我國近海陸架鋒面與生態(tài)效應(yīng)研究回顧

劉東艷，呂 婷，林 磊，韋欽勝

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.華東師范大學(xué) 崇明生態(tài)研究院，上海 200241；3.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.自然資源部 第一海洋研究所海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

鋒面（Front）的概念起源于氣象領(lǐng)域，指冷暖氣團(tuán)相遇的交接面。日本海洋學(xué)家最早注意到海洋中冷暖流之間的分界條帶，稱之為“潮目”并描述了其相關(guān)特征，例如：激流的出現(xiàn)、漂浮物的聚集、魚類和鳥類的顯著增加等[1]。1950 年，美國海洋學(xué)家在墨西哥灣流對(duì)“潮目”現(xiàn)象展開觀測，發(fā)現(xiàn)“潮目”位置存在波動(dòng)彎曲、不斷變化的動(dòng)態(tài)特征[2-3]，意識(shí)到該現(xiàn)象與氣象鋒面在原理和結(jié)構(gòu)上存在相似性，決定將其描述為海洋鋒面（Ocean front）。1956 年，美國學(xué)者首次給出海洋鋒面的定義，即海表密度急劇變化的帶狀區(qū)[4]。20世紀(jì)六七十年代，有學(xué)者將鋒面定義為純粹的熱現(xiàn)象，認(rèn)為將冷暖水體分開的條帶即為海洋鋒面[5-6]。在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，F(xiàn)edorov 于1986 年提出鋒面區(qū)域與鋒面的不同定義，鋒面區(qū)域是指主要熱動(dòng)力特征空間梯度相對(duì)較高的海域；而鋒面則是鋒面區(qū)域內(nèi)一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)（溫度、鹽度、密度、速度等）的最大不連續(xù)面[7-8]。因此，鋒面的位置可基于溫度、鹽度、密度、懸浮物、葉綠素等特征參數(shù)的水平梯度，或它們的更高階微商來判定。

大量研究證據(jù)表明，鋒面廣泛存在于河口、陸架、極地與大洋中，是海洋中常見的物理過程，水平寬度從米到千米不等，受兩側(cè)水團(tuán)變化與海氣相互作用等因素的影響，在空間和時(shí)間上呈現(xiàn)出不連續(xù)的高動(dòng)態(tài)變化特征[9]。海洋生命有機(jī)體的運(yùn)動(dòng)、聚集等行為十分依賴于海水中重力與光的變化方向，鋒面區(qū)域較強(qiáng)的垂直環(huán)流和輻聚等物理過程，為實(shí)現(xiàn)上述行為提供重要機(jī)械能[10-11]。例如，大部分鋒面的兩側(cè)或至少一側(cè)存在表層輻聚作用，以及與其相關(guān)的下降流，能夠抵抗下降流的物質(zhì)或有機(jī)體會(huì)在上層水體聚集，故與鋒面相關(guān)的強(qiáng)輻聚流速可以非常有效地聚集浮游生物和其他漂浮物質(zhì)（如：灰塵、泡沫和木材等碎屑）[12]。如果鋒面區(qū)域存在輻散，將會(huì)出現(xiàn)上升流，可以把營養(yǎng)豐富的海洋次表層或底層水帶入上層，這些物理過程可為生物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)與良好的光照條件，是鋒面區(qū)域形成高生產(chǎn)力的主要機(jī)制[13-15]。

鋒面區(qū)域的高生產(chǎn)力吸引了大量海洋生物前來覓食，甚至在附近建立育幼場[16-17]。金槍魚、劍魚或抹香鯨等自由游泳者，可以通過復(fù)雜的感覺系統(tǒng)探測到鋒面區(qū)域，進(jìn)而聚集到鋒區(qū)漂浮物附近捕食有機(jī)體[18]。沿海鳥類可以通過視覺發(fā)現(xiàn)獵物聚集區(qū)，直接定位獵物或通過識(shí)別其他水下捕食者的數(shù)量與活躍程度來發(fā)現(xiàn)獵物；遠(yuǎn)洋海鳥（如：大型信天翁和海燕）甚至在飛行旅途中都可以利用嗅覺線索，探測到集聚在鋒面區(qū)域的浮游動(dòng)物、魚類或?yàn)踬\等，從而獲取補(bǔ)充能量的食物[19]。此外，鋒面受兩側(cè)水體“力”的大小和內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)影響，其位置處于動(dòng)態(tài)變化之中，水體的不穩(wěn)定性可以引起兩側(cè)水團(tuán)的跨鋒面交換，形成一個(gè)過渡區(qū)。這個(gè)過渡區(qū)的生態(tài)梯度在一定程度上能夠維持并加強(qiáng)不同水團(tuán)間生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)隔離[20-21]。因此，狹窄的鋒面區(qū)域在海洋物質(zhì)輸運(yùn)、生物生產(chǎn)、群落與生境區(qū)劃等方面扮演著重要角色，深入理解鋒面生態(tài)效應(yīng)的形成與控制機(jī)制是生態(tài)系統(tǒng)預(yù)報(bào)預(yù)測的重要環(huán)節(jié)。

