基于現場調查和GOCI 衛星遙感下東海原甲藻赤潮生消特征

劉淑娟，楊萌萌，沈盎綠

(1.國家海洋設施養殖工程技術研究中心，浙江舟山 316022；2.日本名古屋大學環境研究生院，日本名古屋 4 648601；3.上海海洋大學海洋生態與環境學院，上海 201306)

有害赤潮(harmful algal blooms，HABs)事件通常與表面海水中有毒或有害微藻的異常增殖或高生物量積累有關，由于其發生和發展會破壞海洋生態平衡，危害水產資源，給海洋生物和生態系統帶來有害的影響[1-3]，有些赤潮生物產生的毒素可以通過浮游動物的累積和傳遞對更高營養級的生物如魚類等產生影響，對人類健康構成嚴重威脅[4-6]，因而引起了人們的關注。此外，由于沿海地區工農業發展迅速，人口增加，注入海洋的污水增多，氮、磷和有機物污染比較突出[7]。隨著人為營養負荷的增加，沿海海洋生態系統中有害赤潮現象的發生率和影響在世界范圍內有所增加[8-11]。

東海沿岸是眾所周知的赤潮事件頻發地區[12-14]。自20 世紀60 年代以來，來自長江流域的營養負荷急劇增加，與之相對應的是赤潮發生的數量和規模也顯著增加[12]。浙江省南部沿海(包括洞頭和南麂列島)是赤潮頻發的重要地區。在該地區，東海原甲藻是自2000 年以來形成有害赤潮的主要甲藻之一[15-17]。東海原甲藻代謝產物中沒有已知確定的毒素，但東海原甲藻占優勢的赤潮對浮游動物和魚類具有致死性[17-19]。近年來東海原甲藻赤潮每年都會發生，對沿海地區造成重大損失，引起了社會的廣泛關注。如2000 年5 月舟山中街山海域發生的東海原甲藻赤潮，最大范圍達7 000 km2[20]，2004 年5 月初發生的東海原甲藻赤潮面積達到了1 萬km2，而2005 年5 月發生的東海原甲Prorocentrum donghaiense 和米氏凱倫藻Karenia mikimotoi 混合赤潮面積達到1.7 萬km2[21]。

近40 a 來，海洋水色衛星的數據被廣泛應用于赤潮的檢測、制圖和監測[22]。由韓國海洋衛星中心運行(由韓國航天局發射)世界首個海色靜止衛星COMS(communication,ocean & meteorological satellite)上搭載的GOCI(geostationary ocean color imager)傳感器，具有8 個波段、500 m×500 m 的空間分辨率、時間觀測尺度1 h 的優點[23]。GOCI 在時間分辨率和空間分辨率上具有很大優勢，而SeaWiFS 和MODIS 數據為每隔2～3 d 監測1 次亞熱帶和熱帶海洋，其空間分辨率為1 000 m[23-24]。最近，基于GOCI 影像數據的研究日益增多，在太湖懸浮物濃度遙感估算[25]、太湖水體葉綠素a(Chl a)濃度日變化[26]和長江入?？趹腋〕辽碀舛确囱菁捌鋾r空動態變化[27]等方面進行了較為全面的分析應用。近年來GOCI 也被用于監測東海海域的東海原甲藻赤潮[28]以及朝鮮半島東海岸的多環旋溝藻Cochlodinium polykrikoides 赤潮[29]的日變化趨勢。但是，利用GOCI 在東海赤潮高發區對有害赤潮生消過程進行監測的研究卻很少。

在本研究中，我們應用GOCI 數據反演Chl a 濃度，赤潮指數(RI)[28,30]，對2016 年5 月發生在洞頭列島與南麂列島附近海域的東海原甲藻赤潮整個生消過程進行調查，包括現場跟蹤監測，結合GOCI 遙感數據，并同步分析了浮游植物細胞豐度的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區域和浮游植物樣品采集及分析

本研究于2016 年5 月9 日至5 月20 日，在洞頭和南麂列島海域共采集57 個水樣，其中5 月9 日、10日、12 日、14 日、15 日、19 日、20 日這7 天每天采集6 個，5 月13 日采集5 個，5 月17 日采集3 個，5 月18日采集7 個，詳見圖2。5 月11 日和5 月16 日由于陰雨天氣沒有出海調查采樣。利用有機玻璃采水器在每個站位海水表面下0.5 m 處采集1 000 mL 的海水作為浮游植物樣品，用魯哥氏試劑固定至最終濃度為15%。在光學顯微鏡下對浮游植物進行種類鑒定及按個體計數(BX43，日本奧林帕斯公司)。參照金德祥等[31]或者楊世民等[32]的資料對浮游植物進行分類鑒定。

