本世纪中叶以后未来环境条件对切萨皮克湾水质的潜在影响 作者：刘易斯·C·林克（Lewis C. Linker）、戈帕尔·巴特（Gopal Bhatt）、理查德·田（Richard Tian）和雷蒙德·纳贾尔（Raymond Najjar）

《Climate》：Estimated Impacts of Future Environmental Conditions on Water Quality in the Chesapeake Bay Beyond Midcentury Lewis C. Linker, Gopal Bhatt, Richard Tian and Raymond Najjar

　　摘要：为了为切萨皮克湾设定营养物和沉积物负荷目标，之前已经考虑了到2055年环境条件的变化预测。本文将分析时间延长至2085年。根据通用环流模型（GCMs）的未来集合情景，切萨皮克湾流域在21世纪中叶之前的温度和降水变化速率是之后时期的两倍多。预计在21世纪中叶之前，流入海湾的径流和营养物负荷将会增加。然而，在本分析中，模型模拟显示21世纪中叶之后的径流增加趋势可能会减弱。温度和降水减少的趋势与持续的海平面上升相结合，在集合情景下将导致21世纪中叶之后切萨皮克湾的缺氧状况有所改善，从而使溶解氧水质的恶化趋于稳定。

1. 引言
切萨皮克湾位于美国中大西洋沿岸，是美国本土面积最大的河口（图1），与许多东海岸和墨西哥湾沿岸的河口一样，它受到营养物负荷增加和缺氧问题的影响[1,2]。2010年，由联邦和州政府合作的切萨皮克湾计划（CBP）制定了切萨皮克总最大日负荷（TMDL），这是一个旨在改善水质和栖息地的富营养化管理计划[3,4]。2010年TMDL背后的科学依据记录在《美国水研究联合会杂志》（JAWRA）的专题系列文章以及美国环保署（USEPA）的资料中[3,5]。图1显示了切萨皮克流域和海湾的范围，包括纽约州、宾夕法尼亚州、马里兰州、特拉华州、弗吉尼亚州、西弗吉尼亚州和哥伦比亚特区等CBP联邦-州合作伙伴关系涉及的地区。绿色代表沿海平原和皮埃蒙特地区的较低海拔，棕色代表阿巴拉契亚高地和山区的较高海拔。2010年TMDL中记录了环境变化对切萨皮克湾水质的影响，但由于缺乏量化这些影响的信息，这些因素当时未被纳入考虑[3,6]。自TMDL制定以来，已经进行了大量研究，以评估环境变化对温度和降水[7,8,9,10]、潮汐湿地侵蚀[11,12]、海平面上升[13,14,15,16]以及其他影响切萨皮克湾污染物负荷的因素的影响[17]。

2020年的中期评估中，对环境变化对切萨皮克湾及其流域的影响进行了评估，以确定在2025年的环境条件下维持水质标准所需的额外营养物和沉积物削减量。之前的中期评估使用了以2025年、2035年、2045年和2055年为中心的四个十年期，这些时期分别比1993-1995年关键时期的结束年份晚三十年、四十年、五十年和六十年，并基于1991-2000年的基础水文和营养物负荷数据来设定2010年切萨皮克TMDL[4]。该评估基于CBP的决策方法，模型结果为在2025年的环境条件下实现基于生物资源的TMDL水质标准提供了依据。评估考虑了关键驱动因素，包括降水量和强度的变化、蒸散作用、大气二氧化碳（CO2）浓度、径流量以及营养物和沉积物负荷[10,18]。还研究了其他环境驱动因素的影响，如水柱变暖、海平面上升、潮汐湿地丧失以及营养物负荷的物候变化[11,12,15,16,19,20]。使用综合流域、空气流域和河口模型的模拟表明，到21世纪中叶，环境变化可能会增加流入海湾的径流量和营养物负荷[10,21,22,23]。在海湾中，温度升高会降低溶解氧的溶解度并增加呼吸作用和分层现象[13,15]，从而加剧缺氧问题。这些结果表明，需要增加营养物削减量来维持基于溶解氧（DO）的水质标准。从1995年到21世纪中叶（2055年）的研究表明，温度、流量和负荷的增加，以及与海平面上升的复杂相互作用，要求增加营养物削减量以维持水质标准。这些发现的详细讨论记录在《美国水研究联合会杂志》的专题系列文章中[24]。

