基于GIS的近30年長江口及其鄰近海域赤潮時空分布特征研究

趙艷民, 秦延文, 張 雷, 喬 飛, 馬迎群

基于GIS的近30年長江口及其鄰近海域赤潮時空分布特征研究

趙艷民, 秦延文, 張 雷, 喬 飛, 馬迎群

(中國環(huán)境科學研究院, 北京 100012)

收集了1990年—2019年長江口及其鄰近海域(120°30′E～123°30′E, 29°00′N～32°30′N)記載的赤潮事件, 基于GIS軟件對所有赤潮事件進行整理, 分析了赤潮的時空分布規(guī)律, 并繪制長江口及鄰近海域赤潮分布圖。結果表明: 近30年來, 長江口及其鄰近海域赤潮經(jīng)歷了先升高后下降的過程, 赤潮次數(shù)共計144次, 赤潮面積>1 000 km2有28次。赤潮發(fā)生核心區(qū)集中在長江口外、花鳥山-嵊泗列島、岱山島-中街山列島、舟山島-朱家尖島海域; 長江口及鄰近海域赤潮多發(fā)期為5—8月, 5、6、7、8月發(fā)生的赤潮次數(shù)分別占總數(shù)的28.37%、34.75%、17.78和9.29%; 東海原甲藻()、中肋骨條藻()是長江口及其鄰近海域最常見赤潮肇事種, 發(fā)生次數(shù)分別為55次和40次, 占統(tǒng)計總次數(shù)的38.19%和27.78%, 2000年以來, 東海原甲藻赤潮發(fā)生頻率呈上升態(tài)勢。

長江口及鄰近海域; 赤潮; 時空分布; 地理信息系統(tǒng)

在一定環(huán)境條件下, 海水中浮游藻類、原生動物或細菌等暴發(fā)性增殖或聚集導致海洋水體變色的生態(tài)異?，F(xiàn)象被稱之為赤潮。由于赤潮生物繁殖大量消耗水域溶氧, 且可能分泌有毒物質(zhì), 對海洋生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)資源、海產(chǎn)養(yǎng)殖以及人群健康造成嚴重威脅, 是一種比較常見的海洋災害[1]。UHLIG等[2]對德國海灣1968年—1988年夜光藻引發(fā)的赤潮現(xiàn)象進行了分析研究, 以此來了解赤潮發(fā)生規(guī)律, 奠定了赤潮研究的基礎。中國對赤潮的研究始于1952年春汛黃河口外的赤潮調(diào)查及1953年費鴻年對赤潮成因的分析[3]。蘇紀蘭院士[4]將中國關于赤潮的研究分為3個階段: 認識階段: 即1977年之前, 處于對赤潮事件的簡單報道階段, 綜述、報告和論文總計10篇左右[5]; 探索階段: 1977年—1989年, 中國赤潮研究日益得到重視, 60余篇赤潮生理生態(tài)及其成因方面的研究成果在此階段發(fā)表; 發(fā)展階段: 1990年—2000年, 國內(nèi)學者對黃驊近海、大亞灣、大鵬灣等區(qū)域赤潮進行了針對性研究[5], 取得了諸多有效進展。2000年以后, 遙感技術、數(shù)值模型和生物化學等先進技術應用于赤潮的探測、識別及機制分析, 對于赤潮的認識進一步深入[6]。特別是“中國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學、海洋學機制及預測防治”和“中國近海藻華災害演變”等國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目[7]對于東海大規(guī)模赤潮形成的生物海洋學、化學海洋學機制進行了較為深入的探討, 有助于理解近海生態(tài)系統(tǒng)在人類活動與全球變化影響下的演變機理和趨勢。

長江是中國最大的河流, 也是世界第三大河, 年均徑流量高達9.0×1011m3, 沿江人類生產(chǎn)活動中大量營養(yǎng)鹽經(jīng)由長江徑流排放到長江口區(qū)域[8-9], 早在1933年費鴻年首次記錄了發(fā)生在浙江海域的夜光藻和骨條藻赤潮[10]; 自20世紀70年代以后, 隨著沿江城市經(jīng)濟快速發(fā)展, 人類活動加劇, 經(jīng)由長江輸送的無機氮和活性磷酸鹽通量上升, 硅酸鹽下降[11], 長江口及鄰近海域富營養(yǎng)化問題日益凸顯[12], 有害赤潮發(fā)生頻率增加, 規(guī)模擴大, 成為中國赤潮暴發(fā)頻率最高的區(qū)域之一[13]。據(jù)統(tǒng)計, 長江口及其鄰近海域大規(guī)模有害藻華連年發(fā)生, 影響面積最高可達上萬平方千米[7]。

