Functioning of Coastal River-Dominated Ecosystems and Implications for Oil Spill Response: From Observations to Mechanisms and Models

沿岸河控生态系统的功能及其对溢油应急响应的启示：从观测到机理与模型

摘要

沿岸河控海洋系统具有物理过程复杂、生物生产力高且与人类社会经济活动密切相关的特点。"深水地平线"井喷事故及其后续石油向墨西哥湾北部沿岸水域的迁移，凸显了该河控系统中海洋学过程的复杂关联性，以及由此导致的石油迁移路径预测和生态后果评估信息不精确等知识空白。为应对这一挑战，沿岸河控生态系统石油暴露路径研究联盟（CONCORDE）通过跨学科研究计划，旨在识别并定量评估墨西哥湾北部关键物理、生物及地球化学过程，为构建该区域陆架系统的耦合环流-生物地球化学综合模型奠定基础，最终服务于溢油迁移路径与生态影响预测。

CONCORDE于2015-2016年开展的现场观测与模拟研究，重点聚焦墨西哥湾北部河流羽流淡水输入的影响机制。结合原位观测、现场布放漂流浮标与数值模拟漂流轨迹发现，淡水影响的空间范围呈现显著变异性，其变化主要受风向与风速调控。春季观测显示，随着陆架水域层化增强，初级生产力与颗粒物丰度（作为次级生产力替代指标）显著提升。四季观测均发现浮游动物与海洋雪呈现强烈的垂向与水平斑块化分布特征，并常聚集于盐跃层附近。针对密西西比湾近海中性浮力示踪剂的释放模拟表明：在高径流量、强层化与多变风况条件下，低浓度示踪剂可经表层平流输送至内陆架区；而在低径流量、弱层化与主导东北风条件下，内陆架区几乎无示踪剂输入。环境变量与生物活动的耦合关系表明，多重因素共同调控石油迁移路径及其生态效应。CONCORDE提供的机理性认识对于预测溢油生态系统影响至关重要，其研究成果可推广至全球其他常伴随油气开采活动的河控海岸系统。

背景

2010年4月，"深水地平线"钻井平台爆炸事故造成11人遇难，并导致位于约1500米深度的马孔多油井向墨西哥湾泄漏了约500万桶原油、1.7×10^11克甲烷及其他气态碳氢化合物。这场持续87天的史无前例漏油事件，最终导致原油冲刷路易斯安那州至佛罗里达州的墨西哥湾北部沿岸，造成严重的环境损害。风生环流与众多河流输入的复杂淡水径流相互作用，影响了陆架区石油的运移轨迹，使得石油运输路径预测及其影响评估变得困难。为阻止石油登陆特定区域而实施的河流分流工程进一步增加了径流量，使石油运移预报工作复杂化。

预测"深水地平线"漏油事件影响的挑战因石油从深海进行三维运移而进一步加剧。约一半泄漏的石油以风化后呈红褐色的形态抵达海面，其粘稠度较原油有所降低；另一半则形成深海羽流，滞留在约1100米水深，随中层和深海海流输运。海洋雪颗粒为部分中层石油向深海沉降提供了迁移机制，可能对敏感且研究不足的深海生态系统造成影响。尽管在密西西比湾观测到表层石油并抵达邻近海岸，但确切登陆比例仍缺乏可靠估算，这导致石油归宿预算中需对回收/燃烧、蒸发、微生物降解、沉积和平流等过程进行近似处理。由于生物生产与渔业活动高度集中于墨西哥湾北部陆架及近岸栖息地，该区域石油污染将产生与社会经济福祉直接相关的重大生态影响。

墨西哥湾北部密西西比湾区域是"深水地平线"漏油点与海岸生态系统之间的关键过渡带（图1）。该区域东临莫比尔湾出流区，北接障壁岛，西侧同样由障壁岛环绕，其水流动态受河流与风应力共同驱动。除莫比尔湾年均约2200立方米/秒的强劲淡水注入外，众多小型河流直接汇入密西西比海峡（障壁岛以北浅水区）或经庞恰特雷恩湖间接输入，总径流量约达928立方米/秒。尽管密西西比河约47%的径流向东离岸输运，但其向密西西比湾内陆架迁移的具体通量尚未量化。当新奥尔良河段出现洪水位（如2016年1月）时，邦尼卡雷溢洪道会启动分流机制，将河水引入庞恰特雷恩湖，最终汇入密西西比海峡。

