南黄海绿潮暴发与紫菜养殖的关系

刘材材, 徐 韧, 何培民, 张正龙, 秦玉涛, 项凌云, 邓邦平, 刘守海, 季 晓



南黄海绿潮暴发与紫菜养殖的关系

刘材材1, 2, 徐 韧1, 2, 何培民3, 张正龙1, 2, 秦玉涛1, 2, 项凌云1, 2, 邓邦平1, 2, 刘守海1, 2, 季 晓1, 2

(1. 国家海洋局东海环境监测中心, 上海 200137; 2. 国家海洋局海洋赤潮灾害立体监测技术与应用重点实验室, 上海 200137; 3. 上海海洋大学水产与生命学院, 上海 201306)

采用现场调查、社会调查和卫星遥感多种手段相结合, 调查了南黄海绿潮早期零星漂浮到大面积暴发的时空变化过程, 分析了紫菜养殖工艺对绿潮暴发的影响, 估算了南黄海不同紫菜养殖区输入海洋的绿潮藻初始生物量, 并探讨了主要海域紫菜养殖面积的增长与绿潮暴发的关系。结果表明, 受紫菜养殖生产工艺的影响, 数以千吨的绿潮藻在短期内被刮落集中输入至海洋, 为绿潮的暴发提供了最为直接和充足的绿潮藻初始生物量, 其主要来源为竹根沙、蒋家沙和东沙紫菜养殖区。2005年以来, 上述3个养殖区的紫菜养殖面积持续扩大, 是2007年以来南黄海绿潮持续暴发的主要原因。水温是影响绿潮形成的关键环境因素, 4~6月份大量被刮落入海的绿潮藻在适宜环境条件下漂浮和快速生长, 并最终形成绿潮。

南黄海; 绿潮; 紫菜养殖

绿潮是世界沿海各国普遍发生的海洋异常生态现象, 多以石莼属和浒苔属绿藻种类脱离固着基形成漂浮增殖群体所致[1]。大量报道显示, 20世纪70年代初法国布列塔尼沿海发生大规模绿潮现象, 之后发生范围遍及欧洲、美洲和亚洲多个沿海国家, 已逐渐成为世界性的海洋生态问题[2-10]。2007年以来, 绿潮(Green tide)已连续8年在我国黄海大规模暴发, 已成为该海域主要海洋生态灾害之一[11]。在我国黄海, 绿潮主要由浒苔()引起。绿潮暴发, 大量藻体漂浮聚集, 破坏海洋生态系统, 严重威胁沿海旅游、渔业和养殖业的发展[12-16]。历次绿潮均给沿岸省、市带来严重的经济损失, 引起国内、外广泛关注。据不完全统计, 2008至2013年由于绿潮造成的直接经济损失达20多亿元。

到目前为止, 对南黄海绿潮已开展了大量研究, 但对于暴发的源头仍存在较大争议[13, 17-25]。但目前普遍都认为来源于南黄海海域, 卫星图像显示漂浮绿潮在江苏近海形成, 在季风和海流的影响下漂向北黄海海域[26-28], 拉格朗日粒子追踪法反向积分结果也显示, 绿潮主要来源于黄海南部海域[29]。国家海洋局东海环境监测中心多年的监测结果也表明, 2009年以来, 历年最早发现漂浮绿潮藻的区域集中在江苏如东-腰沙近岸海域, 卫星遥感监测显示, 每年首次发现大面积绿潮的区域集中在滨海附近海域。本文采用现场调查、卫星遥感和社会调查等手段相结合, 对南黄海绿潮和紫菜养殖区进行了调查研究, 深入分析了紫菜养殖对绿潮暴发的影响, 并提出了相应的对策建议, 以期为今后有效防控绿潮灾害提供依据。