本研究在充分收集長江口及鄰近海域浮游植物豐度以及已經(jīng)記錄的赤潮事件的基礎上, 利用GIS軟件對長江口浮游植物豐度以及赤潮發(fā)生特點進行研究, 通過繪制近30 a長江口及鄰近海域赤潮發(fā)生圖, 使赤潮數(shù)據(jù)可視化, 有助于對長江口及鄰近海域的赤潮發(fā)生特點產(chǎn)生更全面的認識, 以期為管理部門制定赤潮監(jiān)控及預防決策提供技術支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

本研究的統(tǒng)計數(shù)據(jù)源包括: 國家及相關省市定期發(fā)布的相關公報、長江口及其鄰近海域關于赤潮的報告與論文, 收集的數(shù)據(jù)資料時間跨度上為1989年—2019年。GIS技術對空間地理數(shù)據(jù)具有強大的管理和分析力, 能夠對復雜的赤潮的原始記錄進行數(shù)據(jù)管理分析[14]。本研究并借助地理信息系統(tǒng)軟件(ArcGIS 10.0)對長江口及鄰近海域的赤潮發(fā)生的時空分布進行匯總分析。由于GIS技術能夠有效地分析點數(shù)據(jù)的特征規(guī)律, 因此在操作上, 將具有一定規(guī)模的不規(guī)則型赤潮覆蓋水面歸類為“點”, 將赤潮記錄信息(位置、面積等)儲存在圖層文件的屬性表中, 分析長江口赤潮發(fā)生的頻率、空間分布、誘發(fā)赤潮的物種等信息, 并形成可視化圖件。

2 長江口及鄰近海域赤潮時空分布及特征

2.1 1989年—2019赤潮發(fā)生時間特征分析

本文關注的海域為長江口及其鄰近海域(120°30′E～ 123°30′E, 29°00′N～32°30′N), 范圍上主要覆蓋長江口、杭州灣以及舟山列島海域, 基于公開資料收集到1989年—2019年長江口及其鄰近海域累計發(fā)生赤潮144次, 總體年際變化見圖1。1989年—2000年, 統(tǒng)計到的長江口及鄰近海域赤潮次數(shù)23次, 主要分布于長江口及舟山島周邊的數(shù)個點狀區(qū)域范圍, 2001年—2010年統(tǒng)計到的長江口及鄰近海域赤潮數(shù)目顯著增加, 達到81次, 赤潮分布的區(qū)域明顯擴大, 東經(jīng)122°以東的長江口及鄰近海域幾乎均有赤潮分布。2010年—2018年, 長江口及鄰近海域赤潮次數(shù)達到51次。

從年內(nèi)赤潮暴發(fā)規(guī)律上, 長江口及鄰近海域赤潮在2月—10月都有發(fā)現(xiàn), 但主要集中于5月—8月, 其中5月和6月, 發(fā)現(xiàn)次數(shù)分別為51和43次, 二者占赤潮總記錄的60.65%(圖2)。長江口及鄰近海域赤潮多發(fā)生在春末夏初, 此時海域溫度上升, 有助于赤潮生物快速繁殖。

圖1 長江口及其鄰近海域赤潮發(fā)生年份分析

圖2 長江口及其鄰近海域赤潮發(fā)生月份分析

2.2 赤潮發(fā)生的空間分布特征分析

在Arcgis軟件中, 采用估計隨機變量概率密度的非要素方法——核密度法(KDE)估計近30年長江口及鄰近海域赤潮發(fā)生頻率。做法上, 在地圖上標記赤潮的密度分布, 并根據(jù)密度分布頻率, 采用自然間斷點分級法將長江口及鄰近海域赤潮分為5個等級(低、中低、中、中高、高)。空間上, 赤潮在長江口北支啟東外海-長江口外海域-嵊泗列島海域-岱山島中街山列島-舟山島朱家尖島海域的狹長海域(29°30′N～32°30′N, 121°45′E～123°20′E)均有分布。長江口及鄰近海域赤潮暴發(fā)高頻區(qū)域主要包括: (1) 舟山島、岱山島以及中街山列島以東海域; (2) 長江口南支沖淡水區(qū)及嵊泗列島海域(圖3)。