图1. CONCORDE（沿岸河控生态系统石油暴露路径研究联盟）研究区域示意图，展示了密西西比湾内的现场采样廊道（洋红色线，廊道间样本未显示）以及锚系仪器布设位置（红色和黄色X标记）。彩色背景显示2016年4月5日高径流量事件期间的表层光学后向散射（可见光红外成像辐射计套件获取的相对叶绿素a分布替代指标）。锚系阵列插图中的深度平均海流矢量，其椭圆范围涵盖了2016年4月5日平均93%的海流变化率。蓝色五角星标记为"深水地平线"钻井平台位置。

宽阔而浅缓的墨西哥湾北部陆架，接纳着注入密西西比海峡、莫比尔湾或直接输入陆架的河流所携带的季节性变化的营养物质与颗粒物。这些河流输入对于维持该区域高初级生产力和富饶渔场具有关键作用。陆架边缘及邻近海域的环流受风场、河流羽流以及由 Loop 流生成并与之相互作用的中尺度涡旋的共同影响。作用于墨西哥湾北部陆架环流的物理过程覆盖广泛时空尺度，使得石油迁移路径的精确预报充满挑战。而影响石油归宿与毒性的生物地球化学过程，则进一步加剧了这些挑战的复杂性。

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Box 1. Synthesis Model
CONCORDE综合模型通过整合多源数据模拟各类海洋状况，可用于评估和预测未来进入密西西比湾的溢油影响。环流模型基于区域海洋建模系统在耦合海洋-大气-波浪-沉积物输运建模系统中的400米分辨率实现，覆盖莫比尔湾、密西西比海峡及密西西比湾，延伸至西经87.30°、北纬29.25°。边界条件采用1公里分辨率海军沿岸海洋模型数据，河流径流量由美国地质调查局数据估算。生物地球化学模型基于氮-浮游植物-浮游动物-碎屑模型构建，模拟溶解有机氮、硝酸盐、铵盐、无机悬浮颗粒物等不同形态氮素，采用两种粒级的浮游植物与碎屑、三种粒级浮游动物及仔鱼参数，可估算溶解氧浓度。CONCORDE现场观测与常规原位数据集为生态系统参数设置提供校准与验证。
大气强迫采用逐小时0.01°网格气象再分析产品，其中实时中尺度分析提供地表动量与热力学大气数据，辐射参数与总云量百分比源自北美中尺度预报系统场，逐小时降水由下一代天气雷达三级产品提供。格点化海表温度场基于先进甚高分辨率辐射计海表温度产品的10天滑动平均每日计算，耦合海洋-大气响应实验通量算法用于计算感热通量与海表动量应力。
CONCORDE综合模型通过解析海洋状况与河流羽流动力学的响应机制，揭示石油进入陆架及近岸水域的生态系统影响。模拟设计聚焦于以下过程：（1）环境控制因子对研究区域浮游生物与溶解态物质滞留/冲刷的影响；（2）物理-生物耦合过程对生物分布的调控；（3）悬浮颗粒物动态及其聚集沉降机制，重点关注毒素输运、去除/滞留与再悬浮过程。此外，模型还拓展至气候变化与应急管理情景模拟，评估淡水排放量调整、养分形态转化及陆源颗粒物输入变化对墨西哥湾北部沿岸水域的影响。

图B1-1. 概念示意图展示了四维综合模型初始条件与边界条件的数据来源（绿色方框）及其构成（褐色方框）。现场采集数据（底部绿色方框）用于模型评估与验证。近岸海浪模拟模型与社区沉积物输运模拟系统分别在耦合物理-生物地球化学模型中模拟表层波流相互作用的影响及悬浮沉积物场。该模型在不同海洋条件下运行，以研究石油对墨西哥湾北部生态系统的影响机制（橙色六边形）。