1 我國邊緣海鋒面的基本特征

我國邊緣海一方面受到黑潮及分支水系季節(jié)性入侵的影響，另一方面受到長江、黃河等大河流輸入的影響，這些不同性質(zhì)的多個(gè)水系或者水團(tuán)在陸架區(qū)域交互作用，并受到陸坡地形約束，沿等深線形成復(fù)雜的鋒面結(jié)構(gòu)[22-23]。海洋學(xué)家通過現(xiàn)場觀測、衛(wèi)星遙感和數(shù)值模擬等研究方法，歷經(jīng)數(shù)十年，基本闡明了渤、黃、東、南海陸架鋒面的位置、季節(jié)特征與機(jī)制類型，明確了其中14 個(gè)永久性的準(zhǔn)靜止鋒面（圖1），包括渤海海峽鋒面、山東半島沿岸鋒面、蘇北沿岸鋒面、西韓灣鋒面、京畿灣鋒面、濟(jì)州島西鋒面、長江環(huán)形淺灘鋒面、閩浙沿岸鋒面、黑潮鋒面、臺(tái)灣沿岸鋒面、閩粵沿岸鋒面、珠江口沿岸鋒面、瓊東鋒面、北部灣鋒面。它們與陸架基本環(huán)流及其他中小尺度海洋過程（如：渦旋、內(nèi)波等）共同調(diào)控著我國邊緣海物質(zhì)能量的輸運(yùn)以及生物生產(chǎn)過程。

圖1 我國邊緣海14 個(gè)準(zhǔn)靜止鋒面的分布位置Fig.1 The position of quasi-stationary fronts in the marginal seas of China

我國邊緣海鋒面的早期研究始于河口[30]，后逐漸拓展到陸架海。Zheng 和Klemas[31]率先利用衛(wèi)星遙感紅外影像，明確了位于黃海沿岸流與黃海暖流交界處的山東半島冬季鋒面。繼而，趙保仁等[24-26]發(fā)現(xiàn)了蘇北沿岸鋒面、西韓灣鋒面、京畿灣鋒面、濟(jì)州島西鋒面，以及渤海海峽鋒面。隨著水色衛(wèi)星與微波遙感的發(fā)展，海洋學(xué)家利用海表溫度數(shù)據(jù)反演出了東中國海9 個(gè)永久性的準(zhǔn)靜止鋒面與南海5 個(gè)永久性的準(zhǔn)靜止鋒面（圖1 和表1），以及它們冬強(qiáng)夏弱的季節(jié)性變化特征[23,27-28]。值得注意的是，盡管在海表溫度的探測上這些鋒面呈現(xiàn)出冬強(qiáng)夏弱的特征（圖2），但在觀測以及高分辨率數(shù)值模擬的結(jié)果中，夏季鋒面并不弱，強(qiáng)鋒面常存在于海洋的次表層和底層（例如：Ma 等[32]、Lü等[33]、Wu 和Wu[34]）。

圖2 我國邊緣海鋒面強(qiáng)度的季節(jié)變化特征Fig.2 Seasonal variations of the front intensity in the marginal seas of China

表1 渤、黃、東海與南海北部主要鋒面的名稱與類型Table 1 Types of main fronts in Bohai,Yellow Sea,East China Sea and northern South China Sea

學(xué)者們進(jìn)一步對(duì)鋒面的形成機(jī)制開展了大量研究。Huang 等[23]認(rèn)為冬季鋒面的形成機(jī)制主要有2 個(gè)：一是近岸和中部陸架不同水深的海溫對(duì)海表降溫的響應(yīng)不同，故形成了沿水深變化的溫度梯度；二是暖流和冷的沿岸流交匯增強(qiáng)了溫度梯度。夏季鋒面的形成則主要由潮汐混合所致，存在天氣尺度和大小潮變化，以及與上升流的聯(lián)合作用[23,26,38]。根據(jù)Ou[39]的研究，陸架上密度梯度形成后，地轉(zhuǎn)調(diào)整等過程會(huì)促進(jìn)局地輻聚，強(qiáng)化初始密度梯度，進(jìn)而引起密度的水平不連續(xù)，導(dǎo)致鋒面的形成。劉先炳和蘇紀(jì)蘭[40]曾指出夏季閩浙沿岸鋒面的形成主要與上升流有關(guān)，但這與潮汐鋒面的闡述并不矛盾，因?yàn)閰涡聞偟萚41]的數(shù)值研究表明，該上升流的產(chǎn)生與潮汐混合有著密切的關(guān)系。鋒面處往往伴隨著上升流的產(chǎn)生，并會(huì)提升表層鋒面的強(qiáng)度。在東中國海的鋒面中，黑潮鋒面與其他鋒面的形成機(jī)制不同。黑潮鋒面是由西邊界流及東海大陸坡聯(lián)合作用下形成的陸架坡折鋒，海氣相互作用對(duì)該鋒面的形成具有重要作用，海表溫度梯度形成的海表氣壓差誘導(dǎo)沿鋒面的海表風(fēng)，增強(qiáng)了跨陸架環(huán)流，導(dǎo)致較暖的陸架外水體向陸架匯聚，增加了鋒面強(qiáng)度[42]。閩粵與臺(tái)灣沿岸冬季鋒面的形成是沿岸流和南海水交匯作用的結(jié)果，而夏季鋒面的形成主要與上升流有關(guān)[35-36]。Pi 和Hu[43]利用衛(wèi)星遙感海表溫度數(shù)據(jù)研究了臺(tái)灣海峽及其附近海域的鋒面，發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣淺灘鋒可細(xì)分為南部淺灘鋒和北部彰云沙脊鋒，2 條鋒面在強(qiáng)盛時(shí)期會(huì)連在一起，不易區(qū)分；它們?cè)? 月至5 月為鋒面活躍期，而在6 月至10 月為衰退期。海南島東岸（瓊東）和北部灣沿岸鋒面形成的主要?jiǎng)恿σ嗍浅毕旌?，但鋒面位置和強(qiáng)度受氣象狀況影響顯著，東北季風(fēng)加強(qiáng)有利于鋒面強(qiáng)度的增加[37,44]。此外，Yu 等[45]通過分析2003 年至2017 年南海的海表溫度，發(fā)現(xiàn)鋒面年際變化趨勢受到厄爾尼諾過程的影響。這些研究明確了潮致混合、上升流以及天氣尺度對(duì)鋒面位置、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的綜合控制作用，對(duì)理解鋒面的生態(tài)效應(yīng)具有重要的理論支撐作用。

