工業(yè)化排放物對(duì)中國(guó)沿海氣候的影響

童永彭，朱志鵬，吳正新

深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060

工業(yè)化排放物對(duì)中國(guó)沿海氣候的影響

童永彭，朱志鵬，吳正新

深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060

由于全球氣候變暖，在高緯度地區(qū)的降水可能增加。然而，人類活動(dòng)影響全球氣候變化的機(jī)制還沒有被完全理解。工業(yè)化對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的影響是不可否認(rèn)的，它是一個(gè)具有特殊意義的全球氣候變暖問題，全球性工業(yè)化進(jìn)程產(chǎn)生的各種污染物進(jìn)入海洋會(huì)破壞海洋生態(tài)平衡，繼而進(jìn)一步對(duì)氣候有重大影響。文章嘗試分析中國(guó)工業(yè)化發(fā)展中除了二氧化碳之外的一些排放物與海洋浮游植物生物量和氣候之間的關(guān)系。由于中國(guó)的工業(yè)化導(dǎo)致沿海地區(qū)的海洋食物鏈發(fā)生變化，富營(yíng)養(yǎng)化增加了浮游植物的生物量，繼而增加海水蒸發(fā)的速率，從而有助于鄰近城市的濕度上升，繼而導(dǎo)致降水強(qiáng)度和降水量的增加。然而，隨著污染的繼續(xù)增加，尤其產(chǎn)生的油類污染，按照拉烏爾定律，又會(huì)減少水蒸汽的分壓繼而減少水蒸發(fā)速度。因此，工業(yè)排放可能有兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果：一種是促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，然后導(dǎo)致更高的海水蒸發(fā)率和降水量；另一種是有機(jī)油類減少水的蒸氣壓，然后減少海水蒸發(fā)率和降水量。在中國(guó)，降水多集中在某些季節(jié)和某些具有較高浮游植物生物量的區(qū)域。在污染嚴(yán)重的沿海城市，隨著工業(yè)化的進(jìn)展，周邊海域浮游植物生物量較少（劣4類海水），有機(jī)油類覆蓋海面，阻礙了近海水調(diào)節(jié)溫度的能力，相當(dāng)于把海岸線向外退出數(shù)百里，因此溫度將迅速升高，其周邊的濕度和降水量將減少。從工業(yè)化的發(fā)展對(duì)氣候的影響來看，中國(guó)在工業(yè)化后，年平均氣溫顯著增加，而年平均降水量沒有顯著差異。然而局部強(qiáng)降雨和局部高溫將是以后的一種自然災(zāi)害。這一中國(guó)工業(yè)化對(duì)氣候模式的影響，可以作為研究全球氣候變化的參考。

工業(yè)化排放物；浮游植物；氣候特征

由于全球性工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致全球氣候變暖，近來在高緯度地區(qū)的降水量可能增加，而低緯度而降低（Liu等，2013）。這一人類活動(dòng)影響全球氣候變化的機(jī)制還沒有被完全理解。全球性工業(yè)化進(jìn)程產(chǎn)生的二氧化碳導(dǎo)致生態(tài)的變化研究較多，有的認(rèn)為全球變暖二氧化碳上升自然導(dǎo)致海洋浮游植物-初級(jí)生產(chǎn)力上升（Schippers等，2004；Hein等，1997），然而卻也有相反的結(jié)論認(rèn)為是降低了海洋初級(jí)生產(chǎn)力（Gao等，2012）。因此其機(jī)理研究有待于進(jìn)一步深入。尤其其他的工業(yè)污染排放物與生態(tài)變化與氣候的研究較少，及其通過影響海洋浮游植物破壞海洋生態(tài)平衡，繼而進(jìn)一步對(duì)氣候的影響更少。因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步分析討論。

