐng)域一項(xiàng)鼓舞人心的進(jìn)展,出自Chai等對(duì)太平洋建立的一個(gè)模式,模擬研究太平洋年代際濤動(dòng)(PacificDecadalOscillation,PDO)的生物地球化學(xué)響應(yīng);模式計(jì)算的結(jié)果表明,在北太平洋中部30~40°N之間冬季MLD有最大程度的加深跡象,1979—1990年期間的MLD相對(duì)于1964—1975年期間增加了40%~60%,在北太平洋中部和東部30~45°N之間這兩個(gè)時(shí)期冬季Ekman抽吸速率的差異最大,從而導(dǎo)致了1976/1977年太平洋體系轉(zhuǎn)換后由西到東(135°E~135°W)在30~45°N緯度帶上出現(xiàn)冬季硝氮濃度增高的現(xiàn)象,相應(yīng)使得北太平洋中部初級(jí)生產(chǎn)力得到增強(qiáng)、葉綠素濃度增高,最終導(dǎo)致位于亞熱帶渦流和亞極地渦流之間的北太平洋過(guò)渡帶(NPTZ)葉綠素鋒面向赤道方向推移。對(duì)于地質(zhì)年代尺度上的體系變化,Archer等依據(jù)他們對(duì)碳酸鈣和有機(jī)碳相對(duì)生產(chǎn)速率對(duì)海水pH繼而對(duì)CO2分壓的影響的模式研究,推測(cè)上一個(gè)冰期較低的CO2分壓可能是因當(dāng)時(shí)相對(duì)較低的碳酸鈣和較高的有機(jī)碳生產(chǎn)速率導(dǎo)致的,從鈣依存生態(tài)系(球石藻生產(chǎn))向硅依存生態(tài)系(硅藻生產(chǎn))的轉(zhuǎn)換是很容易破壞有機(jī)碳和碳酸鈣生產(chǎn)之間的平衡的,但是關(guān)于這種長(zhǎng)期變化的理論假設(shè)還沒(méi)有能夠得到有效的數(shù)值模式研究。4生物地球化學(xué)的特點(diǎn)以及應(yīng)用浮游動(dòng)物的可能出現(xiàn)的問(wèn)題海洋生物地球化學(xué)模式經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,從全球尺度到海盆尺度到單一水柱以至針對(duì)近岸海灣、河口的區(qū)域性模式,從季節(jié)變化到年際變動(dòng)到代際變動(dòng),集合多種時(shí)空尺度,跨物理、生物、化學(xué)多學(xué)科,其復(fù)雜程度,人所共知。在90年代開(kāi)始興起的考慮真光層食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模式,分浮游植物、浮游動(dòng)物、細(xì)菌、營(yíng)養(yǎng)鹽、顆粒物、溶解有機(jī)物幾大單元,以氮流或碳流代表生物流,能夠較好地模擬區(qū)域性的葉綠素、初級(jí)生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化;隨著現(xiàn)場(chǎng)研究的發(fā)展,也逐漸考慮鐵、硅營(yíng)養(yǎng)鹽限制,不同粒級(jí)浮游生物的營(yíng)養(yǎng)和攝食。全球或海盆尺度的三維模式可以做到定性地模擬一些大尺度的海洋生物地球化學(xué)特征,比如寡營(yíng)養(yǎng)的亞熱帶渦流和富營(yíng)養(yǎng)的亞極地渦流的對(duì)比。模式發(fā)展迄今,也出現(xiàn)諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn),針對(duì)同一問(wèn)題的不同模式,往往會(huì)有相互矛盾的結(jié)論;區(qū)域性的模式無(wú)法擴(kuò)展到全球尺度;全球性的模式無(wú)法做到定量模擬;中尺度過(guò)程的擾動(dòng)可能是很重要的信號(hào)卻一向多被忽略;人類(lèi)活動(dòng)的影響、全球變化的響應(yīng)尚難以預(yù)測(cè);這些促使人們思考未來(lái)走向。歸結(jié)起來(lái),可分為以下幾個(gè)方面1:(1)生物—化學(xué)過(guò)程的準(zhǔn)確表達(dá)。必須綜合C、N、P、Fe、Si多營(yíng)養(yǎng)要素的循環(huán);應(yīng)當(dāng)在模式中體現(xiàn)浮游生物群落結(jié)構(gòu)生態(tài)功能的多樣性;在作為食物網(wǎng)發(fā)端的、目前對(duì)其的模擬已取得相當(dāng)進(jìn)展的浮游植物生態(tài)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,應(yīng)努力導(dǎo)入更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的食物網(wǎng)動(dòng)力學(xué)、生物多樣性以及漁業(yè)活動(dòng)的影響。