image credit: Alamy

沿海地區是指外海与大陸塊之間的過渡區域，河流由此進入大海。全球一半以上的人口都居住在沿海地區，大部分的海洋捕撈也在這一區域進行。全部加在一起，沿海地區覆蓋的陸地面積相當于一個長100万公里，寬50公里的狹長區域。這一區域被用作漁業、濕地、港口、海洋生物、珊瑚礁、潮汐盆地、河流三角洲、水產養殖、旅游業、水上娛樂活動等各种用途。

但是，“對沿海地區的研究卻沒有得到足夠的重視，”康奈爾大學Boyce Thompson植物研究所環境生物學家Dennis Swaney說。另外，河口和許多其他生態系統一樣，以往都是作為獨立的系統來研究的，并未和其他系統進行聯系對照。

為了彌補這一空缺，Swaney和其他關注這一問題的科學家們共同對沿海地區的展開了研究。他們已經開始收集數据，以便對世界各地河口的健康狀況進行衡量和對比。此項工作于1993年開始，由聯合國環境規划署（United Nations Environment Programme）和全球環境研究所（Global Environment Facility）提供為期10年的資助。該研究屬于斯德哥爾摩的國際地質圈-生物圈規划所（International Geosphereiosphere Programme）進行的沿海地區陸-海相互作用（LOICZ）項目的一部分，該規划所專門從事影響地球的物理、化學和生物過程之間相互作用研究。

該項目利用一個直觀的“預算”模型計算沿海地區內碳、氮、磷的反應。預算模型在許多領域都有應用，包括地質、生態、農業等，對某种物質或人口進行跟蹤。預算模型本身并不是什么新事物，但此項目的創新之處在于用同一個標准模型綜合研究世界各地不同的系統。“我們設計了一种方法，對世界各地的沿海地區進行同樣的處理，以便比較，”位于加拿大新斯科舍省哈利法克斯示的貝德福德海洋研究所海洋學家Donald Gordon說。Gordon首次提出針對LOICZ建立河口模型的想法，并与斯德哥爾摩大學海洋系統生態學教授Fredrik Wulff一起開發出該模型的一套方法。Swaney說，LOICZ預算模型非常簡單，但是其方法卻可以用在任何地方，并可以產生統一的結果來對世界各地的沿海地區進行比較。

各种物質通過降水、蒸發、地表泄水、地下水出流、海洋潮汐、遠洋輪船、污水排放、沉淀等途徑進入或离開沿海地區。盡管外海的成分比較均一，但是，因上游農業和工業徑流量對流入水水質影響的程度不同，不同沿海地區的河口和海灣區別很大。由于緊鄰人類活動區域，沿海地區還可以起到截留人類產生的污染物質的作用，包括化石燃料燃燒產物、污水、農田徑流等。“河口和其他沿海環境是海洋中被利用和被濫用得最多的部分，”墨西哥昂塞納達市科學研究和高等教育中心海洋學家、項目協調人Stephen V. Smith說，“如果我們想要保護全球海洋的健康，我們必須從這里入手。”

方法和策略
LOICZ預算模型考慮了水的流量和溶解的碳、氮、磷等營養物質，构成了所謂的營養物質預算。預算考察的主要是流入系統的物質、流出系統的物質、以及物質流量的變化。有的物質還發生轉化，如農田肥料中所含的硝酸鹽在細菌作用下轉化成一氧化氮。然后，用簡單的表格軟件（用于計算LOICZ預算的軟件目前正在進行β測試）將系統的流入量和流出量進行簡單的加減，就象計算賬簿余額一樣。

LOICZ預算模型的基礎是質量守恆，這是物理學中的一個基本概念。當河水流經河口匯入大海時，在生物過程作用下會帶走或釋放出碳、氮、磷等。這一過程會產生有利或不利的后果，而且其后果也會因時間變化而變化。例如，農業肥料造成的硝酸鹽徑流會促進植物生長和魚類數量增加--這是一個有利的后果。但是，從長期來看，有害藻類會大量繁殖并造成魚類死亡--這是一個不利的后果。因此，營養物質預算有助于研究人員推斷生物活動。