隨著衛(wèi)星分辨率的提高、觀測強(qiáng)度的增加與高分辨模式的運(yùn)用，一些雙鋒面結(jié)構(gòu)在我國邊緣海被識(shí)別出來。例如，利用4 km 分辨率的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）海表溫度數(shù)據(jù)，He等[48]發(fā)現(xiàn)冬季閩浙沿岸存在雙鋒面結(jié)構(gòu)，其形成與近岸水深梯度及不同水深對(duì)冬季海表降溫的響應(yīng)差異密切相關(guān)。Lin 等[46]通過約1 km 分辨率的MUR（Multi-scale Ultra-high Resolution）海表溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北黃海沿岸在夏季存在一條沿10 m 等深線的鋒面，與潮汐鋒面（基本沿40 m 等深線）幾乎平行，它們?cè)诳臻g上形成一個(gè)雙鋒面結(jié)構(gòu)，這與夏季斜坡地形導(dǎo)致的差溫加熱和潮汐混合密切相關(guān)。此外，鋒面結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性會(huì)誘導(dǎo)鋒面穿刺和鋒面波等亞中尺度、小尺度過程。根據(jù)衛(wèi)星遙感葉綠素a 質(zhì)量濃度和海表溫度數(shù)據(jù)，Yuan等[49]首次在閩浙沿岸發(fā)現(xiàn)跨陸架穿刺鋒面。穿刺鋒面的形成機(jī)制受到學(xué)者關(guān)注。Yuan 等[50]認(rèn)為穿刺鋒面與臺(tái)灣暖流和閩浙沿岸流的輻聚有關(guān)；Ren 等[51]則認(rèn)為是季風(fēng)轉(zhuǎn)換的作用；Wu[52]利用數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)潮汐混合的不均勻性導(dǎo)致了等密線沿等深線方向的起伏，這種起伏進(jìn)一步通過斜壓與下墊面陸架地形的耦合作用產(chǎn)生了跨陸架的輸運(yùn)，因此提出“潮汐-背景密度層聯(lián)合作用”機(jī)制。Yin 和Huang[53]通過分析水色遙感圖像，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)閩浙沿岸鋒面上存在尺度為10～20 km 的鋒面波動(dòng)，風(fēng)暴激發(fā)的鋒面斜壓不穩(wěn)定性導(dǎo)致亞中尺度渦的形成，引起跨鋒面水體交換。無論是鋒面還是鋒面穿刺和鋒面波引起的次生物理過程，都能夠在局部空間上調(diào)控海洋中的物質(zhì)分配，進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，并在食物鏈上形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)。下文將具體分解我國學(xué)者對(duì)不同類型鋒面的生態(tài)效應(yīng)研究。

2 河口鋒的生態(tài)效應(yīng)

在河口或河口羽流的邊緣，陸地淡水與高鹽度海水交匯往往會(huì)形成河口鋒。大型河口的河口鋒結(jié)構(gòu)明顯，可以觀察到顯著的泡沫帶輻聚和水體顏色變化，其位置和強(qiáng)度受到徑流量與外部強(qiáng)迫場（如：風(fēng)、潮汐等）的共同影響，如長江口、珠江口、密西西比河口[54-55]。河口鋒存在不同類型，如果河流攜帶大量泥沙，在營養(yǎng)物質(zhì)豐富的內(nèi)河口，會(huì)出現(xiàn)典型的泥沙鋒面。泥沙鋒面產(chǎn)生的物理機(jī)制屬于潮汐混合鋒的一種，由低鹽沖淡水和潮汐混合相互作用形成。鋒面靠岸的淺水側(cè)，潮汐混合導(dǎo)致泥沙再懸浮，故水體呈現(xiàn)懸浮物濃度高、營養(yǎng)物質(zhì)豐富但光線低的特征；而鋒面向海的深水側(cè)，水體的層化抑制了泥沙再懸浮，故水體相對(duì)清澈，同時(shí)泥沙鋒附近迅速升高的鹽度可加大絮凝作用，導(dǎo)致泥沙在鋒面附近快速沉降，呈現(xiàn)肉眼可見的清濁分界線（圖3a）。進(jìn)入外河口，鹽度相對(duì)較低的河流沖淡水與陸架高鹽水匯聚，相互作用會(huì)形成羽流鋒（圖3a）。密度相對(duì)較低的沖淡水堆積在密度較高的海水上層，所產(chǎn)生的正壓梯度力的方向與其下側(cè)高密度水體形成的水平斜壓梯度力方向相反，使得羽流鋒區(qū)表現(xiàn)出水體輻聚特征，對(duì)河口物質(zhì)輸運(yùn)以及生物生產(chǎn)發(fā)揮重要作用[56-57]。

