赤潮, 又称有害藻华, 是由生活在海水中的某些浮游植物、原生动物或细菌在适宜的环境条件下暴发性增殖或聚集而引起水体变色的一种生态异常现象, 通常因致灾生物种类的不同而呈现红、黄、绿、褐色等颜色^[1-2]。赤潮藻种大量聚集在海水表面可造成海水透明度的降低, 阻碍深层植物的光合作用; 当赤潮生物死亡分解时会大量消耗溶解在海水中的氧气, 造成鱼贝类等海洋生物的缺氧死亡, 从而引起海洋生态系统的退化和渔业资源的损失; 此外, 部分赤潮藻种的聚集还可产生毒素, 改变水体理化特性, 导致水产品的污染, 给人类健康和水产养殖带来危害^[3-4]。目前, 赤潮已成为中国沿海地区主要生态灾害之一^[5-6]。

上海近岸海域是东海区赤潮的典型高发区, 自20世纪70年代以来, 在长江、钱塘江等陆源输入和台湾暖流等洋流影响的双重压力下, 该海域营养盐载荷加剧, 海水富营养化问题凸显, 有害藻华频发^[7-8]。前人在东海区赤潮时空分布特征及其影响因子、赤潮群落组成等方面多有研究^[6-12], 但针对上海近岸海域赤潮的长时间序列分析却鲜有报道。本文在上海近岸海域近40年赤潮监测调查数据的基础上, 进一步阐释了该海域赤潮的时空分布特征, 探讨了其对海表温度变化的响应, 为上海赤潮灾害预警预报和防灾减灾工作提供了一定的参考。

1 材料与方法 1.1 研究区域

上海近岸海域(121.1°E~123.5°E、30.50°N~31.72°N)地处长江口和杭州湾交界区域(图 1), 海域气候类型属于亚热带湿润季风气候, 水温和盐度均适宜藻类生长和繁殖。作为中国社会经济发展最活跃的地方, 该海域受人类活动影响较大, 长江、钱塘江、黄浦江等径流输送大量氮、磷营养盐入海, 为该海域赤潮频发提供了丰富的营养来源。

1.2 数据获取和处理

本研究所用赤潮数据来源于《中国海洋灾害公报》(2001—2019年)^[13]以及自然资源部东海生态中心、东海预报减灾中心赤潮业务监测结果(1982—2019年), 主要包含赤潮发现时间、发生位置(经纬度)、暴发面积以及赤潮优势生物种类等相关数据。其中, 赤潮暴发面积统计了发生在研究区域的赤潮事件在整个暴发过程中的最大分布面积。海表温度数据来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA), 该数据集利用最优插值法处理元数据得到日平均海表温度资料, 时段为1982年1月1日—2019年12月31日, 空间分辨率为0.25°×0.25°。该数据曾被广泛应用在海岸带和沿海地区的海洋气候、生态环境和海洋灾害监测预警等方面的研究^[14-15]。

本研究所用方法主要为统计学方法, 对1980— 2019年40 a间上海近岸海域发生的赤潮事件按不同特征进行统计分析。在分析上海近岸海域赤潮与海表温度变化之间的关联性时采用了Spearman秩相关系数法^[16], 计算公式为:

${r_s} = 1 - \frac{{6\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n d_i^2}}{{\left( {{N^3} - N} \right)}},$

(1)

${d_i} = {X_i} - {Y_i},$

(2)

式中: r_s为秩相关系数; ${X_i}$为周期i到周期n按数值从小至大排列的序号; ${Y_i}$为按时间排列的序号; N为时间周期。数据的分析处理使用Excel2018和Matlab2022b软件进行。

本研究在进行区域平均海表温度、海温异常及海温暖异常天数统计时主要考虑了每年赤潮高发期(4—8月)5个月的数据。区域海温异常的计算由当日区域平均海表温度数据自减当日的历史(1982—2019年)平均值, 获得海表温度的日异常序列后取年平均; 并在此基础上, 统计各年度海温异常为正值的天数记为海温暖异常天数。此外, 需要说明的是由于早期资料中部分赤潮信息缺乏详细记载, 文中在进行赤潮不同特征的统计分析时仅针对有详细记载的相关数据进行统计。例如在对赤潮空间分布特征进行分析时统计了有详细坐标信息的142起赤潮; 在对赤潮暴发面积进行分析时统计了具有最大面积记录的128起赤潮; 在引发赤潮的优势种的总结中, 由于20世纪90年代赤潮优势种记录缺失较多, 因此未对这一时段进行统计分析。因此, 文中所述特征数据占比均为相对该类特征统计数据的占比。

2 研究结果 2.1 赤潮年际变化特征

1980—2019年间上海近岸海域共发生赤潮164起, 平均每年发生4.1起, 峰值出现在2005年, 为17起(图 2a)。赤潮累计发生次数呈现先增加后减少的趋势, 21世纪00年代赤潮发生次数最多, 共77起, 占40年间赤潮总记录的47.0%; 其次是20世纪90年代和21世纪10年代; 20世纪80年代赤潮最少, 仅记录赤潮9起(图 2b)。