圖3 長江口及鄰近海域赤潮發(fā)生的頻率分布(1989年—2019年)

如圖4所示, 在收集的長江口及鄰近海域暴發(fā)赤潮中, 其中6次缺乏赤潮暴發(fā)面積信息, 占總統(tǒng)計數(shù)的7.23%, 暴發(fā)面積在100 km2以下的赤潮次數(shù)為17次, 占總統(tǒng)計數(shù)的20.48%, 面積在100 km2～500 km2之間的赤潮暴發(fā)次數(shù)最多, 達到總統(tǒng)計數(shù)的42.17%, 暴發(fā)面積在500 km2～1 000 km2之間以及1 000 km2～ 3 000 km2之間的赤潮暴發(fā)次數(shù)分別為總統(tǒng)計數(shù)的21.92%和13.70%, 此外, 長江口外和舟山島附近海域曾暴發(fā)面積超過3 000 km2之間的赤潮。

2.3 長江口及鄰近海域赤潮物種分析

長江口及鄰近海域在1990年—2019年間引發(fā)赤潮的浮游植物物種如表1。長江口及鄰近海域中主要的赤潮關鍵物種包括東海原甲藻、米氏凱倫藻、膝溝藻、中肋骨條藻等。其中東海原甲藻記錄55次, 占比38.19%, 中肋骨條藻記錄41次, 占比27.78%, 此外未記錄赤潮生物種的赤潮記錄14種, 占比9.72%。

圖4 長江口及鄰近海域赤潮暴發(fā)面積

2000年以來, 東海原甲藻引發(fā)的赤潮頻次明顯增加, 已經(jīng)成為最為顯著的赤潮種。從中肋骨條藻和東海原甲藻引發(fā)的赤潮的空間分布上, 中肋骨條藻引發(fā)的赤潮主要位于長江口北岸、長江口沖淡水區(qū), 東海原甲藻引發(fā)的赤潮則多集中于花鳥山-嵊山-枸杞海域及朱家尖以東海域(圖5)。

3 討論

1989年渤海黃驊海域發(fā)生大面積赤潮后, 中國開始成立專門的海洋赤潮監(jiān)測小組, 通過現(xiàn)場調(diào)查、航空調(diào)查和衛(wèi)星遙感等多種手段進行定期監(jiān)測, 因此近30年赤潮數(shù)據(jù)較為完整[14], 近幾年, 由于政府機構職能的調(diào)整, 可能對赤潮的記錄整理產(chǎn)生一定的影響, 但由于中國赤潮監(jiān)測體系基本建立, 公開發(fā)表的數(shù)據(jù)能夠反映赤潮發(fā)生的基本情況[15]。根據(jù)收集到公開發(fā)表的赤潮記錄, 近30年長江口及鄰近海域赤潮仍處于高發(fā)態(tài)勢, 但該海域赤潮已由硅藻赤潮和異養(yǎng)性的夜光藻()赤潮為主轉為以東海原甲藻、米氏凱倫藻等甲藻赤潮為主。據(jù)于仁成等[16]統(tǒng)計, 20世紀80年代—90年代, 中肋骨條藻赤潮在暴發(fā)赤潮中占比超過30%, 而原甲藻赤潮所占比例僅有10%左右, 根據(jù)本研究統(tǒng)計, 1989年—2019年東海原甲藻赤潮占比上升至38.19%, 中肋骨條藻赤潮則降至27.78%。盡管東海原甲藻沒有顯著的急性毒性, 但室內(nèi)模擬實驗和野外調(diào)查中, 東海原甲藻在赤潮密度下, 能夠對黃海、東海的浮游動物關鍵種中華哲水蚤()的產(chǎn)卵率、種群豐度等產(chǎn)生顯著的抑制效應, 進而威脅漁業(yè)資源[17-18]。此外, 長江口甲藻赤潮分布區(qū)域與長江口南側低氧區(qū)分布狀況基本吻合[19], 赤潮后期藻細胞的分解可能加劇水體缺氧問題。除東海原甲藻外, 米氏凱倫藻作為一種典型的魚毒性赤潮藻, 分別在2005、2012、2016和2017年出現(xiàn), 對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成了嚴重的經(jīng)濟損失[20]。

