长江口邻近海域是我国近海有害藻华(通常称为赤潮) (harmful algal bloom, HAB)高发区之一(Wang et al, 2009; 郭皓等, 2015)。自2000年以来, 该海域几乎每年春季都会出现由东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)或米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)等甲藻形成的大规模有害藻华, 面积可达上万平方公里。对该海域春季藻华过程的研究发现, 春季藻华期间存在从硅藻藻华向甲藻藻华的演替现象, 而近期大规模甲藻藻华的频繁发生使得该海域藻华优势种呈现出由以硅藻为主向以甲藻为主的演变趋势(Tang et al, 2006; 周名江等, 2007)。长江口邻近海域受到长江冲淡水、浙江沿岸流及台湾暖流等影响, 环境条件复杂多变(Shi et al, 2011; Qi et al, 2014), 会直接或间接影响藻华的分布状况、动态过程及其危害效应。该海区春季常常出现水体层化现象, 且温跃层与盐跃层这两个独立的层化体系在该海域均明显存在(周名江等, 2003)。

许多研究表明, 藻华的形成、维持和消退等动态变化过程不仅受到营养盐、光照和温度等环境因子调控(Zhou et al, 2008; Ras et al, 2013), 也与水体层化和上升流等海洋动力过程有关(周名江等, 2003)。其中, 水体层化对藻华的影响倍受关注, “全球有害藻华生态学与海洋学研究(Global Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms, GEOHAB)”计划专门针对层化水体中的有害藻华问题设立了一项核心研究计划(GEOHAB, 2008)。目前, 有关水体层化对浮游植物分布的影响研究主要依靠对现场调查资料的分析。Tyler等(1978)研究发现, 美国Chesapeake湾微小原甲藻(P. minimum)藻华主要出现在层化水体中。Yin (2003)对香港附近海域的调查结果也表明, 该海域硅、甲藻藻华演替过程可能与水体层化现象的季节性变化有关。有研究表明, 东海原甲藻藻华的出现总是伴随着水体层化现象的加剧(戴鑫烽等, 2014)。李云等(2007)对2005年长江口邻近海域浮游植物的现场调查发现, 浮游植物分布状况的日变化与温、盐跃层密切相关。水体层化影响藻华分布的原因主要在于层化引起的浮游植物积累效应(GEOHAB, 2008)。此外, 海水的层化也能够通过对海水中营养盐分布的影响, 间接影响浮游植物的分布状况(朱建荣, 2004)。

本文采用2011年3月29日至5月27日期间多个航次的调查数据, 对春季藻华温、盐跃层状况进行了简要分析, 并结合硅、甲藻藻华的分布状况, 探讨了该海域不同类型藻华与水体层化的关系, 以期为深入研究长江口邻近海域有害藻华发生机理和演变趋势提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域

本研究的目标海域为长江口邻近海域藻华高发区(120.6°E-123.5°E、28.3°N-34.0°N), 采样站位分布如图 1a所示。该海区受到长江冲淡水和台湾暖流的强烈影响, 也受到苏北沿岸水、闽浙沿岸水、黄海冷水团以及黑潮的间接影响(苏纪兰, 2001; 周名江等, 2003)。长江巨量径流形成的冲淡水舌存在明显的季节变化, 在枯水季冲淡水主体沿浙江沿岸向南扩展, 而在丰水季冲淡水主体转向东北。冲淡水转向现象出现在春季, 其偏转程度、伸展距离和扩展范围在夏季逐渐增强(毛汉礼等, 1963; Chen et al, 2008)。台湾暖流是一支来自台湾附近海域北上的暖流(管秉贤等, 1964; Guan et al, 1982), 是浙江沿海上升流形成的重要动力因子(胡敦欣等, 1980), 对长江冲淡水转向也有重要作用(赵保仁, 1991)。对台湾暖流来源的认识曾有不同看法, 大量观测资料表明, 春、夏季台湾暖流表层水主要来自台湾海峡, 具有高温、高盐、低磷酸盐和低硝酸盐的特征(石晓勇等, 2013), 而底层水则主要是来自台湾东北部的黑潮次表层水, 以高盐、高磷酸盐为特征(张以恳等, 1991)。近年来, Yang等(2012)通过模式精细模拟了黑潮次表层水自台湾东北部进入东海的路径及其季节变化情况。基于上述认识绘制的研究海域春季环流状况如图 1b所示。