一般來說，氮和磷的數据要比碳更容易掌握。海水中的氮和磷要比溶解的碳少得多。因此，和碳相比，氮和磷濃度的微小變化就更容易測出。在此類情況下，LOICZ模型利用“Redfield比例法”通過已知的氮和磷的濃度變化對碳進行估算。二十世紀三十年代，位于馬薩諸塞州科德角半島的伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institute）研究員Alfred Redfield發現，海洋環境中碳、氮、磷的數量保持在一個相對穩定的比例106:16:1。這一經驗法則反映了海洋生物對營養物質的穩定需求。因此計算預算時，Redfield比例法不失為根据其他已知消耗量估算某一种營養物質的流入量或流出量行之有效的辦法。

image credit: PhotoDisc

為了掌握世界各地河口狀態的基線信息，LOICZ模型利用了從各地獲得的二手數据，例如衛生官員、環境生物學家、甚至學校實驗過程中獲得的數据。Swaney也承認：“這些數据并不是全都可靠。”然而，利用二手數据是LOICZ以目前現有資金在相當短的時間內建立全球模型的唯一辦法，Gordon說，我們沒有資金在LOICZ項目期限內采集新的數据。盡管這一模型大大簡化了沿海地區生態系統所包含的過程細節--例如，只重點研究了三种營養物質的交換--但這一模型在世界各地大量的沿海地區得到了一致的基線信息。

數据的匯集
預算模型所涉及的地區特性各异，小的不到1平方公里，大的有100万平方公里；有的深不足1米，有的則深達數百米；有的受周圍陸地影響很小，有的則流入大量因人類廢物、農業、工業等產生的無机營養物。

環境科研人員已經取得關于北美洲、南美洲、澳洲及歐洲河口狀態的大量數据，但缺乏非洲和亞洲河口的信息。“我們必須以發展中國家為重點并掌握其沿海地區的狀況，”Swaney說。LOICZ項目的成員已在世界各地舉辦了15次研討會，向各地專家傳授建立當地營養物質預算模型的方法。其中，最近的兩次分別是在印度的果阿和南非的開普敦舉辦的。

LOICZ項目沿海生態系統詳細信息的數据庫由瑞典斯德哥爾摩大學維護。LOICZ項目主要通過网站進行管理( http://www.nioz.nl/loicz)。世界各地的研究人員可以在LOICZ模建网頁(http://data.ecology.su.se/MNODE/)上增加本地的數据。大約有150人已經為170個不同地區輸入了預算信息；LOICZ最終的目標是要采集200處地點的信息。

世界各地提供的數据還要根据沿海地區的分類進行匯編。LOICZ网頁還經常對預算建模操作程序進行總結和更新，提供建模所需的工具和輔導材料，并公布最新獲得的預算數据。网站訪問者可以觀看并下載PowerPoint格式的講義，其內容包括預算建模程序概述、河流流量估算方法、預算建模應考慮的因素、估算各种人類活動造成的廢物流對沿海地區造成的營養負荷的教程以及估算營養負荷的電子表格等。

2002年2月11日在夏威夷檀香山舉行的美國地球物理協會（American Geophysical Union）海洋科學年會上宣讀的一篇由Smith早期撰寫的綱要中稱，營養負荷差別可達1万倍，其組成無所不包，有古代的河流沉積物，也有直接排放的污水。河口与毗鄰的海洋交換營養物質的時間也由不足一天到几年不等。這有助于科研人員對事物形成一個新的認識--一方面，很難相信還有沿海地區仍然保持著原始狀態；另一方面，一些受人類活動影響較為嚴重的地區所受到的破坏也沒有想象的那么嚴重。

盡管世界各地的許多河口都已經受到污染，但并沒有一套統一的信息可以將它們進行對比。現在可以通過預算模型進行此類對比。例如，美國切薩皮克灣的氮負荷為每平方米每天1.6毫摩爾。因其漁業產量出現大幅度下降，美國環保專家認為該地區已受到影響。日本東京灣的氮負荷則要高出10倍，達到每平方米每天16毫摩爾。“這一負荷非常巨大，”Swaney說。將切薩皮克灣与周圍都是農業用地的嚴重污染地區--波蘭的格但斯克灣進行比較后發現，格但斯克的氮負荷比切薩皮克高3倍。這一新情況引起了歐洲環境學家們的憂慮。但是，同時也帶來了希望，因為，定量分析是對形勢作出評估并采取行動的首要步驟。