1 材料与方法

1.1 调查区域和站位布设

现场调查区域南起江苏启东(31°58′48.8″N, 122°00′02.5″E), 北至江苏滨海附近海域(34°18′00″N, 120°18′18.0″E)。其中海上调查共设置4条断面, 18个站位, 分别为如东、大丰、射阳和滨海断面。紫菜养殖区包括南黄海6个主要养殖区, 分别为启东近岸(QD-A)、腰沙(YS-A)、如东近岸(RD-A)、竹根沙(ZGS-A)、蒋家沙(JJS-A)和东沙紫菜养殖区(DS-A)。根据养殖区规模和面积共设置调查站位10个, 其中QD-A和YS-A各设置站位1个, 其他养殖区各设置站位2个。

绿潮卫星遥感监测范围根据影像资料和天气状况, 尽量覆盖南黄海海域。紫菜养殖区卫星遥感解译范围覆盖东沙、竹根沙和蒋家沙紫菜养殖区。

1.2 调查内容

1.2.1 海上绿潮发生情况

海上现场调查绿潮发生情况, 绿潮藻的种类组成、藻体形态及表层水温; 卫星遥感监测绿潮分布范围、覆盖面积和分布面积。

1.2.2 紫菜养殖工艺

分别调查6个紫菜养殖区的养殖工艺, 掌握不同时间阶段的养殖工艺, 重点关注对绿潮藻的处理时间和处理方法。

1.2.3 紫菜养殖区绿潮藻

6个紫菜养殖区养殖筏架(竹竿、缆绳和网帘)中绿潮藻的种类组成、生物量。

1.2.4 紫菜养殖面积

卫星遥感共收集了1999~2013年紫菜养殖阶段(9月至次年4月)南黄海海域可见光、雷达卫星影像资料38景, 用于解译东沙、竹根沙和蒋家沙紫菜养殖区海域面积及分布情况(表1); 调查了2013年启东近岸、腰沙、如东近岸、蒋家沙、竹根沙和东沙6个紫菜养殖区的养殖面积。

1.3 调查方法

1.3.1 绿潮藻样品分析方法

种的鉴定采用形态和分子生物学技术。分子检测样品经双蒸水漂洗后, 根据形态初步分类, 每类均选择3颗藻体进行DNA提取、ITS和5S rDNA序列PCR扩增, 并进一步测序和比对分析, 以确定种名[30]。

表1 卫星遥感影像资料使用情况

注 : Thematic Mapper (TM), Enhanced Thematic Mapper (ETM), India Remote-Sensing Satellite (IRS), Europe Remote-Sensing Satellite 2 (ERS-2),环境一号A (HJ-1A), 环境一号B (HJ-1A).

1.3.2 绿潮卫星遥感解译

根据假彩色合成图像判别法和归一化植被指数判别法进行。假彩色合成图像判别法: 利用近红外、红光和绿光波段, 合成假彩色图像, 并进行适当的图像拉伸增强处理, 其中的绿潮信息表现出不同于背景水体特征的亮绿色色调, 自此基础上借助MATLAB 7软件实现绿潮信息的自动或人工交互提取。在利用HJ-1A/1B卫星影像资料时, 主要采用波段3(630~690 nm)、波段4(760~900 nm)和波段1(430~520 nm)假彩色合成的方法。归一化植被指数判别法(Normalized Difference Vegetation Index NDVI): 根据大型绿潮藻的近红外、可见光波段光谱特性差异, 提取其位置及其面积等空间分布信息。绿潮藻类的NDVI值通常情况为正值, 开阔水体则为负值。

1.3.3 紫菜养殖区面积卫星遥感解译

(1) 通过假彩色合成影像增强处理, 分析可见光卫星影像资料, 根据其色调、纹理和形态等特征, 识别紫菜养殖区筏架等的位置和范围。基本流程为卫星影像假彩色合成增强处理、辐射校正、几何校正、色调和纹理等特征分析、紫菜养殖区目视解译、多幅解译矢量图叠加综合、面积统计和专题成图; (2)使用NEST 4B-1.1软件解译雷达影像。基本流程为辐射校正、滤波处理、几何校正、灰度和纹理特征分析、养殖区目视解译、多幅解译矢量图叠加综合、养殖区面积统计和专题成图。

