開展近海生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)引領(lǐng)海洋生態(tài)系統(tǒng)健康研究

孫曉霞 孫 松

中國科學(xué)院海洋研究所 膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)定位研究站 青島 266071

近海海域具有重要的服務(wù)功能和價(jià)值。我國擁有約300萬平方公里海域，大陸海岸線長(zhǎng)達(dá) 18 000 多公里，是名副其實(shí)的海洋大國。海洋中豐富的天然資源和巨大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是保障我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其重要性受到國家和社會(huì)的高度重視。

然而，我國近海面臨多重脅迫，健康狀況不容樂觀。隨著人們對(duì)海洋資源的開發(fā)和利用，我國近海陸續(xù)出現(xiàn)了一系列生態(tài)和環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅和影響我國沿海經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，我國近岸海域富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，局部海域污染問題突出，底層水體缺氧現(xiàn)象不斷加劇；與此同時(shí)，有害藻華、滸苔、水母等不同類型的生態(tài)災(zāi)害在我國近海多次暴發(fā)，危害嚴(yán)重，近海生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)動(dòng)蕩狀態(tài)；海洋垃圾、微塑料污染等新型生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)層出不窮；多數(shù)傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)魚類資源量大幅度下降，難以形成漁汛[1]。我國近海生態(tài)環(huán)境的演變與生態(tài)系統(tǒng)功能退化問題已經(jīng)成為制約沿海地區(qū)發(fā)展的重要因素，受到了國家和社會(huì)的高度關(guān)注。

開展近海生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期觀測(cè)與系統(tǒng)研究，探究近海生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的理論、技術(shù)、方法、示范是服務(wù)于國家戰(zhàn)略的重要舉措。中國科學(xué)院膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（以下簡(jiǎn)稱“膠州灣站”）作為我國溫帶海域集監(jiān)測(cè)、研究、示范于一體的綜合性生態(tài)站，構(gòu)建了完善的近海生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與研究平臺(tái)，對(duì)膠州灣及鄰近海域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，對(duì)海灣與近海生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期變化、系統(tǒng)演變、驅(qū)動(dòng)機(jī)理、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)對(duì)措施開展了系統(tǒng)研究，揭示了維持海灣生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關(guān)鍵過程，并提出相應(yīng)的解決途徑與系統(tǒng)方案，為我國近海生態(tài)系統(tǒng)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供了重要的理論與技術(shù)支撐。

1 揭示中華哲水蚤度夏機(jī)制，率先提出浮游動(dòng)物功能群概念

浮游動(dòng)物是海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸問題，中華哲水蚤是我國近海浮游動(dòng)物關(guān)鍵種。膠州灣站通過長(zhǎng)期觀測(cè)與研究，確定了中華哲水蚤的度夏場(chǎng)所為黃海中部冷水團(tuán)，發(fā)現(xiàn)了中華哲水蚤度夏種群具備休眠特征，揭示了其完整的被動(dòng)度夏過程（圖 1）。該研究極大提升了我國浮游動(dòng)物相關(guān)研究的國際地位，并以此為紐帶將整個(gè)中國近海的浮游動(dòng)物聯(lián)系起來，證實(shí)了中國近海的中華哲水蚤為同一個(gè)種群的判斷。對(duì)中華哲水蚤度夏的研究為其他海洋過程研究提供了重要支撐，使得中華哲水蚤主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬成為可能[2-5]。相關(guān)研究獲得山東省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

圖 1 中華哲水蚤度夏機(jī)制

圖 2 海洋浮游動(dòng)物功能群的劃分

膠州灣站在國際上率先系統(tǒng)提出了海洋浮游動(dòng)物功能群的概念和劃分方法（圖 2）。對(duì)海洋漁業(yè)資源至關(guān)重要的浮游甲殼類動(dòng)物功能群，由于其粒徑大小是與魚類之間攝食關(guān)系中的最主要的限制因子，因此膠州灣站根據(jù)粒徑大小將浮游甲殼類動(dòng)物功能群再次劃分為大（粒徑 ＞5 mm）、中（粒徑為 2—5 mm）、?。?＜2 mm）3 個(gè)亞群。大、中和小型亞群的代表種類分別為磷蝦類、大型橈足類和小型橈足類，又可分別稱為大型甲殼類亞群、大型橈足類亞群和小型橈足類亞群。對(duì)于非餌料性浮游動(dòng)物類群，將其劃分為 3 個(gè)膠質(zhì)類浮游動(dòng)物功能群，分別為水母類功能群、海樽類功能群和箭蟲類功能群。其中，水母類功能群和箭蟲類功能群與高營養(yǎng)層次之間競(jìng)爭(zhēng)攝食浮游動(dòng)物及其生產(chǎn)力；同時(shí)，箭蟲類也是高營養(yǎng)層次的一種食物來源。海樽類功能群，是一類被動(dòng)的濾食性浮游動(dòng)物功能群，與其他餌料浮游動(dòng)物競(jìng)爭(zhēng)攝食浮游植物，但其本身的物質(zhì)和能量不能被有效傳遞到高營養(yǎng)層次。海洋浮游動(dòng)物功能群概念的引入和應(yīng)用為海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估、海洋漁業(yè)資源長(zhǎng)期變動(dòng)研究和海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過程模式的建立開辟了新的路徑[6,7]。