未來的挑戰 對LOICZ信息進行解釋所面臨的下一個挑戰是如何根据具体的基線數据反推出該地詳細的環境信息數据。科研人員必須揭示河口健康狀況隨人類活動及環境因素的規模及位置發生變化的模式。目標之一就是要建立一個環境特征已經明确的沿海地區數据庫，并將其推廣到气候條件、人口條件以及沿海條件相似的尚未被充分研究的沿海地區。那么，如果通過采取補救措施，解決了已知地區存在的問題，同樣的措施也會給相應的未知地區帶來利益。

盡管LOICZ項目是回顧性的、依賴于已有數据分析各河口的基本概況，但是，這一方法也可用來計算沿海地區的其他污染物質和營養物質。LOICZ目前尚未就將此模型擴大應用于其它營養物質作出具体安排，但是，“別人利用這一方法來分析其他物質的趨勢勢不可擋，”Smith說。“水中存在的任何一种化學物質都可以組合到這一模型里來。”

假如LOICZ模型將來會增加變量的話，那么這一變量很可能就是會影響光敏生命形式的沉積物。“顆粒物質造成的影響相對比較容易衡量，只要用濁度計就行，”Swaney說，而且有些數据已經存在了。

理想情況是，LOICZ模型建立后應每年更新一次，不僅要增加碳、氮、磷的新數据，還應增加已顯示出日益增長的、能影響環境變化的新物質的數据。二氧化硅就是一個例子。隨著河流上的大壩越建越多，依賴二氧化硅生存的生物也被大壩擋住。上游濃度加大勢必造成下游供應枯竭，有時會造成藻類數量銳減。LOICZ希望能夠獲得新的資金，實施更多的此類項目。

至于各地政府將如何利用這一研究成果，LOICZ則完全無法掌握。“收集數据并不能保証我們發現的問題能夠得到解決，”Swaney說，“但建立預算模型也許是改進現狀的第一步。”對污染物質進行監測可以為將來的清理工作和治理措施提供指導。通過沿海地區評估還可以為農業實踐、侵蝕防治、建壩項目、污水處理設施、旅游事業等提供指導意見。

要改善沿海地區的狀況將涉及到社會科學、生物學、化學、地質學、政治學等多個學科之間极其复雜的互動。最終的一個目的就是要實現并保持沿海地區的可持續發展，以保証生物的多樣性、可再生資源的再生以及大自然的生生不息。這就要求以各學科創造性的科研成果為基礎，制定統一的長期規划來指導沿海地區的開發。專家們希望LOICZ項目已經取得的成果能夠激勵各當局采取措施，清理已經受到污染的河口，并在環境進一步惡化之前扭轉局面。目前，沿海地區正處在污染的猛烈攻擊之下，Smith提出警告。一旦它們被攻陷，外海將會成為下一個目標。

--Carol Potera
譯自EHP 110:A686-A688 (2002)

推荐讀物：

Bricker SB, Clement CG, Pirhalla DE, Orlando SP, Farrow DRG. 1999. National Estuarine Eutrophication Assessment: Effects of Nutrient Enrichment of the Nation's Estuaries. Silver Spring, MD: National Oceanic and Atmospheric Administration. Available: http://puyallup.nos.noaa.gov:80/projects/cads/nees/Eutro_Report.pdf [accessed 9 October 2002].

Gordon DC Jr, Boudreau PR, Mann KH, et al. 1996. LOICZ Biogeochemical Modelling Guidelines. LOICZ/R&S/95-5. 2nd ed. Texel, the Netherlands: LOICZ Core Project, International Geosphere-Biosphere Programme. Available: http://www.nioz.nl/loicz/r&s/r&s5.pdf [accessed 9 October 2002].

Smith SV. 2001. Carbon-nitrogen-phosphorus fluxes in the coastal zone: the LOICZ approach to global assessment, and scaling issues with available data. LOICZ Newsletter No. 21, December:1-3. Available: http://www.nioz.nl/loicz/firstpages/fp-newsletters.htm [accessed 9 October 2002].

Last Updated: September 17, 2003