基于海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)數(shù)據(jù)的欽州灣藻華過程研究*

李 斌，劉保良**，陳旭陽，凌 琳，高勁松

(1.國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西北海 536000；2.自然資源部第四海洋研究所，廣西北海 536000；3.南寧師范大學(xué)，北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530001)

0 引言

海洋水產(chǎn)業(yè)是我國海洋經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，而赤潮對漁業(yè)特別是海水養(yǎng)殖業(yè)、捕撈漁業(yè)危害巨大，在封閉性較強(qiáng)的內(nèi)灣可使養(yǎng)殖的魚、蝦、貝類大量死亡。赤潮可改變水體理化特征，導(dǎo)致漁場生態(tài)環(huán)境惡化，廣西近岸是赤潮暴發(fā)情況較為嚴(yán)重的海域[1-3]，需要認(rèn)真研究相關(guān)防治對策[4]。海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測海洋環(huán)境要素，跟蹤研究赤潮發(fā)生至消亡期間海水理化要素的變化；利用海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)研究赤潮機(jī)制和快速預(yù)警是近年海洋研究的熱點(diǎn)問題[5-9]。2013年以來，廣西海洋局在廣西近岸海域布設(shè)了16套海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)，基于浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)對廣西近岸海域水質(zhì)狀況進(jìn)行的評價(jià)，均寫入了每年的廣西海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)中。本研究基于布設(shè)在欽州灣海域的GX11號海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對2018年8月欽州灣發(fā)生藻華過程中的海水環(huán)境要素變化進(jìn)行分析，對在線監(jiān)測浮標(biāo)應(yīng)用于赤潮預(yù)警進(jìn)行初步探討。

1 材料與方法

1.1 GX11浮標(biāo)采樣區(qū)概況

GX11海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)位于欽州灣東南海域(108°39′E，21°39′N)，具體位置見圖1。2018年8月20日至23日，欽州灣南側(cè)海域發(fā)生藻華，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該海域大片海水呈淡紅褐色，并有淡腥臭味，影響海域面積約2.2 km2；鏡檢分析顯示，藻類第一優(yōu)勢種為紅色赤潮藻(Akashiwosanguinea)，其細(xì)胞密度達(dá)4.37×105個(gè)/L，對照《赤潮監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(HYT 069-2005)[10]可見，該值略低于該藻種赤潮生物細(xì)胞密度標(biāo)準(zhǔn)限值(5.00×105個(gè)/L)，故此次藻類增殖暴發(fā)的藻華現(xiàn)象可判斷為赤潮。8月24日、25日，大范圍現(xiàn)場巡視結(jié)果表明海水顏色恢復(fù)正常，鏡檢分析結(jié)果顯示藻類細(xì)胞密度恢復(fù)到正常水平。GX11浮標(biāo)布放點(diǎn)位較靠近此次藻華發(fā)生海域的中心位置。

1.2 主要儀器設(shè)備

GX11海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)搭載美國YSI公司生產(chǎn)的6600型多參數(shù)水質(zhì)分析儀(監(jiān)測鹽度、pH值、溶解氧、水溫、葉綠素a)和芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的WXT-520型氣象監(jiān)測儀(監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫)。以上浮標(biāo)搭載的多參數(shù)水質(zhì)分析儀、氣象監(jiān)測儀均通過國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局認(rèn)證，監(jiān)測期間由廠家維護(hù)團(tuán)隊(duì)定期清洗、校準(zhǔn)及比對，以保證儀器的工作狀態(tài)及監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。浮標(biāo)搭載的數(shù)據(jù)采集通信裝置在搭載儀器獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過GPRS通信卡實(shí)時(shí)發(fā)送至國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。

1.3 采樣深度、監(jiān)測階段及監(jiān)測指標(biāo)

