長江口及鄰近海域浮游植物生態系統氣候變化綜合風險評估

郭海峽,蔡榕碩,譚紅建

(自然資源部第三海洋研究所海洋可持續發展研究中心,福建 廈門 361005)

近幾十年來,在我國沿海地區社會經濟快速發展的背景下,河口及鄰近海域資源環境面臨的壓力日益突顯。一方面,人類活動對河口生態系統的影響愈發顯著。快速增長的人口、土地利用方式的改變、化肥的大量使用與流失、城市生活污水和工業廢水的排放以及海水養殖的擴張,擾亂了大型河口系統營養物質的循環,從而引發富營養化現象,進而增加河口及其鄰近海域有害藻華和季節性缺氧的發生[1-2]。另一方面,近幾十年來,隨著全球變暖和東亞季風的減弱,我國近海增暖明顯,低空風場和海面風應力明顯減弱,無論是冬季還是夏季均有明顯升溫,且升溫幅度冬季大于夏季,這使得包括三大河口區的我國近岸海域,尤其是長江口及鄰近海域既受到氣候變暖的影響,又受到東亞季風變化的顯著作用[3]。因此,我國近岸海域特別是長江等河口區及其鄰近海域的環境和生態對氣候變化和人為活動的響應與適應成為值得高度關注的科學問題。

目前,長江河口區及鄰近海域大面積赤潮暴發次數為我國三大河口之最[15],并成為主要的生態災害之一。特別是,自20世紀70年代末以來,該海域赤潮的發生頻率呈現出年代際的增加,與東亞冬季風和海溫的年代際變化有很好的對應關系[16-17],浮游植物生態系統處于較高的不穩定和脆弱性狀態[3]。長江河口及附近海域大規模甲藻等有害赤潮的暴發嚴重影響了海洋環境與生態系統的健康及其服務功能以及沿海地區社會的可持續發展[10,18]。

據此,本文主要研究長江口浮游植物生態(以赤潮的暴發為主要研究對象)對氣候變化的響應及脆弱性特征,并基于政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)有關氣候變化綜合風險的概念與理論[19-20],構建了河口生態系統的氣候變化綜合風險評估指標體系,分析與評估不同氣候情景下未來長江口浮游植物生態系統的脆弱性和風險。

1 數據與方法

1.1 數據資料

1.2 氣候變化綜合風險評估指標體系的構建

IPCC AR5指出[19],氣候變化綜合風險(risk,R)是由氣候變化致災事件(因子)的危險(害)性(hazard,H)、自然和社會系統(承災體)的暴露度(exposure,E)和脆弱性(vulnerability,V)相互作用產生的,即R=f(H,E,V)。當承災體(如生態系統)暴露于某種氣候變化致災因子(如溫度上升)時,由于承災體存在一定的脆弱性,如果承災體應對氣候變化致災因子不力,則可能發生承災體的結構和功能的損毀或損失,并產生嚴重的影響或風險。因此,造成海洋生態系統結構與服務功能損失的氣候變化致災因子是風險發生的前提,而承災體的存在是風險發生的必要條件。

氣候變化致災因子的影響程度及是否造成災害風險,除了取決于致災因子的危害性(如強度、頻率和范圍)之外,還取決于承災體的暴露度和脆弱性的水平。暴露度是指氣候變化致災因子發生時的不利影響范圍與承災體在空間分布上的暴露程度[22]。脆弱性是指承災體易受氣候變化致災因子不利影響的傾向或習性,而容易受到損害的一種狀態,與其對氣候變化致災因子的敏感性和適應性等因素密切相關[23-24]。

