[论文解读] The large scale impact of offshore wind farm structures on pelagic primary productivity in the southern North Sea

Kaela Slavik, Carsten Lemmen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Marine and fisheries research参考文献 95被引用 99

一句话总结

本研究采用模块化、耦合的水动力学与生态系统模型，评估大型底栖滤食性动物——主要是美洲拟柱齿虫（Mytilus edulis）——对南北海浮游植物初级生产力的宏观影响。通过将预测的海上风电场（OWF）结构与重建的贻贝生物量相结合，模型显示区域初级生产力年增长率最高可达8%，局部日生产力峰值达30 mmol C m⁻³ d⁻¹，表明其影响远超单个涡轮机，具有显著的生态系统尺度效应。

ABSTRACT

The increasing demand for renewable energy is projected to result in a 40-fold increase in offshore wind electricity in the European Union by 2030. Despite a great number of local impact studies for selected marine populations, the regional ecosystem impacts of offshore wind farm structures are not yet well assessed nor understood. Our study investigates whether the accumulation of epifauna, dominated by the filter feeder Mytilus edulis (blue mussel), on turbine structures affects pelagic primary productivity and ecosystem functioning in the southern North Sea. We estimate the anthropogenically increased potential distribution based on the current projections of turbine locations and reported patterns of M. edulis settlement. This distribution is integrated through the Modular Coupling System for Shelves and Coasts to state-of-the-art hydrodynamic and ecosystem models. Our simulations reveal non-negligible potential changes in regional annual primary productivity of up to 8% within the offshore wind farm area, and induced maximal increases of the same magnitude in daily productivity also far from the wind farms. Our setup and modular coupling are effective tools for system scale studies of other environmental changes arising from large-scale offshore wind-farming such as ocean physics and distributions of pelagic top predators.

研究动机与目标

• 评估南北海表层附着型美洲拟柱齿虫生物量对浮游植物初级生产力的区域性、宏观影响。
• 量化海上风电场结构通过促进贻贝定殖，如何改变区域尺度上的浮游植物动态与生态系统功能。
• 开发并应用一种模块化、耦合的建模框架，以模拟物理海洋学、底栖群落与浮游植物生产力之间的跨尺度反馈。

提出的方法

• 采用MOSSCO模块化耦合框架，将南北海的水动力学（GETM）、生态系统（FABM）及物理-生物地球化学模型进行集成。
• 利用涡轮机位置的空间分辨数据及已报道的附着模式，重建了表层及附着型美洲拟柱齿虫生物量。
• 基于已报道的清除率，采用简化的滤食模型，模拟有无附着型贻贝滤食情况下的净初级生产力（NPP）。
• 在高性能计算集群（JURECA）上开展多年模拟，以评估长期、系统尺度的影响。
• 通过现有区域数据及北海贻贝生物量与生产力的文献资料，对模型组件进行验证。
• 使用开源工具（ESMF、FABM、GOTM）及归档的模拟数据，确保可重复性与透明度。

实验结果

研究问题

• RQ1 南北海海上风电场结构上附着型美洲拟柱齿虫的累积在多大程度上改变了区域浮游植物初级生产力？
• RQ2 贻贝生物量分布与滤食率的变化如何影响风电场周边区域以外的浮游植物动态与NPP？
• RQ3 附着型滤食作用在南北海范围内引发的生产力变化在空间与时间上的影响范围如何？

主要发现

• 模型预测，由于附着型贻贝滤食作用，海上风电场区域内浮游植物初级生产力的年增长率最高可达8%。
• 模拟显示，日生产力峰值最高可达30 mmol C m⁻³ d⁻¹，且影响范围远超风电场直接边界，表明存在显著的区域尺度效应。
• 生产力最大变化并非直接发生在风电场区域，而是在其周边区域，表明存在间接的、远距离的生态系统影响。
• 本研究表明，附着型贻贝生物量可通过滤食显著改变浮游植物食物网基础，降低浮游植物生物量。
• 模块化耦合框架（MOSSCO）在模拟物理过程、底栖定殖与浮游植物生产力之间的跨尺度反馈方面表现出良好效果。
• 尽管模型存在简化之处，结果仍表明其对生态系统具有不可忽视的影响，支持未来研究中进一步开展更精确的滤食建模。