GX11海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)投放海域水深約6.2 m，浮標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測探頭位于水下1.5 m處，采樣頻率為30 min/組，主要監(jiān)測表層海水水質(zhì);氣象要素采用氣象監(jiān)測儀監(jiān)測。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、相關(guān)文獻(xiàn)[4，5,8，9,11]和浮標(biāo)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將藻華過程分為暴發(fā)前期(8月16日至19日，部分監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)異常，但葉綠素a未達(dá)赤潮預(yù)警值10.0 μg/L)、暴發(fā)中期(8月20日至23日，葉綠素a超過赤潮預(yù)警值10.0 μg/L，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)海水異?，F(xiàn)象)、消退期(8月24日至27日，葉綠素a低于赤潮預(yù)警值10.0 μg/L，現(xiàn)場監(jiān)測表明海水水色恢復(fù)正常)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

本文基于GX11海洋生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)站點(diǎn)8月16日00：00-27日23：30期間(采集頻率：30 min/組，共576組)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對藻華發(fā)生過程前后環(huán)境要素(風(fēng)速、氣溫、水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a)的日均值、30 min/組數(shù)據(jù)變化趨勢、每日最高值與最低值等進(jìn)行分析。采用SPSS軟件(19.0版本)對576組各環(huán)境要素監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻華過程前后各環(huán)境要素變化

藻華過程前后(8月16-27日)，GX11浮標(biāo)監(jiān)測到的風(fēng)速、氣溫、水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a日均值變化見表1，各環(huán)境要素30 min/組的變化趨勢見圖2，其中藻華暴發(fā)時(shí)段發(fā)生在8月20日至23日。

圖2 欽州灣藻華海域各環(huán)境要素變化趨勢(30 min/組)Fig.2 Variation trend of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (30 min/group)

表1 欽州灣藻華海域各環(huán)境要素的日均值Table 1 Daily average of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay

2.1.1 藻華過程暴發(fā)前期

監(jiān)測結(jié)果表明，藻華發(fā)生前(8月16日至19日)，氣溫及水溫較低，風(fēng)速較高。整個(gè)研究時(shí)段氣溫日均值最低值27.5℃出現(xiàn)在8月17日，水溫日均值最低值29.9℃出現(xiàn)在8月18日，風(fēng)速日均值最高值7.1 m/s出現(xiàn)在8月16日；鹽度、pH值、溶解氧變化趨勢較為平穩(wěn)，雖然出現(xiàn)隨晝夜變化產(chǎn)生的波動，但波動范圍較小。值得注意的是，葉綠素a含量在8月18日和19日出現(xiàn)2次波峰，17日上午葉綠素a含量達(dá)到9.8 μg/L的高值。廣西近海相關(guān)研究[9,11]表明，葉綠素a含量達(dá)到10.0 μg/L時(shí)，赤潮暴發(fā)的可能性增加，所以此次監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常現(xiàn)象引起了浮標(biāo)監(jiān)測值班人員的注意，并及時(shí)向相關(guān)部門提出了預(yù)警。

2.1.2 藻華過程暴發(fā)中期

監(jiān)測結(jié)果表明，藻華過程暴發(fā)中期(8月20日至23日)，氣溫及水溫較藻華暴發(fā)前期明顯升高，風(fēng)速有所降低。其中：整個(gè)研究時(shí)段中，氣溫日均值最高值30.4℃出現(xiàn)在8月21日，風(fēng)速日均值最低值2.8 m/s出現(xiàn)在8月21日；進(jìn)一步分析可見，從20日中午開始，氣溫、水溫回升，風(fēng)速減小,有利于藻類在穩(wěn)定表層海水環(huán)境下聚集和較快速增殖。8月20日至23日，鹽度呈較規(guī)律的晝夜變化，波動范圍比前期略大，總體變化范圍較為平穩(wěn)，因浮標(biāo)所在海域?yàn)榻鸸慕涌冢覀冋J(rèn)為鹽度變化主要受到江水入海和潮汐的影響。8月20日至23日，pH值、溶解氧、葉綠素a指標(biāo)值均從早上8時(shí)起逐漸升高，凌晨零點(diǎn)后逐漸降低，呈較為同步和規(guī)律的晝夜變化，且波動范圍明顯比前期較大，期間每日監(jiān)測到的pH值最高值分別為8.20，8.49，8.42,8.24，溶解氧含量最高值分別為9.01，12.26，11.81，10.22 mg/L，葉綠素a含量最高值分別為42.2，52.3，25.4，15.6 μg/L，均主要出現(xiàn)在中午至下午時(shí)段，且數(shù)值明顯比藻華過程暴發(fā)前期、消退期高。8月20日至23日4 d中，葉綠素a含量最高值均大于文獻(xiàn)中赤潮預(yù)警值10.0 μg/L[4，5,8，9,11]。葉綠素a是海水中浮游植物生物量的重要表征，水體中葉綠素a含量較高代表著浮游植物生物量較高，而浮游植物葉綠素a的合成與光照周期較為相關(guān)[12]，在中午至下午光照強(qiáng)時(shí)段浮游植物光合作用較強(qiáng)，增殖較快，導(dǎo)致生物量變高,同時(shí)葉綠素a含量出現(xiàn)高值。