圖1 東海原甲藻赤潮研究區域Fig.1 Study area of P.donghaiense bloom

圖2 東海原甲藻赤潮采樣時間與站位Fig.2 Sample days and stations of Prorocentrum donghaiense bloom

1.2 現場總浮游植物中Chl a 的測定

采集浮游植物的同時取50 mL 海水，利用脈沖調制葉綠素熒光儀(PHYTO-PAM-ED,德國Walz 公司)測定Chl a 的濃度。

1.3 衛星圖像處理

GOCI 的L1B 影像數據首先從相關網站(https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/GOCI/L1/) 下載，然后使用GOCI 數據處理軟件(GDPS 1.3)和AHN，et al[30]的大氣校正算法將其處理成L2 產品。利用L2 Rrs 資料，采用YOC(Yellow and East China Sea ocean color)算法[33]計算Chl a。改進的赤潮指數(RI)[28]是用Rrs 在443、490 和555 nm 波段的數據進行計算，方程如下：

基于RI 指數，根據LOU Xiulin，et al[28]標準的將RI 值(>2.8)定義為赤潮面積。

1.4 數據分析

現場東海原甲藻豐度和總Chl a 數據屬于非正態分布(Shapiro-Wilk 檢驗)，經非參數(Kruskal-Wallis方法)檢驗有顯著差異后采用Dunn-Bonferroni 方法進行多重比較(P<0.05)。所有分析均采用Origin pro 8.0(OriginLab，美國Northampton 公司)和PASW Statistics 22.0(美國IBM SPSS Software)。

2 結果與分析

2.1 東海原甲藻赤潮生消過程(現場調查)

赤潮過程可以分為開始階段、生長階段、維持階段和消散階段[34]。在本次赤潮現場調查中，5 月9 日第一優勢種東海原甲藻平均細胞豐度為2.12×107個·m-3，超過開始階段標準(閾值細胞豐度為106個·m-3[34])，因此，東海原甲藻赤潮可分為生長階段(5 月9 日至5 月12 日)，維持階段(5 月13 日至5 月18 日)和消亡階段(5 月19 日和20 日)(表1 和圖3)。在赤潮生長階段，東海原甲藻平均豐度為0.79×107個·m-3，在57 個站位中約1/3 站位未檢測到東海原甲藻；在赤潮維持階段，所有站位均發現東海原甲藻，而且絕大多數站位東海原甲藻豐度不低于107個·m-3，均值為1.38×109個·m-3，最高豐度出現5.13-1 站位，其豐度值高達2.87×1010個·m-3；在赤潮消散階段，東海原甲藻平均豐度為0.45×107個·m-3，約1/3 站位未檢測到東海原甲藻。另外，通過現場測定東海原甲藻赤潮在生長階段Chl a 的平均濃度為3.38 mg·m-3，維持階段Chl a 的平均濃度為12.94 mg·m-3，消散階段Chl a 的平均濃度為6.03 mg·m-3?？偟膩碚f，在維持階段東海原甲藻細胞豐度和Chl a 均值明顯大于生長階段和消亡階段(P<0.05，表1)。

表1 東海原甲藻赤潮不同階段東海原甲藻細胞豐度(107 cells·m-3)和總Chla 濃度(mg·m-3)Tab.1 The cell abundance (107 cell·m-3) and total Chla concentrations (mg·m-3) of P.donghaiense in the different phases of the P.donghaiense bloom

2.2 東海原甲藻赤潮生消過程中Chl a 和RI 的變化(GOCI 數據)

由于2016 年5 月份多云的天氣居多，在本次調查周期內只有5 月11 日、5 月12 日、5 月13 日、5 月15 日和5 月17 日才有GOCI 影像數據。通過對這5 d Chl a 圖像分析(圖4)，高Chl a 濃度區域從洞頭列島東北附近海域逐步向南麂列島西南附近海域遷移(更加靠近大陸)，而且高濃度Chl a 海域的面積也在不斷的擴大，在5 月17 日接近峰值(因為結合現場調查數據5 月18 日東海原甲藻豐度和總Chl a 濃度也非常高)。