1.4 调查时间和频率

海上现场调查: 2013年4月15~17日、5月21~22日各调查1次; 紫菜养殖区调查: 2013年4月13~14日, 调查1次; 卫星遥感: 2013年4~5月根据遥感影像资料收集情况分别开展绿潮分布情况的影响资料解译; 社会调查: 2012年12月至2013年6月, 每月对各紫菜养殖区调查1次, 4月下旬至6月上旬根据网帘、竹竿和缆绳回收次序, 连续跟踪调查。

2 结果与讨论

2.1 海上绿潮调查

绿潮发生过程从时间和区域分布的总体趋势可总结为: 4月下旬~5月下旬, 在南黄海南部的如东近岸逐步向大丰、滨海扩散, 分布面积由小范围零星分布逐步扩大为大范围大面积的绿潮。海上现场调查结果表明, 4月下旬, 如东和大丰断面, 偶能观测到少量零星漂浮绿潮藻, 种类鉴定结果为浒苔, 藻体有许多形态特征, 包括管状、丝状和褶皱状。仅在如东断面近岸RD1与RD2之间海域, 发现斑点状的绿潮藻, 呈小范围聚集分布, 有潜在聚集的倾向(图2); 而在射阳与滨海断面未发现漂浮绿潮藻。同时期卫星遥感监测未发现漂浮绿潮。

2014年5月下旬, 调查海域均发现有大面积漂浮聚集的绿潮藻(图3), 根据现场目测, 面积呈几百至几万平米不等, 藻体种类鉴定结果为浒苔。根据同时期遥感HJ1B影像解译显示, 5月19日盐城市滨海县海域有浒苔绿潮分布, 其形态呈斑块状, 绿潮分布范围为(120°31′~120°44′E、34°16′~34°29′N), 覆盖面积0.2 km2, 分布面积5 km2; 5月22日, 射阳以北海域和如东近岸海域有明显的绿潮分布, 其形态呈块状和条带状, 绿潮分布范围为(120°07′~121°05′E、33°55′~35°00′N)和(121°~121°20′E、32°32′~32°41′N); 覆盖面积16 km2, 分布面积1240 km2; 5月30日, 江苏滨海至山东日照海域发现有大片绿潮分布, 绿潮形态呈条带状和块状, 绿潮分布范围为(119°30′~ 121°58′E、33°56′~35°28′N), 覆盖面积67.3 km2, 分布面积3582 km2, 绿潮向北迁移扩散趋势(图4)。

在绿潮藻早期零星漂浮至大面积聚集过程中, 南黄海海域水温的上升起到了重要的重要。水温是影响绿潮生长和漂浮的重要因素, 也是绿潮暴发的重要环境条件。浒苔虽属广温性海藻, 但其最适生长温度为15~25℃[31]。根据研究结果表明, 在水温15~ 25℃, 条件下, 浒苔生长速率较高, 并随着水温的上升而上升, 最高生长速率达29.57%[32]。同时, 藻体漂浮也是绿潮形成的条件。绿潮藻体只有在较高的光合作用速率下, 快速释放氧气充满中空的体腔而提高藻体的浮力, 使其漂浮在海水表层。实验结果表明, 水温和光照是影响藻体光合作用及漂浮的重要条件[32]。现场调查结果表明, 2013年4月调查海域平均水温为9.8℃, 如东、大丰、射阳和滨海断面表层平均水温分别为10.5、9.4、9.4、9.6℃; 而5月份调查海域平均水温跃升至16.9℃, 如东、大丰、射阳和滨海断面表层平均水温分别为17.8、18.1、16.1、15.5℃。因此, 在适宜的环境条件下, 浒苔加快了生长速率, 致使生物量持续快速增加, 同时以漂浮状态形成绿潮。