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为深入理解脉冲式河控密西西比湾的石油迁移路径与暴露机制，沿岸河控生态系统石油暴露路径研究联盟应运而生。CONCORDE的研究框架聚焦三大科学目标：（1）刻画复杂的三维物理海洋学背景，以厘清潜在的石油迁移路径；（2）在石油迁移过程相关的尺度上，描述浮游生物群落的时空分布特征，以及地球化学与生物光学参数的演变规律；（3）构建能够预测脉冲式河控海岸生态系统陆架区石油迁移路径及生态影响的综合模型（box1），该模型将整合物理、生物与生物地球化学过程的新认知。研究工作还包含面向公众的科普活动，旨在传播研究发现并建立公众对深水地平线漏油相关科学信息的信任（box2）。

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Box 2. Outreach Program
鉴于CONCORDE的研究成果可直接应用于影响墨西哥湾北部海岸的多个环境与经济议题（如渔业、低氧区、旅游业），项目组通过系列科普活动将研究发现转化为公众可及的知识。针对特定受众的科普举措包括：（1）举办"深水地平线漏油五年后墨西哥湾北部科学进展"系列研讨会；（2）开展教师专业发展培训；（3）与墨西哥湾北部海岸多族裔渔业社区成员共同发起公民科学计划。
2015年7月，结合多台自主水下航行器（即"AUV大集会"）与飞机同步部署的契机，项目组举办了三次教师工作坊。在首期工作坊中，参与教师与CONCORDE研究人员及外部科学家合作，在墨西哥湾北部开展同步数据采集活动，探索海洋学基本概念。工作坊结束时，每位教师提交了一份基于墨西哥湾北部漏油相关概念的教案。后续工作坊的教师对教案提出了改进意见，这些教案现正作为高中科学课程资源进行推广。
渔业社区成员通过参与海洋数据采集培训（如使用YSI CastAway便携式CTD仪）融入CONCORDE项目，为模型输出结果提供验证数据。培训期间，科学家与渔民通过互动交流，旨在提升渔业社区对科学发现的信任度——该群体常与监管机构存在认知分歧。此外，渔民提供的本土知识可能激发新的科学探索方向，而科学家则就如何有效参与地方决策提供建议。这些举措成为公众、科研与监管群体间富有成效的合作范例。

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CONCORDE的研究成果可直接应用于风险评估、海岸系统管理，以及解析溢油季节差异对生态系统级石油影响的调控机制。本文重点阐述通过分层采样淡水影响区获得的新认知，并探讨这些认知如何支撑新兴的溢油应急响应范式——该范式运用四维描述（三维空间叠加时间维度）预测石油迁移路径与生态系统影响。本项研究揭示的过程机理，对全球其他具有重要生态与经济价值的河控海岸生态系统具有普适参考价值。

CONCORDE研究方法

Research Cruises

CONCORDE的现场研究策略融合了多平台观测手段：在2015至2016年期间，针对不同垂向层化强度与风向/风速变化情景，综合运用卫星遥感、锚系平台、自主水下滑翔机进行连续观测，并结合季节性船基现场采样调查（图2，表1）。船基采样聚焦密西西比湾内受淡水影响程度不同的区域，采用固定断面调查与自适应采样相结合的方式，以解析影响石油迁移路径及生物暴露风险的精细尺度过程（如河流羽流、锋面、高浮游生物浓度层）。

图2. 墨西哥湾北部影响浮游生物群落中石油分布、迁移及暴露途径的动力过程示意图。与这些过程相关的观测通过以下设备完成：（1）搭载可见光红外成像辐射计套件的苏奥米国家极地轨道伙伴卫星；（2）表面漂流浮标；（3）配备CTD玫瑰花采水系统、沉积物多管采样器、分层采样BIONESS多网系统及培养箱的"苏尔角"号调查船；（4）原位浮游鱼类成像系统；（5）Reson多波束声学系统；（6）"鹈鹕"号调查船拖曳的Scanfish系统（搭载CTD、变色龙微结构剖面仪）；（8）船载激光雷达；（9）锚系观测链（配备流速、温盐、溶解氧、湍流及光学性质传感器）；（10）自主水下滑翔机；（11）底基锚系（搭载声学多普勒流速剖面仪与底压力传感器）；（12）卫星通讯系统；（13）墨西哥湾中部观测系统浮标与阿拉巴马沿岸渔业海洋学锚系；（14）气象站（含风速计及浮游生物群落生物属性采样器），用于观测（15）浮游植物、（16）微型与中型浮游动物、（17）胶质浮游动物及（18）浮游鱼类。

