瞬态C-GEM揭示热带城市河口浮游植物季节性的水动力控制：基于滞留时间与Damk?hler平衡的证据

《Ecological Modelling》：Evidence of hydrodynamic control of phytoplankton seasonality in a tropical urban estuary

　　

瞬态C-GEM解析了热带河口浮游植物的季风季节性；因子试验证明水力冲刷支配季节性营养盐负荷；示踪剂衰减与Damk?hler平衡证实了生物量的水动力控制；光照限制与河段滞留共同设定了27–37天的水华转变区间；在慢性污水负荷下，河口CO₂逸散量达143.7 ± 12.3 Gg C yr^?1。

热带城市河口正日益受到特大城市污水排放、季风水文和海岸带快速变化的共同塑造。在东南亚，未经处理的生活污水加剧了下游河口的富营养化、缺氧和温室气体排放。然而，许多热带河口在旱季而非营养盐丰富的湿季出现最强浮游植物水华和氧耗竭，形成“热带富营养化悖论”。与温带系统不同，热带河口全年温度适宜，因此湿季生物量的快速崩溃更直接指向物理冲刷和浊度控制。理想化模型和解析解已证明，水华积累的条件是净比生长速率超过物理冲刷速率，即滞留时间必须大于系统特异的生长时间尺度。本研究以越南西贡河为例，旨在检验水力滞留时间是否是富营养化热带河口中季节性水华表达的主要近因控制。

研究人员采用瞬态碳通用河口模型（Carbon Generic Estuarine Model, C-GEM）对西贡河河口进行一维模拟，并以2017–2018年24个月观测数据进行校准和验证。模型成功再现了旱季高叶绿素（Chl-a）水华、城市河段铵氮（NH₄⁺）热点和溶解氧（DO）垂降，以及湿季生物量抑制。研究人员通过三个互为佐证的诊断开展分析：一是重现季节性水华对比和纵向生物地球化学结构；二是用滞留时间和Damk?hler数（Da）量化生长-冲刷转变；三是用SHAP归因分析模拟浮游植物变异的驱动因子。结果显示，旱季城市河段平均Da为33.4，湿季降至0.6，临界滞留时间RT_crit≈31.8天（模型扰动范围27.6–36.5天）。受控数值实验表明，仅改变水文而固定营养盐可再现86%的干湿季Chl-a对比，而仅改变营养盐无法产生湿季崩溃；在湿季生物量抑制中，物理冲刷贡献71%，径流驱动浊度导致的遮光效应贡献29%。此外，城市河段CO₂分压常年超过10,000 μatm，河口CO₂逸散量达143.7 ± 12.3 Gg C yr^?1，说明滞留机制同时驱动了污水有机碳的异养代谢。

为开展研究，研究人员使用的主要技术方法包括：瞬态C-GEM一维反应输运模型（13个状态变量，含两个浮游植物功能群、营养盐、DO、颗粒物、溶解无机碳和总碱度），采用V/|Q|计算滞留时间并用保守示踪剂衰减验证（误差<9%）；构建Damk?hler数（Da=μ_net·RT）判断生长-冲刷平衡；设计三组受控数值实验（水动力控制、营养盐控制、冲刷与浊度因子解耦）；应用SHAP归因分析对梯度提升树替代模型进行特征重要性排序。监测数据来自越南环境监测中心（CEM）月度纵向调查和亚洲水研究中心（CARE）三个固定站点（Nha Be 44 km、Bach Dang 70 km、Phu Cuong 114 km）的双周监测，以及2019–2020年碳酸盐快照观测。

研究结果分述如下：

水动力验证与季节性滞留：模型正确再现了潮汐传播和盐度入侵的旱湿季变化。城市河段滞留时间从旱季约53 ± 15天降至湿季约20 ± 6天，对应约2.6倍的变化范围，与上游流量7倍以上的季节摆动相符。保守示踪剂衰减时间尺度旱季48.5天、湿季18.2天，与体积法结果误差小于9%，验证了RT=V/|Q|计算公式的适用性。

