基于GIS的近30年長江口及其鄰近海域赤潮時空分布特征研究

趙艷民, 秦延文, 張 雷, 喬 飛, 馬迎群

基于GIS的近30年長江口及其鄰近海域赤潮時空分布特征研究

趙艷民, 秦延文, 張 雷, 喬 飛, 馬迎群

(中國環境科學研究院, 北京 100012)

收集了1990年—2019年長江口及其鄰近海域(120°30′E～123°30′E, 29°00′N～32°30′N)記載的赤潮事件, 基于GIS軟件對所有赤潮事件進行整理, 分析了赤潮的時空分布規律, 并繪制長江口及鄰近海域赤潮分布圖。結果表明: 近30年來, 長江口及其鄰近海域赤潮經歷了先升高后下降的過程, 赤潮次數共計144次, 赤潮面積>1 000 km2有28次。赤潮發生核心區集中在長江口外、花鳥山-嵊泗列島、岱山島-中街山列島、舟山島-朱家尖島海域; 長江口及鄰近海域赤潮多發期為5—8月, 5、6、7、8月發生的赤潮次數分別占總數的28.37%、34.75%、17.78和9.29%; 東海原甲藻()、中肋骨條藻()是長江口及其鄰近海域最常見赤潮肇事種, 發生次數分別為55次和40次, 占統計總次數的38.19%和27.78%, 2000年以來, 東海原甲藻赤潮發生頻率呈上升態勢。

長江口及鄰近海域; 赤潮; 時空分布; 地理信息系統

在一定環境條件下, 海水中浮游藻類、原生動物或細菌等暴發性增殖或聚集導致海洋水體變色的生態異常現象被稱之為赤潮。由于赤潮生物繁殖大量消耗水域溶氧, 且可能分泌有毒物質, 對海洋生態系統、漁業資源、海產養殖以及人群健康造成嚴重威脅, 是一種比較常見的海洋災害[1]。UHLIG等[2]對德國海灣1968年—1988年夜光藻引發的赤潮現象進行了分析研究, 以此來了解赤潮發生規律, 奠定了赤潮研究的基礎。中國對赤潮的研究始于1952年春汛黃河口外的赤潮調查及1953年費鴻年對赤潮成因的分析[3]。蘇紀蘭院士[4]將中國關于赤潮的研究分為3個階段: 認識階段: 即1977年之前, 處于對赤潮事件的簡單報道階段, 綜述、報告和論文總計10篇左右[5]; 探索階段: 1977年—1989年, 中國赤潮研究日益得到重視, 60余篇赤潮生理生態及其成因方面的研究成果在此階段發表; 發展階段: 1990年—2000年, 國內學者對黃驊近海、大亞灣、大鵬灣等區域赤潮進行了針對性研究[5], 取得了諸多有效進展。2000年以后, 遙感技術、數值模型和生物化學等先進技術應用于赤潮的探測、識別及機制分析, 對于赤潮的認識進一步深入[6]。特別是“中國近海有害赤潮發生的生態學、海洋學機制及預測防治”和“中國近海藻華災害演變”等國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目[7]對于東海大規模赤潮形成的生物海洋學、化學海洋學機制進行了較為深入的探討, 有助于理解近海生態系統在人類活動與全球變化影響下的演變機理和趨勢。

長江是中國最大的河流, 也是世界第三大河, 年均徑流量高達9.0×1011m3, 沿江人類生產活動中大量營養鹽經由長江徑流排放到長江口區域[8-9], 早在1933年費鴻年首次記錄了發生在浙江海域的夜光藻和骨條藻赤潮[10]; 自20世紀70年代以后, 隨著沿江城市經濟快速發展, 人類活動加劇, 經由長江輸送的無機氮和活性磷酸鹽通量上升, 硅酸鹽下降[11], 長江口及鄰近海域富營養化問題日益凸顯[12], 有害赤潮發生頻率增加, 規模擴大, 成為中國赤潮暴發頻率最高的區域之一[13]。據統計, 長江口及其鄰近海域大規模有害藻華連年發生, 影響面積最高可達上萬平方千米[7]。

本研究在充分收集長江口及鄰近海域浮游植物豐度以及已經記錄的赤潮事件的基礎上, 利用GIS軟件對長江口浮游植物豐度以及赤潮發生特點進行研究, 通過繪制近30 a長江口及鄰近海域赤潮發生圖, 使赤潮數據可視化, 有助于對長江口及鄰近海域的赤潮發生特點產生更全面的認識, 以期為管理部門制定赤潮監控及預防決策提供技術支撐。

