菲律賓海水文動力環(huán)境分析及對海洋生態(tài)區(qū)劃的啟示

齊慶華,靖春生

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.福建省海洋物理與地質(zhì)過程重點實驗室 廈門 361005)

0 引言

菲律賓海位于西太平洋邊緣,被島弧和海溝包圍,是西太平洋最大的邊緣海盆[1]。菲律賓海地處第一島鏈與第二島鏈之間,鏈接我國東海、南海和西太平洋,成為我國通往太平洋和印度洋以及美洲和大洋洲的最主要通道。菲律賓海連通被譽為全球生物多樣性中心和起源地的“珊瑚大三角”海域,匯于有全球海洋“熱極”之稱的西太平洋暖池區(qū)[2],同時是世界著名的強西邊界流黑潮的發(fā)源地[3],因此成為全球生物多樣性養(yǎng)護和氣候變化研究的重要關(guān)注區(qū)[4-13]。菲律賓海海盆中央分布一系列海山鏈,其中位于海盆東部、縱跨南北的九州-帕勞海嶺(KPR)的最大水深超過5 500 m,以該海嶺為界可分為東菲律賓海和西菲律賓海,海底特征極具特色,在生命起源以及物種進化和適應(yīng)等生物多樣性前沿和熱點領(lǐng)域具有重要研究意義[9,14-16]。與此同時,由于菲律賓海海盆底部常年處于低溫、高壓和寡氧狀態(tài),其生態(tài)系統(tǒng)脆弱性明顯[17]。

海洋是我國高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略要地。菲律賓海具有重要的地理區(qū)位,同時在海洋環(huán)境安全、國家海洋權(quán)益、氣候變化和減災(zāi)防災(zāi)、深海資源以及生物多樣性等領(lǐng)域具有重要的研究價值,加快我國對相關(guān)海域海洋學特征的研究工作凸顯緊迫性,尤其目前對于海洋生物生境條件和海洋生態(tài)區(qū)劃的研究十分匱乏[18-20]。為此,本研究基于各種觀測資料整編形成菲律賓海水文動力環(huán)境要素網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集,以菲律賓海水文動力環(huán)境的三維分異特征為切入點,針對目前我國海洋生態(tài)區(qū)劃現(xiàn)狀提出啟示性研究建議,以期為我國海洋生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護以及深海研究提供科學參考,同時為我國維護海洋權(quán)益、加速提升在國際海洋事務(wù)中影響力和貢獻度以及提高海洋開發(fā)利用和保護能力提供科學支撐。

1 菲律賓海水文動力環(huán)境的典型分異

菲律賓海為低緯度海區(qū),由于受大陸、暖池和黑潮等海洋氣候系統(tǒng)的影響,海水表層水溫具有整體偏高、自北向南逐步升高和季節(jié)差異明顯的特征,其中冬季水溫較低(20℃～29℃)且南北差異大,夏季水溫較高(27℃～29℃)且分布較均勻。菲律賓海海水表層鹽度較高(通常為34‰～35‰),基本呈南高北低的分布格局,且與水溫相比季節(jié)變化較小。此外,與表層海水相比,深層海水溫鹽結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化不明顯。

以具有代表性的菲律賓海海盆中央南北走向的九州-帕勞海嶺所在海域為例。該海域全水深的水溫范圍為2℃～30℃,鹽度范圍為33.5‰～35.2‰;近底層的溫鹽變化范圍較小且季節(jié)變化不明顯,但區(qū)域差異顯著,可能主要與海底地形變化有關(guān);水深約為5 300 m,1 000 m以淺水深的水溫自表層至深層逐漸降低,1 000～2 000 m水深的水溫略有變化,2 500 m以深水深的水溫差異最小;鹽度呈上層高、次表層低和深層高的分布特征,其中次表層低鹽海水可能主要受極地中層海水的影響,2 000 m以深水深的鹽度差異較小,34.5‰等鹽線由南向北逐步加深。

