基于现场调查和GOCI 卫星遥感下东海原甲藻赤潮生消特征

刘淑娟，杨萌萌，沈盎绿

(1.国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022；2.日本名古屋大学环境研究生院，日本名古屋 4 648601；3.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306)

有害赤潮(harmful algal blooms，HABs)事件通常与表面海水中有毒或有害微藻的异常增殖或高生物量积累有关，由于其发生和发展会破坏海洋生态平衡，危害水产资源，给海洋生物和生态系统带来有害的影响[1-3]，有些赤潮生物产生的毒素可以通过浮游动物的累积和传递对更高营养级的生物如鱼类等产生影响，对人类健康构成严重威胁[4-6]，因而引起了人们的关注。此外，由于沿海地区工农业发展迅速，人口增加，注入海洋的污水增多，氮、磷和有机物污染比较突出[7]。随着人为营养负荷的增加，沿海海洋生态系统中有害赤潮现象的发生率和影响在世界范围内有所增加[8-11]。

东海沿岸是众所周知的赤潮事件频发地区[12-14]。自20 世纪60 年代以来，来自长江流域的营养负荷急剧增加，与之相对应的是赤潮发生的数量和规模也显著增加[12]。浙江省南部沿海(包括洞头和南麂列岛)是赤潮频发的重要地区。在该地区，东海原甲藻是自2000 年以来形成有害赤潮的主要甲藻之一[15-17]。东海原甲藻代谢产物中没有已知确定的毒素，但东海原甲藻占优势的赤潮对浮游动物和鱼类具有致死性[17-19]。近年来东海原甲藻赤潮每年都会发生，对沿海地区造成重大损失，引起了社会的广泛关注。如2000 年5 月舟山中街山海域发生的东海原甲藻赤潮，最大范围达7 000 km2[20]，2004 年5 月初发生的东海原甲藻赤潮面积达到了1 万km2，而2005 年5 月发生的东海原甲Prorocentrum donghaiense 和米氏凯伦藻Karenia mikimotoi 混合赤潮面积达到1.7 万km2[21]。

近40 a 来，海洋水色卫星的数据被广泛应用于赤潮的检测、制图和监测[22]。由韩国海洋卫星中心运行(由韩国航天局发射)世界首个海色静止卫星COMS(communication,ocean & meteorological satellite)上搭载的GOCI(geostationary ocean color imager)传感器，具有8 个波段、500 m×500 m 的空间分辨率、时间观测尺度1 h 的优点[23]。GOCI 在时间分辨率和空间分辨率上具有很大优势，而SeaWiFS 和MODIS 数据为每隔2～3 d 监测1 次亚热带和热带海洋，其空间分辨率为1 000 m[23-24]。最近，基于GOCI 影像数据的研究日益增多，在太湖悬浮物浓度遥感估算[25]、太湖水体叶绿素a(Chl a)浓度日变化[26]和长江入海口悬浮沉沙浓度反演及其时空动态变化[27]等方面进行了较为全面的分析应用。近年来GOCI 也被用于监测东海海域的东海原甲藻赤潮[28]以及朝鲜半岛东海岸的多环旋沟藻Cochlodinium polykrikoides 赤潮[29]的日变化趋势。但是，利用GOCI 在东海赤潮高发区对有害赤潮生消过程进行监测的研究却很少。

在本研究中，我们应用GOCI 数据反演Chl a 浓度，赤潮指数(RI)[28,30]，对2016 年5 月发生在洞头列岛与南麂列岛附近海域的东海原甲藻赤潮整个生消过程进行调查，包括现场跟踪监测，结合GOCI 遥感数据，并同步分析了浮游植物细胞丰度的变化。

1 材料与方法

1.1 研究区域和浮游植物样品采集及分析

本研究于2016 年5 月9 日至5 月20 日，在洞头和南麂列岛海域共采集57 个水样，其中5 月9 日、10日、12 日、14 日、15 日、19 日、20 日这7 天每天采集6 个，5 月13 日采集5 个，5 月17 日采集3 个，5 月18日采集7 个，详见图2。5 月11 日和5 月16 日由于阴雨天气没有出海调查采样。利用有机玻璃采水器在每个站位海水表面下0.5 m 处采集1 000 mL 的海水作为浮游植物样品，用鲁哥氏试剂固定至最终浓度为15%。在光学显微镜下对浮游植物进行种类鉴定及按个体计数(BX43，日本奥林帕斯公司)。参照金德祥等[31]或者杨世民等[32]的资料对浮游植物进行分类鉴定。