長江是世界上徑流量最大的河流之一，每年向海洋輸送大量的淡水、懸浮泥沙和各類營養(yǎng)物質(zhì)。大量研究表明，長江口泥沙鋒面對(duì)長江陸源物質(zhì)向海輸送具有重要影響。泥沙與懸浮顆粒物存在吸附行為，故泥沙沉降能夠捕獲與截留河流帶來的污染物，使得各種形態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在泥沙鋒面附近驟減，如：有害重金屬，有機(jī)磷和持續(xù)性有機(jī)污染物等，發(fā)揮了河口的自然過濾作用[58-60]。在外河口，長江沖淡水向外擴(kuò)展并與陸架高鹽水之間形成羽流鋒面，在空間上與泥沙鋒面一起形成一個(gè)類似“三明治”的結(jié)構(gòu)，將水體“切割”成3 個(gè)不同性質(zhì)的水團(tuán)（圖3b）。由于長江口懸浮物質(zhì)在泥沙鋒面附近大量沉降，濁度在向海的深水側(cè)顯著降低，水體光照條件得以快速提升，同時(shí)，羽流鋒的南側(cè)在地形誘導(dǎo)下會(huì)形成上升流，將底層營養(yǎng)鹽帶至表層水體，這些過程非常有利于上層水體浮游植物的生長，再結(jié)合鋒面區(qū)域的物理輻聚作用，在泥沙鋒和羽流鋒之間容易形成一個(gè)浮游植物高值區(qū)（圖3b），甚至在春夏期間出現(xiàn)大面積赤潮[61-62]。例如，2003年6 月在長江口海域出現(xiàn)以中肋骨條藻（Skeletonema costatum）、異甲藻（Heterocapsa circularisquama）和具齒原甲藻（Prorocentrum dentatum）為主的大面積赤潮，對(duì)應(yīng)的葉綠素a 高值區(qū)靠近羽流鋒區(qū)[61]。類似現(xiàn)象在珠江口外亦有報(bào)道。1998 年11 月，珠江口發(fā)生過一次大規(guī)模甲藻（Gymnodiniumcf.catenatum）赤潮，現(xiàn)場實(shí)測和衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，赤潮位置主要出現(xiàn)在較冷的低鹽沖淡水與較暖的高鹽南海水形成的鋒面區(qū)域[63]。鋒面過程還會(huì)影響到河口缺氧區(qū)的形成與分布。已有的觀測與模式結(jié)果顯示，夏季長江口缺氧核心區(qū)主要發(fā)生在泥沙鋒與羽流鋒之間的海域，而且羽流鋒在春-夏-秋之間的季節(jié)性轉(zhuǎn)向會(huì)影響到缺氧區(qū)的位置變動(dòng)[64-66]。在夏季觀測中，還發(fā)現(xiàn)長江口會(huì)間歇性地出現(xiàn)低鹽水斑塊脫離沖淡水主體鋒面的現(xiàn)象，進(jìn)而形成離岸低鹽水團(tuán)[67-70]；具有較高營養(yǎng)鹽與透明度的低鹽水團(tuán)，能夠觸發(fā)離岸浮游植物藻華，藻體大量死亡后的沉降分解過程會(huì)快速消耗氧氣，成為底層水體缺氧的重要誘因[69]。長江口亦同時(shí)存在上升流鋒面與河口羽流鋒的耦合現(xiàn)象[65,71]。上升流的垂向輸運(yùn)可有效補(bǔ)充鋒區(qū)的營養(yǎng)鹽[72]，甚至對(duì)海-氣界面的CO2通量產(chǎn)生影響[73]。長江口-浙江近海的關(guān)聯(lián)性研究發(fā)現(xiàn)，在夏季底層缺氧發(fā)生期間，上升流的存在可將缺氧水體抬升至上層，擴(kuò)大缺氧區(qū)的空間體積，進(jìn)而產(chǎn)生一系列的生物地球化學(xué)效應(yīng)[65,72]。

圖3 河口鋒面結(jié)構(gòu)示意圖及長江河口泥沙鋒與羽流鋒的位置及環(huán)境特征Fig.3 Schematic diagram of estuarine fronts,locations of the sediment and plume fronts in the Changjiang River Estuary and their environmental characteristics

泥沙鋒和羽流鋒形成的雙鋒面結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同水團(tuán)間生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)隔離，并通過維持生態(tài)梯度表達(dá)出群落結(jié)構(gòu)的差異性。例如，調(diào)查結(jié)果表明，硅藻的優(yōu)勢度在長江口泥沙鋒近岸一側(cè)可達(dá)93%；在泥沙鋒和羽流鋒之間的區(qū)域，硅藻（～72%）和隱藻（～13%）貢獻(xiàn)度相對(duì)較高；而在羽流鋒離岸一側(cè)，定鞭藻（～53%）和隱藻（～13%）的貢獻(xiàn)度則更為顯著[74-75]。類似現(xiàn)象在珠江口亦有報(bào)道，研究者發(fā)現(xiàn)浮游植物粒級(jí)在鋒面向陸一側(cè)以小型和微型（細(xì)胞大小：3～200 μm）為主，而在鋒面向海一側(cè)則以微微型（細(xì)胞大小≤3 μm）為主[76-78]。傳統(tǒng)研究認(rèn)為生態(tài)梯度與河口鹽度變化相關(guān)，而鋒面的形成在原理上與河口鹽度梯度密切相關(guān)，因此，如果我們能以鋒面為邊界來考慮生態(tài)梯度問題，會(huì)更為準(zhǔn)確，因?yàn)樗菧佧}等多因素綜合作用的結(jié)果。

