生態(tài)浮標預(yù)測赤潮暴發(fā)的分析

阮華杰 馬駿 何志強

（1臺州市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,臺州,318000；2.第七一五研究所,杭州,310023）

1 赤潮的發(fā)生及危害

赤潮是局部海域因浮游生物突發(fā)性地大量增殖和高密度聚集(幾百萬～幾千萬個赤潮生物/ml海水)而使海水變色發(fā)臭的異常現(xiàn)象，它是海洋嚴重污染的結(jié)果。赤潮的成因主要是攜帶大量無機營養(yǎng)鹽和有機物的工業(yè)廢水和生活污水排入海洋所引起的海水富營養(yǎng)化，它是赤潮形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)2012年浙江省環(huán)境公報顯示的數(shù)據(jù)，我省近岸海域水質(zhì)受無機氮、活性磷酸鹽超標影響，海域水體呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。生活在富營養(yǎng)化環(huán)境中的藻類, 一旦條件適宜，除營養(yǎng)細胞迅速增殖外，還釋放出大量無性生殖孢子，這些孢子迅猛成為新的營養(yǎng)細胞而形成赤潮。這些高度密集的赤潮生物會堵塞魚類、貝類等海生物的呼吸器官使其窒息死亡；赤潮殘骸在氧化分解過程中會消耗水體中大量溶解氧并釋放H2S，造成環(huán)境缺氧，嚴重威脅著其它生物的生存；有些赤潮生物還能分泌毒素，甚至死后還繼續(xù)放毒，且有的毒性遠遠超過氰化物，如鏈狀柒溝藻分泌出的石房蛤毒素，其毒性比眼睛蛇毒高出80倍，比一般可卡因麻醉劑高出10萬多倍，可直接或間接地毒死海洋生物，甚至還會導(dǎo)致局部海域變?yōu)轸~蝦貝類絕跡的“死海”[1]。此外，赤潮還嚴重威脅著人類生命安全，人們一旦食用赤潮毒害過的魚蝦，尤其是貝類就會中毒身亡。

為了對赤潮現(xiàn)象進行有效監(jiān)測和預(yù)警，20世紀90年代以來，國外海洋水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，逐漸從試驗試用階段進入準業(yè)務(wù)運行階段，這些水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)以水質(zhì)監(jiān)測浮標的形式出現(xiàn)，少數(shù)以岸基水質(zhì)監(jiān)測站的形式出現(xiàn)。水質(zhì)浮標監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了海洋水質(zhì)的在線連續(xù)自動監(jiān)測，為赤潮的快速監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

2 赤潮監(jiān)測要素

根據(jù)國內(nèi)外專家多年來對赤潮發(fā)生機理和過程的研究，普遍認為赤潮發(fā)生前和形成中，主要表現(xiàn)為以下要素的異常變化。

（1）水溫和鹽度

當內(nèi)灣或近岸海水的表層和底層水溫和鹽度變化很小時，因其水體密度差異小，分層現(xiàn)象不明顯，不利于水質(zhì)充分運動，就為夜光藻類的增殖提供了更充分的條件。因此，監(jiān)測近岸表底層水溫和鹽度對監(jiān)測赤潮的發(fā)生較為重要。

（2）溶解氧

赤潮發(fā)生前，溶解氧（DO） 值往往突變?yōu)楦哂谡Ｆ骄怠３喑卑l(fā)生過程中，DO 急劇下降。與此同時，pH值也可能突變或不再波動。因此，監(jiān)測海水表層DO和pH 值是監(jiān)測和預(yù)報赤潮的重要手段。

（3）營養(yǎng)鹽

無機磷和無機氮（包括硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮）是海水中富營養(yǎng)化污染的主要指標，它們的變化意味著赤潮發(fā)生的概率在變化。因此，營養(yǎng)鹽是赤潮監(jiān)測的基本要素。

（4）葉綠素

赤潮發(fā)生和形成之后，其結(jié)果表現(xiàn)為有害藻類爆發(fā)性繁殖 (亦稱水華現(xiàn)象)，它們具有多種色素，葉綠素是最重要的色素。其中葉綠素是估算初級生產(chǎn)力和生物量的基本指標，是赤潮報警的重要項目[2]。