图1 东海原甲藻赤潮研究区域Fig.1 Study area of P.donghaiense bloom

图2 东海原甲藻赤潮采样时间与站位Fig.2 Sample days and stations of Prorocentrum donghaiense bloom

1.2 现场总浮游植物中Chl a 的测定

采集浮游植物的同时取50 mL 海水，利用脉冲调制叶绿素荧光仪(PHYTO-PAM-ED,德国Walz 公司)测定Chl a 的浓度。

1.3 卫星图像处理

GOCI 的L1B 影像数据首先从相关网站(https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/GOCI/L1/) 下载，然后使用GOCI 数据处理软件(GDPS 1.3)和AHN，et al[30]的大气校正算法将其处理成L2 产品。利用L2 Rrs 资料，采用YOC(Yellow and East China Sea ocean color)算法[33]计算Chl a。改进的赤潮指数(RI)[28]是用Rrs 在443、490 和555 nm 波段的数据进行计算，方程如下：

基于RI 指数，根据LOU Xiulin，et al[28]标准的将RI 值(>2.8)定义为赤潮面积。

1.4 数据分析

现场东海原甲藻丰度和总Chl a 数据属于非正态分布(Shapiro-Wilk 检验)，经非参数(Kruskal-Wallis方法)检验有显著差异后采用Dunn-Bonferroni 方法进行多重比较(P<0.05)。所有分析均采用Origin pro 8.0(OriginLab，美国Northampton 公司)和PASW Statistics 22.0(美国IBM SPSS Software)。

2 结果与分析

2.1 东海原甲藻赤潮生消过程(现场调查)

赤潮过程可以分为开始阶段、生长阶段、维持阶段和消散阶段[34]。在本次赤潮现场调查中，5 月9 日第一优势种东海原甲藻平均细胞丰度为2.12×107个·m-3，超过开始阶段标准(阈值细胞丰度为106个·m-3[34])，因此，东海原甲藻赤潮可分为生长阶段(5 月9 日至5 月12 日)，维持阶段(5 月13 日至5 月18 日)和消亡阶段(5 月19 日和20 日)(表1 和图3)。在赤潮生长阶段，东海原甲藻平均丰度为0.79×107个·m-3，在57 个站位中约1/3 站位未检测到东海原甲藻；在赤潮维持阶段，所有站位均发现东海原甲藻，而且绝大多数站位东海原甲藻丰度不低于107个·m-3，均值为1.38×109个·m-3，最高丰度出现5.13-1 站位，其丰度值高达2.87×1010个·m-3；在赤潮消散阶段，东海原甲藻平均丰度为0.45×107个·m-3，约1/3 站位未检测到东海原甲藻。另外，通过现场测定东海原甲藻赤潮在生长阶段Chl a 的平均浓度为3.38 mg·m-3，维持阶段Chl a 的平均浓度为12.94 mg·m-3，消散阶段Chl a 的平均浓度为6.03 mg·m-3。总的来说，在维持阶段东海原甲藻细胞丰度和Chl a 均值明显大于生长阶段和消亡阶段(P<0.05，表1)。

表1 东海原甲藻赤潮不同阶段东海原甲藻细胞丰度(107 cells·m-3)和总Chla 浓度(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 东海原甲藻赤潮生消过程中Chl a 和RI 的变化(GOCI 数据)

由于2016 年5 月份多云的天气居多，在本次调查周期内只有5 月11 日、5 月12 日、5 月13 日、5 月15 日和5 月17 日才有GOCI 影像数据。通过对这5 d Chl a 图像分析(图4)，高Chl a 浓度区域从洞头列岛东北附近海域逐步向南麂列岛西南附近海域迁移(更加靠近大陆)，而且高浓度Chl a 海域的面积也在不断的扩大，在5 月17 日接近峰值(因为结合现场调查数据5 月18 日东海原甲藻丰度和总Chl a 浓度也非常高)。

