陆海一体化模型框架在海岸富营养化管理中的应用

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Application of a soil-to-sea modelling framework for coastal eutrophication management.

　　

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  应用从陆地到海洋的模型框架来模拟沿海富营养化。
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  蛤类滤食是控制浮游植物生物量的关键自上而下机制。
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  高营养盐和低叶绿素使富营养化转变为附生藻过度生长。
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  氮负荷减少35%可将附生藻风险降低高达50%。
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  详细的模型框架吸引了管理者和利益相关者的参与。

引言

沿海系统的营养盐负荷及其对海湾、河口和泻湖富营养化的影响一直是众多研究关注的对象（Bricker等人，2008；Cloern，2001；Diaz和Rosenberg，2008；Riemann等人，2016；Malone和Newton，2020；J?rgensen等人，2026）。驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）概念框架（Elliott等人，2017；Elliott和O'Higgins，2020）已被用于开发评估方法，如ASSETS（Bricker等人，2003，Ferreira等人，2007）、OSPAR-COMPP（OSPAR，2009；Claussen等人，2009；Devlin等人，2007）和HEAT（HELCOM，2010；Andersen等人，2010）。

Ferreira等人（2011）对不同的方法进行了概述，作为欧盟（EU）与水有关指令实施指南的一部分。其中，水框架指令（WFD - 2000/60/EC，EU，2000）通过基于生态系统的五类分类方法，推动了欧盟范围内地表水体的分类工作。

对于过渡水域（按照WFD定义），如沿海泻湖，如果其水体循环有重大改造，例如由于堤坝、堰或水闸的存在，则该系统可被归类为重改造水体（HMWB）。

对于所有地表水，WFD规定必须达到"良好"（对于HMWB则为"潜在"）的分类标准；如果系统的分类低于此标准，应实施管理措施以改善其生态质量——这通过生物质量要素（BQE）（如浮游植物丰度、生物量和组成（ABC））以及辅助质量要素（SQE）（如营养盐浓度）进行评估。

由于河口和沿海生态系统的复杂性，措施的选择具有挑战性；这类系统通常同时具有淡水和海洋端元、潮间带、盐沼区域、水柱和底栖初级生产以及多种次级生产者。在浅水河口和泻湖中，强烈的底栖-水柱耦合意味着底栖滤食者可能对水柱藻类施加显著的自上而下控制，从而减轻富营养化。

关于驱动力和压力方面，在欧盟大部分地区，营养盐和有机物的负荷不再主要来自城市，而是主要与非点源相关（EEA，2024）。这些弥散负荷比点源排放更难控制；数学建模与监测相结合，是管理者确定不同类型负荷源解析的适当方法。

然而，仅仅量化集水区压力本身不足以提供充分的管理指导，因为必须改变的是驱动力；此外，营养盐负荷变化的计算不易转化为对受纳水体（如河口或泻湖）的影响；这些对状态（由用于WFD分类的BQE和SQE等指标反映）的变化只能通过建模来确定。这是由于沿海系统具有非线性特征，其敏感性（Bricker等人，2003）、潜伏期和韧性（Duarte等人，2009）差异很大。一个例子是快冲刷河口中浮游植物水华的限制（Ketchum，1954；Ferreira等人，2005），这可能导致潮间带上大型藻类水华的发展增强。

由于此类河口和泻湖固有的复杂性，从陆地到海洋的建模是分析管理措施对生态系统质量潜在影响的唯一途径，尽管受到如生物多样性等描述符缺乏模拟范式的限制，这些目前仍是模拟的难题。

建模工具已被广泛应用于研究沿海系统的富营养化，包括通过详细的研究模型（Bricker等人，2018；Ferreira等人，2008；Nobre等人，2010；Pe?a等人，2016；Lancelot等人，2007；Liang等人，2015）和筛选模型（Smith等人，2010；Ferreira等人，2012）。

尽管研究模型通常包括负荷（通常由河流径流和营养盐浓度估算）以模拟初级生产，但明确整合集水区建模的框架并不常见；这限制了此类模型对决策者的价值，决策者必须设定排放目标，因此需要定量理解驱动力、压力和状态之间的关系，以及这些相互作用在时间和空间上的变异性。

为解决这一问题，开发了一个端到端的建模框架（图1），并应用于丹麦西部的林克宾峡湾，这是一个300平方公里的沿海泻湖，在WFD下被归类为HMWB。该框架提供了一组耦合模型，可以解决DPSIR的所有要素，从而为决策者提供不同管理方案的综合视图；此外，此类框架也有利于利益相关者的参与，并促进政策决策的共识方法。

本工作的目标为：

• 1.
  构建林克宾峡湾及其集水区的端到端（从陆地到海洋）模型，并利用该模型分析和解释不同BQE和SQE的WFD分类；
• 2.
  应用该框架来考察各种利益相关者定义的方案，重点关注集水区负荷措施（自下而上控制）和初级生产的自上而下控制；
• 3.
  为地方行动者提供一组工具，以模拟流域和相邻沿海系统内的关键过程，展示流域管理的综合方法；
• 4.
  支持综合沿海管理、法规遵从以及生态和社会可持续性的政策决策。

章节片段

集水区与负荷

林克宾峡湾集水区地势平坦（平均海拔40米），主要由冰碛和冲积物上发育的沙质土壤组成（图2）。其面积约为3 400平方公里，包括长94公里、平均流量为37立方米每秒的斯克耶尔讷河。在1960年代进行初步排水和改直后，斯克耶尔讷河在2000年代初成为一项重大恢复计划的对象。如今，其水质相当良好，如以下存在所证明的

标准模型

林克宾峡湾生态系统模型被定义为标准或基线模型，然后用于分析当前生态系统状态。图7和图S15及S16（补充材料）显示了夏季（5月至9月）平均叶绿素浓度和冬季平均溶解无机氮（DIN）浓度。结果表明，夏季叶绿素在底部网格中较低，这是由于双壳类的自上而下控制所致，符合预期。

夏季叶绿素在所有网格中相对均一，且没有

结论

本工作突出了端到端数学建模在支持沿海系统管理中的作用。林克宾峡湾是底栖-水柱耦合强烈生态系统中复杂相互作用的典范，也是定义和量化适当措施以满足法规要求所面临挑战的例证。初级生产的自下而上和自上而下控制都可以在减轻富营养化的主要症状方面发挥重要作用，例如

CRediT作者贡献声明

Gerhardus P. J. Diedericks： 软件、方法论、数据管理。Morten Nielsen： 软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理。Joao G. Ferreira： 撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、监督指导、软件、项目管理、方法论、概念化。Leonard Bernard-Jannin： 撰写——审阅与编辑、软件、方法论。Alhambra Cubillo： 撰写——审阅与编辑、软件、方法论、概念化。Joao Lencart e Silva： 验证，

未引用参考文献

EEA，2024；Elliott和O'Higgins，2020；European Union，2000；Styrelsen for Vand- og Naturforvaltning，2016；Styrelsen for Gr?n Arealoml?gning og Vandmilj?，2025。

利益冲突声明

以下署名的作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢来自丹麦林克宾市政府的资助，并感谢两位匿名审稿人对早期草稿提出的意见。

Joao G. Ferreira|Leonard Bernard-Jannin|Alhambra Cubillo|Joao Lencart e Silva|Gerhardus P.J. Diedericks|Morten Nielsen|Flemming Gertz|Lene Moth|Helle Borum