浮游植物依靠光合作用吸收太陽輻射，而吸收太陽輻射對(duì)海洋溫度的影響是依賴輻射衰減和混合層（mixed layer）的相對(duì)的深度。如果混合層是較淺的，那么浮游植物海水溫度的改變是明顯的。但如果是混合層較深，那么浮游植物對(duì)海水溫度的影響是可以忽略的，這是因?yàn)橥高^混合層的太陽輻射是很小的。有資料顯示沿海區(qū)域內(nèi)的海洋混合層深度都比較淺（Pelland等，2014）因此浮游植物對(duì)于深度較淺的混合層海洋區(qū)域特別是沿海區(qū)域是很重要的，因?yàn)樗鼈兡茉黾踊旌蠈拥臒崃?，從而?dǎo)致海洋表面溫度的上升（Lengaigne等，2009；Manizza等，2008；Ohlmann等，1996；Sathyendranath等，1991）。Lavinia等（2012）發(fā)現(xiàn)當(dāng)海洋表面溫度上升0.5 ℃，這將會(huì)增加海水蒸發(fā)從而增加附近地區(qū)的大約 2%～5%的空氣濕度，從而增加了大氣層水蒸氣。從海洋蒸發(fā)的水汽，其中一部分被氣流帶至大陸上空，遇冷凝結(jié)降雨，在海洋邊緣地區(qū)部分降雨，這樣沿海地區(qū)的降雨量就會(huì)增多。

隨著工業(yè)化活動(dòng)的加劇，大量的污染物被排放到沿海地區(qū)，這其中包括了氮磷化合物、金屬Fe、重金屬（鉛、汞）。大量的報(bào)道已經(jīng)指出氮磷化合物和Fe促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)（姚波等，2010；He等，2015；Gan等，2014）。這樣就會(huì)使得浮游植物大量的繁殖、生長(zhǎng)，最后形成赤潮現(xiàn)象（Xu等，2014）。

污染物中也包括著大量毒性重金屬元素。許多的報(bào)道指出重金屬抑制著浮游植物的生長(zhǎng)（Poste等，2015；Rzymski等，2014）。有報(bào)道指出一些浮游植物能在晚上時(shí)利用硝酸鹽（NO3）或者亞硝酸鹽（NO2）產(chǎn)生出一氧化氮（NO）（Mallick等，1999；Mallick等，2000），而NO會(huì)減弱重金屬對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的抑制（Li等，2013）。這使得浮游植物生長(zhǎng)一方面受到重金屬抑制，另一方面由于其產(chǎn)生的NO削弱了重金屬對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)。其總體的結(jié)果是：排放污染的初始的一段時(shí)間浮游植物的生長(zhǎng)受到一定的抑制。然而在沿海的重金屬呈垂直分布和積累（李鳳業(yè)等，2011；Yongpeng等，2011）。隨著深度的增加，浮游生物藻類重金屬含量降低，底棲生物重金屬含量變高，這是由于浮游單細(xì)胞藻類，底棲藻類和一些自養(yǎng)細(xì)菌會(huì)被草食性浮游動(dòng)物和底棲生物（如鮑魚，貝類腹和某些貝類）吃掉，繼而導(dǎo)致底棲動(dòng)物的重金屬富集。由于在沿海區(qū)域的重金屬沉積會(huì)更容易，優(yōu)先抑制底棲生物的生長(zhǎng)，從而破壞浮游生物和底棲生物的平衡。因此，經(jīng)過一段時(shí)間之后，浮游植物還是可能會(huì)急劇增加。

浮游植物的增多，其吸收太陽輻照變得更多，從而使得海洋表面的溫度繼續(xù)增加，繼而使得水蒸氣的含量增多，沿海地區(qū)附近的降雨也就增多。但是當(dāng)水質(zhì)量越來越惡劣時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大量的浮游植物死亡。當(dāng)大量浮游植物特別是富油浮游植物死亡時(shí)，會(huì)使得水面形成油膜（Xue等，2015）。當(dāng)水面上附著油膜時(shí)，會(huì)阻擋海水的蒸發(fā)（Mearns等，2014）。有資料顯示，當(dāng)海洋表面溫度上升時(shí)，會(huì)放大最低大氣層（lowest atmospheric layer）的季節(jié)周期，其結(jié)果是使得大氣溫度上升（Shell等，2003）。這樣就會(huì)造成一個(gè)現(xiàn)象：沿海區(qū)域的溫度升高，但是降水減少，環(huán)境更加干燥。本文通過一些環(huán)境公共平臺(tái)和氣候公共平臺(tái)數(shù)據(jù)分析討論了中國(guó)工業(yè)化發(fā)展過程中除了二氧化碳之外的工業(yè)污染排放物與浮游植物生物量和氣候之間的關(guān)系。