2 闡明膠州灣生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期演變過程與機(jī)制

以膠州灣為代表性海域，基于 30 余年的綜合觀測(cè)和 10 余年的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)近百年來膠州灣地區(qū)氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，以冬季升溫最為顯著，可達(dá) 0.080℃/a；膠州灣海水營養(yǎng)鹽中氮過剩、硅缺乏，呈現(xiàn)出硅限制的可能性。

與此相對(duì)應(yīng)，膠州灣暖水性浮游植物、甲藻等浮游植物類群的數(shù)量呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；浮游動(dòng)物生物量同樣呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，2000 年之后浮游動(dòng)物平均生物量為 20 世紀(jì) 90 年代的 3.54 倍，其中以水母類浮游動(dòng)物的增加最為顯著（圖 3）。而餌料性浮游動(dòng)物，如大型橈足類的豐度平均值在 2000 年之后與 20 世紀(jì) 90 年代相比則降低了 34.5%，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)“營養(yǎng)鹽比例失衡→甲藻類增多→浮游動(dòng)物小型化、膠質(zhì)化”的演變趨勢(shì)[8-15]。

為辨析人類活動(dòng)與自然變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變的影響，膠州灣站深入解析了膠州灣百年來的沉積訊息與環(huán)境變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)總有機(jī)碳、總氮、總磷、生源硅累積通量的貢獻(xiàn)分別高達(dá) 43.5%、37.2%、37.7%、30.0%，對(duì)重金屬 Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的平均貢獻(xiàn)分別達(dá) 41.5%、23.5%、8.9%、48.0%、6.2%、9.8%、2.1%、21.6%，人類活動(dòng)的影響主要始于 20 世紀(jì) 80—90 年代[16-19]。

基于膠州灣站的相關(guān)研究，出版了專著《海灣生態(tài)系統(tǒng)的理論與實(shí)踐——以膠州灣為例》，為揭示近海生態(tài)系統(tǒng)的演變機(jī)制與制定可持續(xù)發(fā)展策略提供了系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)?！澳z州灣生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)研究”獲得海洋科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

圖 3 膠州灣小型水母生物量長(zhǎng)期變化情況

3 揭示中國近海水母災(zāi)害暴發(fā)的關(guān)鍵過程、機(jī)理及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

針對(duì)近年來膠州灣與中國近海頻發(fā)的水母災(zāi)害開展了系統(tǒng)研究，查明了我國近海致災(zāi)水母的生物學(xué)特征、生長(zhǎng)模式與生態(tài)適應(yīng)策略，揭示了導(dǎo)致水母暴發(fā)的關(guān)鍵過程與調(diào)控機(jī)制、水母暴發(fā)對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響途徑與機(jī)理，提出了應(yīng)對(duì)水母災(zāi)害的相關(guān)對(duì)策。

在水母暴發(fā)機(jī)理方面重點(diǎn)開展水母生活史無性繁殖階段基礎(chǔ)生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究，在水母生活史策略（圖 4）與環(huán)境變化及其關(guān)鍵調(diào)控因子研究方面取得突破。通過建立國內(nèi)首個(gè)大型水母水族系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，率先完成對(duì)沙海蜇為主的致災(zāi)水母的人工繁殖和全生活史的室內(nèi)培養(yǎng)，獲得了沙海蜇、海月水母等我國近海致災(zāi)水母主要種類的生活史策略；發(fā)現(xiàn)了無性生活史是影響各暴發(fā)水母種群變動(dòng)的重要生活史世代，環(huán)境條件（如溫度、鹽度、餌料等）的變化對(duì)其無性生活史策略的改變起著至關(guān)重要的作用；溫度及其波動(dòng)是調(diào)控致災(zāi)水母由無性生活史到有性生活史的扳機(jī)，調(diào)控能量在足囊（或出芽）與橫裂生殖之間的分配。從整體上首次系統(tǒng)研究了影響我國 3 種致災(zāi)水母生活史的關(guān)鍵過程，揭示了控制其種群數(shù)量增長(zhǎng)的關(guān)鍵控制因素，以及其關(guān)鍵發(fā)育階段的生態(tài)適應(yīng)策略，為揭示我國近海大型水母的暴發(fā)機(jī)理提供了重要的生物學(xué)基礎(chǔ)[20-25]。