另外，通过对5 月11 日、5 月12 日、5 月13 日、5 月15 日和5 月17 日RI 图像分析(图5)，海区颜色从深蓝色到黄红色变化，RI 数值越高，颜色越趋向深红色，也就是表明赤潮爆发程度越严重，5 月11 日在洞头列岛东北部海域赤潮比较严重，而后逐步向南麂列岛西南方向海域蔓延，至5 月17 日洞头列岛至南麂列岛一线到大陆近岸整个海域基本上全部发生赤潮。同时根据RI>2.8 区域为赤潮爆发海区(图5 右图红色区域)来看，5 月11 日赤潮区域主要在洞头列岛东北部海域，面积较小，而后赤潮面积逐步向西南方向扩大，5 月13 日在现场调查海域(洞头列岛与南麂列岛之间)几乎全部爆发赤潮，现场也是监测到东海原甲藻丰度最高值(图3)。5 月15 日，赤潮区域进一步扩大，也更加靠近沿海地区，5 月17 日，赤潮面积达到最大值，赤潮现象最为严重。

图3 不同赤潮阶段东海原甲藻细胞丰度变化Fig.3 The change of abundance of Prorocentrum donghaiense in the different phases of the bloom

2.3 东海原甲藻赤潮Chl a 日变化分析

在本研究中选择相对少云的5 月12 日来观察海域Chl a 浓度的日变化(图6)。从时间变化角度分析，在08:30-15:30 这8 h 的时间里，洞头列岛和南麂列岛附近海区Chl a 浓度上升趋势比较明显。在08:30-14:30，Chl a 高浓度区域面积由近海地区向沿海地区不断扩大，并在14:30 达到最大。在15:30，沿海地区Chl a 浓度下降，而近海地区Chl a 浓度升高。造成该现象的原因可能因为，在08:30-14:30 之间，东海原甲藻受光合作用的影响向上移位，引起了Chl a 浓度升高。另外，从Chl a 图像序列可以观察到赤潮的空间运动(图6)，高Chl a(约> 5 mg·m-3)赤潮区域在早上从东向西移动，下午从西向东移动，在14:30 左右覆盖范围最大。

图4 东海原甲藻赤潮不同阶段Chl a 图像变化情况Fig.4 Changes of Chl a composite images in the different phases of the P.donghaiense bloom

3 讨论

3.1 赤潮不同生消阶段的确定

一般赤潮过程可以分为开始阶段、生长阶段、维持阶段和消亡阶段[34]。但是在赤潮监测过程中，尤其是现场监测赤潮生消的完整过程是非常困难的。其中硅藻赤潮生消速度很快，维持时间短，曾有现场调查发现1996 年6 月长江口中肋骨条藻Skeletonema costatum 赤潮持续了5 d，但起始阶段只有4 h，之后便进入发展阶段快速繁殖，不到2 d时间就达到峰值，生消过程非常快[35]。由于硅藻生长率大于甲藻，所以硅藻赤潮生消速度较快。相对硅藻赤潮而言，甲藻赤潮生消速度较慢，从开始到消亡持续时间较长，且各个发展阶段更明显，有利于对赤潮生消的完整过程进行研究。在本研究中，现场调查海域东海原甲藻赤潮根据优势种细胞丰度可以分为生长阶段、维持阶段和消亡阶段3 个阶段。本次东海原甲藻赤潮周期较长，超过12 d，各个阶段变化明显。本文对比了2010 年5 月李正华[36]对福建长乐海区一次东海原甲藻赤潮生消过程的调查以及邹双燕[37]于2016 年5 月对发生在福建海域内的东海原甲藻赤潮生消过程的调查，结果表明(表2)，这3 次东海原甲藻赤潮生消过程都比较明显，都分为发展阶段，维持阶段和消亡阶段，且持续时间较长，尤其是本研究中发生在洞头和南麂列岛附近海域的东海原甲藻赤潮，维持阶段持续6 d，有助于我们对赤潮生消过程更好的研究。

图6 5 月12 日Chl a 每小时变化图Fig.6 Hourly Chl a images of GOCI on 12 May

表2 不同地区东海原甲藻赤潮不同阶段时间变化Tab.2 Change of time of the bloom of P.donghaiense in different areas of different stages