1 中國(guó)工業(yè)化排放的氮(N)和磷(P)對(duì)沿海浮游植物的影響

游植物數(shù)量多的水域富含氮，磷，硅，營(yíng)養(yǎng)鹽和多種微量元素，只要他們也有足夠的氧氣，二氧化碳和陽光，就能有效地轉(zhuǎn)換成繁殖。浮游植物是海洋生物的初級(jí)生產(chǎn)者。他們?cè)诤Ｑ笫澄镦溨衅鹬陵P(guān)重要的作用，可直接作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入所有等級(jí)的食品鏈中。伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展，巨大的數(shù)量的污水排放或干濕沉降（如有毒重金屬和有機(jī)污染物），可能會(huì)大大擾亂海洋食物鏈的平衡。

海洋化學(xué)環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵因素是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過河流從陸地到海洋的運(yùn)輸。在許多中國(guó)沿海地區(qū)，養(yǎng)分的主要來源是入?？谒?。2012年中國(guó)河流入海通量，氮的總量為 3.69×106t，而磷是3.16×105t。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，中國(guó)在20世紀(jì)80年代后期，每年的廢水COD排放量超過1.0×107t（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013）。

除了河流，大氣沉降也是沿海水域的一個(gè)重要營(yíng)養(yǎng)來源（Howarth等，2002），根據(jù)報(bào)道，每年有大量氮、磷通過大氣沉降輸入到北印度洋（Srinivas等，2013）。在2012年，中國(guó)氮氧化物排放分別為2.34×107t（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013）。近海大氣沉降無機(jī)氮的通量約1.55 t·km-2·a-1（國(guó)家海洋局，2013），遠(yuǎn)高于在 2007年的歐洲北海（0.91 t·km-2·a-1），在中國(guó)快速的工業(yè)化的30年來，這些排放導(dǎo)致了在70%中國(guó)沿海地區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013）。在2012年，整體中國(guó)近岸海域海水中主要污染物是無機(jī)氮，活性磷酸鹽和石油類有機(jī)物。

如果按P、N和COD（化學(xué)需氧量）的高低劃分4類海水水質(zhì)，越高污染越厲害，則在2012年只有 94437 km2的近岸海域可描述為第 1類，而108360 km2第2類，24565 km2的是第3類，9655 km2第4類，43995 km2為劣4類，2012年中國(guó)近岸海域海水富營(yíng)養(yǎng)化分布可以通過環(huán)境公報(bào)中的圖1看出其明顯區(qū)別（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013）。

由于水體富營(yíng)養(yǎng)化有利于浮游植物的生長(zhǎng)，因?yàn)?，在這些情況下，大多數(shù)浮游植物所需的營(yíng)養(yǎng)素都一應(yīng)俱全（Cowan等，1996）。近海污染和浮游生物的生長(zhǎng)條件可能會(huì)影響海水蒸發(fā)速度，然后調(diào)節(jié)局部氣候變化。