從生態(tài)系統(tǒng)水平上研究了我國近海水母暴發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)變異之間的關(guān)系。首次系統(tǒng)闡明了黃海、東海沙海蜇自然種群的動(dòng)態(tài)變化，并從生態(tài)系統(tǒng)的角度揭示了水母沙海蜇與生態(tài)系統(tǒng)變異之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)水母持續(xù)暴發(fā)對(duì)我國近海生態(tài)系統(tǒng)演變的影響，提出應(yīng)對(duì)水母災(zāi)害的相關(guān)對(duì)策，提升我國在海洋生態(tài)災(zāi)害過程與機(jī)制研究方面的總體水平、國際地位和影響力[26]。大型水母生活史策略和黃東海大型水母分布格局與生態(tài)系統(tǒng)變異之間的關(guān)系兩項(xiàng)成果先后被評(píng)為海洋與湖沼十大科技進(jìn)展，相關(guān)成果被 Science 和 Nature 跟蹤報(bào)道（圖 5）。國際著名海洋生態(tài)學(xué)家Mark Costello在評(píng)價(jià)時(shí)認(rèn)為，“中國的水母暴發(fā)機(jī)理的研究結(jié)果為地中海、里海等其他海域的水母災(zāi)害問題提供了借鑒”。

圖 4 大型水母生活史策略

圖5 Nature報(bào)導(dǎo)水母研究進(jìn)展

膠州灣站在以上研究基礎(chǔ)上，向科學(xué)技術(shù)部報(bào)送了《我國近海水母災(zāi)害情況報(bào)告與措施建議》，向中國科學(xué)院科學(xué)傳播局報(bào)送了《沿海水母暴發(fā)對(duì)核電工業(yè)的威脅及應(yīng)對(duì)措施建議》，并被采用?！包S東海大型致災(zāi)水母生活史及其災(zāi)害發(fā)生機(jī)制”研究獲得海洋科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

4 揭示黃海綠潮成因，形成系統(tǒng)化預(yù)測(cè)與防控應(yīng)對(duì)策略

經(jīng)過長(zhǎng)達(dá) 10 年的研究，系統(tǒng)闡明了滸苔發(fā)源地、發(fā)生機(jī)制、防控機(jī)理，首次實(shí)現(xiàn)滸苔預(yù)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)并得到驗(yàn)證，提出滸苔災(zāi)害防控系統(tǒng)解決方案，為海洋生態(tài)災(zāi)害綜合防控和實(shí)施“健康海洋”戰(zhàn)略起到科技支撐作用[27]。

從海洋生態(tài)系統(tǒng)角度，抓住關(guān)鍵過程開展綜合研究，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、衛(wèi)星遙感和模擬實(shí)驗(yàn)等宏觀和微觀研究手段，開展了系統(tǒng)的調(diào)查和研究工作（圖 6）。進(jìn)一步確認(rèn)了黃海綠潮起源于蘇北淺灘海域，提出了對(duì)黃海綠潮總體規(guī)模的預(yù)測(cè)預(yù)警方法并成功預(yù)測(cè)了 2017 年度黃海海域綠潮規(guī)模顯著下降的現(xiàn)象，形成了系統(tǒng)化的黃海綠潮防控策略，為 2018 年上海合作組織峰會(huì)的環(huán)境保障工作提供了重要的科技支撐。

提出了應(yīng)用“綠潮綜合指數(shù)”預(yù)測(cè)黃海海域綠潮總體規(guī)模的思路?！熬G潮綜合指數(shù)”包含了淺灘區(qū)滸苔微觀繁殖體數(shù)量、筏架上定生滸苔的生物量，以及淺灘區(qū)漂浮綠藻的生物量等要素，有望提前 30—40 天預(yù)測(cè)黃海海域的綠潮規(guī)模，為黃海綠潮的預(yù)測(cè)、預(yù)警及綜合防控提供科學(xué)支撐[28]。

根據(jù)對(duì)黃海綠潮成因和早期發(fā)展過程中關(guān)鍵點(diǎn)的分析，從消減綠藻微觀繁殖體數(shù)量、控制微觀繁殖體附著過程、回收筏架附著綠藻和綠潮早期漂浮綠藻的控制性打撈等角度開展探索研究。根據(jù)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果制定整體防控措施，組織現(xiàn)場(chǎng)打撈實(shí)驗(yàn)（圖 7），提出綠潮防控“三道防線”的應(yīng)對(duì)策略，為政府提供相關(guān)信息和系統(tǒng)解決方案?；谏鲜鲅芯啃纬傻狞S海滸苔防控相關(guān)建議被中共中央辦公廳采納。

5 揭示我國近海海水與關(guān)鍵海洋生物體內(nèi)微塑料特征

海洋環(huán)境中的微塑料污染問題是當(dāng)前國際和國家關(guān)注的熱點(diǎn)問題，膠州灣站相關(guān)研究在該領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展。