1.2 数据来源与处理

本研究采用国家重点基础研究发展计划(973计划)“我国近海藻华灾害演变机制与生态安全”项目2011年的现场观测数据。该项目于2011年3月29日至5月27日期间, 通过多个航次对5个调查断面的32个站位(图 1a)进行了采样分析。其中, 浮游植物生物量用叶绿素a(chla)含量表示, 样品按《海洋调查规范》要求进行采集, 使用叶绿素荧光仪(Sigma, US)进行测定(周伟华等, 2006)。目标海域的温度及盐度等水文要素资料采用船载SBE911 CTD观测获得。

调查过程中观察到明显的硅藻藻华和甲藻藻华现象。依据藻华原因种的种类组成(硅藻、甲藻), 将2011年春季藻华期划分为硅藻藻华期(3月29日至4月20日)及甲藻藻华期(4月27日至5月27日)两个阶段。分别取两个阶段代表性航次的观测资料进行分析。其中, 航次Ⅰ-1(3月29日至4月2日)属于硅藻藻华期, 航次Ⅱ-4(5月13日至5月15日)和航次Ⅱ-6(5月25日至5月27日)属于甲藻藻华期。

1.3 数据分析方法

分别以硅、甲藻藻华期间表层海水中chla含量及温、盐度观测资料绘制各要素的平面分布图, 选择ZA断面作为典型断面绘制各要素的垂向分布图。另外, 考虑到藻华主体可能分布在表层以下, 也采用了各站位不同水层中chla含量的最大值及其所在深度绘制了藻华的平面分布图, 以便与海区温、盐跃层状况进行对比。温跃层和盐跃层的判定采用垂向梯度法, 即通过计算目标区域内海水温度和盐度在垂直方向上的梯度值来确定跃层分布情况。将调查站位的下层要素值与上层要素值之差除以两层间水深之差, 计算得到该要素的单位深度变化值, 视其为该要素的垂向梯度值, 从而获得逐层、连续的温度与盐度梯度值(吴巍等, 2001; 郝佳佳等, 2008)。将计算得到的温度与盐度梯度值与跃层判定标准对比, 合并连续满足跃层临界值的深度为一个跃层区域, 以该区域的顶部水深为跃层上界, 该区域的厚度为跃层厚度。取各调查站位上温度、盐度的垂向梯度最大值为温跃层及盐跃层的强度, 并记录强度值所在水深为跃层深度。跃层强度标准临界值采用中华人民共和国国家标准GB12763.7-91(国家技术监督局, 1992)的建议值, 温度跃层强度临界值为0.2°C/m, 盐度跃层临界值为0.10/m。

2 结果与讨论 2.1 硅、甲藻藻华分布状况

2011年春季硅藻藻华期间, 研究海域chl a的平均含量为2.03μg/L, 最大值为17.99μg/L。从表层chl a含量的分布情况(图 2a)来看, 硅藻藻华期间浮游植物生物量的高值区集中在29°N-30°N之间。调查区东侧的chl a含量明显高于西侧, 高值区呈东北-西南向分布。各站位chl a含量最大值的平面分布状况与其所在水深情况如图 2d、2g所示。可以看出, chl a含量最大值的平面分布状况与表层chl a含量基本一致, 高值区出现在122.8°E-123.4°E, 29.2°N-30°N区域, 水深约10m处。在调查区东南部, 硅藻生物量相对较低, 高值区出现在约20m以深水层。从断面ZA处chl a的垂向分布来看(图 5a), 硅藻藻华期间浮游植物生物量分布也存在明显的层化现象, 生物量高值区集中在122.8 °E以东的表层水体中。

甲藻藻华期间, 研究海域chl a平均含量为4.51μg/L, 最大值(88.65μg/L)约为硅藻藻华期间chl a含量最大值的5倍。从平面分布状况(图 2b、2c)来看, 两次大面调查观察到的甲藻藻华呈现出明显的斑块状分布特征。在航次Ⅱ-4期间, 表层chl a含量最大值出现在122.9°E, 30°N附近。航次Ⅱ-6期间, 藻华的斑块状分布特征更为明显。甲藻藻华期间, chl a高值区与等深线基本平行。chl a含量最大值的分布情况如图 2e、2f所示, 高值区分布状况与表层基本一致, 出现在近岸水域表层以下至10m水深处(图 2h、2i), 其他区域的chl a最大值对应的水深在10-25m左右。可以看出, 甲藻藻华主体出现在水深25m以浅的水层中(图 5b、5c)。与硅藻藻华相比, 甲藻藻华的分布区更加集中。