2 中國(guó)的工業(yè)化導(dǎo)致沿海海洋生物鐵和重金屬的含量增加

在許多開放的海洋區(qū)（高營(yíng)養(yǎng)，低葉綠素（HNLC）地區(qū)）的浮游植物生物量低，然而眾所周知，鐵元素卻能刺激浮游植物的生長(zhǎng)過程，還會(huì)快速提高硅藻的生物量和增加大氣中的二氧化碳提取。鐵元素的酶促作用是刺激浮游植物的生長(zhǎng)的主要原因（Lelong等，2013），錳元素及鐵元素對(duì)海洋硅藻的生長(zhǎng)的意義也一直被調(diào)查（Ushizaka等，2011）。而一般情況下，重金屬Pb等往往會(huì)抑制海洋生物的生長(zhǎng)，但實(shí)際上是鐵元素和錳元素的化合物會(huì)刺激其生長(zhǎng)。作為工業(yè)排放物的這樣金屬化合物，往往在環(huán)境中難溶于水，大氣沉降被認(rèn)為是使這些化合物進(jìn)入海洋比較重要的途徑，從 2006年到 2007年，中國(guó)東部近海的重金屬通過干沉降輸入通量分別為：鋅 10.92 mg·m-2·a-1；鉛 2.299mg·m-2·a-1；銅1.611 mg·m-2·a-1；鎘 0.017 mg·m-2·a-1。從大氣通過干沉降入海的銅、鉛、鋅、鎘的總量為2376 t，接近從長(zhǎng)江流入的13%（秦曉光等，2011）。而通過大氣顆粒物干沉降金屬輸入渤海近岸海域也是相似的，其干式和濕式通量分別為：鉛，34.344 μg·m-2·d-1；鋅89.273μg·m-2·d-1；銅0.821μg·m-2·d-1；鎘 1.577 μg·m-2·d-1；鐵 3784.536μg·m-2·d-1；Mn 135.000 μg·m-2·d-1（王贊紅等，2011）。因?yàn)殍F的含量遠(yuǎn)高于其他任何重金屬，因此大氣金屬干沉降對(duì)鐵刺激的浮游植物的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。然而，在中國(guó)東海沿海各區(qū)域，中國(guó)工業(yè)化后，部分近海海域銅、鉛、鋅、鎘濃度高到足以抑制某些種類的浮游植物生長(zhǎng)（王長(zhǎng)友等，2008）。尤其由于重金屬難以溶解，在沿海的重金屬呈垂直分布和積累（李鳳業(yè)等，2011；Yongpeng等，2011）。隨著深度的增加，浮游生物藻類重金屬含量降低，底棲生物重金屬含量變高，這是由于浮游單細(xì)胞藻類，底棲藻類和一些自養(yǎng)細(xì)菌會(huì)被草食性浮游動(dòng)物和底棲生物（如鮑魚，貝類腹和某些貝類）吃掉，繼而導(dǎo)致底棲動(dòng)物的重金屬富集。由于在沿海區(qū)域的重金屬沉積會(huì)更容易，優(yōu)先抑制底棲生物的生長(zhǎng)，從而破壞浮游生物和底棲生物的平衡。因此，經(jīng)過一段時(shí)間之后，浮游植物還是可能會(huì)急劇增加）。

圖1 在2012年中國(guó)近岸海域海水富營(yíng)養(yǎng)化的分布Fig. 1 The distribution of Chinese coastal seawater eutrophication in 2012

此外，隨著全球氣候變暖，大氣中的二氧化碳濃度較高，結(jié)合中國(guó)二氧化硫排放的年度的數(shù)據(jù)（2012年后為2.0×107t），它已導(dǎo)致沿海海水pH的下降，這種酸化已經(jīng)摧毀了許多珊瑚礁。珊瑚礁所涵蓋的總面積已經(jīng)減少了約80%，與1987年工業(yè)化之前相比，海岸侵蝕和海水入侵也造成了嚴(yán)重的損害（國(guó)家海洋局，2013）。海底環(huán)境的這種變化會(huì)更容易損害底棲生物，海洋食物鏈可能會(huì)受到隨之而來的干擾。因此伴隨著二氧化碳這一浮游植物的反應(yīng)物的增加和底棲生物的損害增加，浮游生物的數(shù)量在適當(dāng)?shù)慕０额A(yù)計(jì)將會(huì)爆發(fā)地增長(zhǎng)。

3 中國(guó)的工業(yè)化排放已經(jīng)刺激了沿海的赤潮和綠潮

隨著城市和工業(yè)廢水和水體富營(yíng)養(yǎng)化的出現(xiàn)，突然爆發(fā)的浮游植物往往誘發(fā)赤潮。

由于水體富營(yíng)養(yǎng)化的情況越來越嚴(yán)重，滸苔爆發(fā)（簡(jiǎn)稱為綠潮）發(fā)生在中國(guó)沿海地區(qū)的頻率越來越高。早在 2007年黃海就發(fā)生了滸苔爆發(fā)，從那個(gè)時(shí)候開始，爆發(fā)的規(guī)模每年都在增長(zhǎng)（國(guó)家海洋局，2013）。

雖然滸苔（綠潮）是無毒的，某些種類甚至可以食用，但是滸苔大規(guī)模的積累會(huì)消耗過多的氧氣，從而間接地威脅到其他海洋生物。

表1 自2001年起每年在中國(guó)沿海地區(qū)的赤潮和綠潮的總面積Table 1 Total areas of red tide and green tide by year in Chinesecoastal areas since 2001