赤潮的發生受到許多因素的影響,如營養鹽、環境因子和生物入侵等。最近的研究結果表明,長江口赤潮的發生次數與營養鹽濃度、SST和表面風應力有很好的相關關系[25]。人類活動排放到海洋里的工業廢水和生活污水中的大量營養物質,導致海水富營養化,為赤潮生物的繁殖提供了物質基礎[26]。較暖的海水溫度有利于浮游植物的生理活動以及赤潮的暴發。研究表明,前冬或春季溫度升高有利于浮游生物生長,在營養鹽充分的條件下,浮游動物優勢種的季節演替脫節導致攝食平衡失調,赤潮易暴發[20,27]。較小的風力會擴大上層海水混合減弱效應,利于赤潮藻和細胞聚集[28]。并且,SST上升可以拓寬赤潮種藻類的季節性暴發機會窗口,擴大其分布,并為增長提供競爭優勢,這意味著隨著SST的增加,有害藻華事件可能會更頻繁地發生在更廣泛的區域[29]。此外,光照強度影響浮游植物光合作用,高光照度下藻細胞生存所需鐵和磷的量較少,為赤潮暴發提供了條件[30]。河口浮游植物生態系統的脆弱性與浮游植物背景豐度和水層結構有關[31]。較高浮游植物豐度的水體,在同等藻華條件下更容易暴發赤潮,浮游植物敏感性程度高。混合層深度越小,混合層內平均光強越大,即藻類接受的光照越充分,浮游植物適應性越弱[32]。基于上述分析以及IPCC致災因子危害性、承災體暴露度、脆弱性和綜合風險與概念理論,形成了河口浮游植物生態系統的氣候變化綜合評價指標體系(表1)。

表1 河口浮游植物生態系統的氣候風險評估指標體系Tab. 1 Assessment system of climate change on comprehensive risks of phytoplankton ecology in estuarine areas

1.3 氣候變化綜合風險評估方法

根據表1河口浮游植物生態的氣候風險評估指標體系定義,浮游植物生態的致災因子危害性由SST、風速和營養鹽濃度3部分構成,SST由冬季(12、1、2月份)海溫表征,風速取赤潮高發季節海表面風速,營養鹽取NO3-N濃度和PO4-P濃度;暴露度由增溫速率和太陽輻射強度兩部分構成;脆弱性由敏感性和適應性兩部分構成,敏感性由表征浮游植物豐度的葉綠素a濃度決定,適應性與海水混合層深度有關;風險為致災因子危害性、承災體的暴露度和脆弱性三者相互作用。具體計算過程如下:

Hi,j=a1Swi,j-a2Wi,j+a3CDIN+a4CDIP

(1)

Ei,j=Tai,j×Soli,j

(2)

Vi,j=Si,j/Ai,j

(3)

Ri,j=a5Hi,j+a6Ei,j+a7Vi,j

(4)

式(1)至(4)中:下標i和j表示網格點坐標,H、E、V、R分別為致災因子危害性、暴露度、脆弱性和風險,Sw為經過標準化[33]處理的SST,W為經過標準化處理的風速,CDIN為經過標準化處理的NO3-N濃度,CDIP為經過標準化處理的PO4-P濃度,Ta為經過標準化處理的SST線性變化趨勢,Sol為經過標準化處理的表面凈太陽輻射,S為敏感性,由葉綠素a濃度經標準化處理得到;A為適應性,A=Zmix,Zmix為混合層深度,同樣經過標準化處理;a1～7為權重系數。計算結果采用自然斷點法[34]劃分為5個等級。

2 結果與分析

2.1 主要致災因子危害性評估

根據致災因子危害性評估方法,計算得到長江口及鄰近海域在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)不同時間段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的致災因子危害性空間分布差異(圖1)。

圖1 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世紀近期、中期、末期長江口及鄰近海域浮游植物生態致災因子危害性空間分布Fig. 1 Spatial distributions of phytoplankton ecology hazard in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分別為RCP 2.6情景下21世紀近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)致災因子危害性,(d)—(f)為RCP 4.5情景,(g)—(i)為RCP 8.5情景。

由圖1(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態致災因子危害性總體為中等,空間分布較為均勻;到21世紀50年代,致災因子危害性有所上升,上升區域主要在北麂列島附近海域,有較高危害性;到21世紀90年代,致災因子危害性有所下降,總體危害性較低,這種變化可能主要受營養鹽濃度下降和平均風速上升影響。

由圖1(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態致災因子危害性總體為中等,與RCP 2.6情景相似;到21世紀50年代,致災因子危害性有所上升,上升幅度隨緯度增加而增大,長江河口附近有較高危害性;到21世紀90年代,致災因子危害性進一步上升,海域總體處于高危害性影響下,高值區主要出現在舟山群島附近海域。