河口鋒面還會(huì)對(duì)陸源有機(jī)碳在海洋中的輸運(yùn)、移除和埋藏產(chǎn)生影響。長江口與東海陸架沉積速率的研究表明，長江口和東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)的210Pb 沉積速率通常在1～3 cm/a，而東海中/外陸架沉積速率明顯降低（＜3 mm/a）[79]。東海陸架有機(jī)碳的收支模型顯示，超過95%的陸源有機(jī)碳在長江口和東海內(nèi)陸架埋藏，而僅有不到5%會(huì)進(jìn)入東海中/外部陸架[80]。據(jù)估算，中國東部邊緣海泥質(zhì)區(qū)生源有機(jī)碳的年埋藏通量為（7.00 ± 0.79）Mt，與中國主要河流流域內(nèi)硅酸鹽風(fēng)化所吸收的CO2通量相近（5.05～7.52 Mt/a）[81-82]，這些研究結(jié)果表明與河口有密切關(guān)聯(lián)的泥質(zhì)沉積區(qū)是有機(jī)碳埋藏與保存的熱點(diǎn)區(qū)域，可形成有效的碳匯。因此，需要深入探究河口鋒面對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的屏障作用，以及對(duì)內(nèi)陸架碳埋藏的重要貢獻(xiàn)。

3 潮汐鋒與陸架坡折鋒的生態(tài)效應(yīng)

大多數(shù)沿岸鋒面的形成都與潮致混合密切相關(guān)。沿岸區(qū)域的潮汐能量耗散較高且存在較強(qiáng)的湍流混合，故能夠克服季節(jié)性水柱分層形成一個(gè)潮致強(qiáng)混合區(qū)，它與層化的離岸深水區(qū)之間會(huì)形成潮汐鋒面（圖4a）。受非線性潮汐的強(qiáng)烈影響，近岸水團(tuán)的非對(duì)稱潮汐混合和斜壓渦存在不穩(wěn)定性，有利于物質(zhì)的跨鋒面輸運(yùn)[83-84]。例如，大潮增強(qiáng)的混合作用可迫使鋒面向離岸方向移動(dòng)，部分層化水體因此轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠣顟B(tài)，故近岸與深層水的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被輸送到離岸的上層水體中，有效支持浮游植物生長[55,85]。此外，風(fēng)應(yīng)力誘導(dǎo)的埃克曼（Ekman）輸運(yùn)會(huì)在短期內(nèi)將水體和顆粒物質(zhì)從層化區(qū)輸運(yùn)至混合區(qū)，為上層水體浮游植物的生長提供營養(yǎng)物質(zhì)[55,86]。我國山東半島鋒面、閩浙沿岸鋒面等近岸鋒面系統(tǒng)均有此特征。

圖4 潮汐鋒與陸架坡折鋒的垂向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The vertical structure of tidal fronts and shelf-break fronts

山東半島和蘇北淺灘外側(cè)夏季鋒面的形成與黃海冷水團(tuán)密切相關(guān)。黃海冷水團(tuán)是一個(gè)以低溫為主要特征的巨大水團(tuán)，存在于黃海中部的深水區(qū)，它與上混合層之間形成較強(qiáng)的溫、鹽躍層，受潮混合作用的影響，其周圍會(huì)形成水平梯度很強(qiáng)的溫鹽鋒面[87]。冷水團(tuán)中有機(jī)質(zhì)分解后產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽會(huì)積聚在底部水體，形成一個(gè)巨大的營養(yǎng)物質(zhì)貯庫，而冷水團(tuán)邊界鋒區(qū)的潮致上升流能夠?qū)⒌讓訝I養(yǎng)物質(zhì)輸送到上層水體，助力上層水體的生物生產(chǎn)（圖5）。已有研究表明，夏季由南黃海冷水團(tuán)邊界鋒區(qū)上升流輸送至真光層中的溶解態(tài)無機(jī)氮、磷酸鹽和硅酸鹽通量可分別達(dá)1.44×103μmol/（m2·d）、0.11×103μmol/（m2·d）和2.01×103μmol/（m2·d），約占總營養(yǎng)鹽供應(yīng)量的30%～50%；在受冷水上涌影響的區(qū)域，營養(yǎng)鹽通量與水柱積分葉綠素a 和初級(jí)生產(chǎn)力之間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[88]。此外，受海水富營養(yǎng)化過程的影響，我國大部分近岸海域存在氮磷比例失衡的問題。有研究表明黃海冷水團(tuán)存在有效的脫氮作用[89]，故冷水團(tuán)邊界鋒區(qū)上升流可在一定程度上改善上層水體中營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失調(diào)的狀態(tài)。夏季冷水團(tuán)邊界鋒面還能夠有效阻礙懸浮泥沙由近岸向遠(yuǎn)岸的輸運(yùn)，使得近岸高濁度水體與離岸海水之間存在清晰的邊界（圖5）。這一現(xiàn)象在蘇北淺灘外側(cè)尤為顯著，冷水團(tuán)鋒面海域濁度明顯降低，為離岸浮游植物的繁殖提供了良好的光照條件[90]，并伴隨著高豐度的浮游纖毛蟲[91]。