水溫分布的典型特征可概述為:南北方向大致以20°N為界,上層(尤其是200 m以淺水深)等溫線北密南稀,北部呈舌狀分布,南部基本與緯線平行;東西方向大致以137°E為界,20°N以北西高東低,10°N以南東低西高,10°N-20°N分布較為均勻。垂向上以200 m水深為界,上層季節(jié)變化較大,下層季節(jié)變化較小;與上層相比,200～500 m水深的水溫呈南低北高的反相分布;深層水溫的變化較小,且差異不明顯。鹽度分布的典型特征可概述為:與水溫分布特征類似,上層南北方向也大致以20°N為界,呈南高北低分布;東西方向大致以137°E為界,除10°N-20°N分布較為均勻外,其他位置基本呈西低東高分布;垂向上同樣具有上層季節(jié)變化較大和下層季節(jié)變化較小的特征,且200～500 m水深呈南低北高分布,基本與上層形成反相對比。

九州-帕勞海嶺所在海域的T-S點聚圖在圖形上呈“反S”形,可將該海域的溫鹽結(jié)構(gòu)大致分為表層高溫低鹽水(HTLS)、次表層次高溫高鹽水(HTHS)、中層次低溫低鹽水(LTLS)和深層低溫次高鹽水(LTHS)4種類型,其中表層、次表層和中層的溫鹽點離散,表明這些層次的水體混合較強烈。①表層高溫低鹽水位于0～50 m水深,因受太陽輻射水溫最高(28℃～30℃),而受海面降水影響鹽度最低(33.5‰～34.5‰);②次表層次高溫高鹽水位于100～200 m水深(24等位勢密度面),水溫低于表層(15℃～28℃),但鹽度最高(34.7‰～35.3‰);③中層次低溫低鹽水位于300～1 000 m水深,水溫高于深層(4℃～16℃),但鹽度較低(34.1‰～34.5‰);④深層低溫次高鹽水位于1 000 m以深水深,水溫最低小于5℃,鹽度為34.5‰～34.7‰。

北半球低緯度地區(qū)長期盛行東北信風,加之受地轉(zhuǎn)偏向力的影響(海流偏向右),在8°N-20°N海域形成自東向西流動的太平洋北赤道流。該赤道流橫貫太平洋,主要流經(jīng)菲律賓海南部,且在菲律賓海的水平流幅約為2 000 km,垂向流幅約為250 m(0.1 m/s等速線);平均流速約為0.4 m/s,其中靠近赤道一側(cè)的流速較大,在菲律賓海南部可達0.55 m/s。該赤道流為菲律賓海尤其是10°N-20°N海域溫鹽結(jié)構(gòu)的一致性提供動力條件。

赤道至3°N海域則形成太平洋南赤道流,平均流速約為0.3 m/s,水深約為200 m(0.1 m/s等速線)。在太平洋北赤道流以南的赤道無風帶上,南、北赤道流之間有一股橫穿菲律賓海的自西向東的海流即赤道逆流(NECC)。分析顯示,該斷面赤道逆流的南界約處于3°N,北界約至5°N,水深為500 m以深,最大流速達0.6 m/s,而副熱帶逆流較弱甚至已無明顯呈現(xiàn)。須提出的是,北赤道逆流和黑潮續(xù)流可能分別對10°N以南和20°N以北海域溫鹽結(jié)構(gòu)的東西分布差異產(chǎn)生較大影響。

從總體上看,菲律賓海的海流主要呈帶狀分布于500 m以淺水深,尤其是200 m以淺水深受海流動力影響明顯。500 m水深的海流流速顯著減慢,尤其北赤道流基本消失。20°N以北海域主要為黑潮續(xù)流和較弱的副熱帶逆流,而20°N以南海域則為強度明顯增強的赤道流和西邊界流,這種海流的垂向和水平分布可能是造成上層(500 m以淺水深)溫鹽結(jié)構(gòu)區(qū)域差異顯著的主要動力因素。

綜上所述,菲律賓海具有較顯著的水文環(huán)境分異和動力配置特征。溫鹽結(jié)構(gòu)的水平分布呈“五區(qū)分異”模式,南北方向約以20°N和10°N為界,東西方向約以137°E為界,具有顯著的區(qū)域差異。垂向分布呈“三線一圈”模式,以200 m水深為界,上層季節(jié)變化較大且區(qū)域特征明顯,而下層季節(jié)變化較小;200～500 m水深的溫鹽結(jié)構(gòu)與上層相比呈反相分布,500 m以深水深的溫鹽結(jié)構(gòu)變化較小且差異不明顯。值得注意的是,20°N以北海域的500～1 000 m水深存在次低溫低鹽水。