2.1.3 藻華過程消退期

監(jiān)測結(jié)果表明，藻華過程消退期(8月24日至27日)，氣溫日均值比藻華過程暴發(fā)中期略有降低，水溫每日監(jiān)測的最高值也比中期最高值低，風(fēng)速日均值比中期有所增高，氣溫、水溫的下降以及風(fēng)速增大有利于藻類增殖導(dǎo)致的藻華或赤潮消退。相關(guān)研究表明：藻類增殖導(dǎo)致的藻華或赤潮暴發(fā)與消退，水文氣象因素的影響和制約作用較為明顯[13-15],此次藻華過程再次作了印證。而鹽度波動趨勢較為平穩(wěn)，與暴發(fā)中期相比變化不大；pH值、溶解氧、葉綠素a指標(biāo)值同樣呈現(xiàn)較為同步和規(guī)律的晝夜變化，但波動范圍比暴發(fā)中期明顯較小?？偟膩碚f，消退期3個(gè)環(huán)境要素的每日最高值、日均值均比暴發(fā)中期小(特別是pH值每日最低值比暴發(fā)前期、暴發(fā)中期都小，藻華過程消退期葉綠素a日均值分別為2.2，1.8，1.9，2.1 mg/L)，pH值、溶解氧、葉綠素a基本恢復(fù)到了長期監(jiān)測時(shí)的日均值正常水平，表明藻華已消退，后續(xù)現(xiàn)場巡查也未發(fā)現(xiàn)海水異常。

2.2 各環(huán)境要素的相關(guān)性分析

對藻華過程前后(8月16日00：00-27日23：30期間)GX11號海洋生態(tài)浮標(biāo)的576組數(shù)據(jù)(采樣頻率30 min/組)的監(jiān)測環(huán)境要素進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2 欽州灣藻華海域各監(jiān)測環(huán)境要素的相關(guān)性分析(n=576)Table 2 Correlation analysis of monitoring environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (n=576)

表2結(jié)果表明，本次藻華過程前后，水質(zhì)因子中的葉綠素a、pH值、溶解氧三者之間均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，三者具有聯(lián)動的波動規(guī)律，而葉綠素a含量是赤潮生物密度的重要表征參數(shù)。白天時(shí)段光照較強(qiáng)，浮游植物暴發(fā)性增殖，其光合作用吸收二氧化碳、釋放氧氣，使得海水中溶解氧含量升高，而光合作用消耗下二氧化碳濃度降低，導(dǎo)致海水中碳酸氫根減少，使得海水的pH值升高，浮游植物密度增大使得葉綠素a含量升高；夜晚時(shí)段浮游植物以暗反應(yīng)為主，吸收氧氣釋放二氧化碳，從而導(dǎo)致海水溶解氧含量和pH值降低。風(fēng)速與葉綠素a在0.01的水平上顯著負(fù)相關(guān)：風(fēng)速較小時(shí)，表層海水較穩(wěn)定，藻類易于聚集和快速增殖，造成葉綠素a含量升高；風(fēng)速增大時(shí)可使海水環(huán)境波動增大，促進(jìn)藻類擴(kuò)散和藻華消退。這與相關(guān)研究報(bào)道[13-15]一致。有研究[9,11,16，17]表明，藻華或赤潮的暴發(fā)與葉綠素a、pH值、溶解氧顯著相關(guān)。因此，在生態(tài)預(yù)警監(jiān)測中，一旦出現(xiàn)葉綠素a、pH值、溶解氧監(jiān)測值迅速升高，甚至超出正常范圍，且出現(xiàn)聯(lián)動的強(qiáng)烈波動時(shí)，應(yīng)預(yù)警赤潮發(fā)生的可能。