圖5 夏季黃海冷水團(tuán)鋒區(qū)的主要生態(tài)特征Fig.5 The primary ecological characteristics near the frontal zone of the Yellow Sea Cold Water Mass in summer

冬季，受黃海暖流入侵影響，黃海冷水團(tuán)逐漸消失，鋒面逐漸演變?yōu)辄S海暖流與沿岸水交匯而形成的溫度梯度，同時(shí)，黃海沿岸流在北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下沿鋒面南下，從而對(duì)山東半島海域的物質(zhì)輸運(yùn)起到重要的作用。在水平方向上，鋒面的“屏障效應(yīng)”給近岸物質(zhì)的跨鋒面離岸水平輸運(yùn)帶來難度，使得懸浮顆粒物主要集中在鋒面的向岸一側(cè)，例如，受鋒面的屏障作用影響，山東半島成山頭附近海域的泥質(zhì)沉積區(qū)在形態(tài)及空間位置上形成與“Ω”型鋒面結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特征[94-95]。Wang 等[96]通過高分辨率的數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn)，鋒面不僅影響山東半島近岸海域懸浮物質(zhì)的輸運(yùn)和沉積，而且還在一定程度上控制著泥質(zhì)區(qū)的發(fā)育。Lin 等[46]利用衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，江蘇沿岸冬季鋒面的葉綠素a 高值條帶與鋒面對(duì)懸浮泥沙跨鋒面輸運(yùn)的限制作用密切相關(guān)，懸浮泥沙濃度在鋒面附近快速降低，導(dǎo)致鋒面外側(cè)的光照水平顯著提升，促進(jìn)了浮游植物的生長。Lü等[97]通過對(duì)20 年的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的比較研究發(fā)現(xiàn)，山東半島冬季鋒面強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變化能夠影響混合層深度與湍流擴(kuò)散速率，春季松弛的鋒面有助于提高水體穩(wěn)定度并促進(jìn)混合層變淺，這些物理過程不僅能夠幫助浮游植物在上層水體積聚，還會(huì)加速營養(yǎng)鹽從近岸向陸架的輸送，對(duì)離岸浮游植物春季水華的暴發(fā)時(shí)間和規(guī)模起到重要的調(diào)制作用。此外，鋒面區(qū)域產(chǎn)生的潮致上升流對(duì)營養(yǎng)鹽向上層水體的垂向輸送具有重要影響。胡好國等[98]利用三維物理-生物耦合模式發(fā)現(xiàn)，南黃海鋒面區(qū)域葉綠素a 質(zhì)量濃度高值區(qū)的成因與鋒區(qū)較強(qiáng)的垂直渦動(dòng)擴(kuò)散相關(guān)，海水底層的營養(yǎng)鹽可以通過混合輸送到表層。鋒區(qū)上升流引起營養(yǎng)鹽垂向輸運(yùn)并支撐著高生物量的浮游植物，這為黃海鳀魚的產(chǎn)卵、育幼提供了充足的食物，在黃海大海洋生態(tài)系統(tǒng)的形成和維持過程中發(fā)揮著重要作用[93,99-101]。

鋒面的上述生態(tài)效應(yīng)在閩浙沿岸、閩南-粵東、粵西-瓊東、南海西南部均有觀測報(bào)道[102]。閩浙沿岸鋒面與臺(tái)灣東北部向東海陸架的涌升流，在支撐東海內(nèi)陸架的生物生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[103]，特別在舟山群島以南海域[104]。該區(qū)域的上升流主要來自黑潮次表層水，富含磷酸鹽且營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)合理（N/P 比值約為14～15.4），可以改善近岸海域磷酸鹽限制與N/P 比值過高的狀態(tài)[105-106]。然而，閩浙沿岸鋒面上升流同時(shí)也會(huì)輸送大量來自底泥的藻類孢囊，它們可以在光照、溫度和營養(yǎng)鹽合適的情況下萌發(fā)，并結(jié)合鋒面的輻聚作用形成赤潮[107-108]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)。例如，Dai 等[109]和曾宇蘭等[110]發(fā)現(xiàn)東海原甲藻（Prorocentrum donghaiense）赤潮暴發(fā)早期主要出現(xiàn)在閩浙沿岸鋒面處，故認(rèn)為鋒面是原甲藻赤潮發(fā)生的種源地。此外，黑潮水中的一些甲藻也會(huì)隨上升流到達(dá)閩浙鋒面處，成為赤潮暴發(fā)的種源[108]。這些研究對(duì)理解閩浙沿岸鋒面直至長江口的大面積赤潮、缺氧等生態(tài)災(zāi)害現(xiàn)象具有重要參考價(jià)值。

