菲律賓海水文動力環境分析及對海洋生態區劃的啟示

齊慶華,靖春生

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.福建省海洋物理與地質過程重點實驗室 廈門 361005)

0 引言

菲律賓海位于西太平洋邊緣,被島弧和海溝包圍,是西太平洋最大的邊緣海盆[1]。菲律賓海地處第一島鏈與第二島鏈之間,鏈接我國東海、南海和西太平洋,成為我國通往太平洋和印度洋以及美洲和大洋洲的最主要通道。菲律賓海連通被譽為全球生物多樣性中心和起源地的“珊瑚大三角”海域,匯于有全球海洋“熱極”之稱的西太平洋暖池區[2],同時是世界著名的強西邊界流黑潮的發源地[3],因此成為全球生物多樣性養護和氣候變化研究的重要關注區[4-13]。菲律賓海海盆中央分布一系列海山鏈,其中位于海盆東部、縱跨南北的九州-帕勞海嶺(KPR)的最大水深超過5 500 m,以該海嶺為界可分為東菲律賓海和西菲律賓海,海底特征極具特色,在生命起源以及物種進化和適應等生物多樣性前沿和熱點領域具有重要研究意義[9,14-16]。與此同時,由于菲律賓海海盆底部常年處于低溫、高壓和寡氧狀態,其生態系統脆弱性明顯[17]。

海洋是我國高質量發展的戰略要地。菲律賓海具有重要的地理區位,同時在海洋環境安全、國家海洋權益、氣候變化和減災防災、深海資源以及生物多樣性等領域具有重要的研究價值,加快我國對相關海域海洋學特征的研究工作凸顯緊迫性,尤其目前對于海洋生物生境條件和海洋生態區劃的研究十分匱乏[18-20]。為此,本研究基于各種觀測資料整編形成菲律賓海水文動力環境要素網格化數據集,以菲律賓海水文動力環境的三維分異特征為切入點,針對目前我國海洋生態區劃現狀提出啟示性研究建議,以期為我國海洋生態環境和生物多樣性保護以及深海研究提供科學參考,同時為我國維護海洋權益、加速提升在國際海洋事務中影響力和貢獻度以及提高海洋開發利用和保護能力提供科學支撐。

1 菲律賓海水文動力環境的典型分異

菲律賓海為低緯度海區,由于受大陸、暖池和黑潮等海洋氣候系統的影響,海水表層水溫具有整體偏高、自北向南逐步升高和季節差異明顯的特征,其中冬季水溫較低(20℃～29℃)且南北差異大,夏季水溫較高(27℃～29℃)且分布較均勻。菲律賓海海水表層鹽度較高(通常為34‰～35‰),基本呈南高北低的分布格局,且與水溫相比季節變化較小。此外,與表層海水相比,深層海水溫鹽結構的季節變化不明顯。

以具有代表性的菲律賓海海盆中央南北走向的九州-帕勞海嶺所在海域為例。該海域全水深的水溫范圍為2℃～30℃,鹽度范圍為33.5‰～35.2‰;近底層的溫鹽變化范圍較小且季節變化不明顯,但區域差異顯著,可能主要與海底地形變化有關;水深約為5 300 m,1 000 m以淺水深的水溫自表層至深層逐漸降低,1 000～2 000 m水深的水溫略有變化,2 500 m以深水深的水溫差異最小;鹽度呈上層高、次表層低和深層高的分布特征,其中次表層低鹽海水可能主要受極地中層海水的影響,2 000 m以深水深的鹽度差異較小,34.5‰等鹽線由南向北逐步加深。

水溫分布的典型特征可概述為:南北方向大致以20°N為界,上層(尤其是200 m以淺水深)等溫線北密南稀,北部呈舌狀分布,南部基本與緯線平行;東西方向大致以137°E為界,20°N以北西高東低,10°N以南東低西高,10°N-20°N分布較為均勻。垂向上以200 m水深為界,上層季節變化較大,下層季節變化較小;與上層相比,200～500 m水深的水溫呈南低北高的反相分布;深層水溫的變化較小,且差異不明顯。鹽度分布的典型特征可概述為:與水溫分布特征類似,上層南北方向也大致以20°N為界,呈南高北低分布;東西方向大致以137°E為界,除10°N-20°N分布較為均勻外,其他位置基本呈西低東高分布;垂向上同樣具有上層季節變化較大和下層季節變化較小的特征,且200～500 m水深呈南低北高分布,基本與上層形成反相對比。

