黃海綠潮暴發(fā)期間滸苔沉降研究進(jìn)展*

劉金林 楊曉倩 李繼業(yè) 文欽琳 劉 煒 宋文鵬 何培民,3 張建恒,3#

(1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033；3.江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 連云港 222005)

近年來，我國海域生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康及穩(wěn)定造成一定沖擊。長江口附近海域暴發(fā)的赤潮在危害漁業(yè)資源的同時(shí)，釋放的藻毒素也對(duì)海域生態(tài)造成劇烈破壞[1-2]。大規(guī)模暴發(fā)的金潮、綠潮等[3-4]引起的生態(tài)災(zāi)害及次生災(zāi)害更為嚴(yán)重，我國渤海、黃海、東海等海域已持續(xù)多年出現(xiàn)綠潮規(guī)模性暴發(fā)，對(duì)海域的生態(tài)系統(tǒng)及沿岸地區(qū)的生態(tài)景觀等造成較大破壞[5-6]。其中，滸苔(Ulvaprolifera)是引發(fā)我國渤海、黃海等暴發(fā)綠潮災(zāi)害的主要物種[7-9]。滸苔是歸屬于綠藻門(Chlorophyta)、綠藻綱(Chlorophyceae)、石莼目(Ulvales)、石莼科(Ulvaceae)、石莼屬(Ulva)的一種大型藻類，世界范圍內(nèi)已知的石莼屬物種共有70余種，是引發(fā)綠潮暴發(fā)的主要優(yōu)勢種類[10-12]。全球范圍內(nèi)由石莼屬藻類引發(fā)的綠潮暴發(fā)頻率以及地理分布范圍均呈顯著增長趨勢[13]，滸苔在全球范圍內(nèi)約有20余亞種，分布較為廣泛。

我國黃海綠潮已持續(xù)10余年大規(guī)模暴發(fā)[14-16]，滸苔是引發(fā)黃海綠潮暴發(fā)的主要優(yōu)勢物種。黃海綠潮暴發(fā)不僅規(guī)模巨大且持續(xù)時(shí)間長[17]825，給江蘇及山東沿岸地區(qū)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、景觀以及養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[18-20]。黃海綠潮暴發(fā)期間，大量藻體最終以沉降形式進(jìn)入海區(qū)，目前有關(guān)沉降綠潮藻對(duì)海域生態(tài)影響的研究相對(duì)較少且不全面，因而迫切需要對(duì)此開展深入的研究及總結(jié)。本研究依托現(xiàn)有文獻(xiàn)，以優(yōu)勢綠潮藻物種滸苔為代表，總結(jié)了黃海綠潮藻主要去向及影響，并著重關(guān)注滸苔沉降的影響因素，為將來黃海綠潮災(zāi)害防控工作提供建設(shè)性意見。

1 黃海綠潮藻的主要去向

1.1 進(jìn)入岸灘堆積

黃海綠潮暴發(fā)規(guī)模龐大，2007—2019年綠潮最大覆蓋面積統(tǒng)計(jì)見圖1。風(fēng)場驅(qū)動(dòng)下的海洋表層流場是滸苔漂移路徑變化的主要原因[21],[22]1472。綠潮藻于每年6月進(jìn)入山東半島近岸海域，受海風(fēng)、海流等因素的影響大規(guī)模登陸青島附近海岸[23]409。山東的岸灘滸苔清理工作主要集中在重點(diǎn)旅游區(qū)域，而絕大多數(shù)非旅游區(qū)域的岸灘滸苔則由群眾自發(fā)組織清理并用于資源化利用，或者不進(jìn)行清理自然堆積在岸灘。岸灘堆積滸苔在分解過程中會(huì)生成二甲基硫醚和硫化氫等惡臭氣體，同時(shí)也對(duì)海水養(yǎng)殖、海陸交通等帶來損失及影響[24-25]。胡煒等[26]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近岸區(qū)域堆積的綠潮藻會(huì)導(dǎo)致刺參出現(xiàn)過度應(yīng)激與死亡現(xiàn)象，給刺參養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大損失。

1.2 船舶打撈后資源化利用

自2008年起,山東政府已連續(xù)13年開展黃海綠潮藻打撈工作，主要打撈區(qū)域集中在青島附近海域。起初，打撈的綠潮藻主要采用集中填埋的方式處理，隨著新型打撈設(shè)備及去鹽等技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[27]，目前已形成由打撈、脫水、打包、轉(zhuǎn)運(yùn)和資源化利用等環(huán)節(jié)構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)鏈[28]。以2019年為例，截至8月4日，滸苔無害化處置基地已累計(jì)商業(yè)化處置滸苔約23.8萬t，其中以生產(chǎn)滸苔粉、滸苔有機(jī)肥等粗加工產(chǎn)品為主。