40 a间上海近岸海域累计赤潮面积达37 430.3 km², 平均每年暴发面积959.8 km², 1988年赤潮暴发面积最大, 年度累积面积达9 600 km²(图 2a)。赤潮暴发面积年代际变化趋势呈减小-增大-减小式波动, 21世纪00年代累积赤潮面积最大, 约为19 090.8 km²; 21世纪10年代赤潮面积最小, 约为3 325.0 km²(图 2b)。年代际对比发现, 1980年代赤潮次数少、单次面积大, 暴发面积超过1 000 km²的赤潮比例达50%; 21世纪10年代赤潮次数增加, 但近70%的赤潮暴发面积小于100 km²。

2.1.1 赤潮月度变化特征

上海近岸海域赤潮最早发生在2月初, 最晚发生在11月初, 高发期为4—8月。6月暴发频次最高, 占赤潮总记录的32.9%; 其次是5月, 占赤潮总记录的23.8%(图 3a)。年代际对比发现, 20世纪80年代赤潮发生次数呈现双峰结构, 分别在6月和8月达到峰值; 除此之外, 其他年代赤潮发生峰值月份为6月。

近40年上海近岸海域月均赤潮暴发面积受21世纪00年代赤潮面积影响较大, 二者年内变化趋势相同, 均呈现双峰结构, 赤潮面积分别在4月和8月达到峰值(图 3b)。20世纪80年代赤潮暴发面积峰值出现在7—8月, 平均赤潮暴发面积分别为1 700.0 km²和1 638.0 km²。21世纪10年代赤潮暴发面积整体偏低, 峰值为150.0 km², 小于其余各年代年度赤潮暴发面积峰值。

2.1.2 赤潮空间分布特征

1980—2019年上海近岸海域发生的赤潮多集中在嵊泗列岛周围海域, 达到109起, 占发生赤潮记录总数的79.0%; 累计发生赤潮面积达27 396 km², 占赤潮累积发生总面积的74.2%。相较于20世纪80年代、20世纪90年代、21世纪10年代, 21世纪00年代赤潮空间分布更为离散, 范围覆盖长江口大部分海域(121.47°E~123.5°E、30.7°N~31.72°N, 图 4a)。

以21世纪00年代为例分析赤潮暴发面积的空间分布特征(图 4b), 期间单次赤潮暴发面积在1.8~ 7 000 km², 大于1 000 km²的特大型赤潮均发生在嵊泗列岛周围等东南部海域, 最大赤潮暴发面积可达7 000 km²; 长江入海口附近海域赤潮频发, 但面积均小于1 000 km²。

2.1.3 赤潮优势种变化特征

近40年引发上海近岸海域赤潮的优势种共有14种, 其中硅藻门(Bacillariophyta)3种, 甲藻门(Dinophyta)9种, 绿藻门(Chlorophyta)1种, 原生动物(Protozoa)1种, 具体种类名录见表 1。主要优势种为中肋骨条藻和东海原甲藻, 分别占所有发生记录的43.2%和22.2%。

年代际对比发现, 常见赤潮优势种类发生变化, 种类数量逐渐丰富, 物种类型逐渐向小型化趋势转变。如夜光藻赤潮在20世纪80年代占比最高, 达66.7%, 而后逐渐减少, 至21世纪10年代未有记录。中肋骨条藻赤潮主要出现在21世纪00年代, 而后赤潮优势种中甲藻种类逐渐丰富, 有毒藻种增多。

2.2 研究海域海表温度特征

上海近岸海域1982—2019年年平均海表温度变化情况如图 5所示, 40 a间区域海表温度呈现波动式变化, 20世纪80年代和20世纪90年代海表温度表现为负异常, 年平均海温异常分别为–0.96 ℃和–0.19 ℃, 而21世纪00年代海表温度整体呈现正异常。此外, 本文还统计了各年代赤潮高发月份海温异常为正值的年平均天数, 结果显示1980年代暖异常天数最少, 仅有25.1 d; 21世纪00年代暖异常天数最多, 为117.5 d, 占4—8月总时长的76.8%。

2.3 研究海域赤潮与海表温度变化的相关性分析

1980—2019年间上海近岸海域赤潮年累计发生次数、赤潮年均暴发面积与海表温度相关参数(区域海温异常、区域海温暖异常天数)进行关联性分析, 结果如表 2所示。海域内赤潮年累计发生次数与区域平均海温异常呈显著正相关(P < 0.05), 赤潮高发区嵊泗海域年累计赤潮发生次数与嵊泗海域平均海温异常也呈现同样显著的正相关(P < 0.05), 表明随着区域海表温度的升高, 赤潮发生次数增多。此外, 上海近岸海域年累计赤潮发生次数与年内海温暖异常天数也呈显著的正相关关系(P < 0.05)。但40 a间上海近岸海域赤潮年平均暴发面积与区域平均海温异常和海温暖异常天数均无明显相关性(P > 0.05)。