赤潮和綠潮的紀(jì)錄從 2001年開始，它們的總面積見表1。表1數(shù)據(jù)表明浮游植物大爆發(fā)和惡化全球變暖和沿海富營(yíng)養(yǎng)化的變化之間的相關(guān)性。綠潮和赤潮能導(dǎo)致局部缺氧，擾亂海洋食物鏈。在2001年至2012年在中國(guó)沿海海域綠潮和赤潮總面積的總體趨勢(shì)是增長(zhǎng)的。

由于降雨量增加往往導(dǎo)致鹽度下降，從而刺激浮游植物的異常繁殖（Matos等，2011），這也是一個(gè)引發(fā)赤潮的重要因素。然而，直接假定浮游植物生物量和降雨量之間的相關(guān)性的研究卻很少。在中國(guó)工業(yè)化之后的幾年中，有人在中國(guó)東海和黃海浮游植物生物量的空間分布的變化進(jìn)行了研究（黃邦欽等，2006）。結(jié)果表明，浮游植物生物量與海岸的距離有相關(guān)性，隨距離增加浮游植物生物量逐漸減小。葉綠素（葉綠素 a）的濃度被廣泛地用作浮游植物的一個(gè)標(biāo)記。一般情況下浮游植物的吸收峰位于約400 nm至700 nm（汪小勇等，2011）。遙感利用該吸收峰，可以用來監(jiān)測(cè)海洋浮游植物的濃度變化（Naik等，2013）。通過利用這樣的水反射遠(yuǎn)程傳感（RRS）大面積監(jiān)測(cè)浮游生物葉綠素含量。

在 2000─2001年被發(fā)現(xiàn)在近海海域中東中國(guó)和黃海海域的葉綠素質(zhì)量濃度平均 0.45～2.28 mg·m-3。東海原甲藻有害藻華在舟山附近的 2002年春季和 2003年的一項(xiàng)調(diào)查也報(bào)道（周偉華等，2006），其表面水層的葉綠素 a質(zhì)量濃度平均為0.70～2.60 mg·m-3，而赤潮水層的葉綠素a質(zhì)量濃度可達(dá)到18.45 mg·m-3。在低鹽度的河口，營(yíng)養(yǎng)豐富的位置，浮游植物種群往往特別高。與 1987年快速工業(yè)化前的調(diào)查相比，沿海地區(qū)近海浮游生物生物量（除了18.6%劣于第4類的沿海地區(qū)，顯示于圖 1）均已經(jīng)變大了，物種的數(shù)量上升了（國(guó)家海洋局，2013）。因此，工業(yè)化排放是導(dǎo)致浮游植物的生長(zhǎng)以及赤潮現(xiàn)象的明顯上升的主要因素。

4 浮游植物增加海水蒸發(fā)速度

由于浮游植物可以吸收來自太陽光的可見光，他們往往浮在海水的表面加熱（這樣就會(huì)增加海洋表面溫度），這會(huì)導(dǎo)致（海水）蒸發(fā)的速度加快。我們實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了這一現(xiàn)象。在28 ℃，相對(duì)濕度69%，5組平行開口燒杯充滿了從海水中獲得的威海沿海綠潮滸苔（含有葉綠素(3.0±0.2) mg）100.00 g，以及100.00 g取自綠潮外部的對(duì)照海水（含有葉綠素a (0.000100±0.0003) mg），在熒光燈下以200 W·m-2照度照射24 h，然后對(duì)每個(gè)燒杯中水的蒸發(fā)量進(jìn)行比較以確定相對(duì)的蒸發(fā)速率。3個(gè)星期以后，滸苔衰減到漂浮在水面上的油的層，將蒸餾水加入到燒杯中，以恢復(fù)質(zhì)量100.00 g，然后實(shí)驗(yàn)重復(fù)。

赤潮水取自深圳近岸海域海水（含葉綠素(0.00150±0.002) mg）和對(duì)照海水（含葉綠素(0.000100±0.0003) mg）進(jìn)行了使用相同的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。測(cè)量的相對(duì)蒸發(fā)速率如圖2所示。

圖2 赤、綠潮對(duì)海水的蒸發(fā)率的影響Fig. 2 Effects of red/green tide on evaporation rates of seawater