3 討論

研究表明，赤潮或藻華暴發(fā)過程中溶解氧、pH值、葉綠素a等環(huán)境要素值會出現(xiàn)異常變化。在浮游植物暴發(fā)增殖前期，由于生物量的增多和光合作用的釋放，白天時(shí)段表層海水中溶解氧含量會顯著升高。本研究中，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明表層海水中溶解氧含量顯著升高，但本次藻華過程未出現(xiàn)溶解氧含量迅速下降的現(xiàn)象，可能是因?yàn)楸敬卧迦A過程暴發(fā)中期浮游植物密度未達(dá)到赤潮生物密度閾值。溶解氧含量的迅速下降需要浮游植物密度達(dá)到較大值(例如超過赤潮閾值)，當(dāng)浮游植物大量消耗溶解氧時(shí)才會導(dǎo)致表層海水中溶解氧含量迅速下降，進(jìn)而使大量海洋生物因缺氧而死亡，這也是赤潮的主要危害之一。pH值的顯著升高主要受浮游植物暴發(fā)增殖的影響。水中游離氧含量增多并與H+離子結(jié)合成為水分子，同時(shí)浮游植物消耗了大量的碳酸氫根離子作為光合作用的碳源轉(zhuǎn)換為含碳化合物，從而導(dǎo)致水中酸度下降、pH值升高[18]。自然界中浮游植物葉綠素以葉綠素a占絕大多數(shù)[16]。有害藻類暴發(fā)性繁殖引起的藻華現(xiàn)象中，藻類的聚集和增殖會導(dǎo)致葉綠素顯著升高，因此葉綠素a的異常波動可作為赤潮暴發(fā)的重要依據(jù)[19]。相關(guān)研究表明，赤潮發(fā)生時(shí)葉綠素a含量通常超過10.0 μg/L，并將此濃度作為藻華暴發(fā)的依據(jù)[4，5,8，9,11,21]。本次欽州灣藻華過程中同樣出現(xiàn)了葉綠素a含量大于10.0 μg/L的現(xiàn)象，但細(xì)胞濃度卻沒有達(dá)到赤潮的標(biāo)準(zhǔn)。這可能是暴發(fā)增殖的藻類不同，導(dǎo)致葉綠素a達(dá)到預(yù)警值而藻類細(xì)胞濃度未達(dá)赤潮標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象[8]，因此在實(shí)際預(yù)警工作開展中要密切注意其他環(huán)境要素的異常，并借鑒相關(guān)研究[5-8,21-23]的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

(1)氣溫、水溫回升和風(fēng)速由大減小使得表層海水環(huán)境穩(wěn)定，有利于藻類的聚集和快速增殖，是藻華發(fā)生的環(huán)境誘因。

(2)水溫、鹽度、pH值、溶解氧、葉綠素a呈明顯的晝夜變化規(guī)律。藻華暴發(fā)階段，pH值、溶解氧、葉綠素a呈較為同步和規(guī)律的晝夜變化，且波動范圍明顯比前期較大。pH值、溶解氧、葉綠素a三者之間均具有顯著的正相關(guān)，并具有聯(lián)動的波動規(guī)律。

(3)欽州灣GX11浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：當(dāng)環(huán)境條件出現(xiàn)氣溫、水溫回升，風(fēng)速減小且在線監(jiān)測的pH值、溶解氧、葉綠素a指標(biāo)值波動范圍增大，特別是葉綠素a達(dá)到或接近10.0 μg/L時(shí)，可對相關(guān)海洋部門開展藻華甚至赤潮可能發(fā)生的預(yù)警，以便及時(shí)布置現(xiàn)場調(diào)查，為海洋防災(zāi)減災(zāi)提供寶貴的時(shí)間。