表1. CONCORDE现场采样调查航次日期

Physical Oceanography

物理海洋学观测通过小船、锚系、自主水下滑翔机及科考船搭载的多种仪器完成，实现了对物理动力过程的四维刻画。锚系定点观测辅以航次前后及航次期间的三次自主水下滑翔机剖面观测。针对莫比尔湾口Main Pass的淡水脉冲事件开展小船调查——该区域是墨西哥湾北部障壁岛体系典型潮汐入口的典型案例。通过漂流浮标释放、CTD剖面及激光原位散射与透射仪观测，确定了近源区的物理特性（如羽流厚度、扩展速率及锋面特征）及其对淡水径流最终归宿和沿岸边界颗粒物输出的影响。

为捕捉不同季节的淡水流量变化，研究团队在两个关键区域布设了锚系观测系统（图1）。秋季（典型低径流量季节），在密西西比河羽流最可能穿过的研究区西侧陆架坡折处布设了5套线锚系和底基锚系（图1红色X标记）。其中线锚系搭载温盐及湍流传感器，于2015年11月开展为期一个月的观测；底基锚系配备向上观测的声学多普勒流速剖面仪和压力传感器，持续工作至2016年4月中旬。春季则在莫比尔湾Main Pass南侧部署了由6套底基锚系和3套线锚系组成的观测阵列（图1黄色X标记），重点解析羽流动力学及其向陆架的输运交换过程。该阵列与阿拉巴马沿岸渔业海洋学锚系的长期观测形成互补，显著提升了对复杂羽流结构的解析能力。湍流参数通过底基ADCP、高分辨率热敏电阻以及系附于线锚系的χ-pods上的皮托管静态管联合估算。

相较于空间覆盖受限的锚系与水下滑翔机观测，科考船实现了更广空间尺度与更短时间尺度的高分辨率数据采集。"苏尔角"号调查船拖曳了起伏式原位浮游鱼类成像系统，该系统在采集浮游生物原位图像的同时，同步获取温度、盐度、深度、溶解氧及下行辐照度数据。配合ISIIS拖曳作业，Reson SeaBat 7125多波束声纳系统用于研究区域水深地形测绘及水体后向散射数据采集，以识别物理与生物特征。"鹈鹕"号调查船拖曳Scanfish系统测量水体温度、盐度、深度及生物光学特性。春季航次中，"鹈鹕"号还布放了变色龙微结构剖面仪，该设备可测量从海表至海底2厘米范围内的微尺度湍流、温度、电导率、光学后向散射（800纳米）及荧光参数。最终获得的4201条变色龙剖面数据，结合声学成像、锋面雷达追踪、船载ADCP及近表层拖曳温盐链观测，为解析河流羽流动力学及其伴随的海洋学变化提供了精细视图。

陆架生物生产力、浮游生物分布与营养物质

ISIIS采用阴影光照技术，通过两台相机以约0.06秒间隔连续采集图像，可捕捉粒径范围约400微米至13厘米的浮游生物，且对各类浮游动物群体的探测无明显偏差。图像处理方法参照Greer等(2015)描述的流程：小相机图像（视场4.3厘米，景深8.9厘米，像素分辨率约40微米）经自动分割处理，提取横截面积大于500像素（等效球径约1.0毫米）的颗粒物。这些高分辨率图像辅以分层浮游生物网采与表层拖网采样，为图像分类验证及后续实验室分析提供了所需的生物学样本。

离散水样用于解析低营养级生物过程及营养盐浓度。通过船载培养实验测定初级生产力、硝酸盐吸收速率及生物硅产量。水样分析获取叶绿素（>0.6微米与>5.0微米粒级）、总颗粒有机碳及颗粒有机氮等参数浓度。采用FlowCAM®台式B3系列对水样成像，描述微型浮游生物（20–200微米）的群落组成、粒径分布与丰度特征。

水团化学示踪剂

用于化学示踪剂分析的海水样本采集自表层（表征河流淡水输入特征）、中层及底层（基于密西西比湾历史低氧事件证据研究低氧形成机制）。采样与分析策略沿用了路易斯安那陆架区域成熟的方法体系。通过测定水同位素（δ18O和δD）、钼和铯浓度等保守型参数，识别密西西比湾的淡水来源。钡浓度和镭同位素则用于评估海底地下水排放对底层水低氧形成的贡献。