2.2 藻华期间温、盐跃层分布状况 2.2.1 温度及温跃层状况

硅藻藻华期间, 海域表层水温呈现出东高西低的分布趋势, 等值线几乎与等深线平行(如图 3a)。温度等值线在122.8°E, 29.5°N附近出现了向东侧弯曲的现象, 可能与低温的沿岸水和高温的外海水在上述区域形成的锋面有关(李伟等, 2012)。从垂向上来看(图 5d), 近岸水温等值线近似平行于海面, 水深20m以深水体水温较高。在20m以浅的近岸区域存在明显的低温水团, 使得水深20-25m范围内形成了明显的温跃层。从温跃层强度的变化情况(图 3d、3g)可以看出, 跃层强度高值区与低温水( < 12°C)的分布范围基本一致, 且在水深10-30m水域温跃层强度值更高。高强度的温跃层主要受到长江冲淡水的影响。

甲藻藻华期间的表层水温明显升高, 弱化了表层各站位水温的差异, 高值区主要出现在调查区东侧(如图 3b、3c)。从断面ZA水温情况可以看出, 在航次Ⅱ-4期间(如图 5e), 受表层海水增温和底层高温海水入侵影响, 在水深10-20m处出现了近似平行于海面的低温水夹层, 其影响范围自西向东一直延伸到123°E附近。这使得海区出现了双温跃层现象, 在20m等深线处存在一条狭窄的温度梯度正值带, 而其上方(10m等深线附近)出现了温度梯度为负值且厚度较大的温跃层。在航次Ⅱ-6期间(如图 5f), 高强度温跃层主要出现在122.7°E以东海域, 该区域水深20m以浅为相对高温的台湾暖流表层水, 而底层水则受到相对低温、高盐的黑潮次表层水影响, 导致水深10-30m处出现明显的温度梯度负值区。甲藻藻华期间, 温跃层强度及其所在水深状况如图 3e、3f、3h、3i所示。温跃层强度的高值区集中在调查海域东南部, 且对应水深较深(＞25m)。结合ZA断面的温度梯度情况可知, 该区域温跃层的形成受到来自台湾海峡的台湾暖流表层水与来自台湾东北部相对低温的黑潮次表层水影响。

通过对比硅、甲藻藻华期间水温情况可以看出, 伴随着甲藻藻华期间表层海水的明显升温, 以及长江冲淡水转向(Lie et al, 2003; Chang et al, 2014)和台湾暖流的加强(翁学传, 1985), 甲藻藻华期间垂向上水温变化情况与硅藻藻华期间恰好相反。同时, 硅藻藻华期间由长江冲淡水南向扩展形成的近岸区较浅的高强度温跃层(出现在水深约20m处)在甲藻藻华期间逐渐弱化, 取而代之的是调查区东侧水深约25m处的高强度温跃层, 其分布区与底层黑潮次表层水的入侵路径基本吻合(Yang et al, 2012)。综上可知, 硅藻藻华期间目标海域的温跃层受长江冲淡水影响较大; 至甲藻藻华后期, 高强度温跃层则主要出现在受黑潮次表层水影响较大的调查区东侧区域。

2.2.2 盐度及盐跃层分布特征

硅藻藻华期间, 调查海域表层海水的盐度值也呈现出东高西低的变化趋势, 等值线几乎与岸线平行, 与水温情况基本一致(如图 4a)。在29.5°N附近存在盐度等值线外扩现象, 指示着长江冲淡水的羽状锋面。从断面ZA来看(图 5g), 高盐海水主要在20m以深区域, 盐度梯度高值区( > 0.1/m)出现在水深10-30m范围内。盐跃层在122.6°E附近向上凸起, 表明该海区可能存在上升流。硅藻藻华期间, 盐跃层强度及其所在水深如图 4d、4g所示, 盐跃层强度最大值出现在调查区北端(约30.4°N, 122.9°E附近), 高值区更靠近岸边且所在水深较浅(＜20m)。结合表层盐度分布情况可知, 硅藻藻华期间盐跃层主要受长江冲淡水影响。