表1 長江口及鄰近海域赤潮生物發(fā)生頻率/年–1

注: 扁面角毛藻(); 叉角藻(); 東海原甲藻(); 短孢角毛藻(); 短凱倫藻(Karenia breuis); 高貴盒型藻(); 海鏈藻(spp.); 紅色中縊蟲(); 菱形藻(spp.); 米氏凱倫藻(); 梭角藻(); 微型綠藻(); 膝溝藻(); 旋鏈角毛藻(); 異甲藻(); 中肋骨條藻(); 錐狀斯克里普藻()

在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“中國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學、海洋學機制及預測防治”、“中國近海藻華災害演變機制與生態(tài)安全”)、國家自然科學基金(“長江口海區(qū)赤潮形成原因的研究”、“東海近海海域典型赤潮生物對重要營養(yǎng)鹽吸收動力學研究”、“赤潮藻類細胞磷庫變化特征及其對赤潮生消的指示作用研究”、“東海近海赤潮發(fā)生與演變的時空動力學問題研究”)等項目支持下, 中國研究者從生物學、生態(tài)學和海洋學角度對于長江口及其鄰近海域赤潮的成因進行了較為完善的闡述。首先, 長江口浮游植物的豐度分布與營養(yǎng)鹽密切相關[21]。近30 a來, 大量營養(yǎng)鹽通過長江徑流輸送的長江口及鄰近海域, 尤其是無機氮的大量輸入和溶解硅(DSi)通量大幅降低[22], 導致長江口及鄰近海富營養(yǎng)化水平居高不下, 2004年—2018年長江口及鄰近海域無機氮和活性磷酸鹽濃度總體較高, 且整體呈現(xiàn)上升趨勢, 在多數(shù)年份內(nèi)分別高于海水水質(zhì)標準(GB3097-1997)IV限值和III類限值[23], 為長江口及鄰近海域浮游植物優(yōu)勢種從硅藻向甲藻轉變提供了物質(zhì)基礎[24-25]。甲藻對于氮、磷的儲存利用能力高于硅藻, 高氮硅比條件下, 甲藻生長明顯優(yōu)于硅藻, 對于暴發(fā)甲藻赤潮有利[26]。其次, 溫度是赤潮生消過程中重要的影響因子。根據(jù)Shelford耐受性定律, 溫度低于藻類最適溫度時, 藻類生長率隨溫度升高而增大, 溫度高于藻類最適溫度, 藻類生長率則隨著溫度上升而降低[27]。近30 a間長江口及鄰近海域赤潮中, 早春(3月—4月)溫度較低時, 中肋骨條藻等硅藻密度迅速上升, 甚至形成赤潮[28-29]。而在5月—8月溫度較高時, 尤其是5月—6月, 水溫快速升高, 長江口及鄰近海域水溫穩(wěn)定在18.5 ℃～23.5 ℃左右[30], 由于此時水溫處于東海原甲藻適溫范圍內(nèi)(18 ℃～28.2 ℃)[31], 利于暴發(fā)東海原甲藻等甲藻赤潮的暴發(fā)。此外, 長江口及鄰近海域復雜的水文活動也是影響赤潮發(fā)生的重要因素。空間上, 中肋骨條藻赤潮主要在嵊泗列島以北122°E～ 123°E之間的長江口外海域暴發(fā), 東海原甲藻赤潮則主要暴發(fā)于嵊泗列島—朱家尖的海域。地理坐標121°45′E～122°30′E、30°45′N～ 31°45′N的區(qū)域為長江最大渾濁帶的覆蓋范圍[32], 在該區(qū)域長江徑流攜帶的懸沙與潮流擾動產(chǎn)生的再懸浮泥沙在長江口形成透明度在3 m以下的渾濁帶, 渾濁帶的消光作用強于營養(yǎng)鹽的釋放作用, 削弱了該水域生態(tài)系統(tǒng)對徑流過剩營養(yǎng)鹽的吸收、同化功能, 抑制了初級生產(chǎn)力, 導致口門附近海域浮游植物生物量、密度顯著低于附近水域[33]。營養(yǎng)鹽被輸送至河口外透明度較高的水域才能被充分利用, 間接增加了長江口門外海域的營養(yǎng)鹽濃度, 使得口門外海域形成高透明度、高營養(yǎng)鹽含量的赤潮高發(fā)區(qū)。黑潮分支臺灣暖流對長江口及鄰近海域甲藻赤潮發(fā)生具有重要的調(diào)控作用[16]。春末夏初, 來自臺灣東北部黑潮次表層水入侵長江口及鄰近海域, 帶來豐富的營養(yǎng)鹽、影響該海域的溫、鹽結構、水體層化、上升流及營養(yǎng)鹽組成, 有利于促進和維持甲藻的生長, 進而影響赤潮分布、動態(tài)及危害效應[34-35]。