（1）揭示了我國近海的表層水體微塑料分布特征。發(fā)現(xiàn)沿海大城市的近岸海域和黃東海中部海域微塑料分布密度較高（圖 8）?？傮w上東海表層水體中的微塑料的平均分布密度要高于黃海，與世界上其他區(qū)域比較，我國近海微塑料的分布密度處于中等水平[29,30]。

（2）系統(tǒng)揭示了黃海、東海浮游動(dòng)物體內(nèi)微塑料組成特征與分布格局。黃海、東海浮游動(dòng)物體內(nèi)普遍含有微塑料，通常端足類、枝角類體內(nèi)微塑料含量較低，而箭蟲、水母、磷蝦、瑩蝦、海樽等體內(nèi)微塑料含量較高。浮游動(dòng)物體內(nèi)以纖維狀微塑料占主要部分，處于較高營養(yǎng)級(jí)的浮游動(dòng)物體內(nèi)微塑料相對(duì)更多，并揭示了浮游動(dòng)物對(duì)微塑料的富集現(xiàn)象[31,32]。

（3）揭示了黃海19種魚類體內(nèi)微塑料的特征。與其他研究海域相比黃海魚類體內(nèi)微塑料處于中等水平；魚類體內(nèi)的微塑料主要為纖維；黃海北部與南部魚類體內(nèi)微塑料風(fēng)險(xiǎn)高于中部[33]。相關(guān)成果主要發(fā)表在Environmental Pollution、Science of the Total Environment等國際頂級(jí)期刊。

圖 6 黃海綠潮漂移路徑追蹤

圖 7 滸苔打撈現(xiàn)場(chǎng)

6 研發(fā)了近海生態(tài)系統(tǒng)健康與承載力評(píng)估系統(tǒng)

基于近海生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期演變研究成果，針對(duì)國家關(guān)心的我國近海生態(tài)系統(tǒng)健康與承載力問題，系統(tǒng)開展了近海生態(tài)系統(tǒng)健康與承載力評(píng)估，從近海漁業(yè)資源恢復(fù)和養(yǎng)殖模式改變兩方面提出我國海洋漁業(yè)未來發(fā)展出路、對(duì)策與措施。向國務(wù)院提交了《中國近海生物生產(chǎn)力評(píng)估及其可持續(xù)利用——我國海洋漁業(yè)的困境與出路》咨詢報(bào)告，并獲得國家領(lǐng)導(dǎo)人批示。

從與生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)的相關(guān)要素現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)，以及關(guān)鍵生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)變動(dòng)之間關(guān)系出發(fā)，確立了我國近海生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架；基于海域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能及生態(tài)災(zāi)害/疾病等各項(xiàng)特征，完成了對(duì)各類數(shù)據(jù)資料的篩選、量化。利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，開展評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)制定工作，對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)尚未定義標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的建立。以膠州灣為典型研究海域，完成卡片式健康評(píng)估模型框架的構(gòu)建（圖 9），科學(xué)評(píng)價(jià)膠州灣整體健康狀況及其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

研發(fā)的近海生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估卡片分別在中國、澳大利亞近海典型海域進(jìn)行應(yīng)用，推動(dòng)中澳健康海洋聯(lián)合研究中心成立，中澳兩國大使分別對(duì)膠州灣站主導(dǎo)的中澳健康海洋中心進(jìn)行了訪問。“中國近海典型海域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估”典型案例為聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）在 SDG14 指標(biāo)監(jiān)測(cè)中的方法模型、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和決策支持方面作出了中國貢獻(xiàn)。相關(guān)研究取得了良好的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖8 黃海海水與浮游動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布

7 結(jié)語

長(zhǎng)期以來，膠州灣站始終堅(jiān)持長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)研究、示范服務(wù)的宗旨，面向國家海洋生態(tài)文明建設(shè)、“一帶一路”建設(shè)等國家重大需求，面向海洋生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科前沿，面向國民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，取得了一系列創(chuàng)新性科研成果，為我國近海生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科技支撐。近 5 年來，以膠州灣站為研究平臺(tái)，支撐了一系列重大科技項(xiàng)目，包括戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、“973”計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科學(xué)技術(shù)部對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目100 余項(xiàng)。獲省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng) 9 項(xiàng)，發(fā)表研究論文 373 篇，申請(qǐng)和授權(quán)專利 31 項(xiàng)，出版專著 10 部，在國內(nèi)外產(chǎn)生了重要影響。膠州灣站的長(zhǎng)期觀測(cè)與系統(tǒng)研究在未來海洋生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展中將發(fā)揮更大作用，為服務(wù)于國家戰(zhàn)略提供更加重要的科技支撐。

圖9 基于膠州灣生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)研發(fā)的近?？ㄆ浇】翟u(píng)估系統(tǒng)