（5）其它要素

除上述要素外，藻類、生物耗氧量、化學(xué)需氧量以及鐵、錳等微量元素的含量變化也與赤潮突發(fā)有一定關(guān)系。

因此，設(shè)法發(fā)現(xiàn)這些要素的突變，進而掌握其變化規(guī)律，是赤潮監(jiān)測和預(yù)報的主要內(nèi)容。

3 生態(tài)浮標功能及監(jiān)測要素

生態(tài)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)作為一種監(jiān)測設(shè)備，具有實時、綜合性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊、水庫和河流的水環(huán)境監(jiān)測。該系統(tǒng)摒棄了將水樣帶回實驗室預(yù)處理、存放，再進行后期分析的低效傳統(tǒng)方法，極大地提高了數(shù)據(jù)的采集效率，減輕了勞動強度，節(jié)省了人力、物力和財力。浮標搭載的水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、氣象等傳感器，能連續(xù)、實時地測量水環(huán)境的變化，及時做出預(yù)報。通常將浮標布放在近海、河流、湖泊和水庫中，多個浮標聯(lián)網(wǎng)后，通過GPRS/CDMA/衛(wèi)星通訊等無線網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，將測量的數(shù)據(jù)傳至環(huán)保部門的監(jiān)控室，這些數(shù)據(jù)可為了解水環(huán)境變化、制定保護措施提供準確的信息。

由杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所生產(chǎn)的生態(tài)浮標集成系統(tǒng)可監(jiān)測水溫、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素a、濁度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽、氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、相對濕度等要素。監(jiān)測部門可根據(jù)生態(tài)浮標實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，及時做出應(yīng)對。根據(jù)監(jiān)測要素變化預(yù)測赤潮發(fā)生的可能性，提前做好防災(zāi)減災(zāi)準備，減少損失。

4 監(jiān)測過程分析

臺州大陳海域生態(tài)浮標于2012年8月布放，浮標可監(jiān)測水溫、鹽度、pH、葉綠素、溶解氧、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽及氣象參數(shù)等共21個參數(shù)，經(jīng)過三個月的調(diào)試和試運行后，系統(tǒng)運行正常，實現(xiàn)了對臺州大陳海域的連續(xù)實時在線監(jiān)測。

2013年5月11日，海洋環(huán)境監(jiān)測人員通過查看生態(tài)浮標數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)pH、溶解氧、葉綠素等重要參數(shù)在持續(xù)升高。5月11日、12日，監(jiān)測人員進行了現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)已有浮游植物繁殖，但未達到赤潮臨界密度。5月13日，根據(jù)臺州海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心現(xiàn)場監(jiān)測情況，向省海洋與漁業(yè)局上報了臺州暴發(fā)赤潮的預(yù)測報告。本文根據(jù)監(jiān)測人員現(xiàn)場監(jiān)測情況，通過對生態(tài)浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，表明生態(tài)浮標對赤潮的監(jiān)測是有效的。

4.1 溫鹽變化分析

海水溫度高低及其變化情況，是赤潮發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，但不同的赤潮生物對溫度的反應(yīng)有明顯差別。海水的溫度可直接控制著赤潮的發(fā)生、發(fā)展及消亡。就一般情況而言，短時間內(nèi)急劇的溫升，可能會刺激赤潮生物細胞的大量繁殖而發(fā)生赤潮。