由圖1(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態致災因子危害性總體為中等,與RCP 2.6情景相似;到21世紀50年代,海域總體致災因子危害性快速上升至高等;到21世紀90年代,致災因子危害性大幅度增加,該海域浮游植物總體處于極高危害性影響下,這種變化可能主要受海溫快速上升的影響。

2.2 暴露度評估

根據承災體暴露度評估方法,計算得到長江口及鄰近海域浮游植物生態在不同氣候情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)未來不同時間段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的暴露度空間分布差異(圖2)。

圖2 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世紀近期、中期、末期長江口及鄰近海域浮游植物生態暴露度空間分布Fig. 2 Spatial distributions of phytoplankton ecological exposure in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分別為RCP 2.6情景下21世紀近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)暴露度,(d)—(f)為RCP 4.5情景,(g)—(i)為RCP 8.5情景。

由圖2(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態暴露度整體較小,高暴露度區域主要為長江河口附近;到21世紀50、90年代,長江口及附近海域浮游植物生態暴露度空間分布特征與21世紀30年代類似,變化幅度較小。

由圖2(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域整體暴露度較小;到21世紀50年代,暴露度明顯增加,高值區主要在長江口31°—32°N,121°—123°E范圍內,并向南延伸與岸線平行呈帶狀分布;到21世紀90年代,與21世紀50年代相似的空間分布格局下,暴露度略有增加。

由圖2(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物整體暴露度較小;21世紀50年代暴露度明顯增加,高值區主要在長江口31°—32°N,121°—123°E范圍內,并向南延伸與岸線平行呈帶狀分布;21世紀90年代,暴露度進一步劇增,幾乎整個海域都處于很高的暴露度環境中,該海域多年升溫明顯,且光照充足,有利于赤潮暴發。

2.3 脆弱性評估

根據承災體脆弱性評估方法,計算得到長江口及鄰近海域浮游植物生態在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)不同時間段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的脆弱性空間分布差異(圖3)。

圖3 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世紀近期、中期、末期長江口及鄰近海域浮游植物生態脆弱性空間分布Fig. 3 Spatial distributions of phytoplankton ecological vulnerability in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分別為RCP 2.6情景下21世紀近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)脆弱性,(d)—(f)為RCP 4.5情景,(g)—(i)為RCP 8.5情景。

根據定義,脆弱性由敏感性和適應性兩部分構成,而敏感性由表征浮游植物豐度的葉綠素a濃度決定,適應性與海水混合層深度有關。由于CMIP5模式預估的長江口及鄰近海域葉綠素a濃度和混合層深度,在不同時期和不同情景下空間分布差異較小,故由兩者計算得出的脆弱性空間分布也就趨于一致。總體上看,長江口及鄰近海域浮游植物脆弱性由近岸向遠岸呈遞減分布,123°E附近以西海域基本處于很高脆弱性狀態中。河口近岸海域由于富營養化程度高,導致浮游植物背景豐度較高,加上水深較淺,混合層深度小,水體中的藻類更容易受到充足的光照,并迅速增長,利于形成赤潮。

2.4 氣候變化綜合風險評估

根據承災體綜合風險評估方法,計算得到在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)長江口及鄰近海域浮游植物生態在未來不同時間段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的綜合風險空間分布差異(圖4)。

圖4 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世紀近期、中期、末期長江口及鄰近海域浮游植物生態綜合風險空間分布Fig. 4 Spatial distribution of comprehensive risks of phytoplankton ecology in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分別為RCP 2.6情景下21世紀近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)綜合風險,(d)—(f)為RCP 4.5情景,(g)—(i)為RCP 8.5情景。

由圖4(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態的綜合風險總體較小,較高風險區域主要為北部的長江入海口附近和南部的臺州灣附近;到21世紀50、90年代,北部長江入海口附近高風險區有所發展,綜合風險空間分布格局總體為近岸高遠岸低。

由圖4(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世紀30年代,長江口及鄰近海域浮游植物生態綜合風險整體較小;到21世紀50年代,綜合風險明顯增加,高風險區擴展到整個近岸海區內,與岸線平行呈帶狀分布;與21世紀50年代相似的空間分布格局下,21世紀90年代綜合風險略有增加。