在陸架坡折處，鹽度較低且偏冷的陸架水與鹽度較高且偏暖的大洋水相遇，會(huì)形成陸架坡折鋒面（圖4b），該類鋒面形成時(shí)會(huì)受到海氣耦合和斜坡地形的共同作用，故通常沿等深線分布[111-112]。鋒面對(duì)大氣混合層的影響會(huì)削弱垂直切變并加強(qiáng)海表面風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)進(jìn)而促進(jìn)垂直混合，將營養(yǎng)物質(zhì)豐富的底層水?dāng)y入上層透光區(qū)，可顯著提升海洋初級(jí)生產(chǎn)力，有力支撐了海洋漁場的漁獲量[113-114]。此外，沿鋒面急流和跨鋒面二次環(huán)流的存在可進(jìn)一步加強(qiáng)底層營養(yǎng)鹽向上層水體的輸送能力，為次表層浮游植物的生長提供有利條件[42,115-116]。例如，形成于新西蘭南島東南沿海的陸架坡折鋒，能夠?qū)⒊Ａ繝I養(yǎng)鹽缺乏但鐵含量相對(duì)豐富的亞熱帶暖水與常量營養(yǎng)鹽豐富但缺乏鐵和硅酸鹽的亞南極冷水混合起來，顯著提高該區(qū)域的初級(jí)生產(chǎn)力水平，支撐深水魚類資源[117-118]。

黑潮鋒面屬于典型的陸架坡折鋒，由西邊界流及東海大陸坡聯(lián)合作用形成。20 世紀(jì)80 年代，我國“向陽紅”09 號(hào)調(diào)查船對(duì)（128°30’E，25°～33°N）以西海域進(jìn)行了多學(xué)科綜合性調(diào)查，在黑潮西側(cè)的上升流誘導(dǎo)鋒面內(nèi)，發(fā)現(xiàn)葉綠素a 質(zhì)量濃度可增加到0.3 mg/m3，而黑潮其他水域的葉綠素a 質(zhì)量濃度則低于0.2 mg/m3[119]。最初認(rèn)為近岸陸架鋒和黑潮鋒的屏障作用，會(huì)留儲(chǔ)營養(yǎng)物質(zhì)自近岸區(qū)向外擴(kuò)散的通量，從而有助于浮游植物在黑潮鋒靠陸架側(cè)生長，導(dǎo)致葉綠素a 高值區(qū)的產(chǎn)生[120-121]。Chen 等[42]利用海洋-大氣耦合模型研究了鋒面海氣相互作用和相關(guān)海洋環(huán)流對(duì)營養(yǎng)鹽輸送和初級(jí)生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)鋒面上升流可以加強(qiáng)水體垂向混合作用，從而促進(jìn)富含營養(yǎng)鹽的底層水向真光層的輸送，支撐浮游植物在該區(qū)域的生長。隨后，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到鋒面過程的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性同時(shí)還會(huì)誘導(dǎo)渦旋和次級(jí)環(huán)流的產(chǎn)生，對(duì)物質(zhì)的跨鋒面、跨躍層交換產(chǎn)生重要影響。黑潮北上過程中與東海陸架水的相互作用主要通過鋒面渦旋進(jìn)行。在黑潮鋒面渦存在的情況下，被泵吸到真光層并向陸架方向輸運(yùn)的NO3-N 量可達(dá)1.7 × 105t/a，這些營養(yǎng)鹽可以通過上升流進(jìn)入東海內(nèi)陸架[122]。類似現(xiàn)象，在南海西南部鋒面上升流區(qū)亦有報(bào)道，發(fā)現(xiàn)上升流區(qū)存在活躍的細(xì)絲狀和渦旋狀次中尺度過程[123-124]，其水平尺度約為1～10 km，可以提升鋒面處的垂向流速，是物質(zhì)垂向交換的重要途徑[125]。

Yuan 等[49]根據(jù)衛(wèi)星遙感葉綠素a 質(zhì)量濃度和海表溫度數(shù)據(jù)，首次報(bào)道了夏、秋季東海閩浙沿岸的跨陸架穿刺鋒面，其尺度在百千米范圍內(nèi)。研究顯示，風(fēng)場作用下長江沖淡水南下并堆積在閩浙沿岸是穿刺鋒面產(chǎn)生的一個(gè)重要前提，而風(fēng)場和臺(tái)灣暖流在穿刺鋒面運(yùn)移過程中發(fā)揮著重要作用[126]。東海穿刺鋒面無疑能夠增強(qiáng)跨陸架方向的水體和物質(zhì)輸運(yùn)。穿刺鋒面可成為具有較高營養(yǎng)鹽的內(nèi)陸架水與低營養(yǎng)鹽外海水交換的重要通道，進(jìn)而將內(nèi)陸架營養(yǎng)鹽向外海輸出，故穿刺鋒面區(qū)往往伴隨著葉綠素的高值[52,126]，這也在一定程度上證實(shí)了穿刺鋒對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)和生態(tài)過程的影響。Ren 等[51]還報(bào)道了東海穿刺鋒面對(duì)溶解態(tài)鋁分布和輸運(yùn)的影響，并由此發(fā)現(xiàn)該鋒面在擴(kuò)展過程中存在方向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。綜上可以推斷，穿刺鋒面與閩浙沿岸鋒面一起形成復(fù)雜的鋒面結(jié)構(gòu)，穿刺鋒面作為驅(qū)動(dòng)?xùn)|海物質(zhì)離岸輸運(yùn)的重要物理過程，與黑潮次表層水向岸入侵和內(nèi)陸架上升流的向岸輸運(yùn)相對(duì)應(yīng)，共同驅(qū)動(dòng)了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量交換過程。