甲藻藻华期间, 海水盐度平均值明显高于硅藻藻华期。表层盐度值低于30的海区面积明显缩小(如图 4b、4c), 表明长江冲淡水转向后对长江口南部海域的影响降低。从断面ZA的盐度情况可以看出, 航次Ⅱ-4期间(图 5g), 低盐水在东-西向上分布范围较广, 盐度等值线近似与等深线平行。ZA断面上122.5°E附近盐度等值线向上方凸起, 表明甲藻藻华期间存在上升流, 有可能导致盐跃层的削弱。其他区域的盐跃层较强, 且集中分布于水深10-20m之间。航次Ⅱ-6期间(图 5h), 低盐水团的分布范围缩小至122.7°E以西, ZA断面上盐度等值线呈辐射状分布, 盐跃层相对减弱。在断面西侧, 可以观察到盐度等值线上凸的现象, 指示着底层高盐水的涌升。从盐跃层强度及其所在水深的分布情况来看, 航次Ⅱ-4期间(如图 4e、4h), 几乎整个目标海区内的盐跃层强度值均大于0.2/m。10-20m水深范围内的盐跃层强度较大, 且呈条带状分布于调查区域东南侧。调查区东南部盐跃层强度相对较弱, 对应的水深也较深(＞20m)。航次Ⅱ-6期间(如图 4f、4i), 近岸区域未出现明显的盐跃层, 而其他海区盐跃层强度均大于0.2/m。盐跃层强度高值区域主要出现在122.5°E, 28.9°N附近以及调查海区东北角, 其对应水深在15-20m之间。近岸低盐水团的收缩及盐跃层深度变浅可能与甲藻藻华期间长江冲淡水转向造成的南向输送减弱有关(Qi et al, 2014)。在调查海区东侧, 深层盐跃层高值区的分布与黑潮次表层水的路径较为一致(Guo et al, 2006; Yang et al, 2012), 高盐黑潮水沿着次表层向东海的入侵应当是甲藻藻华期间深层水体中盐跃层形成的主要原因(翁学传等, 1985)。

通过对比硅、甲藻藻华期间盐度以及盐跃层的变化情况可以发现, 硅藻藻华期间盐跃层主要分布在调查区西北侧, 与长江冲淡水影响范围基本一致。而甲藻藻华期间高强度盐跃层主要出现在调查区东南侧, 与黑潮次表层水的影响区更为接近。这与Wei等(2015)报道的2011-2013年夏季台湾暖流表层水及黑潮次表层水在东海的入侵范围基本一致。对藻华期间盐跃层的分析可以看出, 在此期间应存在不同程度的上升流现象, ZA断面硅藻藻华期间上升流出现在122.7°E附近, 而甲藻藻华期间出现在122.5°E附近。胡敦欣等(1980)指出, 该海域上升流现象的形成主要与黑潮北上余脉沿东海陆架海底的抬升有关。而在甲藻藻华后期, 伴随着外海水入侵以及海底地形对深层高盐水抬升作用的加强(赵保仁等, 2001), 台湾暖流形成的力偶促进了长江冲淡水的转向(朱德弟等, 2003)以及近岸上升流作用的强化(潘玉球等, 1985), 并导致盐跃层逐渐减弱。因此, 硅藻藻华期间的盐跃层分布受陆源冲淡水的影响较大, 甲藻藻华期间的盐跃层分布则主要受到深层外海水入侵的影响。

2.3 藻华分布与温、盐跃层的关系

从2011年春季藻华期间调查结果可以看出, 硅藻藻华分布范围较广, 主要出现在25m以浅水域, 甲藻藻华则呈斑块状分布, 分布区水深更浅。对比温、盐跃层情况可以看出, 硅藻藻华期间温、盐跃层情况比较接近, 而甲藻藻华期间二者则有明显差异, 但温、盐跃层所在深度情况基本相似。整个调查期间, 浮游植物生物量高值区始终分布在温、盐跃层上方的长江冲淡水影响区。