波罗的海也观察到了较高温度、降水增加和沿海水域营养物负荷增加之间的关系。在波罗的海，流域营养物负荷受降水量影响，降水增加的时期与营养物负荷增加相吻合[25]。自20世纪中叶以来，缺氧状况的加剧与营养物负荷和气候驱动的变化有关[26]。对波罗的海未来的气候预测显示，北部子流域的降水量将增加，导致营养物负荷增加以及底部缺氧区域的扩大[27]。了解21世纪中叶之前的近期变化对于制定实现海湾恢复目标的策略至关重要。然而，从长远来看，切萨皮克湾计划建模和规划的一个相关目标是预测重大变化并防止意外情况。目前对于21世纪中叶之后切萨皮克湾溶解氧水质标准的影响存在数据和信息缺口。因此，有必要对21世纪中叶之后切萨皮克湾及其流域的环境变化进行长期研究。

本文的目的是研究为实现和维持基于生物资源的溶解氧水质标准所需的长期营养物削减路径。通过使用切萨皮克流域和河口模型，考察温度、降水和海平面上升的主要影响，来达到这一目标。分别开发了2065年、2075年和2085年的敏感性情景，以评估关键驱动因素对21世纪中叶之后切萨皮克湾营养物和沉积物负荷以及水质的影响。本文的目标明确指出了研究2050年之后气候趋势如何影响缺氧问题，特别是海平面上升、变暖以及降水量和负荷增加的速度变化如何影响切萨皮克湾的缺氧情况。

将研究时间延长至21世纪中叶之后，结果表明，由于温度和降水量增加（这些因素通常会加剧缺氧）以及海平面上升（由于重力循环增强而减少缺氧），2050年之后的水质缺氧恶化趋势将趋于稳定。

2. 材料与方法
自1987年引入第一个流域和潮汐海湾模型以来，CBP的第六阶段空气流域、流域、土地利用和潮汐水质模型经历了六个主要的发展和应用阶段。这些模型经过了广泛的审查和记录，第五阶段模型被用于制定2010年的切萨皮克TMDL[4,17,28,29,30,31,32]。第六阶段模型是最新的版本，于2017年完成[33]。第六阶段模型包括一个空气流域模型（社区多尺度空气质量模型或CMAQ）、一个流域模型（第六阶段切萨皮克湾流域模型）、一个土地利用模型（切萨皮克湾土地利用变化模型或CBLCM）以及一个潮汐海湾水质模型（2017年切萨皮克湾水质和沉积物运输模型或WQSTM）。第六阶段模型作为一个链接系统使用，空气流域和土地利用模型的输出作为流域模型的输入，而空气流域和流域模型的输出作为河口模型的输入。

第六阶段流域模型对未来环境条件（如降水量增加）的响应体现在其对地表和地下流量增加以及随之而来的更大营养物负荷的敏感性上。此外，在未来环境条件下，模拟的径流量和强度增加会导致河流和水库产生的沉积物和颗粒营养物负荷增加。在本文中，使用了CBP的第六阶段空气流域、土地利用、流域和潮汐水质模型来预测2065年、2075年和2085年未来环境条件对切萨皮克湾水质的影响。之前的研究已经考察了1995年、2025年、2035年、2045年和2055年[10,17]。我们在之前的分析（1995年至2055年[10]）和当前（2065年至2085年）分析中都使用了政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）的集合情景。具体来说，应用了统计降尺度的耦合模型比较项目第五阶段（CMIP5）代表性浓度路径（RCP）4.5情景的集合平均值以及更高排放的RCP 8.5情景，采用偏差校正空间分解（BCSD）方法[34,35]作为输入到综合的第六阶段流域、空气流域和河口模型中[17]。所有第六阶段流域模型的未来环境条件情景都使用了delta方法[36,37,38]进行运行。delta方法调整了降水量和强度，以代表未来年份更高的流域流量和负荷，并将其作为2017年切萨皮克湾WQSTM的输入。然后使用WQSTM来评估深水溶解氧（设定为3 mg/L）和深水道溶解氧（设定为1 mg/L）的水质标准[3,12,15,38]的响应。