由圖4(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世紀30年代長江口及鄰近海域浮游植物生態綜合風險整體較小;到21世紀50年代綜合風險明顯增加,高風險區擴展到整個近岸海區內,與岸線平行呈帶狀分布;21世紀90年代,綜合風險進一步劇增,不僅高風險區域面積擴大,風險水平也將急劇上升,幾乎整個近岸海域都處于很高風險環境中。高風險環境下,水環境惡化,容易引起浮游植物群落發生改變,藻華(赤潮、綠潮)時間提前,強度和頻率增加,藻毒素產生,低氧區擴大,進而導致漁業資源銳減,生產力下降等嚴重后果[20]。

未來氣候與海洋持續變暖的情景下,海洋的持續變暖使得長江口及鄰近海域的溫暖期變長,即春、秋季的物候分別提前與延后結束,這可能使浮游動物群落春季優勢種的演替時間更為提前,有利于赤潮等生態災害的發生[35]。此外,硅藻和甲藻對溫度和營養鹽(氮、磷及其比值)變化的響應模式不同:硅藻偏好低溫和高營養鹽,而甲藻對溫度和營養鹽相對不敏感,但傾向于低磷和高氮磷比的環境。上述生態位特性差異決定了升溫以及富營養化引起的高氮磷比值都會促進甲藻的快速生長[36]。浮游植物群落結構的改變又會影響浮游動物群落結構的變化,主要表現為溫水種和多數暖水種的地理分布北移,優勢種季節性演替的提前,例如溫水性或暖水性群落向亞熱帶群落的更替時間提前,并影響其對浮游植物的攝食壓力,從而帶來與魚類產卵場餌料供給變化有關的風險[37]。這將嚴重威脅海洋生態系統的健康和海洋食品安全。

3 結論

本研究基于IPCC氣候變化風險理論框架,構建了河口浮游植物生態系統的氣候變化綜合風險評估體系,并利用IPCC CMIP5地球系統模式數據,計算分析了長江口及鄰近海域浮游植物生態在不同氣候情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)未來不同時間段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的致災因子危害性、承災體暴露度和脆弱性,以及氣候變化綜合風險,得到以下主要結論:

(1)致災因子危害性的分析表明,在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,到21世紀中期,致災因子危害性均有明顯上升,但到21世紀末期,RCP 2.6情景下有所下降,而RCP 4.5、8.5情景尤其是后一種情景下該海域浮游植物致災因子危害性將有顯著增加。

(2)在RCP 2.6情景下,長江口及鄰近海域暴露度基本為中等以下,暴露度高值區主要集中在長江口31°—32°N,121°—123°E范圍內,并向南延伸與岸線平行呈帶狀分布,主要受升溫區分布的影響;在RCP 4.5和8.5情景下,未來長江口及鄰近海域暴露度將快速上升,特別是在RCP 8.5情景下,21世紀末期,幾乎整個海域的浮游植物都將處于很高暴露度環境中。脆弱性評估分析顯示,長江口及鄰近海域浮游植物脆弱性的空間分布差異較小,總體呈現近岸高遠岸低的分布特征,其中,123°E附近以西海域總體處于很高脆弱性的狀態下。

(3)在RCP 2.6、4.5和8.5情景下,未來長江口及鄰近海域浮游植物生態綜合風險呈現近岸高遠岸低,且有增加的趨勢,但以8.5情景最為明顯。到21世紀末期,該海域浮游植物生態總體綜合風險等級將上升為很高,可能暴發赤潮的海域面積將會擴大,同時赤潮強度和頻率可能上升。

為了降低長江口及鄰近海域浮游植物的脆弱性和減小氣候變化影響的風險,需要從整體海洋生態系統的角度出發,采取一系列措施。如,加強陸海統籌,嚴控圍填海規模、污染物排海和過度捕撈,降低近岸海域富營養化。這樣可以減輕海洋生態系統的破壞和富營養化現象的加劇,從而降低浮游植物面臨的生存壓力;增強浮游植物生態系統的氣候恢復力,通過加強科學研究,了解浮游植物生態系統在氣候變化下的適應能力和響應機制,制定針對性的保護措施,減少赤潮生態災害的發生頻次,維護海洋生態系統的健康。