基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和GOCI 衛(wèi)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(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022；2.日本名古屋大學(xué)環(huán)境研究生院，日本名古屋 4 648601；3.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)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(guān)，由于其發(fā)生和發(fā)展會(huì)破壞海洋生態(tài)平衡，危害水產(chǎn)資源，給海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)有害的影響[1-3]，有些赤潮生物產(chǎn)生的毒素可以通過(guò)浮游動(dòng)物的累積和傳遞對(duì)更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物如魚(yú)類等產(chǎn)生影響，對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4-6]，因而引起了人們的關(guān)注。此外，由于沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，人口增加，注入海洋的污水增多，氮、磷和有機(jī)物污染比較突出[7]。隨著人為營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加，沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中有害赤潮現(xiàn)象的發(fā)生率和影響在世界范圍內(nèi)有所增加[8-11]。

東海沿岸是眾所周知的赤潮事件頻發(fā)地區(qū)[12-14]。自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，來(lái)自長(zhǎng)江流域的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷急劇增加，與之相對(duì)應(yīng)的是赤潮發(fā)生的數(shù)量和規(guī)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(fā)的重要地區(qū)。在該地區(qū)，東海原甲藻是自2000 年以來(lái)形成有害赤潮的主要甲藻之一[15-17]。東海原甲藻代謝產(chǎn)物中沒(méi)有已知確定的毒素，但東海原甲藻占優(yōu)勢(shì)的赤潮對(duì)浮游動(dòng)物和魚(yú)類具有致死性[17-19]。近年來(lái)東海原甲藻赤潮每年都會(huì)發(fā)生，對(duì)沿海地區(qū)造成重大損失，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。如2000 年5 月舟山中街山海域發(fā)生的東海原甲藻赤潮，最大范圍達(dá)7 000 km2[20]，2004 年5 月初發(fā)生的東海原甲藻赤潮面積達(dá)到了1 萬(wàn)km2，而2005 年5 月發(fā)生的東海原甲Prorocentrum donghaiense 和米氏凱倫藻Karenia mikimotoi 混合赤潮面積達(dá)到1.7 萬(wàn)km2[21]。

近40 a 來(lái)，海洋水色衛(wèi)星的數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于赤潮的檢測(cè)、制圖和監(jiān)測(cè)[22]。由韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心運(yùn)行(由韓國(guó)航天局發(fā)射)世界首個(gè)海色靜止衛(wèi)星COMS(communication,ocean & meteorological satellite)上搭載的GOCI(geostationary ocean color imager)傳感器，具有8 個(gè)波段、500 m×500 m 的空間分辨率、時(shí)間觀測(cè)尺度1 h 的優(yōu)點(diǎn)[23]。GOCI 在時(shí)間分辨率和空間分辨率上具有很大優(yōu)勢(shì)，而SeaWiFS 和MODIS 數(shù)據(jù)為每隔2～3 d 監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)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(zhǎng)江入?？趹腋〕辽碀舛确囱菁捌鋾r(shí)空動(dòng)態(tài)變化[27]等方面進(jìn)行了較為全面的分析應(yīng)用。近年來(lái)GOCI 也被用于監(jiān)測(cè)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(huán)旋溝藻Cochlodinium polykrikoides 赤潮[29]的日變化趨勢(shì)。但是，利用GOCI 在東海赤潮高發(fā)區(qū)對(duì)有害赤潮生消過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究卻很少。

在本研究中，我們應(yīng)用GOCI 數(shù)據(jù)反演Chl a 濃度，赤潮指數(shù)(RI)[28,30]，對(duì)2016 年5 月發(fā)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(gè)生消過(guò)程進(jìn)行調(diào)查，包括現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)合GOCI 遙感數(shù)據(jù)，并同步分析了浮游植物細(xì)胞豐度的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(gè)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(gè)，5 月13 日采集5 個(gè)，5 月17 日采集3 個(gè)，5 月18日采集7 個(gè)，詳見(jiàn)圖2。5 月11 日和5 月16 日由于陰雨天氣沒(méi)有出海調(diào)查采樣。利用有機(jī)玻璃采水器在每個(gè)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(xué)顯微鏡下對(duì)浮游植物進(jìn)行種類鑒定及按個(gè)體計(jì)數(shù)(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(duì)浮游植物進(jìn)行分類鑒定。

