基于海洋生態在線監測浮標數據的欽州灣藻華過程研究*

李 斌，劉保良**，陳旭陽，凌 琳，高勁松

(1.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海 536000；2.自然資源部第四海洋研究所，廣西北海 536000；3.南寧師范大學，北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西南寧 530001)

0 引言

海洋水產業是我國海洋經濟的支柱型產業，而赤潮對漁業特別是海水養殖業、捕撈漁業危害巨大，在封閉性較強的內灣可使養殖的魚、蝦、貝類大量死亡。赤潮可改變水體理化特征，導致漁場生態環境惡化，廣西近岸是赤潮暴發情況較為嚴重的海域[1-3]，需要認真研究相關防治對策[4]。海洋生態在線監測浮標可實時連續監測海洋環境要素，跟蹤研究赤潮發生至消亡期間海水理化要素的變化；利用海洋生態在線監測浮標研究赤潮機制和快速預警是近年海洋研究的熱點問題[5-9]。2013年以來，廣西海洋局在廣西近岸海域布設了16套海洋生態在線監測浮標，基于浮標監測數據對廣西近岸海域水質狀況進行的評價，均寫入了每年的廣西海洋環境質量公報中。本研究基于布設在欽州灣海域的GX11號海洋生態在線監測浮標監測數據，對2018年8月欽州灣發生藻華過程中的海水環境要素變化進行分析，對在線監測浮標應用于赤潮預警進行初步探討。

1 材料與方法

1.1 GX11浮標采樣區概況

GX11海洋生態在線監測浮標位于欽州灣東南海域(108°39′E，21°39′N)，具體位置見圖1。2018年8月20日至23日，欽州灣南側海域發生藻華，現場監測發現該海域大片海水呈淡紅褐色，并有淡腥臭味，影響海域面積約2.2 km2；鏡檢分析顯示，藻類第一優勢種為紅色赤潮藻(Akashiwosanguinea)，其細胞密度達4.37×105個/L，對照《赤潮監測技術規程》(HYT 069-2005)[10]可見，該值略低于該藻種赤潮生物細胞密度標準限值(5.00×105個/L)，故此次藻類增殖暴發的藻華現象可判斷為赤潮。8月24日、25日，大范圍現場巡視結果表明海水顏色恢復正常，鏡檢分析結果顯示藻類細胞密度恢復到正常水平。GX11浮標布放點位較靠近此次藻華發生海域的中心位置。

1.2 主要儀器設備

GX11海洋生態在線監測浮標搭載美國YSI公司生產的6600型多參數水質分析儀(監測鹽度、pH值、溶解氧、水溫、葉綠素a)和芬蘭維薩拉公司生產的WXT-520型氣象監測儀(監測風向、風速、氣溫)。以上浮標搭載的多參數水質分析儀、氣象監測儀均通過國家質量技術監督局認證，監測期間由廠家維護團隊定期清洗、校準及比對，以保證儀器的工作狀態及監測數據的質量。浮標搭載的數據采集通信裝置在搭載儀器獲得監測數據后，通過GPRS通信卡實時發送至國家海洋局北海海洋環境監測中心站數據接收服務器。

1.3 采樣深度、監測階段及監測指標

GX11海洋生態在線監測浮標投放海域水深約6.2 m，浮標水質監測探頭位于水下1.5 m處，采樣頻率為30 min/組，主要監測表層海水水質;氣象要素采用氣象監測儀監測。結合現場監測、相關文獻[4，5,8，9,11]和浮標連續監測數據，將藻華過程分為暴發前期(8月16日至19日，部分監測指標出現異常，但葉綠素a未達赤潮預警值10.0 μg/L)、暴發中期(8月20日至23日，葉綠素a超過赤潮預警值10.0 μg/L，現場監測發現海水異常現象)、消退期(8月24日至27日，葉綠素a低于赤潮預警值10.0 μg/L，現場監測表明海水水色恢復正常)。

1.4 數據統計及分析

本文基于GX11海洋生態在線監測浮標站點8月16日00：00-27日23：30期間(采集頻率：30 min/組，共576組)的監測數據，對藻華發生過程前后環境要素(風速、氣溫、水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a)的日均值、30 min/組數據變化趨勢、每日最高值與最低值等進行分析。采用SPSS軟件(19.0版本)對576組各環境要素監測數據進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 藻華過程前后各環境要素變化