1 數據來源及分析方法

本研究的統計數據源包括: 國家及相關省市定期發布的相關公報、長江口及其鄰近海域關于赤潮的報告與論文, 收集的數據資料時間跨度上為1989年—2019年。GIS技術對空間地理數據具有強大的管理和分析力, 能夠對復雜的赤潮的原始記錄進行數據管理分析[14]。本研究并借助地理信息系統軟件(ArcGIS 10.0)對長江口及鄰近海域的赤潮發生的時空分布進行匯總分析。由于GIS技術能夠有效地分析點數據的特征規律, 因此在操作上, 將具有一定規模的不規則型赤潮覆蓋水面歸類為“點”, 將赤潮記錄信息(位置、面積等)儲存在圖層文件的屬性表中, 分析長江口赤潮發生的頻率、空間分布、誘發赤潮的物種等信息, 并形成可視化圖件。

2 長江口及鄰近海域赤潮時空分布及特征

2.1 1989年—2019赤潮發生時間特征分析

本文關注的海域為長江口及其鄰近海域(120°30′E～ 123°30′E, 29°00′N～32°30′N), 范圍上主要覆蓋長江口、杭州灣以及舟山列島海域, 基于公開資料收集到1989年—2019年長江口及其鄰近海域累計發生赤潮144次, 總體年際變化見圖1。1989年—2000年, 統計到的長江口及鄰近海域赤潮次數23次, 主要分布于長江口及舟山島周邊的數個點狀區域范圍, 2001年—2010年統計到的長江口及鄰近海域赤潮數目顯著增加, 達到81次, 赤潮分布的區域明顯擴大, 東經122°以東的長江口及鄰近海域幾乎均有赤潮分布。2010年—2018年, 長江口及鄰近海域赤潮次數達到51次。

從年內赤潮暴發規律上, 長江口及鄰近海域赤潮在2月—10月都有發現, 但主要集中于5月—8月, 其中5月和6月, 發現次數分別為51和43次, 二者占赤潮總記錄的60.65%(圖2)。長江口及鄰近海域赤潮多發生在春末夏初, 此時海域溫度上升, 有助于赤潮生物快速繁殖。

圖1 長江口及其鄰近海域赤潮發生年份分析

圖2 長江口及其鄰近海域赤潮發生月份分析

2.2 赤潮發生的空間分布特征分析

在Arcgis軟件中, 采用估計隨機變量概率密度的非要素方法——核密度法(KDE)估計近30年長江口及鄰近海域赤潮發生頻率。做法上, 在地圖上標記赤潮的密度分布, 并根據密度分布頻率, 采用自然間斷點分級法將長江口及鄰近海域赤潮分為5個等級(低、中低、中、中高、高)。空間上, 赤潮在長江口北支啟東外海-長江口外海域-嵊泗列島海域-岱山島中街山列島-舟山島朱家尖島海域的狹長海域(29°30′N～32°30′N, 121°45′E～123°20′E)均有分布。長江口及鄰近海域赤潮暴發高頻區域主要包括: (1) 舟山島、岱山島以及中街山列島以東海域; (2) 長江口南支沖淡水區及嵊泗列島海域(圖3)。

圖3 長江口及鄰近海域赤潮發生的頻率分布(1989年—2019年)

如圖4所示, 在收集的長江口及鄰近海域暴發赤潮中, 其中6次缺乏赤潮暴發面積信息, 占總統計數的7.23%, 暴發面積在100 km2以下的赤潮次數為17次, 占總統計數的20.48%, 面積在100 km2～500 km2之間的赤潮暴發次數最多, 達到總統計數的42.17%, 暴發面積在500 km2～1 000 km2之間以及1 000 km2～ 3 000 km2之間的赤潮暴發次數分別為總統計數的21.92%和13.70%, 此外, 長江口外和舟山島附近海域曾暴發面積超過3 000 km2之間的赤潮。

2.3 長江口及鄰近海域赤潮物種分析

長江口及鄰近海域在1990年—2019年間引發赤潮的浮游植物物種如表1。長江口及鄰近海域中主要的赤潮關鍵物種包括東海原甲藻、米氏凱倫藻、膝溝藻、中肋骨條藻等。其中東海原甲藻記錄55次, 占比38.19%, 中肋骨條藻記錄41次, 占比27.78%, 此外未記錄赤潮生物種的赤潮記錄14種, 占比9.72%。

圖4 長江口及鄰近海域赤潮暴發面積

2000年以來, 東海原甲藻引發的赤潮頻次明顯增加, 已經成為最為顯著的赤潮種。從中肋骨條藻和東海原甲藻引發的赤潮的空間分布上, 中肋骨條藻引發的赤潮主要位于長江口北岸、長江口沖淡水區, 東海原甲藻引發的赤潮則多集中于花鳥山-嵊山-枸杞海域及朱家尖以東海域(圖5)。