圖1 東海原甲藻赤潮研究區(qū)域Fig.1 Study area of P.donghaiense bloom

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

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總浮游植物中Chl a 的測(cè)定

采集浮游植物的同時(shí)取50 mL 海水，利用脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PHYTO-PAM-ED,德國(guó)Walz 公司)測(cè)定Chl a 的濃度。

1.3 衛(wèi)星圖像處理

GOCI 的L1B 影像數(shù)據(jù)首先從相關(guān)網(wǎng)站(https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/GOCI/L1/) 下載，然后使用GOCI 數(shù)據(jù)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(chǎn)品。利用L2 Rrs 資料，采用YOC(Yellow and East China Sea ocean color)算法[33]計(jì)算Chl a。改進(jìn)的赤潮指數(shù)(RI)[28]是用Rrs 在443、490 和555 nm 波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，方程如下：

基于RI 指數(shù)，根據(jù)LOU Xiulin，et al[28]標(biāo)準(zhǔn)的將RI 值(>2.8)定義為赤潮面積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)東海原甲藻豐度和總Chl a 數(shù)據(jù)屬于非正態(tài)分布(Shapiro-Wilk 檢驗(yàn))，經(jīng)非參數(shù)(Kruskal-Wallis方法)檢驗(yàn)有顯著差異后采用Dunn-Bonferroni 方法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。所有分析均采用Origin pro 8.0(OriginLab，美國(guó)Northampton 公司)和PASW Statistics 22.0(美國(guó)IBM SPSS Software)。

2 結(jié)果與分析

2.1 東海原甲藻赤潮生消過(guò)程(現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查)

赤潮過(guò)程可以分為開(kāi)始階段、生長(zhǎng)階段、維持階段和消散階段[34]。在本次赤潮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，5 月9 日第一優(yōu)勢(shì)種東海原甲藻平均細(xì)胞豐度為2.12×107個(gè)·m-3，超過(guò)開(kāi)始階段標(biāo)準(zhǔn)(閾值細(xì)胞豐度為106個(gè)·m-3[34])，因此，東海原甲藻赤潮可分為生長(zhǎng)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(zhǎng)階段，東海原甲藻平均豐度為0.79×107個(gè)·m-3，在57 個(gè)站位中約1/3 站位未檢測(cè)到東海原甲藻；在赤潮維持階段，所有站位均發(fā)現(xiàn)東海原甲藻，而且絕大多數(shù)站位東海原甲藻豐度不低于107個(gè)·m-3，均值為1.38×109個(gè)·m-3，最高豐度出現(xiàn)5.13-1 站位，其豐度值高達(dá)2.87×1010個(gè)·m-3；在赤潮消散階段，東海原甲藻平均豐度為0.45×107個(gè)·m-3，約1/3 站位未檢測(cè)到東海原甲藻。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定東海原甲藻赤潮在生長(zhǎng)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?lái)說(shuō)，在維持階段東海原甲藻細(xì)胞豐度和Chl a 均值明顯大于生長(zhǎng)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(xì)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(guò)程中Chl a 和RI 的變化(GOCI 數(shù)據(jù))

由于2016 年5 月份多云的天氣居多，在本次調(diào)查周期內(nèi)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(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這5 d Chl a 圖像分析(圖4)，高Chl a 濃度區(qū)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(kuò)大，在5 月17 日接近峰值(因?yàn)榻Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)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(guò)對(duì)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(qū)顏色從深藍(lán)色到黃紅色變化，RI 數(shù)值越高，顏色越趨向深紅色，也就是表明赤潮爆發(fā)程度越嚴(yán)重，5 月11 日在洞頭列島東北部海域赤潮比較嚴(yán)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(gè)海域基本上全部發(fā)生赤潮。同時(shí)根據(jù)RI>2.8 區(qū)域?yàn)槌喑北l(fā)海區(qū)(圖5 右圖紅色區(qū)域)來(lái)看，5 月11 日赤潮區(qū)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(kuò)大，5 月13 日在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查海域(洞頭列島與南麂列島之間)幾乎全部爆發(fā)赤潮，現(xiàn)場(chǎng)也是監(jiān)測(cè)到東海原甲藻豐度最高值(圖3)。5 月15 日，赤潮區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，也更加靠近沿海地區(qū)，5 月17 日，赤潮面積達(dá)到最大值，赤潮現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