此外，滸苔在其他領(lǐng)域也具有較廣泛的應(yīng)用。王淑賢等[29]從腐爛滸苔中篩選出一株可高效降解滸苔纖維素的微生物菌株，用于提升滸苔發(fā)酵產(chǎn)乙醇的產(chǎn)量；張明等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在250～350 ℃下對(duì)滸苔進(jìn)行炭化處理，生成的生物炭對(duì)水中萘等有機(jī)污染物的吸附作用明顯增強(qiáng)；高翔等[31]的研究表明，滸苔干粉能夠發(fā)揮顯著的助凝作用從而提升有機(jī)高分子絮凝劑的絮凝效果。趙衛(wèi)等[32]利用滸苔制備納米纖絲化的海藻纖維素和高比表面積氣凝膠材料，在新材料制備方面應(yīng)用前景廣闊。大型藻能夠有效抑制赤潮的暴發(fā)[33-34]，韓秀榮等[35]發(fā)現(xiàn)滸苔提取物中含有可以影響赤潮藻類生長的克生物質(zhì)，且克生作用具有明顯的濃度效應(yīng)。滸苔潛在開發(fā)價(jià)值巨大，有關(guān)技術(shù)的開發(fā)將進(jìn)一步推進(jìn)滸苔的資源化利用進(jìn)程，繼而減小因綠潮大規(guī)模暴發(fā)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 沉降入海

打撈上岸及岸灘自然堆積的滸苔僅占暴發(fā)總量的小部分，多數(shù)滸苔沉降在海面水體表層以下。滸苔因管狀中空，藻體內(nèi)包含由光合作用形成的氣泡，繼而產(chǎn)生足夠浮力[36]。當(dāng)藻體自身浮力不再足以支撐其漂浮時(shí)，處于消亡期的滸苔藻體將于水體中懸浮或沉降進(jìn)入海底[37]601，在海流沖擊及微生物等作用下逐漸碎片化并不斷分解，在此過程中將會(huì)大量消耗溶解氧并釋放出營養(yǎng)鹽[17]832，極有可能誘發(fā)次生災(zāi)害，對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

總體看來，滸苔的岸灘堆積和沉降入海均易引起大規(guī)模次生災(zāi)害的暴發(fā)，只有大力開發(fā)環(huán)境節(jié)約型、資源友好的滸苔資源化利用技術(shù)并投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，才能將綠潮大規(guī)模暴發(fā)造成的經(jīng)濟(jì)損失降至較低水平。

2 滸苔的主要沉降區(qū)域

黃海綠潮藻的漂浮時(shí)間及輸送機(jī)制與紫菜養(yǎng)殖模式聯(lián)系密切，此外其漂浮路徑也受風(fēng)、海流等因素影響[22]1475,[38-40]，在不借助特種設(shè)備的情況下難以開展水下觀測，因此其沉降區(qū)域分布較為復(fù)雜，較難開展研究。2008年是黃海綠潮大規(guī)模暴發(fā)的元年，初期未有成體系的聯(lián)防聯(lián)控措施應(yīng)用于綠潮災(zāi)害控制，因此2008年的綠潮暴發(fā)及影響情況較為接近自然狀態(tài)。

圖1 2007—2019年中國黃海綠潮暴發(fā)最大覆蓋面積

2.1 沉降區(qū)域范圍及持續(xù)時(shí)間

2008年7月，易俊陶等[41]對(duì)江蘇省鹽城市南黃海海域的綠潮藻開展研究，在滸苔沉降的海區(qū)打撈到褐色的藻團(tuán)，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該沉降藻體仍有光合作用，說明藻體依舊存在一定生理活性，從而具備恢復(fù)增殖的潛力。同期喬方利等[23]410在北黃海青島近海表層無滸苔海域處共開展了11次拖網(wǎng)觀測，水平拖網(wǎng)深度為20 m，平均拖網(wǎng)滸苔生物量為0.154 kg/m，表明在暴發(fā)初期無明顯的人為干擾下，青島近岸等處也是黃海綠潮藻的沉降區(qū)域。上述研究也進(jìn)一步說明，從南黃海至北黃海的綠潮藻漂浮流經(jīng)區(qū)域均是其沉降范圍。