3. 结果
3.1. 21世纪中叶之后未来环境条件对流域的影响
在21世纪中叶之前，从1995年（切萨皮克TMDL参考期[3,4]）到2025年，预计流域输入海湾的径流量和氮、磷、沉积物负荷分别增加了2.4%、2.6%、4.5%和3.8%（图2a；表1）。在此期间，基于长期监测数据估计降水量（3.1%）和强度的增加。21世纪中叶之后的2085年RCP 4.5环境条件模拟显示，与1995年参考期相比，降水量、流量、氮、磷和沉积物负荷分别增加了8.4%、8.0%、17.0%和28.2%（图2b）。表1列出了2025年至2085年所有十年RCP 4.5和RCP 8.5情景下的温度、降水、流量以及营养物和沉积物负荷的估计变化。图2显示了2025年（a）和2085年（b）环境条件变化对切萨皮克湾及其流域的影响与1995年切萨皮克TMDL参考期的比较。表1显示了2025年至2085年相对于1995年参考期，流域范围内年降水量（PRC）、地表空气温度（TAS）、径流量（Flow）以及输送到切萨皮克湾的氮（TN Load）、磷（TP Load）和悬浮沉积物（SS Load）的估计平均变化。在表1中，对于RCP 4.5和RCP 8.5，使用了31个统计降尺度的通用环流模型（GCMs）的集合中位数。这种混合方法结合了观测到的降水趋势和模型集合中位数，为未来降水量和强度的增加提供了另一条证据，特别是在短期预测中，通过使用县级尺度（约500平方公里）的88年降水趋势与GCM集合降水估计相结合[10]。

2025年至2055年的结果已在之前描述过[17]。1995年参考期被用作所有2025年至2085年情景流量和负荷百分比变化的标准基准。1995年参考期的平均年降水量为105.6厘米，径流量为44.8厘米，氮负荷为9030万公斤，磷负荷为609万公斤，沉积物负荷为84.3亿公斤。1995年参考期采用了CBP合作伙伴同意实施的流域实施计划第三阶段（WIP3）中的模拟点源和非点源负荷管理方法，以实现切萨皮克TMDL下的水质标准。然后根据2025年至2085年变化的环境条件修改了1995年参考期的管理措施，如表1和图2所示。由于未来75年环境条件的变化，预计的流量、营养物和沉积物负荷增加将对CBP管理切萨皮克湾水质构成挑战，但在适度碳排放缓解的RCP 4.5情景下，21世纪中叶之后的增长速率会减缓（图3a）。另一方面，在高排放的RCP 8.5情景下，温度继续以不受抑制的速度上升。图3。空气温度（a）和降水量（b）相对于1995年的变化，基于31个统计降尺度的CMIP5 RCP 4.5和RCP 8.5情景的集合中位数。在图3中，2025年、2035年、2045年和2055年环境变化的初步评估是基于RCP 4.5的空气温度变化，而降水变化则是基于2025年的长期观测趋势、2055年的RCP 4.5以及2035年和2045年的长期观测趋势与RCP 4.5的结合[10]。对于2065年、2075年和2085年的分析，则考虑了RCP 4.5和RCP 8.5的集合中位数。在RCP 4.5这种适度缓解情景下，全球变暖的缓解对切萨皮克湾有影响，因为它控制着空气中的水分，进而影响降水量及其强度，最终影响从流域到河口的淡水、营养物质和沉积物的输送[10]。图3a显示，在RCP 4.5情景下，本世纪中叶后温度上升的速度从每十年0.31°C降至0.16°C。本世纪中叶后温度上升速度的减缓与RCP 4.5情景下降水增加速度的减缓相吻合。图3b显示了本世纪中叶前后降水变化速度的类似差异。有趣的是，尽管在RCP 8.5（无缓解）情景下温度持续上升（见图3a），但估计的降水量增加仅比1995年参考期增加了约10%（见图3b），具体原因尚不清楚。31个单独GCM提供的环境变化输入对2025年至2085年七个CBP情景的相对变化率可以在附录图A1中看到。对于RCP 8.5情景，31个单独GCM中有14个的温降响应相似，如图3所示。对于RCP 4.5情景，这种模式不太明显，可能是因为RCP 4.5情景下的温度变化范围比RCP 8.5更有限，如附录图A1中的两个温度变化箱形图所示。对于集合中的每个统计降尺度的GCM，使用BCSD方法，检查了RCP 4.5和RCP 8.5情景在本世纪中叶前（2025-2055年）和本世纪中叶后（2065-2085年）的降水和温度变化趋势。附录图A1中的前两个箱形图显示，无论是RCP 4.5还是RCP 8.5，本世纪中叶后降水的变化率（或增加率）都较低。类似地，附录图A1中的最后两个箱形图显示，本世纪中叶后空气温度的变化率（或增加率）在RCP 4.5中较低，而在RCP 8.5中较高。有趣的是，除了RCP 8.5的降水外，RCP 4.5和RCP 8.5在本世纪中叶后的四分位数范围都较小。

基于CMIP5中20个GCM的多变量自适应构建类比（MACA）[39]的统计降尺度分析显示，本世纪中叶前后空气温度和降水的相对变化率与上述描述相似，但在RCP 8.5情景下本世纪中叶后的降水变化率显著较低（见附录图A2）。