圖3 不同赤潮階段東海原甲藻細(xì)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(duì)少云的5 月12 日來(lái)觀察海域Chl a 濃度的日變化(圖6)。從時(shí)間變化角度分析，在08:30-15:30 這8 h 的時(shí)間里，洞頭列島和南麂列島附近海區(qū)Chl a 濃度上升趨勢(shì)比較明顯。在08:30-14:30，Chl a 高濃度區(qū)域面積由近海地區(qū)向沿海地區(qū)不斷擴(kuò)大，并在14:30 達(dá)到最大。在15:30，沿海地區(qū)Chl a 濃度下降，而近海地區(qū)Chl a 濃度升高。造成該現(xiàn)象的原因可能因?yàn)?，?8:30-14:30 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(yùn)動(dòng)(圖6)，高Chl a(約> 5 mg·m-3)赤潮區(qū)域在早上從東向西移動(dòng)，下午從西向東移動(dòng)，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(guò)程可以分為開(kāi)始階段、生長(zhǎng)階段、維持階段和消亡階段[34]。但是在赤潮監(jiān)測(cè)過(guò)程中，尤其是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)赤潮生消的完整過(guò)程是非常困難的。其中硅藻赤潮生消速度很快，維持時(shí)間短，曾有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)1996 年6 月長(zhǎng)江口中肋骨條藻Skeletonema costatum 赤潮持續(xù)了5 d，但起始階段只有4 h，之后便進(jìn)入發(fā)展階段快速繁殖，不到2 d時(shí)間就達(dá)到峰值，生消過(guò)程非?？靃35]。由于硅藻生長(zhǎng)率大于甲藻，所以硅藻赤潮生消速度較快。相對(duì)硅藻赤潮而言，甲藻赤潮生消速度較慢，從開(kāi)始到消亡持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且各個(gè)發(fā)展階段更明顯，有利于對(duì)赤潮生消的完整過(guò)程進(jìn)行研究。在本研究中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查海域東海原甲藻赤潮根據(jù)優(yōu)勢(shì)種細(xì)胞豐度可以分為生長(zhǎng)階段、維持階段和消亡階段3 個(gè)階段。本次東海原甲藻赤潮周期較長(zhǎng)，超過(guò)12 d，各個(gè)階段變化明顯。本文對(duì)比了2010 年5 月李正華[36]對(duì)福建長(zhǎng)樂(lè)海區(qū)一次東海原甲藻赤潮生消過(guò)程的調(diào)查以及鄒雙燕[37]于2016 年5 月對(duì)發(fā)生在福建海域內(nèi)的東海原甲藻赤潮生消過(guò)程的調(diào)查，結(jié)果表明(表2)，這3 次東海原甲藻赤潮生消過(guò)程都比較明顯，都分為發(fā)展階段，維持階段和消亡階段，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是本研究中發(fā)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(xù)6 d，有助于我們對(duì)赤潮生消過(guò)程更好的研究。