人們已經(jīng)逐漸地發(fā)現(xiàn),上層海水溶解態(tài)和顆粒態(tài)的有機(jī)物質(zhì),它們的元素組成并不總是服從Redfield比值而是在變化中;固氮菌在亞熱帶太平洋生態(tài)系中的豐度在增加,導(dǎo)致系統(tǒng)由氮限制轉(zhuǎn)向磷限制;輸出生產(chǎn)與上層海洋的群落結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起,不易被小型浮游動(dòng)物攝食的硅藻可以形成水華,從而會(huì)有大量的顆粒輸出;鐵限制也會(huì)影響群落生產(chǎn)和結(jié)構(gòu),雖然鐵與硅的共同作用還不清楚;輸出生產(chǎn)中溶解有機(jī)物占的比例是一個(gè)關(guān)鍵的生物地球化學(xué)參數(shù),但決定之的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,也即人所共知的微食物環(huán),從機(jī)制上仍不能得到很好的闡釋;浮游植物被攝食與自然死亡是重要的匯,但是往往做線性簡(jiǎn)化處理。只有建立起所有這些過(guò)程的科學(xué)的函數(shù)表達(dá),才能夠建立成功的模式,而僅僅依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生態(tài)手段獲取函數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,必須對(duì)控制過(guò)程的機(jī)制有深刻的理解,因此現(xiàn)場(chǎng)面向過(guò)程的生物地球化學(xué)研究手段的提高是十分必要的。(2)物理模式的完善。生物地球化學(xué)模式無(wú)論如何是建筑在物理模式之上的。得以與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的部分模式表明尺度不同的物理過(guò)程與生物過(guò)程的模擬不能匹配是造成模式結(jié)果與觀測(cè)不符的主要原因之一,要發(fā)展預(yù)測(cè)型模式,必然需要加強(qiáng)模型中配合生物過(guò)程模擬尺度的上混合層動(dòng)力學(xué)的顯性表達(dá),這可以說(shuō)是對(duì)物理海洋學(xué)概念和數(shù)值技術(shù)的一種挑戰(zhàn)。目前的所有三維生物地球化學(xué)模式皆受制于物理模式,而難以進(jìn)一步向定量研究發(fā)展。分辨率的增加、表面邊界層作用力和次網(wǎng)格尺度物理學(xué)處理上的提高,將使得全球物理環(huán)流模式得到改善;同時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)的物理上的熱量、淡水輸運(yùn)計(jì)算的補(bǔ)充,生物地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)的模擬,仿如過(guò)程示蹤物的作用,反過(guò)來(lái)也有助于物理模式的提高,這實(shí)際上已演變成為一個(gè)活躍的物理海洋學(xué)上的研究領(lǐng)域。(3)中尺度時(shí)空變動(dòng)的充分重視。人們通過(guò)觀察遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)連續(xù)觀測(cè)記錄并結(jié)合模式計(jì)算,發(fā)現(xiàn)中尺度變動(dòng)遠(yuǎn)非可以抹除的噪音信號(hào),相反可能正是控制生態(tài)系性質(zhì)的關(guān)鍵。中尺度渦旋、熱帶非穩(wěn)定波,作為一種擾動(dòng),卻可能主導(dǎo)著營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直補(bǔ)充繼而決定了生態(tài)系的群落結(jié)構(gòu)。這個(gè)問(wèn)題的解決,有賴于高分辨的水動(dòng)力模式的發(fā)展以及多種觀測(cè)手段的結(jié)合