2013年1—4月，HUO等[42]在江蘇省定期開展船舶監(jiān)測，1—2月在如東和大豐等斷面發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的沉降藻體，種類包含滸苔、曲滸苔(Ulvaflexuosa)以及緣管滸苔(Ulvalinza)，但3—4月僅采集到極少量的沉降藻體且種類均為滸苔，由此判定綠潮暴發(fā)前的少量沉降藻體不是構(gòu)成大規(guī)模綠潮暴發(fā)的主要原因；5月大量的綠潮藻自周邊紫菜養(yǎng)殖筏架區(qū)脫落后，由于光照、溫度等條件適合[43-44]，滸苔大規(guī)模暴發(fā)并持續(xù)輸入至山東省近岸。而8月綠潮藻自海面消失之后，進(jìn)入水面以下的滸苔藻體仍將以懸浮或下沉進(jìn)入海底的狀態(tài)繼續(xù)存在一段時(shí)間，對(duì)海域生態(tài)微環(huán)境產(chǎn)生持久影響。

2.2 沉降區(qū)域追蹤

自2009年起，成體系的聯(lián)防聯(lián)控措施被應(yīng)用于綠潮災(zāi)害控制全過程，如在海面布置攔截網(wǎng)及開展打撈作業(yè)等。研究人員連續(xù)多年在青島近岸海域多個(gè)固定站位開展沉降滸苔監(jiān)測，僅在個(gè)別站位采集到少量的沉降滸苔藻體。此外，近幾年在青島附近多個(gè)海灣開展的垂直拖網(wǎng)作業(yè)也未能采集到大規(guī)模的沉降滸苔。與2008年的調(diào)查結(jié)果[23]410對(duì)比可知，大規(guī)模的人工提前打撈行動(dòng)等可能促使近海海域的沉降滸苔生物量大大降低，繼而減小了青島近岸海域暴發(fā)次生災(zāi)害的可能性。

2015年8月，GENG等[45]在黃海、渤海海域采集了大量沉積物樣品，利用沉積物中的28-異褐藻甾醇作為生物標(biāo)志物追蹤黃海綠潮藻類的沉降區(qū)域。結(jié)果表明，2015年綠潮藻主要沉降于榮成市以南的外海處(122.66°E，36.00°N)，該方法從化學(xué)的角度追蹤了沉降滸苔的主要沉降區(qū)域[46]，結(jié)合近幾年開展的拖網(wǎng)等調(diào)查情況可以判斷，該結(jié)論與實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本吻合。

總體而言，當(dāng)前綠潮藻的主要沉降區(qū)可能位于距離岸邊較遠(yuǎn)處的海域，但沉降滸苔對(duì)山東近岸居民生產(chǎn)生活等的具體影響程度依舊未能得到有效評(píng)估；此外，目前仍需要使用船舶驗(yàn)證等方式進(jìn)一步判斷化學(xué)追蹤結(jié)果的準(zhǔn)確度，未來應(yīng)進(jìn)一步開展?jié)G苔沉降區(qū)域的追蹤研究，更為準(zhǔn)確的生物標(biāo)志物也亟需開發(fā)。

3 沉降滸苔代謝產(chǎn)物的釋放與影響

沉降滸苔藻體在分解過程中向水體中釋放大量氨氮和磷酸鹽等無機(jī)鹽并消耗溶解氧，繼而導(dǎo)致總無機(jī)氮濃度迅速升高[47-48]。水體中氨氮濃度的迅速增加將嚴(yán)重?fù)p壞海洋動(dòng)物的呼吸、循環(huán)等系統(tǒng)，進(jìn)一步導(dǎo)致生物死亡，使生物種群數(shù)量大量減少，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。另外，藻體分解釋放的無機(jī)鹽可能被赤潮藻所吸收，當(dāng)生長條件適宜時(shí)可能誘導(dǎo)赤潮的形成[49]，進(jìn)一步引發(fā)次生災(zāi)害。