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

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

3.2 GOCI 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

自從1978 年全球第一個(gè)海洋水色掃描傳感器(CZCS)應(yīng)用于赤潮監(jiān)測(cè)后，隨后40 a 內(nèi)陸續(xù)有相關(guān)的海洋水色傳感器，其中比較著名的衛(wèi)星有SeaWiFS、MODIS 和MERIS 等，廣泛應(yīng)用于各種類型的赤潮監(jiān)測(cè)[19]，比如在監(jiān)測(cè)顆石藻Emiliania huxleyi(CZCS)[38]、束毛藻Trichodesmium spp.(SeaWiFS)[39]、米氏凱倫藻[40]以及結(jié)合多個(gè)傳感器(CZCS、SeaWiFS、MODIS 和MERIS)比較研究監(jiān)測(cè)顆石藻等方面均得到了很好結(jié)果。但是極地軌道衛(wèi)星受限于只能通過(guò)1～3 d 的時(shí)間間隔海洋水色數(shù)據(jù)來(lái)分析長(zhǎng)期(季節(jié)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)赤潮的位置、范圍、運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)速度是目前的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[41]，直到靜止軌道海洋水色衛(wèi)星搭載GOCI 傳感器的出現(xiàn)，其較高的空間分辨率(500 m)和每天8 幅遙感影像(北京時(shí)間08:30-15:30)為赤潮的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能。近年來(lái)已經(jīng)成功應(yīng)用在GOCI 衛(wèi)星覆蓋范圍之內(nèi)的東海和朝鮮半島附近海域的赤潮監(jiān)測(cè)中[28-29]。在本研究中，我們通過(guò)GOCI 遙感數(shù)據(jù)反演得到浙江南部沿海附近海域Chl a、RI 以及赤潮爆發(fā)區(qū)域等信息，并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(同期MODIS 數(shù)據(jù)更少只有2 d)，但是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)也可以大致分析東海原甲藻赤潮的演變生消趨勢(shì)，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(guī)模達(dá)到一個(gè)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(gè)白天中，其海水表層的藻類豐度/Chl a 濃度會(huì)有很大波動(dòng)，從GOCI 影像中反演的Chl a 變化趨勢(shì)能夠如實(shí)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(shù)據(jù)(圖6)，結(jié)果顯示Chl a 濃度從早上到下午逐漸升高，至14:30 到達(dá)峰值。Chl a 日變化其中一個(gè)很重要的原因可能是東海原甲藻的垂直遷移，根據(jù)氣泡調(diào)節(jié)浮力機(jī)制[42]，藻類的垂直位移受氣泡控制，日出后藻類進(jìn)行光合作用產(chǎn)生大量氧氣形成小氣泡，由于小氣泡的作用細(xì)胞的浮力增加，到14:30 左右形成藻類豐度高峰，但隨后在強(qiáng)日照下生成的光合產(chǎn)物使得細(xì)胞內(nèi)部膨壓增高導(dǎo)致氣泡崩潰大于新的聚集，致使細(xì)胞失去浮力造成藻類下降。對(duì)于赤潮區(qū)域的水平擴(kuò)散，還有潮汐的驅(qū)動(dòng)作用，潮汐對(duì)赤潮的形成和消散起著重要的調(diào)節(jié)作用[43]。在本次東海原甲藻赤潮調(diào)查期間，2016 年5 月12 日最高潮位發(fā)生于12:00 時(shí)(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(qū)塊(Chl a 高濃度區(qū)域)在早上向西移動(dòng)，在下午向東移動(dòng)(圖4)。類似的結(jié)果在2011 年5 月29 日至30 日通過(guò)GOCI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)東海原甲藻赤潮水平遷移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中也得到了證實(shí)[28]。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)浙江南部沿海2016 年5 月9-20 日的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，在該海域發(fā)生的東海原甲藻赤潮生消過(guò)程可分為生長(zhǎng)階段、維持階段和消散階段。另外，通過(guò)GOCI 影像反演的Chl a 和RI 揭示了赤潮區(qū)域的變化趨勢(shì)，確定了本次赤潮的位置、范圍和水平運(yùn)動(dòng)遷移規(guī)律，同時(shí)使用8 幅Chl a 影像圖分析了某個(gè)特定日期Chl a 日變化(2016 年5 月12 日)，顯示了東海原甲藻運(yùn)動(dòng)規(guī)律(藻類本身垂直遷移和潮汐引起的水平遷移)以及赤潮區(qū)域的變化。因此，GOCI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)東海周邊海域赤潮具有重要意義。