3.2 GOCI 卫星遥感监测的优势

自从1978 年全球第一个海洋水色扫描传感器(CZCS)应用于赤潮监测后，随后40 a 内陆续有相关的海洋水色传感器，其中比较著名的卫星有SeaWiFS、MODIS 和MERIS 等，广泛应用于各种类型的赤潮监测[19]，比如在监测颗石藻Emiliania huxleyi(CZCS)[38]、束毛藻Trichodesmium spp.(SeaWiFS)[39]、米氏凯伦藻[40]以及结合多个传感器(CZCS、SeaWiFS、MODIS 和MERIS)比较研究监测颗石藻等方面均得到了很好结果。但是极地轨道卫星受限于只能通过1～3 d 的时间间隔海洋水色数据来分析长期(季节和年度)的变化，而大部分赤潮尤其是硅藻赤潮生消速度很快、甚至在海洋表面藻类丰度日变化差异也是非常显著。所以实时监测赤潮的位置、范围、运动和生长速度是目前的一个重要挑战[41]，直到静止轨道海洋水色卫星搭载GOCI 传感器的出现，其较高的空间分辨率(500 m)和每天8 幅遥感影像(北京时间08:30-15:30)为赤潮的实时监测提供了可能。近年来已经成功应用在GOCI 卫星覆盖范围之内的东海和朝鲜半岛附近海域的赤潮监测中[28-29]。在本研究中，我们通过GOCI 遥感数据反演得到浙江南部沿海附近海域Chl a、RI 以及赤潮爆发区域等信息，并且结合现场调查数据确定本次赤潮为东海原甲藻赤潮。虽然由于本次东海原甲藻赤潮期间阴雨多云天气较多，只获得5 d 的GOCI 遥感数据(同期MODIS 数据更少只有2 d)，但是结合现场调查数据也可以大致分析东海原甲藻赤潮的演变生消趋势，即从洞头列岛东北部附近海域向南麂列岛西南附近海域逐步向沿岸靠近，并在5 月17 日左右赤潮规模达到一个峰值。

3.3 东海原甲藻赤潮日变化原因浅析

此外，甲藻赤潮生消期间从清晨到午后一整个白天中，其海水表层的藻类丰度/Chl a 浓度会有很大波动，从GOCI 影像中反演的Chl a 变化趋势能够如实反映赤潮的日变化[28-29]，为此我们分析了5 月12 日的Chl a 日变化的GOCI 数据(图6)，结果显示Chl a 浓度从早上到下午逐渐升高，至14:30 到达峰值。Chl a 日变化其中一个很重要的原因可能是东海原甲藻的垂直迁移，根据气泡调节浮力机制[42]，藻类的垂直位移受气泡控制，日出后藻类进行光合作用产生大量氧气形成小气泡，由于小气泡的作用细胞的浮力增加，到14:30 左右形成藻类丰度高峰，但随后在强日照下生成的光合产物使得细胞内部膨压增高导致气泡崩溃大于新的聚集，致使细胞失去浮力造成藻类下降。对于赤潮区域的水平扩散，还有潮汐的驱动作用，潮汐对赤潮的形成和消散起着重要的调节作用[43]。在本次东海原甲藻赤潮调查期间，2016 年5 月12 日最高潮位发生于12:00 时(http://ocean.cnss.com.cn/)，早上4 幅GOCI 影像(08:30、09:30、10:30 和11:30)是处于涨潮阶段(潮水由东向西)，其余4 幅则处于退潮阶段(潮水由西向东)，所以赤潮区块(Chl a 高浓度区域)在早上向西移动，在下午向东移动(图4)。类似的结果在2011 年5 月29 日至30 日通过GOCI 卫星数据监测东海原甲藻赤潮水平迁移扩散运动中也得到了证实[28]。

4 结论

本研究根据浙江南部沿海2016 年5 月9-20 日的现场调查表明，在该海域发生的东海原甲藻赤潮生消过程可分为生长阶段、维持阶段和消散阶段。另外，通过GOCI 影像反演的Chl a 和RI 揭示了赤潮区域的变化趋势，确定了本次赤潮的位置、范围和水平运动迁移规律，同时使用8 幅Chl a 影像图分析了某个特定日期Chl a 日变化(2016 年5 月12 日)，显示了东海原甲藻运动规律(藻类本身垂直迁移和潮汐引起的水平迁移)以及赤潮区域的变化。因此，GOCI 卫星遥感数据对实时跟踪监测东海周边海域赤潮具有重要意义。