Remote Sensing and Circulation Model

卫星遥感产品与环流模型预报相融合，用于刻画墨西哥湾北部每日生物物理特性。基于1公里水平分辨率海军沿岸海洋模型实现的海洋环流预报场，为CONCORDE现场采样调查的规划提供了关键支撑。通过将每三小时输出一次的环流场与每日卫星反演的海表温度及海洋水色数据同化集成，实现了环境条件的可视化实时监测，进而优化航次与水下滑翔机的采样策略。该方法可精准锁定锋面、河流羽流等关键特征目标。

基于CONCORDE综合模型（box1），通过模拟在模型域最南端边界沿整个水深连续释放中性示踪剂（中性浮力、被动跟随流场）的情景，评估了不同环境条件下石油迁移路径的变化规律。模拟实验分别选取秋季（2015年10月1日至21日）和春季（2016年3月18日至4月7日）两个典型季节，开展为期21天的示踪剂归宿模拟。通过计算最表层1米水深内的积分示踪剂浓度，解析表层输运格局——选择该水深范围基于密西西比湾混合层较浅的特征，且固定水深可消除混合层深度季节性及空间变化对对比分析的影响。该示踪剂设计用于模拟可能携带表层原油或气海界面混合油滴的海水输运过程。模型域南边界附近（88.5°W, 29.4°N）的风玫瑰图基于风场分析数据计算生成。

结果与讨论

River Plume Transport

2016年4月10日单次调查结果显示，莫比尔湾羽流涉及的部分物理过程与输送机制得以展现。注入北墨西哥湾的河流羽流促成了垂向层结，其强度全年变化。春季淡水输入量最大，形成层化系统：深层为高盐陆架水，中间层为与深层水体长期混合的老羽流水体（图3a），偶有莫比尔湾出流形成的薄层表层羽流（Dzwonkowski等，2015）。层间强层结限制了沉积物等被动物质（如图3b光学后向散射所示）及叶绿素a（根据荧光反演，图3c）的垂向交换。为抵消层结效应，表层与底层反向流速（图3e）产生垂向剪切，通过剪切不稳定性诱发湍流（图3d；Smyth和Moum，2012），进而驱动盐分及其他物质在层间进行菲克型扩散（Shroyer等，2016）。中间层（厚度H）盐度深度积分变化率（dS/dt）与跨越密度跃层的湍流盐通量（图3f中以湍流扩散系数Kρ与垂向盐度梯度的乘积表示）呈现相关性，表明尽管层结抑制交换，湍流混合仍可解释层间被动物质的交换过程。强风加剧混合，若无河流羽流周期性注入淡水，将侵蚀层结并使水体垂向均匀化。

图3. 2016年4月10日傍晚，沿(e)中所示的半圆断面（位于莫比尔湾以南约5公里处），使用Chameleon微结构剖面仪观测到的(a)盐度、(b) 880纳米光学后向散射、©叶绿素荧光以及(d)湍流动能耗散率的分布。(e) 沿断面路径由1,200 kHz船载ADCP测量的近表层（红色）和近底层（蓝色）海流，以及完成船载断面测量所需的4.5小时内锚定站位平均的海流矢量。插图为平均风向（东南风）和风速（20节）。(f) 穿过中间层的湍流盐通量散度（x轴）与中间层实测盐度变化（y轴）的对比。a–d中所示的断面以红色绘制。

次级侧向流同样对这些物质的输运产生影响（图3e）。东南风可在中间层驱动向东北方向的流动，迫使中间层水体向近岸汇聚。其结果是，近表层的物质被平流向岸，而较深层的水体则因出流压强的阻挡和风应力下沉作用被平流向海。层间混合则定义了一条更为复杂的路径：原本位于深层的物质首先向上混合，然后再向近岸输运。侧向输运过程还因潮汐往复流和旋转惯性振荡（由地球自转引起，在墨西哥湾北部纬度地区，其周期约为24小时，表现为顺时针旋转）的存在而进一步复杂化。