硅藻藻华期间, chl a高值区与调查海域温、盐跃层强度高值区基本吻合, 且其所在水深与该区域温、盐跃层深度十分接近。进一步对比分析ZA断面各要素的垂向分布状况可以看出, 硅藻生物量高值区主要分布在温、盐跃层上方, 最大值出现在122.8°E以东海域。对长江口邻近海域的大量研究表明, 春季硅藻藻华主要出现在长江冲淡水的羽状锋区域(朱建荣, 2004)。由于长江冲淡水具有高温、低盐的特征, 容易导致明显的层化现象, 为广盐性的硅藻类提供了更具竞争力的环境条件(唐峰华等, 2010), 使得表层chl a含量较高(吴荣军等, 2004)。同时, 冲淡水中丰富的营养盐(Li et al, 2014a)也为硅藻藻华的形成提供了重要的物质基础。而随着硅藻藻华过程中硅藻生物量的持续增加及其对营养盐的消耗, 海水中营养盐浓度也在逐渐下降, 由于长江水具有高氮磷比特征, 硅藻藻华后期的藻类生长容易受到低浓度磷酸盐限制, 从而导致硅藻藻华的消退(Liu et al, 2014)。因此, 硅藻藻华的分布和动态变化在很大程度上受到长江冲淡水的影响和调控。

甲藻藻华期间, 浮游植物生物量的斑块状分布区与温、盐跃层强度高值区的分布情况并不完全一致。在此期间, 温、盐跃层强度高值区主要出现在调查区东部, 与黑潮次表层水流经区域较为吻合, 主要受到台湾暖流表、底层不同性质水团的影响。甲藻藻华则主要分布在受长江冲淡水影响的闽浙沿岸水中, 因此与该海区高强度的温、盐跃层关系并不大。与以往认识有所不同的是, 甲藻藻华区温、盐跃层相对较弱, 这可能与甲藻藻华形成时长江冲淡水作用减弱、上升流活跃有关(刘兴泉等, 2008), 而上升流的影响也可能是导致甲藻藻华呈斑块状分布的一个重要诱因。以往研究表明, 黑潮次表层水中含有丰富的磷酸盐(Yang et al, 2013; Li et al, 2014b), 上升流可以将底层的黑潮次表层水抬升到10m层以浅水域(赵保仁, 1993)。硅藻藻华后期, 浮游植物的生长已受到低浓度磷酸盐限制。甲藻具有利用有机态磷的能力和垂直迁移能力, 在磷酸盐限制条件下具有更强的竞争力, 因而能够形成藻华(Ou et al, 2008; Zhu et al, 2009); 而通过上升流补充的磷酸盐对于甲藻藻华的形成和维持同样具有重要作用(Liu et al, 2014; Shi et al, 2014)。此外, 有研究表明上升流还会改善上层冲淡水区域的光照条件及表层温度分布, 长江口邻近海域的上升流区与该海域甲藻藻华分布区也基本一致(楼琇林, 2010)。因此, 除长江冲淡水外, 由黑潮次表层水涌升导致的上升流也是影响长江口邻近海域甲藻藻华分布的重要因素。

3 结论

东海长江口邻近海域是我国近海有害藻华的高发区之一, 该海区受长江径流和台湾暖流影响, 环境条件复杂。本文通过对比2011年春季该海域硅、甲藻藻华期间浮游植物分布情况与温、盐跃层状况, 探讨了藻华分布与水体层化之间的关系, 得到如下结论:

(1)长江口邻近海域春季藻华主要出现在温、盐跃层上方长江冲淡水影响区, 其分布与水体层化密切相关。

(2)春季硅藻藻华的分布与高强度温、盐跃层分布区基本一致, 在此期间海域温、盐跃层主要受到长江冲淡水的影响。甲藻藻华期间, 调查海域高强度的温、盐跃层主要受到台湾暖流表、底层不同性质水团的影响。而甲藻藻华出现在温、盐跃层相对较弱的近岸区, 与海域高强度的温盐跃层关系不大。甲藻藻华期间温、盐跃层的减弱主要受到长江冲淡水影响下降、上升流加强等因素影响, 和黑潮次表层水的输入密切相关。

(3)硅藻藻华的分布和动态变化更多受到长江冲淡水影响, 而甲藻藻华的分布和动态变化在一定程度上受到黑潮次表层水入侵及其相关的上升流影响。

致谢 本研究使用的数据资料来自国家973项目“我国近海藻华灾害演变机制与生态安全”, 谨致谢忱。