九州-帕勞海嶺所在海域的T-S點聚圖在圖形上呈“反S”形,可將該海域的溫鹽結構大致分為表層高溫低鹽水(HTLS)、次表層次高溫高鹽水(HTHS)、中層次低溫低鹽水(LTLS)和深層低溫次高鹽水(LTHS)4種類型,其中表層、次表層和中層的溫鹽點離散,表明這些層次的水體混合較強烈。①表層高溫低鹽水位于0～50 m水深,因受太陽輻射水溫最高(28℃～30℃),而受海面降水影響鹽度最低(33.5‰～34.5‰);②次表層次高溫高鹽水位于100～200 m水深(24等位勢密度面),水溫低于表層(15℃～28℃),但鹽度最高(34.7‰～35.3‰);③中層次低溫低鹽水位于300～1 000 m水深,水溫高于深層(4℃～16℃),但鹽度較低(34.1‰～34.5‰);④深層低溫次高鹽水位于1 000 m以深水深,水溫最低小于5℃,鹽度為34.5‰～34.7‰。

北半球低緯度地區長期盛行東北信風,加之受地轉偏向力的影響(海流偏向右),在8°N-20°N海域形成自東向西流動的太平洋北赤道流。該赤道流橫貫太平洋,主要流經菲律賓海南部,且在菲律賓海的水平流幅約為2 000 km,垂向流幅約為250 m(0.1 m/s等速線);平均流速約為0.4 m/s,其中靠近赤道一側的流速較大,在菲律賓海南部可達0.55 m/s。該赤道流為菲律賓海尤其是10°N-20°N海域溫鹽結構的一致性提供動力條件。

赤道至3°N海域則形成太平洋南赤道流,平均流速約為0.3 m/s,水深約為200 m(0.1 m/s等速線)。在太平洋北赤道流以南的赤道無風帶上,南、北赤道流之間有一股橫穿菲律賓海的自西向東的海流即赤道逆流(NECC)。分析顯示,該斷面赤道逆流的南界約處于3°N,北界約至5°N,水深為500 m以深,最大流速達0.6 m/s,而副熱帶逆流較弱甚至已無明顯呈現。須提出的是,北赤道逆流和黑潮續流可能分別對10°N以南和20°N以北海域溫鹽結構的東西分布差異產生較大影響。

從總體上看,菲律賓海的海流主要呈帶狀分布于500 m以淺水深,尤其是200 m以淺水深受海流動力影響明顯。500 m水深的海流流速顯著減慢,尤其北赤道流基本消失。20°N以北海域主要為黑潮續流和較弱的副熱帶逆流,而20°N以南海域則為強度明顯增強的赤道流和西邊界流,這種海流的垂向和水平分布可能是造成上層(500 m以淺水深)溫鹽結構區域差異顯著的主要動力因素。

綜上所述,菲律賓海具有較顯著的水文環境分異和動力配置特征。溫鹽結構的水平分布呈“五區分異”模式,南北方向約以20°N和10°N為界,東西方向約以137°E為界,具有顯著的區域差異。垂向分布呈“三線一圈”模式,以200 m水深為界,上層季節變化較大且區域特征明顯,而下層季節變化較小;200～500 m水深的溫鹽結構與上層相比呈反相分布,500 m以深水深的溫鹽結構變化較小且差異不明顯。值得注意的是,20°N以北海域的500～1 000 m水深存在次低溫低鹽水。

菲律賓海的溫鹽結構是其生態構成和分布的重要依據,上述分析可為其海洋生態區劃提供必要的水文動力環境參考依據。

2 海洋生態區劃現狀

生態區劃以保護生物多樣性以及維持生態系統結構和功能為主要目的,其通過劃分或歸并生態單元以揭示生態特征的區域相似性和差異性,是生態系統和自然資源管理的重要支撐[21-25]。海洋是地球最主要的生態系統之一,提供全球約67%的生態系統服務價值[26]。作為生命系統從基因到生態系統各層次多樣性的總和,生物多樣性包含生物及其與環境形成的生態復合體以及與此相關的各種生態過程[27-32],而海洋生物多樣性則是全球和海洋環境演變的結果。