四月中旬，河流羽流沿近岸被平流输送，但其具体位置因其他环境条件的变化而发生改变。在风力较弱的条件下，追踪羽流的漂流浮标向海并与向西移动，这与浮力驱动的羽流特征一致（图4a）。然而，在更强的上升流条件下（西风），羽流被迫离岸，并持续被陆架流推向东部（图4b）。在不同风力强迫条件下，模拟漂流浮标的轨迹与观测到的漂流浮标轨迹相似，这表明该模式能够较好地解析莫比尔湾羽流对风力的响应。观测和模拟的漂流浮标路径均显示，在上升流期间，最东端的CONCORDE采样断面（西经87.53°，图1）能够接收来自莫比尔湾的淡水输入。

图4. 观测（黑色）与模拟（灰色）漂流浮标释放轨迹示例。(a) 2015年9月4日，弱海风周期期间；(b) 2016年4月3日，一次冷锋过境后。漂流浮标均在主通道附近、落潮约四分之一时段时释放；但浮标回收时间从5小时到60小时不等，导致部分浮标轨迹延长。主通道处的风矢量（黑色）显示了浮标释放期间的平均风速和风向（NOAA/NDBC DPIA1 站）。红色矢量（仅b图）表示锚定浮标处、在浮标释放期间平均的近表层海流。

由环流模型模拟的额外浮标释放实验（box1）展示了在不同主导风、潮汐和淡水排放条件下的输运路径。冬季航次（正值邦尼卡雷溢洪道开启期间）浮标模拟所呈现的输运路径，与走航式生物光学测量确定的水团分布相吻合。

氧同位素分析显示，密西西比河对密西西比湾西部淡水输入的贡献出奇地小（相较于莫比尔湾及其他来源的淡水）。邦尼卡雷溢洪道的开启是一个特殊的淡水排放事件，期间密西西比河水通过庞恰特雷恩湖（位于密西西比河主三角洲以北）进入，看似与该海湾有更直接的连通。即便在这种情况下，也只有海湾最西端的水域显示出密西西比河的影响。化学示踪剂还表明，在此事件期间，包括莫比尔湾出流在内的当地河流水体被输送至密西西比湾西部的部分地区。大部分密西西比河水（无论是来自主三角洲还是邦尼卡雷溢洪道）似乎都紧贴路易斯安那州海岸，向南和向西运移，使得密西西比湾主要受莫比尔湾出流和较小河流的影响。这一表明密西西比河出流主要向南并最终向西运移的氧同位素数据集，为评估模拟环流格局的准确性提供了一种方法。

Shelf Circulation and Transport Pathways

在2015年秋季至2016年春季的整个采样期间，锚定浮标阵列（图1中的X标记）为更高分辨率的物理和生物地球化学测量提供了更广阔的背景。密西西比河三角洲附近的海流通常沿等深线方向流动，其沿等深线两个方向的流速变化幅度典型值在30 cm/s至50 cm/s之间（例如，图1下方插图），而平均流速则小一个数量级，仅为2-5 cm/s。流速变化与平均值之间的巨大差异表明，从秋季到春季，密西西比河三角洲以东的海流没有主导方向。海流常以近惯性频率（顺时针旋转）振荡，这主要是由每2至15天一次穿过该区域的冷锋所驱动的。尽管地理位置接近，但在研究期间，密西西比河出流对驱动海流的周际变化并未起到显著作用。相反，当地东南风驱动了向西南方向流动并伴有微弱离岸通量的海流，而西北风则驱动了向东北方向流动并伴有微弱向岸通量的海流。

导致石油暴露于北墨西哥湾陆架的可能路径及其变化性，通过环流模型进行了评估，该模型模拟了连续释放的中性示踪剂在整个模型区域内的浓度变化。示踪剂在秋季和春季分别释放，为期21天。秋季示踪剂释放（2015年10月1日至10月21日）显示，表层输运持续由西向东北方向进行，几乎没有向北平流进入密西西比湾内陆架区域的现象（图5a）。相比之下，春季释放（2016年3月18日至4月7日）则显示示踪剂向北输运至北墨西哥湾内陆架区域，并且示踪剂在表层扩散至CONCORDE模型区域的大部分范围（图5b）。这两种情况的主要差异包括：风力（图5c,d——与秋季相比，春季风速峰值更强且风向变化更大）、层结（春季更强）以及河流排放量（春季更高）。秋季和春季的模拟示踪剂分布模式表明，溢油发生的时间会极大地影响其在北墨西哥湾浅水陆架上的分布，并且高河流排放量并不一定会阻碍表层水体物质向陆架及近岸栖息地的向岸输运。这些模拟为后续研究奠定了基础，用以探讨环境复杂性和不确定性对北墨西哥湾石油输运及生态系统过程的影响。