藻華過程前后(8月16-27日)，GX11浮標監測到的風速、氣溫、水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a日均值變化見表1，各環境要素30 min/組的變化趨勢見圖2，其中藻華暴發時段發生在8月20日至23日。

圖2 欽州灣藻華海域各環境要素變化趨勢(30 min/組)Fig.2 Variation trend of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (30 min/group)

表1 欽州灣藻華海域各環境要素的日均值Table 1 Daily average of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay

2.1.1 藻華過程暴發前期

監測結果表明，藻華發生前(8月16日至19日)，氣溫及水溫較低，風速較高。整個研究時段氣溫日均值最低值27.5℃出現在8月17日，水溫日均值最低值29.9℃出現在8月18日，風速日均值最高值7.1 m/s出現在8月16日；鹽度、pH值、溶解氧變化趨勢較為平穩，雖然出現隨晝夜變化產生的波動，但波動范圍較小。值得注意的是，葉綠素a含量在8月18日和19日出現2次波峰，17日上午葉綠素a含量達到9.8 μg/L的高值。廣西近海相關研究[9,11]表明，葉綠素a含量達到10.0 μg/L時，赤潮暴發的可能性增加，所以此次監測數據的異常現象引起了浮標監測值班人員的注意，并及時向相關部門提出了預警。

2.1.2 藻華過程暴發中期

監測結果表明，藻華過程暴發中期(8月20日至23日)，氣溫及水溫較藻華暴發前期明顯升高，風速有所降低。其中：整個研究時段中，氣溫日均值最高值30.4℃出現在8月21日，風速日均值最低值2.8 m/s出現在8月21日；進一步分析可見，從20日中午開始，氣溫、水溫回升，風速減小,有利于藻類在穩定表層海水環境下聚集和較快速增殖。8月20日至23日，鹽度呈較規律的晝夜變化，波動范圍比前期略大，總體變化范圍較為平穩，因浮標所在海域為金鼓江河口，我們認為鹽度變化主要受到江水入海和潮汐的影響。8月20日至23日，pH值、溶解氧、葉綠素a指標值均從早上8時起逐漸升高，凌晨零點后逐漸降低，呈較為同步和規律的晝夜變化，且波動范圍明顯比前期較大，期間每日監測到的pH值最高值分別為8.20，8.49，8.42,8.24，溶解氧含量最高值分別為9.01，12.26，11.81，10.22 mg/L，葉綠素a含量最高值分別為42.2，52.3，25.4，15.6 μg/L，均主要出現在中午至下午時段，且數值明顯比藻華過程暴發前期、消退期高。8月20日至23日4 d中，葉綠素a含量最高值均大于文獻中赤潮預警值10.0 μg/L[4，5,8，9,11]。葉綠素a是海水中浮游植物生物量的重要表征，水體中葉綠素a含量較高代表著浮游植物生物量較高，而浮游植物葉綠素a的合成與光照周期較為相關[12]，在中午至下午光照強時段浮游植物光合作用較強，增殖較快，導致生物量變高,同時葉綠素a含量出現高值。

2.1.3 藻華過程消退期

監測結果表明，藻華過程消退期(8月24日至27日)，氣溫日均值比藻華過程暴發中期略有降低，水溫每日監測的最高值也比中期最高值低，風速日均值比中期有所增高，氣溫、水溫的下降以及風速增大有利于藻類增殖導致的藻華或赤潮消退。相關研究表明：藻類增殖導致的藻華或赤潮暴發與消退，水文氣象因素的影響和制約作用較為明顯[13-15],此次藻華過程再次作了印證。而鹽度波動趨勢較為平穩，與暴發中期相比變化不大；pH值、溶解氧、葉綠素a指標值同樣呈現較為同步和規律的晝夜變化，但波動范圍比暴發中期明顯較小。總的來說，消退期3個環境要素的每日最高值、日均值均比暴發中期小(特別是pH值每日最低值比暴發前期、暴發中期都小，藻華過程消退期葉綠素a日均值分別為2.2，1.8，1.9，2.1 mg/L)，pH值、溶解氧、葉綠素a基本恢復到了長期監測時的日均值正常水平，表明藻華已消退，后續現場巡查也未發現海水異常。

2.2 各環境要素的相關性分析

對藻華過程前后(8月16日00：00-27日23：30期間)GX11號海洋生態浮標的576組數據(采樣頻率30 min/組)的監測環境要素進行相關性分析，結果見表2。