沉降藻體在分解過程中還向水體釋放大量有機(jī)物。以2008年滸苔消亡末期為例，受滸苔消亡產(chǎn)生大量碎屑的影響，水體中顆粒有機(jī)碳(POC)和顆粒有機(jī)氮(PON)都顯現(xiàn)出近岸高、遠(yuǎn)岸低，表層高、底層低的分布特征[50-51]。王雪景等[52]于2016年夏季開展的研究也符合上述結(jié)論。此外，綠潮藻對(duì)黃海海域葉綠素含量的影響也較為顯著[53]。綠潮的暴發(fā)及消亡除對(duì)環(huán)境等造成危害之外，也具備有益的一面。滸苔在漂浮過程中可以有效凈化當(dāng)?shù)睾Ｓ虻乃|(zhì)，如大量吸收雙酚類化合物[54-55]；而在滸苔消亡末期，大量沉降至海底的生物碎屑也可以有效吸附多環(huán)芳烴化合物，從而減少海域中有機(jī)污染物的量[56]?？傊两禎G苔代謝釋放的無機(jī)、有機(jī)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的影響有利有弊，使黃海海域生態(tài)系統(tǒng)長期處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，急需通過構(gòu)建黃海海域海底生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)對(duì)相關(guān)影響進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測及有效評(píng)估。

4 影響滸苔沉降速率的因素

滸苔的生長及消亡與海表溫度、降水和光照等生態(tài)因素息息相關(guān)。張林慧等[57]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綠潮藻向北黃海漂移過程中所受的光照強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，綠潮藻顏色顯著變淺且葉綠素含量偏低，可以判斷其進(jìn)入了消亡期并將逐漸下沉。漂浮滸苔藻體獨(dú)特的懸掛分枝使得其對(duì)高光強(qiáng)逆境脅迫具備生態(tài)適應(yīng)性，懸掛分枝的長期存在極有可能延長滸苔的海面漂浮周期[58-59]。而“厄爾尼諾”或“拉尼娜”等事件的發(fā)生也可能影響黃海綠潮暴發(fā)總體規(guī)模及持續(xù)時(shí)長[60]，給綠潮的防控工作帶來諸多不確定性以及挑戰(zhàn)。

ZHANG等[61]通過分析認(rèn)為，失去了南黃海海域泥沙的“遮光”作用，北黃海海域較高的透明度及較低的營養(yǎng)鹽濃度等使綠潮藻提早進(jìn)入消亡期，郭麗娜等[62]結(jié)合水文氣象數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)霧天偏多、海表溫度偏低等因素間接延長了綠潮藻的消亡周期。連續(xù)的陰天會(huì)造成綠潮藻光合作用效率下降，從而造成藻體浮力發(fā)生改變并下沉至海面以下，當(dāng)光照強(qiáng)度增加、上升流作用以及新的分枝細(xì)胞增殖產(chǎn)生氣囊等條件下，低活性沉降藻體將重新恢復(fù)漂浮能力[37]603。根據(jù)2008—2017年遙感影像反演黃海綠潮生消情況，降水不是造成綠潮消亡的最主要生態(tài)因子，夏季較高的海表溫度(大于22 ℃)與光照輻射強(qiáng)度(大于240 W/m2)抑制了滸苔的生長，從而使?jié)G苔藻體不斷死亡下沉[63]。

總而言之，海表溫度、降水和光照等生態(tài)因子均可能影響滸苔的沉降速率，多數(shù)學(xué)者僅針對(duì)單一影響因子進(jìn)行分析，相關(guān)作用機(jī)制仍較為復(fù)雜且不夠明晰。未來急需開展更為廣泛的綜合性研究，依托已有數(shù)據(jù)建立沉降模型，對(duì)黃海綠潮藻的沉降過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而進(jìn)一步完善已有的黃海綠潮聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)，做好我國黃海綠潮災(zāi)害預(yù)警及防控工作。

5 展 望

黃海綠潮暴發(fā)十余年，針對(duì)沉降藻體的后續(xù)研究關(guān)注度較低，且尚未形成具備說服力的綜合性生態(tài)影響評(píng)估報(bào)告，未來極有必要對(duì)沉降藻體的生態(tài)動(dòng)態(tài)影響進(jìn)行研究；此外，應(yīng)開發(fā)實(shí)用型的沉降藻體監(jiān)測設(shè)備并建立綠潮藻沉降模型，構(gòu)建黃海海域海底生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)；后續(xù)應(yīng)深入研究影響滸苔下沉速率的因素，開發(fā)出微生物干預(yù)等新型手段減小綠潮藻規(guī)模并加速滸苔的下沉，從而減少輸入至山東近岸的綠潮藻生物量；在黃海綠潮暴發(fā)的源頭海區(qū)開展防控措施方能從根源上控制綠潮藻暴發(fā)，減少陸源污染物等的排放方能解決實(shí)質(zhì)性問題。