陆架上的生物生产与聚集

生物组分对邻近河流输入的盐度和营养盐变化做出了响应。秋季，淡水输入极少，导致水体垂向混合均匀，盐度相对较高（Cambazoglu等，2017），生物生产力较低（图6a,b），这从初级生产力和浮游动物丰度的测量结果中均可看出（Dzwonkowski等，2017）。随着春季降雨导致莫比尔湾河流排放量增加，水体发生了剧烈变化，直接影响了陆架的大片区域，并产生了巨大的垂向盐度差异（表层盐度约24，深层约36）。这些富含营养盐的河流排放产生了更高的生物生产力，浮游动物和海雪颗粒的分布紧密跟随盐跃层（图6c,d）。位于断面北端附近的锚定浮标（图1中最南端的黄色X标记）显示出由惯性振荡（可能由风事件引起）导致的双层跨陆架输运。在惯性振荡周期内，表层海流方向离岸，而底层海流方向向岸。在每个水层中，海流缓慢顺时针旋转，在接下来的12小时内方向逆转，达到相反的模式：表层流向岸，底层流离岸。随后，这些海流在接下来的12小时内再次缓慢顺时针旋转，恢复到最初的流动模式（在这些纬度，惯性振荡的周期为全日）。这是层化条件下建立差异平流的一个例子，对于理解该区域石油输运具有重要意义。

图6. (a) 秋季（2015年10月30日）、© 春季（2016年4月4日）和 (e) 夏季（2016年7月25日）沿中部采样廊道（图1）测量的盐度与距ISIIS断面起点距离的关系（左侧为北），以及测得的颗粒有机氮浓度（黑点）。图c显示了2016年4月4日中部夏令时10:00至12:00期间一个锚定浮标的平均海流矢量（图1中最南端的黄色X标记）。(b) 秋季、(d) 春季和 (f) 夏季的颗粒浓度（浮游动物和海雪），以及沿相同采样廊道测得的叶绿素a浓度（灰点）。盐度25至35之间用黑色等值线表示，间隔为1个单位。图c的图例也适用于(a)和(e)，图d包含(b)和(f)的图例。使用ISIIS拍摄的、处于颗粒大小范围内的动物图像示例：(g) 仔鲽鱼，(h) 幼年海月水母，(i) 正在捕食樽海鞘的管海葵幼虫，(j) 真哲水蚤。使用FlowCAM®拍摄的图像k–m显示了(k) 铃壳纤毛虫、(l) 桡足类无节幼体和(m) 中华齿状藻链，它们均小于(b)、(d)和(f)中绘制的浮游生物约1毫米的尺寸阈值。

夏季，垂向盐度差有所减小，但盐跃层最强，并伴有明显的垂向振荡（即内波；图6e,f）。浮游动物和海雪的分布被限制在一个较窄的中间盐度范围内，但其峰值浓度不及春季所观测到的高度。春季到夏季盐跃层的增强，似乎与浮游动物在垂向上受限的分布相对应，同时也与深层陆架水体通风能力的降低相关联，后者为缺氧的发展创造了有利条件。夏季，底层水显示镭富集，这是海底地下水排放的关键指标，并且这与高浓度的溶解硅、无机氮和磷酸盐，以及低溶解氧含量相关。因此，除了河流排放之外，海底地下水似乎在密西西比湾的营养盐输送中也发挥着作用，并可能对生产力和底层水体缺氧产生伴随效应。

浮游生物与海雪的密集聚集，尤其在春夏两季，对石油及污染物在食物网中的扩散具有重要影响（图6b,d,f）。沉降的海雪为石油向深层输送提供了途径，并可能成为石油进入浮游食物网的营养暴露通道（Daly等人，2016年综述）。盐度结构的季节性变化与浮游动物/海雪分布之间的关联，为量化空间重叠（例如，Greer和Woodson，2016年）及海雪颗粒与不同浮游动物类群间的接触率提供了必要数据，同时也揭示了行为互动信息（如定向和捕食事件；示例图片见图6g–m）。这些观测结果有助于从特定类群层面理解其对石油暴露的敏感性，以及石油融入浮游食物网的详细营养路径（Graham等人，2010年；Buskey等人，2016年）。