3.2. 本世纪中叶后未来环境条件对潮汐湾的影响
环境变化对切萨皮克湾的主要影响是：（1）水柱变暖，由于溶解氧溶解度降低、深层水呼吸作用增强和分层加剧，导致更严重的缺氧；（2）来自流域的营养物质和沉积物负荷增加（见图4）。作为平衡，海平面上升带来的增强河口循环可以减少缺氧[15]。图4显示了2025年第三阶段WIP条件（蓝色条形）和2085年第三阶段WIP条件（红色条形）下的估计缺氧效应——不包括环境变化影响（参考值）；包括环境变化后的流域和集水区负荷；包括2025年海平面上升；包括2025年水柱变暖。在本世纪中叶后，RCP 4.5情景下温度上升速度的减缓将缓解这些对深层水缺氧的影响。值得注意的是，图4中显示，温暖水体（Warmer Waters）和海平面上升（Sea Level Rise）的单独物理条件对缺氧的影响大于来自流域和集水区的负荷增加。

然而，预计海平面上升将以图2和附录图A3所示的速度持续到2150年甚至更长时间，通过增加湾内的重力循环、降低底层水温等效应减少缺氧[13,14,15,16]。由于湾口横截面更加开阔，增加的重力循环允许更多的海洋与湾内水体交换，从而增加底层水体的流入和流出，总体上改善了切萨皮克湾缺氧底层水体的通风。此外，增加的重力循环还降低了底层水温，这也减少了底层水的缺氧。

海平面上升对减少缺氧的另一个抵消作用是潮汐湿地的营养物衰减作用，前提是潮汐湿地无法向陆地迁移。然而，与增加的重力循环相比，潮汐湿地的损失对缺氧的影响相对较小[12,15]。图4显示，海平面上升在很大程度上减少了切萨皮克湾的缺氧，足以抵消2025年或2085年环境变化带来的营养物质负荷增加，但其影响仅为水温升高及其导致的缺氧增加的一半。

3.3. 温度升高、流量、流域负荷和海平面上升对缺氧的总体影响
据估计，RCP 4.5情景下从2025年到2085年缺氧将增加，但其增加速率随时间逐渐减缓，并在2075年至2085年间趋于稳定（见图5）。然后，在2135年海平面上升的情景下，假设温度和负荷保持在2085年的水平，缺氧将减少。在这些条件下，估计的切萨皮克湾缺氧情况接近2025年的水平。图5显示了2025年至2085年十年间环境条件的变化对切萨皮克湾缺氧的影响，所有条件均采用RCP 4.5（绿色线条）和RCP 8.5（紫色线条）的第三阶段切萨皮克流域实施计划（WIP3）。1990年代的缺氧体积是基于1991-2000年基准水文条件下的估计流域负荷和湾内的情况。带有+标记的虚线表示海平面上升，×标记表示营养物质负荷增加，三角形标记表示温度升高。实线表示海平面上升、营养物质负荷和温度升高的综合效应。2130年的情景保持所有输入与2085年RCP 4.5相同，但海平面上升调整为2130年的水平。然而，需要考虑多个因素（见图5）。RCP 4.5情景下河口水柱温度升高的估计效应（带三角形标记的绿色虚线）是导致切萨皮克湾缺氧增加的主要环境变化因素，其单调增加趋势在2065年停止（本世纪中叶后的增加率为本世纪中叶前的51%）。来自流域的负荷（带十字标记的绿色虚线）遵循类似模式，但由于降水量、温度和流量的大小和空间变异性，其增加速率从2055年开始放缓（本世纪中叶后的增加率为本世纪中叶前的30%）。海平面上升趋势对减少缺氧的正面效应被估计为（带加号标记的绿色虚线，其中本世纪中叶后的缺氧率为本世纪中叶前的17%）。

与RCP 4.5情景相比，RCP 8.5情景集合（显示2055年至2085年的时期）继续呈现缺氧增加的单调趋势（紫色实线），主要由持续的温度升高驱动（带三角形标记的紫色虚线）。RCP 8.5情景下缺氧的估计海平面上升成分（带加号标记的紫色虚线）与RCP 4.5情景的趋势相似。

4. 讨论
本世纪中叶后环境变化的预测及其对切萨皮克湾的影响将越来越多地取决于全球化石燃料排放轨迹的趋势。最近低二氧化碳排放能源的增长、可再生能源成本的降低以及温室气体缓解政策的实施，预计将有助于二氧化碳排放量在本世纪中叶达到一个平台期并随后减少[40,41]，这与此处呈现的情景结果一致。总体趋势可能对切萨皮克湾的水质产生一些长期积极影响，或者至少减少负面影响，特别是对于包括海平面上升在内的整体环境变化影响对基于栖息地的溶解氧水质标准的影响。