從這些結(jié)果中我們可以得出結(jié)論，當(dāng)浮游植物是活的時(shí)候，它可以顯著地促進(jìn)海水蒸發(fā)，但它衰變后往往會(huì)抑制海水蒸發(fā)?；畹母∮沃参镏械娜~綠素吸收陽光進(jìn)行光合作用，防止陽光穿透海洋表面，從而提高了地表水的溫度，因此加快了水的蒸發(fā)速率。然而，當(dāng)浮游植物衰變后，例如沿海缺氧，細(xì)胞磷脂雙層結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁的分解變化往往變成單層分子層，這樣像油分子一層那樣減少了可用于蒸發(fā)水的有效面積，這會(huì)導(dǎo)致水的蒸發(fā)速率減慢和導(dǎo)致局部水蒸汽壓力減小。

在中國(guó)沿海城市由于海水蒸發(fā)率與降水量是有聯(lián)系的，因此降水可能與浮游植物的生長(zhǎng)周期密切相關(guān)。

5 中國(guó)工業(yè)化排放對(duì)溫度和降水的影響

由于全球變暖的原因，降水可能會(huì)增加。但是，隨著世界變暖，我們將很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)會(huì)有多少降水，由于溫室氣體增加的溫室變暖引起的降水變化的機(jī)理不同于自然輻射增強(qiáng)誘導(dǎo)的降水（Liu等，2013；Wen等，2007）。然而，在沒有人類活動(dòng)變化的情況下，以前檢測(cè)全球范圍降水時(shí)，在不同地區(qū)降水變化相互抵消，從而減少了全球平均降水強(qiáng)度。一些模型（Zhang等，2007；Barnett等，2005)表明，人類活動(dòng)應(yīng)該已經(jīng)引起了不小降水的變化，全球平均降水量和緯度降水再分配，在高緯度地區(qū)降水增加，而在亞熱帶的緯度地區(qū)降水減少。

雖然人類活動(dòng)的作用十分顯著，可以觀察到在北半球中緯度地區(qū)的降水量增加，在北半球亞熱帶和熱帶干燥，南半球亞熱帶和深熱帶比較滋潤(rùn)，在20世紀(jì)的降水趨勢(shì)和人類活動(dòng)影響的檢測(cè)報(bào)告中（Zhang等，2007；Lambert等，2004），受人為影響的降水機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

中國(guó)在快速工業(yè)化時(shí)期前后的年平均降水量和溫度繪于圖3。

圖3顯示了自1961年以來，中國(guó)平均氣溫顯著上升趨勢(shì)，但平均降水量沒有明顯的變化。然而，如果數(shù)據(jù)被分成2個(gè)時(shí)期（1961年至1986年和1987年至2012年），則可比較26年之前和之后工業(yè)化迅速發(fā)展的平均值。在中國(guó)工業(yè)化之前，年平均氣溫和降水量分別為(8.52±0.24) ℃、(608±29) mm；工業(yè)化以后，在中國(guó)的年平均氣溫和降水量分別為(9.37±0.39) ℃和(618±33) mm。通過在P為0.05的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，年平均氣溫在中國(guó)工業(yè)化后顯著增加了，而在中國(guó)工業(yè)化后，年平均降水量沒有明顯差異。但是，降水分布可能不同?？梢钥闯?，降雨多集中在某些季節(jié)和某些地區(qū)，可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。人為產(chǎn)生的溫室氣體在大氣中的濃度上升可能已經(jīng)影響降雨強(qiáng)度，并增加了洪水造成重大損害的風(fēng)險(xiǎn)（Richard等，2011）。它的機(jī)制可能也與浮游植物的生長(zhǎng)周期有關(guān)。當(dāng)浮游植物是在其正常的生長(zhǎng)階段（季節(jié)），沿海海水蒸發(fā)和降水的相對(duì)速率將增加。而浮游植物爆發(fā)后期，海洋生物開始死亡了，浮游植物和其他死去的海洋生物分解導(dǎo)致，分解的油類阻礙海水蒸發(fā)，則導(dǎo)致沿海降水減少，氣溫將上升。由于沿海環(huán)境的污染會(huì)影響浮游植物的生長(zhǎng)，因此在不同污染程度的沿海地區(qū)的氣候也會(huì)不同。在污染少的沿海地區(qū)（如海南海岸），通常浮游植物生長(zhǎng)密度相對(duì)較低，而在工業(yè)污染沿海地區(qū)浮游植物（如深圳、威海、第2類和第3類海水周圍的海岸）受到這些水域中高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響情況下，具有相對(duì)高的密度生長(zhǎng)，那同潔凈地區(qū)一樣將提高污染地區(qū)周圍的海水蒸發(fā)和降水的相對(duì)速率。然而，在最極度污染的沿海地區(qū)（如典型的浙江成本劣4類海水）浮游植物實(shí)際上是被石油和其他化學(xué)品工業(yè)污染殺死了,浮游生物生物量與水質(zhì)密切相關(guān)（李娣等，2014）。在這種地方，相對(duì)于潔凈區(qū)，海水蒸發(fā)，相對(duì)濕度和沿海降水會(huì)下降，并導(dǎo)致沿海地區(qū)溫度上升。