每一種赤潮生物都有各自的適應(yīng)鹽度范圍，而鹽度的急劇變化直接影響赤潮生物的生長與繁殖。鹽度變化對赤潮生物生長的作用，目前尚無統(tǒng)一的認識。有的研究結(jié)果表明，暴雨容易造成表層水體鹽度急降，這種鹽度在短時間內(nèi)的急降，對主要分布在表層水體中的夜光藻種群具有巨大的破壞力。但有關(guān)實驗研究指出，鹽度不能令赤潮生物的生物量有明顯的增加，卻會在低鹽度的情況下刺激赤潮生物加快細胞分裂速度。關(guān)于鹽度急降對赤潮生物在短時間內(nèi)的大量繁殖的刺激作用，在其他一些相關(guān)研究中亦有報道[4]。根據(jù)生態(tài)浮標所監(jiān)測到的溫鹽數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，得出圖1所示變化曲線圖。從曲線的變化上看，從5月10日起，水溫在明顯升高，刺激赤潮生物細胞的大量繁殖而發(fā)生赤潮，鹽度也顯然發(fā)生了變化。監(jiān)測結(jié)果表明，該監(jiān)測區(qū)域溫鹽度變化符合赤潮發(fā)生的條件，為赤潮預(yù)測提供了有效的溫鹽度變化數(shù)據(jù)。

圖1 赤潮暴發(fā)過程溫鹽的變化（上方曲線為鹽度，下方曲線為溫度）

4.2 溶解氧變化分析

浮游植物在光合作用下，會產(chǎn)生氧，隨著浮游植物的增多，水中的含氧量也隨之升高，浮游植物的大量繁殖生長，在強烈的光合作用下放出相當量的氧，氧含量急速上升。當浮游植物消亡時，有機質(zhì)分解，消耗了氧，使水體中氧含量下降。圖2是浮標監(jiān)測到的溶解氧飽和度變化趨勢。5月5日之后，浮游植物已開始繁殖生長，浮游植物密度不斷提高，水中氧含量持續(xù)升高，直至5月13日，浮游植物密度達到了赤潮臨界密度。5月13日～14日，赤潮持續(xù)了2天時間，15日開始，溶解氧飽和度在持續(xù)下降。

圖2 赤潮暴發(fā)過程溶解氧飽和度的變化

另外，圖3顯示了白天和晚上溶解氧飽和度的變化，白天在太陽光的照射下，光合作用強烈，溶解氧飽和度較高。晚上無陽光照射時，浮游植物釋放氧含量明顯降低，水中溶解氧飽和度因此變低。

4.3 pH變化分析

由于是藻類的大量爆發(fā)，所以其導(dǎo)致藻類對水中CO2的需求量增高，會在短時間內(nèi)消耗大量CO2，水體酸堿度隨之產(chǎn)生較大的變化。赤潮引起水中生物死亡，水中溶解的氧下降，大量厭氧微生物迅速繁殖，水體不斷惡化，微生物產(chǎn)生大量有機酸，pH下降。前期連續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，臺州大陳海域pH在7.8～8.0之間。但5月5日之后，pH持續(xù)升高，說明有藻類繁殖，5月13日～15日，pH最高接近8.5，與赤潮的高峰期吻合。5月16日，pH開始持續(xù)下降，這是藻類植物開始消亡和厭氧微生物迅速繁殖共同作用的結(jié)果，見圖4。另外一個現(xiàn)象是，pH的下降比DO的下降晚了一天，這主要是因為厭氧微生物是在缺氧狀態(tài)下才開始繁殖，而厭氧微生物的繁殖需要一定的時間，pH比DO推遲下降正好符合這一規(guī)律。

圖4 赤潮暴發(fā)過程pH的變化

4.4 營養(yǎng)鹽變化分析

營養(yǎng)鹽是浮游植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，水中富營養(yǎng)程度達到一定條件時，就有可能暴發(fā)赤潮，而浮游植物大量繁殖生長又消耗了水體中大量的營養(yǎng)鹽。浮游植物的大量繁殖生長，攝取了水體中大量的 N，在強烈的光合作用下放出相當量的氧，因而使得水體中N 的含量迅速下降、氧含量急速上升。

赤潮現(xiàn)象是由大量的浮游生物聚集造成的，充分的營養(yǎng)基礎(chǔ)是形成巨大生物量的前提條件。已有的研究表明，氮、磷是浮游生物爆發(fā)性增殖最重要的調(diào)控因素。國內(nèi)外研究者對浮游生物吸收營養(yǎng)鹽的行為進行過大量研究，氮、磷在海洋環(huán)境中的含量、形態(tài)構(gòu)成、數(shù)量變動不僅影響著赤潮生物，還決定了赤潮形成的規(guī)模和程度。如果無機氮含量過高，就會和水中其它營養(yǎng)鹽類共同作用而引起水體的富營養(yǎng)化，易造成水生植物的大量繁殖，亦會過多的消耗水體中的溶解氧，從而破壞海洋生態(tài)環(huán)境，引起赤潮和有機污染的發(fā)生。