CONCORDE项目总结与未来应用

通过对跨传统海洋学学科的高分辨率、近同步观测资料的分析，我们加深了对密西西比湾这一连接近海石油钻井平台与近岸栖息地的关键区域的理解。在北墨西哥湾这个受河流影响的区域，复杂的物理过程塑造了生态群落的组织结构。然而，此前一直缺乏能够在适宜尺度上（小时级时间尺度、厘米至米级空间尺度）解析与石油输运相关的众多过程，以及石油与生物及其他化学成分相互作用的观测数据。这项研究取得了若干新发现，包括揭示了由风力驱动的直接和间接输运路径，以及追踪盐度变化的持续性浮游生物聚集现象。

风对河流羽流水的输运具有重要影响，进而作用于生态系统的其他属性。锚定观测表明，风是密西西比河三角洲以东海域海流的主要控制因素，风向的变化能将密西西比河水沿陆架坡折输送，使其进入或离开密西西比湾。然而，化学分布特征显示，密西西比河水实际只占进入海湾淡水的相对较小部分，这表明向东流动的大部分密西西比河水要么沿陆架坡折平流，要么被输送至外海。风同样可以驱动莫比尔湾羽流向西或向东移动，并在形成观测到的莫比尔湾羽流剪切、产生观测到的混合层盐度变化以及生成风事件后日周期平流羽流的惯性振荡中发挥间接作用。生物采样表明，强的盐度梯度影响浮游动物、海雪和营养盐的分布。因此，浮游生物和地球化学组分的分布与风速和风向相关联，因为风力强迫通过混合调节盐跃层，并通过平流影响羽流锋面。这些只能通过跨学科方法揭示的联系表明，不同的、依赖于季节的环境因素塑造了组分的分布，并且也能影响石油平流以及溢油对生态系统影响的程度。

改进溢油输运和影响的预测需要理解随深度变化的海洋学过程。尽管大多数溢油输运研究聚焦于海表附近的大气强迫和环流，但深水地平线井喷事件表明，理解石油输运和相互作用应被视为一个四维问题，其中深度增加了一个难以观测的复杂新维度（Peterson等人，2012）。鉴于石油开采正在向更深、更远离海岸的地点推进（Graham等人，2011），这种理解正变得至关重要。准确预测溢油对生态系统层面的影响是有效应急规划的基础，因此必须将观测和建模扩展到涵盖整个水柱内石油（及分散剂）与生物和地球化学组分的相互作用，这些相互作用是将溢油与整体生态和经济影响联系起来的机制纽带。脉冲式河流羽流的动力学为预测物理平流和化学生物相互作用增加了额外的复杂性。尽管河流主导的陆架生态系统相对较浅，但其物理、化学和生物特性可能随深度发生剧烈变化。CONCORDE项目为河流主导的系统提供了详细的新信息，因为穿越这些区域的泄漏石油直接威胁到近岸栖息地和人类种群。

世界各地受河流影响的沿海系统是多种具有文化和经济重要性的海洋物种的生产性栖息地。石油钻探已导致尼日尔河三角洲等地区发生多次泄漏和严重的环境破坏（Ite等人，2013），并将继续威胁全球类似的栖息地（图7）。尽管相对于北墨西哥湾，其他脉冲式河流主导系统可能存在不同的生态群落、河流排放量和石油开采活动规模，但CONCORDE项目通过跨学科方法识别和定量评估该区域关键物理、生物和地球化学过程所获得的原理及总结的模式，同样适用于这些系统。此外，许多靠近河口的此类石油储量目前开发程度相对较低，例如阿拉斯加陆架上的储量。由于事故可能造成极其严重的后果，正如深水地平线溢油事件所证明的那样，在开始开采之前，必须优先了解石油的物理输运路径以及不同海洋学条件下生物和化学组分的分布。这些信息为溢油输运模型和浮游生物暴露率估算提供了基础，进而可用于制定旨在保护系统关键生态功能的响应计划。

图7. 全球范围内与CONCORDE研究区域相似的、附近有石油开采活动的沿海河流主导生态系统位置图。颜色对应河流平均淡水排放量，三角形大小代表当前石油储量的规模（参见用于生成该图的补充材料数据集和参考文献）。