圖3 中國(guó)快速工業(yè)化時(shí)期前后的年平均氣溫和降水量Fig.3 Annual average temperature and precipitation in China before and after rapid industrialization

在海南省的沿海地區(qū)，是代表第1類海水區(qū)。周邊城市的溫度和降水是作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與空氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行比較，而廣東省深圳市和山東省威海市沿海附近地區(qū)，是第3類海水，是赤潮和綠潮的代表。2012年深圳該區(qū)域附近測(cè)量的浮游植物的生物量為9.69×106 cells·m-3，并且隨著時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（國(guó)家海洋局，2013）。周邊城市的溫度和降水預(yù)計(jì)將受到很大的影響。大量的浮游植物的葉綠素會(huì)吸收更多的太陽能，造成更高的負(fù)荷，增加海水的蒸發(fā)率，提高了周邊城市的濕度。這樣的結(jié)果是，降水的數(shù)量和強(qiáng)度將增加。而氣溫將只受到輕微的變化，因?yàn)樵频姆瓷渑c降水調(diào)節(jié)了氣溫。而浙江省杭州灣沿海區(qū)域，并顯示為水質(zhì)劣于第四類，它的石油類污染水平比較高。浮游植物生物量（2012年測(cè)量為1.18×106 cells·m-3）在正在趨向于減少（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2013），隨著時(shí)間的推移，海洋生物一般都有不健康的狀態(tài)。多數(shù)海洋生物的死亡和分解引起的有機(jī)物質(zhì)的膜，覆蓋在這里的海水上。高含量的化學(xué)色素顆粒吸收更多的太陽能，而高含量的油與有機(jī)污染物造成一個(gè)較低的海水蒸發(fā)速率?？偟慕Y(jié)果是，其附近城市的相對(duì)濕度（如上海）降低。

典型沿海3城市（上海、廣州、?？冢┙甑慕涤陻?shù)據(jù)（中國(guó)氣象共享服務(wù)系統(tǒng)）見圖 4。由圖4可見，在上海（靠近浙江沿海），相對(duì)濕度下降，與此相反，近年來廣州（深圳海岸附近的）的相對(duì)濕度增加了。

圖4 3個(gè)典型的沿海城市相對(duì)濕度的比較Fig.4 The comparison of relative humidity of three typical coastal cities

如果赤潮和綠潮后期引起大多數(shù)海洋生物死亡以及其本身藻類的死亡，并分解為有機(jī)物后，海水蒸發(fā)速度預(yù)計(jì)將下降，并在此期間溫度升高。這種海水蒸發(fā)率的變化，會(huì)影響附近沿海城市的相對(duì)濕度。此外，高污染區(qū)由于海水蒸發(fā)速率低和太陽能吸收率高，平均溫度將會(huì)增加。這些氣候模式在上海地區(qū)得到了證實(shí)，在2013年7月，有10多天的高溫（～40 ℃），上海平均溫度為31.9 ℃，平均降水量為103 mm，而廣州平均溫度為27.4 ℃，平均降水量為318 mm；深圳經(jīng)歷了一種不同尋常的多雨的氣候（中國(guó)氣象共享服務(wù)系統(tǒng)）。與2012年7月的天氣相比，上海 2013年 7月的平均溫度（29.7 ℃）上升了近2 ℃，而從2012年至2013年，廣州的平均月降水量與2012年相比增加了1倍以上（中國(guó)天氣網(wǎng)）。根據(jù)上面的分析，在沿海海水的工業(yè)污染和其對(duì)浮游植物的影響可能會(huì)強(qiáng)烈地影響著周圍的氣候。如果溫度繼續(xù)上升，在上海這樣一個(gè)人口密度高的大城市，未來它很可能導(dǎo)致一個(gè)重大的自然災(zāi)害。而如果沿海繼續(xù)污染增加，像天津、深圳附近海域如果進(jìn)入劣四類水域浮游生物下降，海面覆蓋有機(jī)油類，則總體的降雨將下降而進(jìn)入上海相似的高溫模式。