另外，通過對5 月11 日、5 月12 日、5 月13 日、5 月15 日和5 月17 日RI 圖像分析(圖5)，海區顏色從深藍色到黃紅色變化，RI 數值越高，顏色越趨向深紅色，也就是表明赤潮爆發程度越嚴重，5 月11 日在洞頭列島東北部海域赤潮比較嚴重，而后逐步向南麂列島西南方向海域蔓延，至5 月17 日洞頭列島至南麂列島一線到大陸近岸整個海域基本上全部發生赤潮。同時根據RI>2.8 區域為赤潮爆發海區(圖5 右圖紅色區域)來看，5 月11 日赤潮區域主要在洞頭列島東北部海域，面積較小，而后赤潮面積逐步向西南方向擴大，5 月13 日在現場調查海域(洞頭列島與南麂列島之間)幾乎全部爆發赤潮，現場也是監測到東海原甲藻豐度最高值(圖3)。5 月15 日，赤潮區域進一步擴大，也更加靠近沿海地區，5 月17 日，赤潮面積達到最大值，赤潮現象最為嚴重。

圖3 不同赤潮階段東海原甲藻細胞豐度變化Fig.3 The change of abundance of Prorocentrum donghaiense in the different phases of the bloom

2.3 東海原甲藻赤潮Chl a 日變化分析

在本研究中選擇相對少云的5 月12 日來觀察海域Chl a 濃度的日變化(圖6)。從時間變化角度分析，在08:30-15:30 這8 h 的時間里，洞頭列島和南麂列島附近海區Chl a 濃度上升趨勢比較明顯。在08:30-14:30，Chl a 高濃度區域面積由近海地區向沿海地區不斷擴大，并在14:30 達到最大。在15:30，沿海地區Chl a 濃度下降，而近海地區Chl a 濃度升高。造成該現象的原因可能因為，在08:30-14:30 之間，東海原甲藻受光合作用的影響向上移位，引起了Chl a 濃度升高。另外，從Chl a 圖像序列可以觀察到赤潮的空間運動(圖6)，高Chl a(約> 5 mg·m-3)赤潮區域在早上從東向西移動，下午從西向東移動，在14:30 左右覆蓋范圍最大。

圖4 東海原甲藻赤潮不同階段Chl a 圖像變化情況Fig.4 Changes of Chl a composite images in the different phases of the P.donghaiense bloom

3 討論

3.1 赤潮不同生消階段的確定

一般赤潮過程可以分為開始階段、生長階段、維持階段和消亡階段[34]。但是在赤潮監測過程中，尤其是現場監測赤潮生消的完整過程是非常困難的。其中硅藻赤潮生消速度很快，維持時間短，曾有現場調查發現1996 年6 月長江口中肋骨條藻Skeletonema costatum 赤潮持續了5 d，但起始階段只有4 h，之后便進入發展階段快速繁殖，不到2 d時間就達到峰值，生消過程非?？靃35]。由于硅藻生長率大于甲藻，所以硅藻赤潮生消速度較快。相對硅藻赤潮而言，甲藻赤潮生消速度較慢，從開始到消亡持續時間較長，且各個發展階段更明顯，有利于對赤潮生消的完整過程進行研究。在本研究中，現場調查海域東海原甲藻赤潮根據優勢種細胞豐度可以分為生長階段、維持階段和消亡階段3 個階段。本次東海原甲藻赤潮周期較長，超過12 d，各個階段變化明顯。本文對比了2010 年5 月李正華[36]對福建長樂海區一次東海原甲藻赤潮生消過程的調查以及鄒雙燕[37]于2016 年5 月對發生在福建海域內的東海原甲藻赤潮生消過程的調查，結果表明(表2)，這3 次東海原甲藻赤潮生消過程都比較明顯，都分為發展階段，維持階段和消亡階段，且持續時間較長，尤其是本研究中發生在洞頭和南麂列島附近海域的東海原甲藻赤潮，維持階段持續6 d，有助于我們對赤潮生消過程更好的研究。

圖6 5 月12 日Chl a 每小時變化圖Fig.6 Hourly Chl a images of GOCI on 12 May

表2 不同地區東海原甲藻赤潮不同階段時間變化Tab.2 Change of time of the bloom of P.donghaiense in different areas of different stages