绿潮藻通常生态幅较宽, 它们能够高效的利用光能, 并且对环境中的营养盐浓度较为敏感, 对营养盐吸收能力较强, 在水体环境富营养化的条件下, 能够迅速的吸收大量 N、P 等营养物质并始终保持较高的生长速率, 营养盐吸收速率是其他海藻的4~6 倍, 具有非常高的竞争优势[13, 33~35]。现场调查结果结果显示, 南黄海近岸无机氮平均含量为0.5~ 1.0 mg/L, 活性磷酸盐平均含量为0.010~0.003 2 mg/L,海域整体处于富营养化。已有研究结果表明, 浒苔能够快速摄取高浓度营养盐并快速生长[36], 并能有效利用 NH4-N 和 NO3-N[37]。因此, 南黄海近岸海域丰富的营养盐为绿潮藻的快速生长和绿潮的暴发提供了物质基础。

2.2 养殖工艺

南黄海紫菜品种为条斑紫菜, 养殖方式以半浮动筏式栽培为主, 网帘和缆绳都有一定的干露时间。调查显示海上养殖流程(不考虑育苗)大体分为设施准备(7~8月)、出苗(9~11月)、成菜与采收(12月~次年4月)和收架(4~6月)4个阶段。其中, 设施准备和出苗阶段各紫菜养殖区基本一致, 而成菜与采收以及收架过程各养殖区略有不同。设施准备期主要进行网帘的清洁维护、筏架修理, 同时在滩涂上进行打桩, 布设缆绳。每年9月将网帘以3~10层重叠贴近水面挂于筏架上。每年10月中旬至11月上旬, 如网帘上发现绿潮藻, 则将网帘收回上岸, 置于–20~ –25℃条件下冷冻去除绿潮藻, 防止对紫菜的影响。冷冻后的网帘在10月下旬~11月中旬下海张挂。

成菜与采收过程中, 启东、腰沙、如东近岸等规模较小、离岸近的养殖区, 为减少绿潮藻对紫菜生长的影响, 常采取人工剥离或刷酸等办法清除绿潮藻; 东沙、蒋家沙、竹根沙等规模大、离岸远的养殖区, 一般对绿潮藻不作处理。4月底至6月初开始回收筏架, 回收次序依次为网帘、竹竿和缆绳。4月底至5月初一般完成网帘回收, 5月中上旬开始回收缆绳。回收过程中, 对竹竿和网帘不作任何处理, 直接拆除后运回岸上, 而对缆绳处置有所差异, 启东近岸紫菜养殖区由于缆绳上绿潮藻生物量较低, 一般不做处理, 其余5个紫菜养殖区采用拖拉机为动力将缆绳上绿潮藻刮除的办法来减轻缆绳重量, 刮落的绿潮藻直接留在滩涂上, 并最终进入海洋, 这也为绿潮的形成提供了大量初始生物量(图3a)。

表2 2013年4月紫菜养殖区绿潮藻调查结果

2.3 养殖区绿潮藻

2013年4月, 各紫菜养殖区调查结果显示, 筏架上均有绿潮藻分布, 种类包括浒苔()、缘管浒苔()和曲浒苔(), 其中浒苔为优势种。生物量分布区域分布上, 蒋家沙、竹根沙和东沙这3个紫菜养殖区要明显高于启东近岸、腰沙和如东近岸3个紫菜养殖区。附着位置上, 缆绳中绿潮藻生物量要明显高于竹竿中。4月随着紫菜收割的结束和水温的上升, 网帘中绿潮藻生物量急剧上升。

根据养殖工艺分析结果, 除启东近岸紫菜养殖区外, 其余养殖区在筏架回收过程中均将缆绳中的绿潮藻进行刮除。这部分绿潮藻为绿潮的形成提供了初始生物量。根据现场对2013年各紫菜养殖区养殖面积社会调查结果显示, 启东近岸、腰沙、如东近岸、蒋家沙、竹根沙和东沙养殖区养殖面积分别约467、667、2667、2667、2333和4 667 ha。同时根据各养殖区紫菜筏架中缆绳长度的测量, 估算出养殖区被刮除的绿潮藻生物量约为5 300余吨, 浒苔为优势种, 约3 330 t, 其来源主要为东沙、竹根沙和蒋家沙3个养殖区, 其生物量占总生物量的90%以上。