表2 欽州灣藻華海域各監測環境要素的相關性分析(n=576)Table 2 Correlation analysis of monitoring environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (n=576)

表2結果表明，本次藻華過程前后，水質因子中的葉綠素a、pH值、溶解氧三者之間均具有顯著的正相關關系，三者具有聯動的波動規律，而葉綠素a含量是赤潮生物密度的重要表征參數。白天時段光照較強，浮游植物暴發性增殖，其光合作用吸收二氧化碳、釋放氧氣，使得海水中溶解氧含量升高，而光合作用消耗下二氧化碳濃度降低，導致海水中碳酸氫根減少，使得海水的pH值升高，浮游植物密度增大使得葉綠素a含量升高；夜晚時段浮游植物以暗反應為主，吸收氧氣釋放二氧化碳，從而導致海水溶解氧含量和pH值降低。風速與葉綠素a在0.01的水平上顯著負相關：風速較小時，表層海水較穩定，藻類易于聚集和快速增殖，造成葉綠素a含量升高；風速增大時可使海水環境波動增大，促進藻類擴散和藻華消退。這與相關研究報道[13-15]一致。有研究[9,11,16，17]表明，藻華或赤潮的暴發與葉綠素a、pH值、溶解氧顯著相關。因此，在生態預警監測中，一旦出現葉綠素a、pH值、溶解氧監測值迅速升高，甚至超出正常范圍，且出現聯動的強烈波動時，應預警赤潮發生的可能。

3 討論

研究表明，赤潮或藻華暴發過程中溶解氧、pH值、葉綠素a等環境要素值會出現異常變化。在浮游植物暴發增殖前期，由于生物量的增多和光合作用的釋放，白天時段表層海水中溶解氧含量會顯著升高。本研究中，在線監測數據也表明表層海水中溶解氧含量顯著升高，但本次藻華過程未出現溶解氧含量迅速下降的現象，可能是因為本次藻華過程暴發中期浮游植物密度未達到赤潮生物密度閾值。溶解氧含量的迅速下降需要浮游植物密度達到較大值(例如超過赤潮閾值)，當浮游植物大量消耗溶解氧時才會導致表層海水中溶解氧含量迅速下降，進而使大量海洋生物因缺氧而死亡，這也是赤潮的主要危害之一。pH值的顯著升高主要受浮游植物暴發增殖的影響。水中游離氧含量增多并與H+離子結合成為水分子，同時浮游植物消耗了大量的碳酸氫根離子作為光合作用的碳源轉換為含碳化合物，從而導致水中酸度下降、pH值升高[18]。自然界中浮游植物葉綠素以葉綠素a占絕大多數[16]。有害藻類暴發性繁殖引起的藻華現象中，藻類的聚集和增殖會導致葉綠素顯著升高，因此葉綠素a的異常波動可作為赤潮暴發的重要依據[19]。相關研究表明，赤潮發生時葉綠素a含量通常超過10.0 μg/L，并將此濃度作為藻華暴發的依據[4，5,8，9,11,21]。本次欽州灣藻華過程中同樣出現了葉綠素a含量大于10.0 μg/L的現象，但細胞濃度卻沒有達到赤潮的標準。這可能是暴發增殖的藻類不同，導致葉綠素a達到預警值而藻類細胞濃度未達赤潮標準的現象[8]，因此在實際預警工作開展中要密切注意其他環境要素的異常，并借鑒相關研究[5-8,21-23]的經驗。

4 結論

(1)氣溫、水溫回升和風速由大減小使得表層海水環境穩定，有利于藻類的聚集和快速增殖，是藻華發生的環境誘因。

(2)水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a呈明顯的晝夜變化規律。藻華暴發階段，pH值、溶解氧、葉綠素a呈較為同步和規律的晝夜變化，且波動范圍明顯比前期較大。pH值、溶解氧、葉綠素a三者之間均具有顯著的正相關，并具有聯動的波動規律。

(3)欽州灣GX11浮標監測數據表明：當環境條件出現氣溫、水溫回升，風速減小且在線監測的pH值、溶解氧、葉綠素a指標值波動范圍增大，特別是葉綠素a達到或接近10.0 μg/L時，可對相關海洋部門開展藻華甚至赤潮可能發生的預警，以便及時布置現場調查，為海洋防災減災提供寶貴的時間。