圖5 長江口及鄰近海域赤潮生物分布

1. 扁面角毛藻(); 2. 叉角藻(); 3. 東海原甲藻(); 4. 短孢角毛藻(); 5. 短凱倫藻(); 6. 高貴盒型藻(); 7. 海鏈藻(spp.); 8. 紅色中縊蟲(); 9. 菱形藻(spp.); 10. 米氏凱倫藻(); 11.梭角藻(); 12. 微型綠藻(); 13. 膝溝藻(); 14. 旋鏈角毛藻(); 15. 異甲藻(); 16. 中肋骨條藻(); 17.錐狀斯克里普藻(); 18. 不詳

4 結論

1) 時間上, 1989年—2019年長江口及鄰近海域赤潮經(jīng)歷了先升高后降低的過程, 2000年—2010年間赤潮暴發(fā)頻率最高。在年內(nèi)分布規(guī)律上, 5月—8月是長江口及鄰近海域赤潮高發(fā)期, 尤其是5月和6月,這兩個月赤潮次數(shù)占總記錄次數(shù)的一半以上。

2) 空間上, 長江口及鄰近海域赤潮多發(fā)區(qū)位于長江口外-花鳥山-嵊泗列島-岱山島中街山列島-舟山島-朱家尖海域的狹長區(qū)域內(nèi)。赤潮暴發(fā)規(guī)模上通常在100 km2～500 km2以內(nèi)。

3) 長江口及鄰近海域常見赤潮物種約有十幾種, 中肋骨條藻和東海原甲藻是兩種最主要的赤潮原因種。中肋骨條藻赤潮主要分布于長江口外, 而東海原甲藻赤潮則主要分布于嵊泗列島至朱家尖一線海域。近年來, 長江口溫度、營養(yǎng)鹽等因素逐漸推動東海原甲藻暴發(fā)頻率上升, 已經(jīng)成為近30 a該海域引發(fā)赤潮的第一物種。

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Temporal and spatial distribution of red tides in the Changjiang estuary and in adjacent waters from 1989 to 2019

ZHAO Yan-min, QIN Yan-wen, ZHANG Lei, QIAO Fei, MA Ying-qun

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

Red tide events were collected in the Changjiang estuary and adjacent waters from 1989 to 1990. A geographic information system (GIS) was used to analyze the temporal and spatial distribution of the red tide. Results showed a total count of 144 red tide events. There were 28 red tide events in a covered area larger than 1000 km2. Outside the Changjiang estuary, the Huaniaoshan-Shengsi archipelago and Zhoushan-Zhujiajian island were the red tide-prone areas. Most of the red tide events occurred from May to August with a frequency of occurrence of 28.37%, 34.75%, 17.78%, and 9.29% in May, June, July, and August, respectively.andwere the dominant species of red tides in the Changjiang estuary and the adjacent sea.

Changjiang estuary and adjacent waters; red tide; temporal and spatial distribution; geographic information system

Feb. 20, 2021

X145

A

1000-3096(2021)12-0039-08

10.11759/hykx20210220001

2021-02-20;

2021-07-06

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFA0600904, 2017YFC040470002)

[Chinese National Key Programs for Fundamental Research and Development, Nos. 2016YFA0600904, 2017YFC040470002]

趙艷民(1979—), 男, 河北唐山人, 博士, 副研究員, 主要從事水生態(tài)環(huán)境保護與修復學研究, 電話: 010-84915321, E-mail: zhaoym@ craes.org.cn

(本文編輯: 譚雪靜)