3.2 GOCI 衛星遙感監測的優勢

自從1978 年全球第一個海洋水色掃描傳感器(CZCS)應用于赤潮監測后，隨后40 a 內陸續有相關的海洋水色傳感器，其中比較著名的衛星有SeaWiFS、MODIS 和MERIS 等，廣泛應用于各種類型的赤潮監測[19]，比如在監測顆石藻Emiliania huxleyi(CZCS)[38]、束毛藻Trichodesmium spp.(SeaWiFS)[39]、米氏凱倫藻[40]以及結合多個傳感器(CZCS、SeaWiFS、MODIS 和MERIS)比較研究監測顆石藻等方面均得到了很好結果。但是極地軌道衛星受限于只能通過1～3 d 的時間間隔海洋水色數據來分析長期(季節和年度)的變化，而大部分赤潮尤其是硅藻赤潮生消速度很快、甚至在海洋表面藻類豐度日變化差異也是非常顯著。所以實時監測赤潮的位置、范圍、運動和生長速度是目前的一個重要挑戰[41]，直到靜止軌道海洋水色衛星搭載GOCI 傳感器的出現，其較高的空間分辨率(500 m)和每天8 幅遙感影像(北京時間08:30-15:30)為赤潮的實時監測提供了可能。近年來已經成功應用在GOCI 衛星覆蓋范圍之內的東海和朝鮮半島附近海域的赤潮監測中[28-29]。在本研究中，我們通過GOCI 遙感數據反演得到浙江南部沿海附近海域Chl a、RI 以及赤潮爆發區域等信息，并且結合現場調查數據確定本次赤潮為東海原甲藻赤潮。雖然由于本次東海原甲藻赤潮期間陰雨多云天氣較多，只獲得5 d 的GOCI 遙感數據(同期MODIS 數據更少只有2 d)，但是結合現場調查數據也可以大致分析東海原甲藻赤潮的演變生消趨勢，即從洞頭列島東北部附近海域向南麂列島西南附近海域逐步向沿岸靠近，并在5 月17 日左右赤潮規模達到一個峰值。

3.3 東海原甲藻赤潮日變化原因淺析

此外，甲藻赤潮生消期間從清晨到午后一整個白天中，其海水表層的藻類豐度/Chl a 濃度會有很大波動，從GOCI 影像中反演的Chl a 變化趨勢能夠如實反映赤潮的日變化[28-29]，為此我們分析了5 月12 日的Chl a 日變化的GOCI 數據(圖6)，結果顯示Chl a 濃度從早上到下午逐漸升高，至14:30 到達峰值。Chl a 日變化其中一個很重要的原因可能是東海原甲藻的垂直遷移，根據氣泡調節浮力機制[42]，藻類的垂直位移受氣泡控制，日出后藻類進行光合作用產生大量氧氣形成小氣泡，由于小氣泡的作用細胞的浮力增加，到14:30 左右形成藻類豐度高峰，但隨后在強日照下生成的光合產物使得細胞內部膨壓增高導致氣泡崩潰大于新的聚集，致使細胞失去浮力造成藻類下降。對于赤潮區域的水平擴散，還有潮汐的驅動作用，潮汐對赤潮的形成和消散起著重要的調節作用[43]。在本次東海原甲藻赤潮調查期間，2016 年5 月12 日最高潮位發生于12:00 時(http://ocean.cnss.com.cn/)，早上4 幅GOCI 影像(08:30、09:30、10:30 和11:30)是處于漲潮階段(潮水由東向西)，其余4 幅則處于退潮階段(潮水由西向東)，所以赤潮區塊(Chl a 高濃度區域)在早上向西移動，在下午向東移動(圖4)。類似的結果在2011 年5 月29 日至30 日通過GOCI 衛星數據監測東海原甲藻赤潮水平遷移擴散運動中也得到了證實[28]。

4 結論

本研究根據浙江南部沿海2016 年5 月9-20 日的現場調查表明，在該海域發生的東海原甲藻赤潮生消過程可分為生長階段、維持階段和消散階段。另外，通過GOCI 影像反演的Chl a 和RI 揭示了赤潮區域的變化趨勢，確定了本次赤潮的位置、范圍和水平運動遷移規律，同時使用8 幅Chl a 影像圖分析了某個特定日期Chl a 日變化(2016 年5 月12 日)，顯示了東海原甲藻運動規律(藻類本身垂直遷移和潮汐引起的水平遷移)以及赤潮區域的變化。因此，GOCI 衛星遙感數據對實時跟蹤監測東海周邊海域赤潮具有重要意義。