绿潮藻从附着基的剥离过程和紫菜养殖区潮汐特征特点对于藻体的漂浮和快速生长具有重要的作用。根据研究表明, 附着状态的绿潮藻藻体受形态建成机制的控制, 在特定的时期内完成牛活史, 以孢子或配子的形式释放到环境中, 随后藻体腐烂、消失。而随着藻体从附着基上的剥离后, 发生了空间转移, 剥离后藻体也不再受原有的形态建成机制控制, 改变了原有的生长、发育模式, 使生活史特征向生长方面倾斜, 进而引发漂浮绿潮藻的暴发性增殖[15]。同时, 紫菜养殖区海域属正规半日潮, 绿潮藻会有一定的干露时间, 这会增加藻体表明的疏水性, 使藻体趋向于聚集到水-气界面, 类似于油滴漂浮一样, 促使脱落藻体漂浮于海水表面[15, 38]。另有研究表明, 浒苔密集的分枝结构使其能够在大量进行营养生长的同时“捕捉”光合作用或海浪涌动所产生的小气泡, 从而漂浮起来以接触海面得到更高的光照强度。当温度、光照强度等环境因子比较适宜时, 管状藻体生长很快, 其光合作用较强, 光合速率较快, 封闭的管道藻体很容易积气。随着光合作用越来越强, 其藻体管道内气压越来越大, 并形成气囊状[39]。因此, 数千吨的固着绿潮藻在短时间内集中输入到海洋, 并在适宜的环境条件下快速生长、漂浮, 这为绿潮最终暴发提供了最直接和充足的初始生物量。大量绿潮藻在苏北沿岸流和夏季风的作用下, 逐渐向北漂移形成绿潮[28]。

2.4 养殖面积变化与绿潮暴发的关系

紫菜养殖在南黄海已有几十年历史, 为何绿潮暴发仅仅从2007年以来才有报道。上述绿潮藻调查和生物量估算结果已经显示, 东沙、竹根沙和蒋家沙紫菜养殖区对绿潮藻初始生物量的贡献率达90%以上。根据对目前南黄海重要紫菜养殖区(东沙、竹根沙和蒋家沙)近14年养殖面积遥感分析结果表明, 2000年之前该区域养殖规模非常小, 养殖海域面积仅为24 km2, 至2004年逐步上升至124 km2。2005年之后, 受日本取消紫菜进口“原产地为韩国”的限制[40], 该区域养殖面积呈直线上升趋势, 2005年达180 km2, 较上年增长近50%, 至2008年增长至288 km2。从内部空间分布来看, 蒋家沙为开发较早的区域, 其次为竹根沙和东沙。其主要原因为养殖区域离岸远, 养殖成本相对较高。2004年蒋家沙、竹根沙和东沙海域养殖面积分别为70 km2、45 km2和9 km2, 此时蒋家沙养殖区养殖面积已基本接近稳定, 2005年之后竹根沙和东沙养殖区面积呈迅猛上升态势, 其中东沙养殖面积由2004年的9 km2直线上升至2008年的153 km2, 养殖面积增长17倍。紫菜养殖面积的持续上升为绿潮暴发提供的绿潮藻初始生物量越来越多, 这也解释了为何2007年之后南黄海绿潮年复一年的暴发。

3 结论与建议

3.1 结论

(1) 受紫菜养殖生产工艺的影响, 数以千吨的绿潮藻在短期内被集中输入至海洋, 为绿潮的暴发提供了最为直接和充足的绿潮藻初始生物量, 是引发绿潮最直接的因素, 其主要来源为竹根沙、蒋家沙和东沙紫菜养殖区。

