热带海洋国家重点实验室(LTO)在近岸人为低氧区环境综合治理上取得重要进展

    近日,中科院南海所热带海洋环境国家重点实验室 (LTO) 冯洋研究员和薛惠洁研究员联合在生物地球化学领域顶级专业期刊 Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (影响因子: 3.48) 上发表文章。提出墨西哥湾低氧区环境综合治理政策的新观点:即目前走航观测得到的墨西哥湾低氧面积可能并非最大面积,根据该面积制定的陆地氮源控制量可能不足以对低氧面积实施有效控制,应以最大低氧面积作为指标来实施陆源氮排放控制。

 

    墨西哥湾低氧区是全世界第二大由于人类陆地活动造成的低氧区,低氧最大面积达20,000 km2以上。低氧爆发严重影响墨西哥湾鱼类产量,因而,低氧区治理受到美国环保局的高度重视。美国环保局于每年7月对低氧进行一次大面观测,根据大面观测结果推断得出低氧面积。根据该面积,美国环保局制定依据,对墨西哥湾陆源氮排量进行控制,基本方法是控制5月硝酸盐排量或者5-6月总氮盐排量。

 

    作者在墨西哥湾北部低氧区建立生物-物理耦合模型,通过对模型25年分析结果发现:墨西哥湾通过测量得到的7月低氧面积有可能不是最大的低氧面积;夏季低氧爆发有可能出现在6月,7月或者8月。风场是控制季节内低氧何时出现最大值的原因。5月的硝酸盐或者5-6月总的氮盐可以更好地解释最大低氧面积的年际变化(而非7月)。目前,EPA的指标是将5年滑动平均的低氧面积控制在5000平方公里以内,若最大低氧面积已知,在现有基础上要最少再减排10%的陆源氮排放量。另外,该文章指出鉴于低氧面积和表面盐度、海表叶绿素、风速和方向角密切相关。而上述观测资料都可以从高分辨率的卫星资料获取。这意味着未来我们可能可以利用机器学习的一些算法,如神经网络、随机森林、或者支持向量机等推断最大低氧面积,从而制定低氧陆源氮排放标准。该研究成果受到两位匿名审稿专家的高度评价,研究成果可期用于粤港澳大湾区,为大湾区水环境可持续发展献计献策。

图一:ROMS水动力-生物地化循环低氧耦合模型 (来源于Fennel and Laurent et al. 2018 Biogeosciences)

图二:25年生物-物理耦合模式估计的墨西哥湾月平均的低氧频率。东部为高频低氧区,西部为低频低氧区。