菲律賓海的溫鹽結(jié)構(gòu)是其生態(tài)構(gòu)成和分布的重要依據(jù),上述分析可為其海洋生態(tài)區(qū)劃提供必要的水文動力環(huán)境參考依據(jù)。

2 海洋生態(tài)區(qū)劃現(xiàn)狀

生態(tài)區(qū)劃以保護生物多樣性以及維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能為主要目的,其通過劃分或歸并生態(tài)單元以揭示生態(tài)特征的區(qū)域相似性和差異性,是生態(tài)系統(tǒng)和自然資源管理的重要支撐[21-25]。海洋是地球最主要的生態(tài)系統(tǒng)之一,提供全球約67%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[26]。作為生命系統(tǒng)從基因到生態(tài)系統(tǒng)各層次多樣性的總和,生物多樣性包含生物及其與環(huán)境形成的生態(tài)復合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程[27-32],而海洋生物多樣性則是全球和海洋環(huán)境演變的結(jié)果。

受氣候變化和人類活動的影響,當前海洋生態(tài)系統(tǒng)衰退加重,加強海洋和海洋生物多樣性保護已是全球共識[33-34]。為提升保護和可持續(xù)開發(fā)利用海洋生物資源的能力以及維護海洋權(quán)益,各國將海洋環(huán)境和生態(tài)保護作為主要目標和優(yōu)先行動,積極推進海洋和海洋生物多樣性保護工作,其中的重要議題涉及海洋保護區(qū)選劃以及具有重要生態(tài)或生物學意義海域的劃區(qū)管理[34]。與此同時,海洋保護區(qū)由國家管轄內(nèi)海域逐漸向國家管轄外海域拓展[35-36],聯(lián)合國《生物多樣性公約》納入國家管轄范圍外海域的生物多樣性(BBNJ)問題,通過確定適當機制,建立和有效管理國家管轄范圍外的海洋保護區(qū)。

海洋生態(tài)區(qū)劃是海洋可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略基礎(chǔ),有助于推廣生態(tài)系統(tǒng)方法,為減緩氣候變化和人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響提供重要技術(shù)支撐。加強海洋保護區(qū)建設(shè)、實施海洋功能區(qū)劃以及全面開展海洋空間規(guī)劃和管理的首要任務(wù)是基于海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性,針對典型生態(tài)系統(tǒng)以及特征生境和物種進行海洋生態(tài)區(qū)劃,以維持和提高海洋生態(tài)系統(tǒng)的恢復力和適應(yīng)性。海洋生態(tài)區(qū)劃方案的編制以辨識海域系統(tǒng)地理要素的變化過程、時空格局及其相互作用機理為前提,其中確定界線是海洋生態(tài)區(qū)劃的具體體現(xiàn),而環(huán)境要素的地理區(qū)劃是海洋生態(tài)區(qū)劃的重要底層參考[31]。由此,本研究基于菲律賓海水文動力環(huán)境的關(guān)鍵要素分異,從環(huán)境梯度的角度提出水平“五區(qū)分異”模式和垂向“三線一圈”模式,以期為該海域海洋生態(tài)區(qū)劃的邊界確定、動態(tài)量化和分異組合等提供參考依據(jù),進而為該海域?qū)嵤┯行У暮Ｑ笊锒鄻有员Ｗo和管理策略提供必要的科技支撐。