本世纪中叶后，RCP 4.5（适度缓解）和RCP 8.5（无缓解）情景下跟踪的温室气体排放的影响将变得更加重要，因为它们将分道扬镳。因此，对湾的影响将取决于全球的缓解措施和管理措施。切萨皮克湾计划已经开始分析在2035年及以后的环境条件下维持切萨皮克湾TMDL和恢复目标所需的条件，使温室气体缓解管理成为富营养化河口生态系统管理的相关内容。

国际能源署（IEA）对当前全球二氧化碳排放的估计显示，气候缓解政策略高于RCP 4.5情景，而提出的缓解政策略低于RCP 4.5情景[42]。RCP 4.5情景相当于最新CMIP6情景中的较新的SSP2（共享社会经济路径2）适度缓解情景。这两种情景都是合理的，并且与当前观察到的温室气体排放一致，都预计到2100年全球温度将升高2.5°C。这与RCP 8.5情景形成对比，后者跟踪的二氧化碳排放量更高[40]（见图6），尽管该情景更好地反映了累积的二氧化碳排放量，这是预测环境变化更好的指标[43]。图6叠加了Huasfather和Peters[40]的全球温室气体排放估计，显示了1995年至2130年RCP 4.5情景下切萨皮克湾总缺氧体积（DO < 1.0 mg/L）的区域响应，其变化时间与全球温室气体排放同步。

在湾内，海平面上升已被证明可以抵消流域和集水区负荷增加对溶解氧的负面影响。本世纪中叶后，这是一个高度不确定的时期，在RCP 4.5的适度缓解条件下，温度和降水增加可能会趋于稳定，但海平面上升预计将持续不受控制。从长远来看，2100年以后，这些变化可能有助于抵消本世纪中叶之前由气候变化引起的缺氧影响。

我们的分析提供了气候和温室气体缓解与切萨皮克湾水质之间的定量联系。CBP已经在积极适应未来的环境条件及其流域的变化。例如，预计海平面上升将持续到2150年甚至更久，因此适应这一趋势对于切萨皮克湾的低洼地区（如被淹没的植被、潮汐沼泽、沿海森林和已开发的基础设施）至关重要。同样，降水量增加、洪水频发以及极端事件的可能性增加也促使人们采取措施来改进雨水管理和防洪系统。虽然到本世纪中叶后进一步大幅减少营养物质和沉积物的需求可能降低，但适应气候变化仍将是长期面临的挑战。了解决策者应在哪些方面投入适应努力以最小化气候风险非常重要。

环境条件的变化对切萨皮克湾的恢复来说是一个跨代际的挑战。尽管本世纪内环境变化对水质的影响不可避免，但有证据表明，到本世纪中叶，温度升高、降水量增加、营养物质负荷增加以及水体缺氧的情况可能会开始减缓。在切萨皮克湾流域，主要的环境变化影响是降水量和强度的增加，这会导致氮、磷和沉积物负荷向海湾输送量增加[10,17]。据估计，这些变化对水质标准的主要影响包括水柱温度升高，从而降低溶解氧的溶解度并加剧分层现象，以及深层水体的呼吸作用，这两者都会加剧缺氧问题[15]。然而，海平面上升以及来自流域的淡水流入（在没有相应增加营养物质负荷的情况下）预计会增强河口环流，从而在一定程度上缓解缺氧问题。

随着2100年后海平面的持续上升，这些因素的综合影响可能会减少本世纪中叶后为维持适宜生物生存的水质标准而需要进一步减少营养物质的需求。保持低二氧化碳排放的缓解路径对切萨皮克湾的水质至关重要，同时也对美国东海岸和墨西哥湾沿岸其他富营养化海域具有启示意义。切萨皮克湾及其他富营养化河口可能会在本世纪中叶之前经历类似的水质恶化趋势，之后由于海平面上升以及相对稳定的降水量和负荷，在本世纪末水质状况可能会趋于稳定，缺氧情况也会得到改善（在RCP 4.5情景下）。

这项研究存在一些局限性，指出了未来需要进一步研究的方向。本文讨论的结果基于本研究使用的方法、模型和情景。减少分析不确定性的首要措施是使用最新的CMIP6情景和正在开发的CBP Phase 7切萨皮克湾模型重新进行分析，这些模型在空间和时间分辨率以及其他方面都有所改进。此外，如果有足够的时间和资源，也可以探讨单个全球气候模型（GCM）的结果，而不是采用集合方法。