4 鋒面的生態(tài)區(qū)劃功能

鋒面的屏障作用除了影響物質(zhì)的交換，還可以限制兩側(cè)水團(tuán)中不同生物群落的交換，在鋒面上則可以形成一個(gè)群落交錯(cuò)區(qū)，使鋒面兩側(cè)保持相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)[7,127]。這個(gè)功能在浮游生態(tài)學(xué)研究中尤顯重要，它能夠幫助研究者在空間上更好地認(rèn)識(shí)群落分布的規(guī)律和控制機(jī)制。除上文中提到長江口鋒面對(duì)浮游植物組成存在梯度效應(yīng)之外，我國學(xué)者基于遙感、流式細(xì)胞技術(shù)和色素分析等方法，在多個(gè)海域觀測到浮游植物的物種多樣性與粒度結(jié)構(gòu)在鋒面兩側(cè)存在顯著差異。例如，在黃海沿岸鋒面，研究者發(fā)現(xiàn)硅藻和甲藻在鋒面近岸一側(cè)的豐度更高，而藍(lán)藻、青綠藻、聚球菌和真核浮游生物在鋒面離岸的黃海暖流一側(cè)豐度更高[128]。這種空間差異同樣在浮游植物的粒級(jí)組成研究中得到證實(shí)。Fu 等[129]的研究發(fā)現(xiàn)黃海中部主要以微微型和微型浮游植物為主，而近岸則以小型浮游植物為主。再如對(duì)南海北部陸架鋒面的觀測表明，硅藻在以鋒面為界的近岸水團(tuán)（＜ 50 m）中，全年均呈現(xiàn)出較高的優(yōu)勢度，其次為甲藻、青綠藻和聚球藻；而陸架水團(tuán)（50～200 m）中的浮游植物多樣性相對(duì)較高，且具有顯著的季節(jié)變化，夏季以硅藻為主，春季以原綠球藻和聚球藻為主，秋冬季則以定鞭藻和青綠藻為主[130-131]。

有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)鋒面對(duì)有害藻華空間擴(kuò)展范圍有限制作用。例如，南黃海滸苔（Ulva prolifera）在漂移過程中會(huì)受到蘇北沿岸鋒面的限制，其分布的東邊界與鋒面上升流的位置大致重合，尤其在蘇北近岸海域[132]。Qi 等[133]通過分析20 年的衛(wèi)星產(chǎn)品，亦發(fā)現(xiàn)東海夜光藻（Noctiluca scintillans）赤潮的分布范圍始終受到鋒面結(jié)構(gòu)的限制，其中，閩浙鋒面和黑潮鋒面成為夜光藻赤潮的兩側(cè)外邊界，而赤潮北邊界則與長江淺灘環(huán)形鋒面的位置吻合。Liu 等[134]利用雙向指示種分析法對(duì)東中國海沉積微化石類群（硅藻、甲藻和硅鞭藻）的空間分布開展了綜合研究，并與東中國海的鋒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間重合分析，發(fā)現(xiàn)鋒面不僅是上層水體浮游植物群落的重要生境邊界，亦是區(qū)劃不同沉積微化石生境類群的重要生境邊界（圖6）。依據(jù)水團(tuán)性質(zhì)和鋒面結(jié)構(gòu)，將東中國海沉積硅、甲藻類群劃分為近岸類群、黃海陸架類群、長江沖淡水類群和東海陸架類群四大類群以及14 個(gè)亞類群，其中上升流對(duì)長江環(huán)狀鋒面的影響清晰可見（圖6）。這些研究結(jié)果將海洋生物緯度變化梯度與鋒面結(jié)構(gòu)的變化聯(lián)系起來，對(duì)于啟發(fā)我們綜合認(rèn)識(shí)海洋生物的空間分布規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。

圖6 東中國海沉積硅藻、甲藻和硅鞭藻類群分布與鋒面結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系Fig.6 The spatial relationship between fronts and microfossils（diatoms,dinoflagellates and silicoflagellates）in the Eastern China Seas

5 結(jié) 語

綜上所述，歷經(jīng)數(shù)十年的研究積累，我國邊緣海鋒面的類型、結(jié)構(gòu)、季節(jié)變化特征與機(jī)制逐漸清晰；對(duì)鋒面以及鋒面區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)取得了較好的認(rèn)識(shí)，包括調(diào)控我國近海泥沙的輸運(yùn)格局、補(bǔ)充上層水體中的營養(yǎng)鹽、提升浮游植物生物量、劃分群落生境等方面。需要指出的是，本文主要針對(duì)尺度相對(duì)較大的鋒面（幾十至幾百千米）研究進(jìn)行了回顧與總結(jié)。我國邊緣海鋒面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且受觀測分辨率的限制，鋒面渦、鋒面波以及穿刺鋒面等亞中尺度、小尺度現(xiàn)象及動(dòng)力機(jī)制研究仍相對(duì)較少。未來結(jié)合衛(wèi)星與數(shù)值模式指導(dǎo)的精細(xì)化海洋觀測，以及鋒面區(qū)域的多學(xué)科交叉研究仍需加強(qiáng)。鋒面生態(tài)效應(yīng)的研究可進(jìn)一步擴(kuò)展到食物網(wǎng)層面，并從定量化的角度去認(rèn)識(shí)中小尺度物理過程在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用。