3 討論

1989年渤海黃驊海域發生大面積赤潮后, 中國開始成立專門的海洋赤潮監測小組, 通過現場調查、航空調查和衛星遙感等多種手段進行定期監測, 因此近30年赤潮數據較為完整[14], 近幾年, 由于政府機構職能的調整, 可能對赤潮的記錄整理產生一定的影響, 但由于中國赤潮監測體系基本建立, 公開發表的數據能夠反映赤潮發生的基本情況[15]。根據收集到公開發表的赤潮記錄, 近30年長江口及鄰近海域赤潮仍處于高發態勢, 但該海域赤潮已由硅藻赤潮和異養性的夜光藻()赤潮為主轉為以東海原甲藻、米氏凱倫藻等甲藻赤潮為主。據于仁成等[16]統計, 20世紀80年代—90年代, 中肋骨條藻赤潮在暴發赤潮中占比超過30%, 而原甲藻赤潮所占比例僅有10%左右, 根據本研究統計, 1989年—2019年東海原甲藻赤潮占比上升至38.19%, 中肋骨條藻赤潮則降至27.78%。盡管東海原甲藻沒有顯著的急性毒性, 但室內模擬實驗和野外調查中, 東海原甲藻在赤潮密度下, 能夠對黃海、東海的浮游動物關鍵種中華哲水蚤()的產卵率、種群豐度等產生顯著的抑制效應, 進而威脅漁業資源[17-18]。此外, 長江口甲藻赤潮分布區域與長江口南側低氧區分布狀況基本吻合[19], 赤潮后期藻細胞的分解可能加劇水體缺氧問題。除東海原甲藻外, 米氏凱倫藻作為一種典型的魚毒性赤潮藻, 分別在2005、2012、2016和2017年出現, 對水產養殖業造成了嚴重的經濟損失[20]。

表1 長江口及鄰近海域赤潮生物發生頻率/年–1

注: 扁面角毛藻(); 叉角藻(); 東海原甲藻(); 短孢角毛藻(); 短凱倫藻(Karenia breuis); 高貴盒型藻(); 海鏈藻(spp.); 紅色中縊蟲(); 菱形藻(spp.); 米氏凱倫藻(); 梭角藻(); 微型綠藻(); 膝溝藻(); 旋鏈角毛藻(); 異甲藻(); 中肋骨條藻(); 錐狀斯克里普藻()

在國家重點基礎研究發展計劃(“中國近海有害赤潮發生的生態學、海洋學機制及預測防治”、“中國近海藻華災害演變機制與生態安全”)、國家自然科學基金(“長江口海區赤潮形成原因的研究”、“東海近海海域典型赤潮生物對重要營養鹽吸收動力學研究”、“赤潮藻類細胞磷庫變化特征及其對赤潮生消的指示作用研究”、“東海近海赤潮發生與演變的時空動力學問題研究”)等項目支持下, 中國研究者從生物學、生態學和海洋學角度對于長江口及其鄰近海域赤潮的成因進行了較為完善的闡述。首先, 長江口浮游植物的豐度分布與營養鹽密切相關[21]。近30 a來, 大量營養鹽通過長江徑流輸送的長江口及鄰近海域, 尤其是無機氮的大量輸入和溶解硅(DSi)通量大幅降低[22], 導致長江口及鄰近海富營養化水平居高不下, 2004年—2018年長江口及鄰近海域無機氮和活性磷酸鹽濃度總體較高, 且整體呈現上升趨勢, 在多數年份內分別高于海水水質標準(GB3097-1997)IV限值和III類限值[23], 為長江口及鄰近海域浮游植物優勢種從硅藻向甲藻轉變提供了物質基礎[24-25]。甲藻對于氮、磷的儲存利用能力高于硅藻, 高氮硅比條件下, 甲藻生長明顯優于硅藻, 對于暴發甲藻赤潮有利[26]。其次, 溫度是赤潮生消過程中重要的影響因子。根據Shelford耐受性定律, 溫度低于藻類最適溫度時, 藻類生長率隨溫度升高而增大, 溫度高于藻類最適溫度, 藻類生長率則隨著溫度上升而降低[27]。近30 a間長江口及鄰近海域赤潮中, 早春(3月—4月)溫度較低時, 中肋骨條藻等硅藻密度迅速上升, 甚至形成赤潮[28-29]。而在5月—8月溫度較高時, 尤其是5月—6月, 水溫快速升高, 長江口及鄰近海域水溫穩定在18.5 ℃～23.5 ℃左右[30], 由于此時水溫處于東海原甲藻適溫范圍內(18 ℃～28.2 ℃)[31], 利于暴發東海原甲藻等甲藻赤潮的暴發。此外, 長江口及鄰近海域復雜的水文活動也是影響赤潮發生的重要因素。空間上, 中肋骨條藻赤潮主要在嵊泗列島以北122°E～ 123°E之間的長江口外海域暴發, 東海原甲藻赤潮則主要暴發于嵊泗列島—朱家尖的海域。地理坐標121°45′E～122°30′E、30°45′N～ 31°45′N的區域為長江最大渾濁帶的覆蓋范圍[32], 在該區域長江徑流攜帶的懸沙與潮流擾動產生的再懸浮泥沙在長江口形成透明度在3 m以下的渾濁帶, 渾濁帶的消光作用強于營養鹽的釋放作用, 削弱了該水域生態系統對徑流過剩營養鹽的吸收、同化功能, 抑制了初級生產力, 導致口門附近海域浮游植物生物量、密度顯著低于附近水域[33]。營養鹽被輸送至河口外透明度較高的水域才能被充分利用, 間接增加了長江口門外海域的營養鹽濃度, 使得口門外海域形成高透明度、高營養鹽含量的赤潮高發區。黑潮分支臺灣暖流對長江口及鄰近海域甲藻赤潮發生具有重要的調控作用[16]。春末夏初, 來自臺灣東北部黑潮次表層水入侵長江口及鄰近海域, 帶來豐富的營養鹽、影響該海域的溫、鹽結構、水體層化、上升流及營養鹽組成, 有利于促進和維持甲藻的生長, 進而影響赤潮分布、動態及危害效應[34-35]。