受氣候變化和人類活動的影響,當前海洋生態系統衰退加重,加強海洋和海洋生物多樣性保護已是全球共識[33-34]。為提升保護和可持續開發利用海洋生物資源的能力以及維護海洋權益,各國將海洋環境和生態保護作為主要目標和優先行動,積極推進海洋和海洋生物多樣性保護工作,其中的重要議題涉及海洋保護區選劃以及具有重要生態或生物學意義海域的劃區管理[34]。與此同時,海洋保護區由國家管轄內海域逐漸向國家管轄外海域拓展[35-36],聯合國《生物多樣性公約》納入國家管轄范圍外海域的生物多樣性(BBNJ)問題,通過確定適當機制,建立和有效管理國家管轄范圍外的海洋保護區。

海洋生態區劃是海洋可持續發展的戰略基礎,有助于推廣生態系統方法,為減緩氣候變化和人類活動對海洋生態系統的影響提供重要技術支撐。加強海洋保護區建設、實施海洋功能區劃以及全面開展海洋空間規劃和管理的首要任務是基于海洋環境和生態系統的異質性,針對典型生態系統以及特征生境和物種進行海洋生態區劃,以維持和提高海洋生態系統的恢復力和適應性。海洋生態區劃方案的編制以辨識海域系統地理要素的變化過程、時空格局及其相互作用機理為前提,其中確定界線是海洋生態區劃的具體體現,而環境要素的地理區劃是海洋生態區劃的重要底層參考[31]。由此,本研究基于菲律賓海水文動力環境的關鍵要素分異,從環境梯度的角度提出水平“五區分異”模式和垂向“三線一圈”模式,以期為該海域海洋生態區劃的邊界確定、動態量化和分異組合等提供參考依據,進而為該海域實施有效的海洋生物多樣性保護和管理策略提供必要的科技支撐。

菲律賓海鄰近全球生物多樣性和生物進化中心,分布多種重要的海洋生物資源[17]。以脊索動物為例,近期研究表明菲律賓海邊緣海域尤其是菲律賓群島、臺灣島、日本群島、馬里亞納群島和九州-帕勞海嶺所在海域的生物多樣性較高,而中央海盆區的生物多樣性較低。生物多樣性與初級生產力顯著正相關,而與水深顯著負相關[37]。如前所述,海洋溫鹽三維結構是影響海洋生態系統的重要環境要素,氣候變化對海洋生物多樣性的影響也主要源于海洋溫鹽三維結構的變化。須提出的是,海洋生態系統是生物群落及其生存環境交互作用的動態復合體,然而僅以脊索動物為例尚無法形成對菲律賓海生物多樣性及其分布的完整認識。此外,菲律賓海的海洋生物多樣性具有邊緣海域較高而中央和深水盆地海域較低的分布格局,應考慮當前菲律賓海深海生物多樣性數據不足的現狀[37],由此也可見海洋生態區劃體現強動態性的特征。

3 對海洋生態區劃的啟示

目前我國的生態區劃工作大多集中在陸地系統,而對海洋系統的關注相對不足;海洋生態區劃工作起步較晚且多定性而靜態[36],有關氣候變化和人類活動對海洋和海洋生物多樣性影響的基礎性研究較薄弱,無法引導或影響國際海洋和海洋生物多樣性評估進程,難以形成對國際條約談判的技術支撐[35]。結合海洋生態區劃現狀和研究焦點,本研究提出3點啟示性研究建議。

3.1 加強海洋觀測組網和基礎數據融合,科學劃分海洋生物多樣性保護和資源空間管理邊界

有效的區劃管理須有大量數據作為支撐,但目前開放海域和深海海域仍缺乏本底調查數據。隨著深海脆弱生態系統逐漸成為公海管理的新熱點,同時考慮氣候變化的影響(包括由氣候變化引起的海平面上升以及海洋生物及其棲息地分布等的變化),須在多源數據采集、處理和整編的基礎上不斷構建相關海域的精確化和長時序的環境數據庫。