6 結(jié)論

中國(guó)的工業(yè)化導(dǎo)致沿海地區(qū)的海洋食物鏈發(fā)生變化。富營(yíng)養(yǎng)化增加了浮游植物的生物量，提高了溫度，增加海水蒸發(fā)的速率，從而有助于鄰近城市的濕度上升，繼而導(dǎo)致降水強(qiáng)度和降水量的增加。然而，隨著污染的繼續(xù)增加，尤其產(chǎn)生的油類污染，按照拉烏爾定律，又會(huì)減少水蒸汽的分壓繼而減少水蒸發(fā)速度。因此，工業(yè)排放可能有兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果：一種是促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，然后導(dǎo)致更高的海水蒸發(fā)率和降水量；另一種是有機(jī)油類減少水的蒸汽壓，然后減少海水蒸發(fā)率和降水量（其實(shí)有機(jī)油類，不完全燃燒物等灰霾粒子的干沉降將明顯地覆蓋整個(gè)地面，導(dǎo)致地面的整體水蒸發(fā)速度下降）。

由于全球性工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致全球氣候變暖，近來在高緯度地區(qū)的降水量可能增加，而低緯度而降低（Liu等，2013），因此低緯度的沿海地區(qū)隨著污染的進(jìn)一步上升部分沿海地區(qū)水質(zhì)變?yōu)榱?類污水后（例如上海周邊），其地區(qū)溫度將上升，降水減少。

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The Influence of Industrialization Emissions on Coastal Climate

TONG Yongpeng, ZHU Zhipeng, WU Zhengxin
Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

As a result of global warming, precipitation is likely to increase at high latitudes. However, the mechanisms by which human activity influences global climate change are far from completely understood. Industrialization has had an undeniable impact on the global ecosystem, of particular significance to the issue of global warming, the flow of industrial by-products into the ocean can upset the marine ecological balance, which in turn can have a significant affect on climate. We try to analyze the relationship between industrial pollution, phytoplankton biomass and climate signature by Chinese industrialization progresses. It can be concluded that Chinese industrialization has led to changes in the marine food chain of coastal areas. The resulting increase in the biomass of phytoplankton causes an increase in the seawater evaporation rate which then contributes to a rise in the humidity in surrounding cities, which in turn can lead to increased intensity and volume of precipitation. However, it is well known that all pollutants in water will decrease the water vapour pressure according to Raoult's law. So industrial emissions may have two competing effects: one is to promote the growth of phytoplankton and then causing higher seawater evaporation rates and precipitation; another is to decrease water vapour pressure which then reduces the seawater evaporation rate and precipitation. In China, precipitation is becoming more concentrated in some seasons and some areas with higher biomass of phytoplankton. The temperature in seriously polluted costal cities (with below-fourth-class seawater) with less biomass of phytoplankton will increase quickly and the surrounding humidity and precipitation will decrease as industrialization progresses. Regional climate change also increases the frequency of typhoon formation in the recent years. The total influence on climate of industrialization progresses in china is that annual average temperature after industrialization is significantly increased, whereas, annual average precipitation is no significantly difference. The influence of Chinese industrialization on climate patterns should be taken into account in the study of global climate change.

industrial emissions; phytoplankton; climatic characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.026

X826

A

1674-5906（2015）02-0352-07

童永彭，朱志鵬，吳正新. 工業(yè)化排放物對(duì)中國(guó)沿海氣候的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(2): 352-358.

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11375117）；國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“上海同步光源”（SSRF）開放課題（10sr0334）

童永彭（1963年生），男，教授，博士，從事核技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用。E-mail：yongpeng@szu.edu.cn

2014-08-27