圖5 長江口及鄰近海域赤潮生物分布

1. 扁面角毛藻(); 2. 叉角藻(); 3. 東海原甲藻(); 4. 短孢角毛藻(); 5. 短凱倫藻(); 6. 高貴盒型藻(); 7. 海鏈藻(spp.); 8. 紅色中縊蟲(); 9. 菱形藻(spp.); 10. 米氏凱倫藻(); 11.梭角藻(); 12. 微型綠藻(); 13. 膝溝藻(); 14. 旋鏈角毛藻(); 15. 異甲藻(); 16. 中肋骨條藻(); 17.錐狀斯克里普藻(); 18. 不詳

4 結論

1) 時間上, 1989年—2019年長江口及鄰近海域赤潮經歷了先升高后降低的過程, 2000年—2010年間赤潮暴發頻率最高。在年內分布規律上, 5月—8月是長江口及鄰近海域赤潮高發期, 尤其是5月和6月,這兩個月赤潮次數占總記錄次數的一半以上。

2) 空間上, 長江口及鄰近海域赤潮多發區位于長江口外-花鳥山-嵊泗列島-岱山島中街山列島-舟山島-朱家尖海域的狹長區域內。赤潮暴發規模上通常在100 km2～500 km2以內。

3) 長江口及鄰近海域常見赤潮物種約有十幾種, 中肋骨條藻和東海原甲藻是兩種最主要的赤潮原因種。中肋骨條藻赤潮主要分布于長江口外, 而東海原甲藻赤潮則主要分布于嵊泗列島至朱家尖一線海域。近年來, 長江口溫度、營養鹽等因素逐漸推動東海原甲藻暴發頻率上升, 已經成為近30 a該海域引發赤潮的第一物種。

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Temporal and spatial distribution of red tides in the Changjiang estuary and in adjacent waters from 1989 to 2019

ZHAO Yan-min, QIN Yan-wen, ZHANG Lei, QIAO Fei, MA Ying-qun

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

Red tide events were collected in the Changjiang estuary and adjacent waters from 1989 to 1990. A geographic information system (GIS) was used to analyze the temporal and spatial distribution of the red tide. Results showed a total count of 144 red tide events. There were 28 red tide events in a covered area larger than 1000 km2. Outside the Changjiang estuary, the Huaniaoshan-Shengsi archipelago and Zhoushan-Zhujiajian island were the red tide-prone areas. Most of the red tide events occurred from May to August with a frequency of occurrence of 28.37%, 34.75%, 17.78%, and 9.29% in May, June, July, and August, respectively.andwere the dominant species of red tides in the Changjiang estuary and the adjacent sea.

Changjiang estuary and adjacent waters; red tide; temporal and spatial distribution; geographic information system

Feb. 20, 2021

X145

A

1000-3096(2021)12-0039-08

10.11759/hykx20210220001

2021-02-20;

2021-07-06

國家重點研發計劃項目(2016YFA0600904, 2017YFC040470002)

[Chinese National Key Programs for Fundamental Research and Development, Nos. 2016YFA0600904, 2017YFC040470002]

趙艷民(1979—), 男, 河北唐山人, 博士, 副研究員, 主要從事水生態環境保護與修復學研究, 電話: 010-84915321, E-mail: zhaoym@ craes.org.cn

(本文編輯: 譚雪靜)