菲律賓海鄰近全球生物多樣性和生物進化中心,分布多種重要的海洋生物資源[17]。以脊索動物為例,近期研究表明菲律賓海邊緣海域尤其是菲律賓群島、臺灣島、日本群島、馬里亞納群島和九州-帕勞海嶺所在海域的生物多樣性較高,而中央海盆區(qū)的生物多樣性較低。生物多樣性與初級生產(chǎn)力顯著正相關(guān),而與水深顯著負相關(guān)[37]。如前所述,海洋溫鹽三維結(jié)構(gòu)是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境要素,氣候變化對海洋生物多樣性的影響也主要源于海洋溫鹽三維結(jié)構(gòu)的變化。須提出的是,海洋生態(tài)系統(tǒng)是生物群落及其生存環(huán)境交互作用的動態(tài)復合體,然而僅以脊索動物為例尚無法形成對菲律賓海生物多樣性及其分布的完整認識。此外,菲律賓海的海洋生物多樣性具有邊緣海域較高而中央和深水盆地海域較低的分布格局,應(yīng)考慮當前菲律賓海深海生物多樣性數(shù)據(jù)不足的現(xiàn)狀[37],由此也可見海洋生態(tài)區(qū)劃體現(xiàn)強動態(tài)性的特征。

3 對海洋生態(tài)區(qū)劃的啟示

目前我國的生態(tài)區(qū)劃工作大多集中在陸地系統(tǒng),而對海洋系統(tǒng)的關(guān)注相對不足;海洋生態(tài)區(qū)劃工作起步較晚且多定性而靜態(tài)[36],有關(guān)氣候變化和人類活動對海洋和海洋生物多樣性影響的基礎(chǔ)性研究較薄弱,無法引導或影響國際海洋和海洋生物多樣性評估進程,難以形成對國際條約談判的技術(shù)支撐[35]。結(jié)合海洋生態(tài)區(qū)劃現(xiàn)狀和研究焦點,本研究提出3點啟示性研究建議。

3.1 加強海洋觀測組網(wǎng)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合,科學劃分海洋生物多樣性保護和資源空間管理邊界

有效的區(qū)劃管理須有大量數(shù)據(jù)作為支撐,但目前開放海域和深海海域仍缺乏本底調(diào)查數(shù)據(jù)。隨著深海脆弱生態(tài)系統(tǒng)逐漸成為公海管理的新熱點,同時考慮氣候變化的影響(包括由氣候變化引起的海平面上升以及海洋生物及其棲息地分布等的變化),須在多源數(shù)據(jù)采集、處理和整編的基礎(chǔ)上不斷構(gòu)建相關(guān)海域的精確化和長時序的環(huán)境數(shù)據(jù)庫。

須提出的是,由于目前海洋生物數(shù)據(jù)與環(huán)境要素數(shù)據(jù)相比尚顯不足,依據(jù)環(huán)境要素的地理區(qū)劃凸顯實踐價值。在全球生態(tài)區(qū)劃的大背景下,應(yīng)加快構(gòu)建海洋生物和生態(tài)觀測的組網(wǎng)系統(tǒng)。同時,為科學評估海洋生物多樣性和海洋生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來變化,亟須建立可靠的基線數(shù)據(jù)庫并實時更新和補充,主要包括環(huán)境背景、本底和基線以及基線物種組成、生態(tài)系統(tǒng)類型、生物棲息地邊界、生態(tài)過程和生態(tài)韌性等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。

海洋生態(tài)區(qū)劃的邊界包含海洋生物和環(huán)境分布規(guī)律的復雜信息,為實現(xiàn)從科學調(diào)查到管理實踐的有效銜接,須針對不同海洋生物和環(huán)境觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)融合與評估的技術(shù)體系和有效工具,并建立海洋生態(tài)區(qū)劃制圖的標準化技術(shù)和規(guī)范。選取適當?shù)沫h(huán)境因子類型和分辨率,在多維度認知海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編制高效動態(tài)的海洋生態(tài)區(qū)劃方案。

3.2 構(gòu)建綜合區(qū)劃方案理論體系和分類分區(qū)綜合區(qū)劃技術(shù)體系

在全面認知海洋環(huán)境要素的變化過程及其相互作用的基礎(chǔ)上,以區(qū)域分異規(guī)律為理論基礎(chǔ),構(gòu)建綜合區(qū)劃方案理論體系,提出我國海洋生態(tài)綜合區(qū)劃方案以及建立有效的區(qū)劃管理工具和動態(tài)管理平臺,為國家多維度和多目標的科學決策提供技術(shù)保障。