圖5中，磷含量的變化從5月5日前的較高濃度持續(xù)下降，水中溶解的磷比較少，原因是赤潮發(fā)生時浮游植物的繁殖大量吸收磷，使得磷的含量有較明顯的降低，5月10日～15日期間，甚至低于傳感器的檢出限。15日之后，赤潮開始消亡以及厭氧微生物的排泄，又使磷含量升高，構(gòu)成磷在海洋中的循環(huán)。

圖5 赤潮暴發(fā)過程磷含量的變化

4.5 葉綠素變化分析

水中的葉綠素是指水中浮游植物的現(xiàn)存量，是用來描述浮游植物利用光能進行光合作用將無機物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物質(zhì)時，有機物生產(chǎn)力的一個重要指標。浮游植物的現(xiàn)存量用單位體積或單位面積中生物的數(shù)量或質(zhì)量表示。根據(jù)葉綠素的光學(xué)特征，葉綠素可分為a、b、c、d 四類，其中葉綠素 a包括了所有的藻類浮游植物。由于其他3 類的光合作用所吸收的光能最終都要傳送給葉綠素a，因此，葉綠素a是四類中最重要的一類。水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中所說的葉綠素一般指的是葉綠素a。因此測定水中葉綠素a的含量，是對浮游植物的一種定量測量方法[3]。

生態(tài)浮標所用葉綠素傳感器為光學(xué)傳感器，通過測量葉綠素a的熒光反射量來測量其濃度。正常情況下，葉綠素a的值在十幾微克以內(nèi)。當浮游植物繁殖時，葉綠素a濃度升高。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，自5月5日開始，監(jiān)測區(qū)域的葉綠素a濃度在持續(xù)升高，達到幾十微克，甚至100多微克，表明赤潮已發(fā)生，見圖6。

圖6 赤潮暴發(fā)過程葉綠素含量的變化

利用生態(tài)浮標系統(tǒng)，通過對臺州等海域的長期監(jiān)測，獲取了大量數(shù)據(jù)，并于2013年5月成功監(jiān)測了一次赤潮的發(fā)生和消亡的過程，預(yù)報數(shù)據(jù)有效、可信。

5 結(jié)束語

影響有害赤潮發(fā)生的因素十分復(fù)雜，化學(xué)因素如氮、磷等營養(yǎng)鹽和微量元素，特定水域的氣象氣候、水環(huán)境動力學(xué)及生物環(huán)境等因素都可能影響赤潮的發(fā)生及分布。各種因素在時間和空間的組合上千差萬別，每一類赤潮藻種與環(huán)境因子的相互關(guān)系各不相同，因而誘發(fā)不同赤潮形成的主導(dǎo)因素也不同。生態(tài)浮標所監(jiān)測的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、pH、營養(yǎng)鹽等參數(shù)，通過綜合分析，可以有效的對赤潮的發(fā)生進行預(yù)測預(yù)警，在顯控軟件上加上赤潮預(yù)報的模型或算法還可以實現(xiàn)自動預(yù)警預(yù)測。

[1] 劉令梅. 赤潮的監(jiān)測技術(shù)和防治措施[J]. 海洋技術(shù),1998,17(3):58-65.

[2] 廉雙喜. 赤潮監(jiān)測和預(yù)報的構(gòu)想[J]. 海洋技術(shù),2002,21(2) :74-78.

[3] 胡輝, 謝靜. 葉綠素 a 在監(jiān)視赤潮和評價水環(huán)境中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù), 2001, 13(5) :43-44.

[4] 黃小平, 黃良民, 譚燁輝, 等. 近海赤潮發(fā)生與環(huán)境條件之間的關(guān)系[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2002, 21(4) :63-69.