須提出的是,由于目前海洋生物數據與環境要素數據相比尚顯不足,依據環境要素的地理區劃凸顯實踐價值。在全球生態區劃的大背景下,應加快構建海洋生物和生態觀測的組網系統。同時,為科學評估海洋生物多樣性和海洋生態系統的現狀和未來變化,亟須建立可靠的基線數據庫并實時更新和補充,主要包括環境背景、本底和基線以及基線物種組成、生態系統類型、生物棲息地邊界、生態過程和生態韌性等基礎信息數據庫。

海洋生態區劃的邊界包含海洋生物和環境分布規律的復雜信息,為實現從科學調查到管理實踐的有效銜接,須針對不同海洋生物和環境觀測數據構建數據融合與評估的技術體系和有效工具,并建立海洋生態區劃制圖的標準化技術和規范。選取適當的環境因子類型和分辨率,在多維度認知海洋生態系統的基礎上編制高效動態的海洋生態區劃方案。

3.2 構建綜合區劃方案理論體系和分類分區綜合區劃技術體系

在全面認知海洋環境要素的變化過程及其相互作用的基礎上,以區域分異規律為理論基礎,構建綜合區劃方案理論體系,提出我國海洋生態綜合區劃方案以及建立有效的區劃管理工具和動態管理平臺,為國家多維度和多目標的科學決策提供技術保障。

豐富海洋生態安全內涵,從區域角度觀測、研究和管理地域綜合體,加快探索分類分區綜合區劃技術體系,必要時建立過渡性分區,結合全球環境和氣候變化,強化海洋生態區劃的動態適應性,促進海洋生態系統的健康可持續發展,滿足跨學科和跨專業的自然資源綜合管理需求。

3.3 創新復合分類分區算法,提高海洋生態系統服務能力

生態地理區劃的優勢在于明確的區劃目標和明顯的空間表達方式,其依據生態系統環境因素的空間分異成功推動全球生物多樣性研究的廣泛開展。然而以生物多樣性保護為目標的區劃方案仍屬生態地理區劃范疇,而缺乏對生態系統服務的空間表達。為此,應加速實現從海洋生態地理區劃到海洋生態功能區劃的跨越,根據海洋生物多樣性狀況、海洋生境、人-海關系及其威脅以及社會經濟政治條件地理優先級,動態調整海洋生態區劃邊界,豐富和完善海洋生態區劃理論體系。

未來海洋生態區劃的研究重點為疊加各種人類活動、氣候變化和海洋生態系統服務指標,綜合海洋環境容量和承載力、海洋生態連通性、海洋生物多樣性及其脅迫程度、海洋生態位結構和脆弱性及其對人類的影響等不同視角,發展海洋生態區劃的復合分類分區算法,加強分級分時的多重目標動態管理。

4 結語

21世紀,人類進入開發利用海洋資源和海洋戰略空間的新階段,尤其空間發展已進入生態文明的新時代。為加快海洋強國建設和促進海洋高質量發展,我國編制國土空間規劃、海洋空間規劃和海洋功能區劃等一系列規劃方案,其中海洋分類分區體系是國土空間規劃編制的重要依據,關系到海洋空間的劃分和管控[36]。隨著人類海洋保護意識的增強,國際自然保護聯盟(IUCN)發出保護30%海洋水域的號召。在主權管轄海域或公海中,明確界定某個海洋地理環境空間并對其進行選劃和管理,以實現“從基因到生態系統”的生物多樣性保護,成為全球海洋保護區選劃和管理的重要內容。而基于海洋生態安全,科學選劃以及分類分區和分級分時管理海洋保護區,是有效發揮海洋生態系統功能的重要保障。

上述分析均體現海洋生態區劃研究的迫切需求?；诖?本研究以重要的全球海洋生物多樣性中心和起源地之一的菲律賓海為例,通過水文動力三維環境特征分析,提出菲律賓海水文環境分異的水平“五區分異”模式和垂向“三線一圈”模式,作為海洋生態區劃的重要底層參考,進一步結合我國海洋生態區劃現狀提出啟示性研究建議。本研究的相關內容僅作為推進海洋生態區劃基礎性工作的嘗試,致力于充分利用海洋環境、海洋生物和社會經濟等方面的變量和要素,為開展海洋生態區劃尤其是科學有效的綜合區分和界定工作提供必要的科學支撐,以滿足海洋生態系統安全健康以及海洋資源可持續開發利用的戰略新需求。