生物地球化学验证与纵向梯度：模型重现了“下游海洋影响区—城市热点区（70–100 km）—上游淡水区”的三带结构。旱季Bach Dang站Chl-a模拟值为37 μg L^?1（PBIAS ?1%），湿季为6 μg L^?1（观测5 μg L^?1），季节性对比约6.5:1，与观测的7倍差异一致。NH₄⁺和DO的空间分布被较好捕获，而NO₃^?和湿季PO₄^3?存在不确定性。由于营养盐浓度远高于半饱和常数，营养盐限制全年较弱，光限制（f_I≈0.10–0.30）才是生长的主导限制因子。

滞留时间控制季节性水华表达：旱季城市河段Da=33.4（μ_net=0.63 d^?1，RT≈53天），湿季Da=0.6（μ_net≈?0.02 d^?1，RT≈20天）。在阈值拐点处，μ_net=0.31 d^?1恰好等于局部河段冲刷速率1/RT_seg=0.31 d^?1，确证Da=1。500成员扰动分析将转变范围界定为27.6–36.5天。比较季节性振幅，RT和上游流量的干湿比（2.6倍）远超温度、光合有效辐射和溶解无机氮（约1.0倍），证明水动力是主导季节性调制因子。

数据驱动的支持：方差归因：SHAP归因显示，在浮游植物水华形成站点Bach Dang和Phu Cuong，水动力相关预测因子的重要性占比为60%–62%，营养盐仅占21%–27%；而在靠近污水排放源的Nha Be站，营养盐重要性升至40%。滞后7–21天的上游流量是最主要的单一预测因子，与滞留时间尺度吻合。光相关因子的SHAP重要性较低，是因为其季节变异已通过浊度和滞留嵌入径流信号。

碳酸盐响应与CO₂逸散：城市河段pCO₂常年超过10,000 μatm，2017–2018年模拟期河口总CO₂逸散量为143.7 ± 12.3 Gg C yr^?1，面积归一化通量为1177 ± 101 g C m^?2 yr^?1，使西贡河跻身全球最强河口CO₂源之列。所有河段净生态系统代谢（NEM）均为负值；旱季城市段总初级生产力（GPP）为445 mmol C m^?2 d^?1，群落呼吸为800 mmol C m^?2 d^?1，NEM为?355 mmol C m^?2 d^?1。旱季滞留既允许浮游植物积累，也允许污水有机碳被强烈异养呼吸，二者是同一物理控制下的两种表现。

跨系统背景与管理意义：基于Damk?hler数和河段滞留时间的诊断框架可作为可转移的筛选工具，用于评估水库放水或污水升级是否会使河口进入或退出水华允许状态（Da>1）。模型假设Dau Tieng水库旱季放水可缩短城市滞留时间以缓解水华，但需权衡农业供水和盐度入侵，仅作为需要多目标模拟验证的假设。削减污水营养盐负荷仍是持久方案，水力管理只能作为受约束的临时补充，且该阈值需根据系统结构（水深、浊度、分层）调整。

局限与展望：模型保留了一维深度平均框架的结构简化，未解析垂直分层、侧向子河道捕获、浮游动物和底栖成岩作用。湿季高流量时期输移占主导，模型与数据吻合较好；干季低流量时期非线性生物动力学（自我遮光反馈、底栖摄食、本地营养盐再生）放大模拟与离散观测之间的偏差。未来需耦合更明确的底栖模块、扩展温室气体预算、测试西贡—同奈分流情景，并利用分类学观测评估硅藻/非硅藻演替。

讨论部分强调，营养盐过程决定生长潜力，而水动力滞留决定该潜力能否转化为水华生物量。在营养盐饱和、季风驱动且沿河道强约束的热带河口，冲刷-生长平衡是解释季节性水华的关键框架。本研究的结论可翻译为：在经校准的热带C-GEM应用中，西贡河浮游植物的季节性表达主要由水力滞留时间而非季节性营养盐输送控制。当城市滞留时间接近或超过系统特定的临界值RT_crit≈32天时，水华出现；SHAP归因和碳酸盐诊断均支持这一滞留驱动解释。减少污水营养盐负荷是持久解决方案，而水力管理在受调节的热带河口中可能仅作为受约束的临时补充。更广泛而言，西贡河代表了营养盐饱和、季风强驱动的热带河口中常见的“生长-冲刷”问题，但数值阈值本身应视为特定系统属性。