(2) 2005年以来, 竹根沙、蒋家沙和东沙海域紫菜养殖面积的持续扩大, 是引发2007年以来绿潮持续暴发的主要原因。

(3) 水温是影响绿潮形成的关键环境因素, 4~6月份大量被刮落入海的绿潮藻在适宜环境条件下漂浮和快速生长, 在苏北沿岸流和夏季风的作用下, 逐渐向北漂移形成绿潮。

3.2 对策与建议

(1) 加强源头治理, 加大防控技术研究和推广, 实现对绿潮的有效防控。目前对筏架上附着生长的绿潮藻普遍采用刮除或涂刷酸类涂料等办法, 而涂刷酸类涂料对海洋环境必然造成污染, 对紫菜养殖也会造成一定影响, 有必要研究筏架上绿潮藻的防附技术。同时要采取措施, 鼓励绿潮藻的回收和处置, 防止大量绿潮藻被直接投入海洋, 从源头上遏制绿潮暴发。

(2) 加强资源化利用: 目前我国对于绿潮藻的资源化利用规模较小, 经济效益较差。国家和地方政府应引导、鼓励企业加强绿潮藻资源化利用等领域的开发, 并给予一定政策扶持和优惠。特别在食品、饲料、医药等方面的研究, 以真正实现变废为宝, 化害为利, 实现海洋生态环境可持续发展。

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[40] http: //www.cacs.gov.cn

Research on the relations between green tide andcultivation in the south Yellow Sea

LIU Cai-cai1, 2, XU Ren1, 2, HE Pei-min3, ZHANG Zheng-long1, 2, QIN Yun-tao1, 2, XIANG Ling-yun1, 2, DENG Bang-ping1, 2, LIU Shou-hai1, 2, JI Xiao1, 2

(1. East China Sea Environmental Monitoring Center SOA, Shanghai 200137, China; 2. Key Laboratory of Integrated Monitoring and Applied Technology for Marine Harmful Algal Blooms, SOA, Shanghai 200137 China; 3. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In this paper, we researched the relations between the green tide andcultivation in the South Yellow Sea by the methods of investigation, social survey, and satellite remote sensing. A deep analysis of temporal and spatial change processes of green tide variations ranging from sporadic floating to initial outbreak was conducted. To determine theimpact ofcultivation on the outbreak of the green tide, we investigated the aquaculture process during different stages and estimated the initial biomass of green tide algae that was released into the ocean from differentcultivation areas in the South Yellow Sea. At the same time, the relation between the area variation of keycultivation areas and green tide was analyzed. The results indicated thataffected by the production process, thousands of tons of green tide algae were scraped and released into the sea in a short term. It provided the most direct and initial biomass supply for the green tide that was mainly sourced from the ZhuGen Sha, JiangJia Sha, and Dong Shacultivation areas. The ZhuGen Sha, JiangJia Sha, and Dong Shacultivation areas continued to expand since 2005, and they were the main reasons causing the outbreak of the green tide in the South Yellow Sea from 2007. The water temperature was the key environmental factor that influenced the outbreak of the green tide. Scraped green tide algae floated and grew rapidly in appropriate environmental conditions from April to June, ultimately causing a large-scale green tide.

South Yellow Sea; Green tide;cultivation

X43

A

1000-3096(2017)02-0035-09

10.11759/hykx20141122001

2016-07-22;

2016-09-01

2013年海洋环保专项; 国家海洋局重点实验室开放研究基金(MATHAB201402); 海洋公益性行业科研专项经费(201205010-06); 东海分局青年海洋科技基金项目(201302)

刘材材(1981-), 男, 高级工程师, 主要从事海洋生态环境监测与评价, E-mail: liucaicai@eastsea.gov.cn

Jul. 22, 2016

[2013 marine environmental protection special fund; open on the State Oceanic Administration, No.MATHAB201402; Key Laboratory of marine public welfare industry research special funds, No.201205010-06;East China Sea marine science and technology branch of Youth Fund Project, No.201302]

(本文编辑: 梁德海)