豐富海洋生態(tài)安全內(nèi)涵,從區(qū)域角度觀測、研究和管理地域綜合體,加快探索分類分區(qū)綜合區(qū)劃技術(shù)體系,必要時建立過渡性分區(qū),結(jié)合全球環(huán)境和氣候變化,強化海洋生態(tài)區(qū)劃的動態(tài)適應(yīng)性,促進海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展,滿足跨學科和跨專業(yè)的自然資源綜合管理需求。

3.3 創(chuàng)新復合分類分區(qū)算法,提高海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力

生態(tài)地理區(qū)劃的優(yōu)勢在于明確的區(qū)劃目標和明顯的空間表達方式,其依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因素的空間分異成功推動全球生物多樣性研究的廣泛開展。然而以生物多樣性保護為目標的區(qū)劃方案仍屬生態(tài)地理區(qū)劃范疇,而缺乏對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間表達。為此,應(yīng)加速實現(xiàn)從海洋生態(tài)地理區(qū)劃到海洋生態(tài)功能區(qū)劃的跨越,根據(jù)海洋生物多樣性狀況、海洋生境、人-海關(guān)系及其威脅以及社會經(jīng)濟政治條件地理優(yōu)先級,動態(tài)調(diào)整海洋生態(tài)區(qū)劃邊界,豐富和完善海洋生態(tài)區(qū)劃理論體系。

未來海洋生態(tài)區(qū)劃的研究重點為疊加各種人類活動、氣候變化和海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標,綜合海洋環(huán)境容量和承載力、海洋生態(tài)連通性、海洋生物多樣性及其脅迫程度、海洋生態(tài)位結(jié)構(gòu)和脆弱性及其對人類的影響等不同視角,發(fā)展海洋生態(tài)區(qū)劃的復合分類分區(qū)算法,加強分級分時的多重目標動態(tài)管理。

4 結(jié)語

21世紀,人類進入開發(fā)利用海洋資源和海洋戰(zhàn)略空間的新階段,尤其空間發(fā)展已進入生態(tài)文明的新時代。為加快海洋強國建設(shè)和促進海洋高質(zhì)量發(fā)展,我國編制國土空間規(guī)劃、海洋空間規(guī)劃和海洋功能區(qū)劃等一系列規(guī)劃方案,其中海洋分類分區(qū)體系是國土空間規(guī)劃編制的重要依據(jù),關(guān)系到海洋空間的劃分和管控[36]。隨著人類海洋保護意識的增強,國際自然保護聯(lián)盟(IUCN)發(fā)出保護30%海洋水域的號召。在主權(quán)管轄海域或公海中,明確界定某個海洋地理環(huán)境空間并對其進行選劃和管理,以實現(xiàn)“從基因到生態(tài)系統(tǒng)”的生物多樣性保護,成為全球海洋保護區(qū)選劃和管理的重要內(nèi)容。而基于海洋生態(tài)安全,科學選劃以及分類分區(qū)和分級分時管理海洋保護區(qū),是有效發(fā)揮海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的重要保障。

上述分析均體現(xiàn)海洋生態(tài)區(qū)劃研究的迫切需求?；诖?本研究以重要的全球海洋生物多樣性中心和起源地之一的菲律賓海為例,通過水文動力三維環(huán)境特征分析,提出菲律賓海水文環(huán)境分異的水平“五區(qū)分異”模式和垂向“三線一圈”模式,作為海洋生態(tài)區(qū)劃的重要底層參考,進一步結(jié)合我國海洋生態(tài)區(qū)劃現(xiàn)狀提出啟示性研究建議。本研究的相關(guān)內(nèi)容僅作為推進海洋生態(tài)區(qū)劃基礎(chǔ)性工作的嘗試,致力于充分利用海洋環(huán)境、海洋生物和社會經(jīng)濟等方面的變量和要素,為開展海洋生態(tài)區(qū)劃尤其是科學有效的綜合區(qū)分和界定工作提供必要的科學支撐,以滿足海洋生態(tài)系統(tǒng)安全健康以及海洋資源可持續(xù)開發(fā)利用的戰(zhàn)略新需求。