3 讨论

1980—2019年上海近岸海域累计发生赤潮164起, 相比于邻近的浙江^[17]、福建^[3]近岸海域次数较少。赤潮发生频次具有明显的季节性, 赤潮高发期在4—8月, 峰值出现在6月, 峰值月份与南部相邻的浙江和福建海域相比稍晚^{[5, 17]}, 这可能与春季由南向北的西南暖湿气流和台湾暖流影响下的温度梯度有关。台湾暖流季节性增强北上的过程中, 由南至北逐渐对东海区的海水温度产生影响, 由此引起的东海区南北温差可达5 ℃~12 ℃, 因此导致不同区域赤潮暴发时间早晚的差异^[18]。每年春夏之交, 受西南气流影响, 上海沿海水汽充沛, 水温快速上升, 同时长江冲淡水和台湾暖流增强, 都可为研究区域提供丰富的营养盐和适宜的温盐环境, 促使上海近岸海域赤潮发生频次在6月份达到峰值^[19-20]。台湾暖流和长江冲淡水是不同性质的两种水团, 长江冲淡水携带大量的硝酸盐和硅酸盐, 为硅藻的暴发提供适宜的营养条件^[21]; 而台湾暖流则是东海陆架区磷酸盐的主要来源^[22], 同时也是上海及其邻近海域甲藻赤潮物种的主要来源^[23], 对研究区域甲藻类赤潮的暴发起到了重要的调控作用^{[10, 17]}。

嵊泗列岛附近海域一直是赤潮的高发区, 且特大型赤潮事件也多发于这一区域, 这与嵊泗列岛附近海域位于长江冲淡水、浙江沿岸上升流和台湾暖流共同影响区域的独特地理位置有关。该区域咸淡水混合, 浮游植物种类多样^[24]; 与近岸相比, 嵊泗海域离长江入海口距离相对较远, 海水透明度相对较高, 有利于浮游植物生长; 此外, 春夏季长江冲淡水的补充以及台湾暖流和上升流的增强均可为该区域提供丰富的营养盐, 促进赤潮的暴发。而在近岸口门区域, 长江径流携带大量悬沙与潮流扰动产生的再悬浮泥沙在该区形成明显的浑浊带, 对浮游植物的光合作用产生限制而导致赤潮暴发次数较少^[25-27]。

此外, 温度对赤潮发生频率的年际变化也具有一定影响。近40 a上海近岸海域赤潮年发生频次呈先增加后减少趋势, 在21世纪00年代达到峰值, 与张善发等^[6]的研究结果一致。相关性分析结果表明赤潮发生次数与区域海表温度呈显著正相关, 即海温越暖赤潮发生次数越多。这与杨红等^[28]对中国海域赤潮发生与海温相关性的研究结果一致。温度对赤潮生物的生长繁殖具有重要作用^[29], 张健等^[30]在对东海近岸海域赤潮统计分析时发现东海赤潮发生时海水温度一般在20 ℃~ 35 ℃。1980— 2019年, 随着海温的增暖和海区海温暖异常天数的增加, 海表温度维持在适宜赤潮暴发的温度区间的时间延长, 引起赤潮发生概率和频次的增加。21世纪10年代海温异常值和暖异常天数高于20世纪90年代, 但赤潮发生次数却相对较少的原因可能与近年来深入实施长江流域环境整治工作有关。2012年以来长江口水质持续改善^[31], 上海近岸海域生态系统健康程度不断提高^[32], 海域富营养化指标藻种中肋骨条藻在21世纪10年代引发赤潮次数的减少也可表明区域水质状况有所好转^{[3, 33]}。GOLDMAN等^[34]指出, 水温对不同浮游植物种类繁殖率的影响不同, 因此可导致赤潮优势种的更新换代。自1980年以来, 伴随着海表温度的升高, 研究区域内以大型硅藻(海链藻和菱形藻等)为优势种的赤潮比例下降, 而甲藻和绿藻等小型藻类引起的赤潮比例升高。甲藻的适应温度为12℃~ 28 ℃, 而对于硅藻赤潮, 当温度高于24 ℃时, 将会对其生长繁殖产生影响^{[16, 35]}。21世纪后随着海温的升高和台湾暖流增强^[36], 为研究区域带来更多的甲藻和暖水种^[37], 使得21世纪00年代后研究区域内赤潮优势种类增加, 部分硅藻种类主导的赤潮比例下降。

4 结论

(1) 1980—2019年上海近岸海域共发生赤潮164起, 平均每年发生4.1起, 赤潮年发生频次呈先增加后减少趋势, 峰值出现在21世纪00年代; 赤潮发生时间季节性明显, 高发期为4—8月, 峰值期为6月; 受海流等环境因素影响, 上海近岸海域赤潮多发区为嵊泗列岛附近海域。

(2) 引发赤潮的优势种主要为硅藻门的中肋骨条藻和甲藻门的东海原甲藻; 优势种类随时间变化呈现年代际演变规律, 表现出小型化、有毒化的变化趋势。

(3) 海表温度对赤潮发生次数和赤潮优势种变化具有一定影响。赤潮年发生频次与区域平均海温异常值和海温暖异常天数之间均存在显著正相关(P < 0.05)。