菲律宾海水文动力环境分析及对海洋生态区划的启示

齐庆华,靖春生

(1.自然资源部第三海洋研究所 厦门 361005;2.福建省海洋物理与地质过程重点实验室 厦门 361005)

0 引言

菲律宾海位于西太平洋边缘,被岛弧和海沟包围,是西太平洋最大的边缘海盆[1]。菲律宾海地处第一岛链与第二岛链之间,链接我国东海、南海和西太平洋,成为我国通往太平洋和印度洋以及美洲和大洋洲的最主要通道。菲律宾海连通被誉为全球生物多样性中心和起源地的“珊瑚大三角”海域,汇于有全球海洋“热极”之称的西太平洋暖池区[2],同时是世界著名的强西边界流黑潮的发源地[3],因此成为全球生物多样性养护和气候变化研究的重要关注区[4-13]。菲律宾海海盆中央分布一系列海山链,其中位于海盆东部、纵跨南北的九州-帕劳海岭(KPR)的最大水深超过5 500 m,以该海岭为界可分为东菲律宾海和西菲律宾海,海底特征极具特色,在生命起源以及物种进化和适应等生物多样性前沿和热点领域具有重要研究意义[9,14-16]。与此同时,由于菲律宾海海盆底部常年处于低温、高压和寡氧状态,其生态系统脆弱性明显[17]。

海洋是我国高质量发展的战略要地。菲律宾海具有重要的地理区位,同时在海洋环境安全、国家海洋权益、气候变化和减灾防灾、深海资源以及生物多样性等领域具有重要的研究价值,加快我国对相关海域海洋学特征的研究工作凸显紧迫性,尤其目前对于海洋生物生境条件和海洋生态区划的研究十分匮乏[18-20]。为此,本研究基于各种观测资料整编形成菲律宾海水文动力环境要素网格化数据集,以菲律宾海水文动力环境的三维分异特征为切入点,针对目前我国海洋生态区划现状提出启示性研究建议,以期为我国海洋生态环境和生物多样性保护以及深海研究提供科学参考,同时为我国维护海洋权益、加速提升在国际海洋事务中影响力和贡献度以及提高海洋开发利用和保护能力提供科学支撑。

1 菲律宾海水文动力环境的典型分异

菲律宾海为低纬度海区,由于受大陆、暖池和黑潮等海洋气候系统的影响,海水表层水温具有整体偏高、自北向南逐步升高和季节差异明显的特征,其中冬季水温较低(20℃～29℃)且南北差异大,夏季水温较高(27℃～29℃)且分布较均匀。菲律宾海海水表层盐度较高(通常为34‰～35‰),基本呈南高北低的分布格局,且与水温相比季节变化较小。此外,与表层海水相比,深层海水温盐结构的季节变化不明显。

以具有代表性的菲律宾海海盆中央南北走向的九州-帕劳海岭所在海域为例。该海域全水深的水温范围为2℃～30℃,盐度范围为33.5‰～35.2‰;近底层的温盐变化范围较小且季节变化不明显,但区域差异显著,可能主要与海底地形变化有关;水深约为5 300 m,1 000 m以浅水深的水温自表层至深层逐渐降低,1 000～2 000 m水深的水温略有变化,2 500 m以深水深的水温差异最小;盐度呈上层高、次表层低和深层高的分布特征,其中次表层低盐海水可能主要受极地中层海水的影响,2 000 m以深水深的盐度差异较小,34.5‰等盐线由南向北逐步加深。

水温分布的典型特征可概述为:南北方向大致以20°N为界,上层(尤其是200 m以浅水深)等温线北密南稀,北部呈舌状分布,南部基本与纬线平行;东西方向大致以137°E为界,20°N以北西高东低,10°N以南东低西高,10°N-20°N分布较为均匀。垂向上以200 m水深为界,上层季节变化较大,下层季节变化较小;与上层相比,200～500 m水深的水温呈南低北高的反相分布;深层水温的变化较小,且差异不明显。盐度分布的典型特征可概述为:与水温分布特征类似,上层南北方向也大致以20°N为界,呈南高北低分布;东西方向大致以137°E为界,除10°N-20°N分布较为均匀外,其他位置基本呈西低东高分布;垂向上同样具有上层季节变化较大和下层季节变化较小的特征,且200～500 m水深呈南低北高分布,基本与上层形成反相对比。

九州-帕劳海岭所在海域的T-S点聚图在图形上呈“反S”形,可将该海域的温盐结构大致分为表层高温低盐水(HTLS)、次表层次高温高盐水(HTHS)、中层次低温低盐水(LTLS)和深层低温次高盐水(LTHS)4种类型,其中表层、次表层和中层的温盐点离散,表明这些层次的水体混合较强烈。①表层高温低盐水位于0～50 m水深,因受太阳辐射水温最高(28℃～30℃),而受海面降水影响盐度最低(33.5‰～34.5‰);②次表层次高温高盐水位于100～200 m水深(24等位势密度面),水温低于表层(15℃～28℃),但盐度最高(34.7‰～35.3‰);③中层次低温低盐水位于300～1 000 m水深,水温高于深层(4℃～16℃),但盐度较低(34.1‰～34.5‰);④深层低温次高盐水位于1 000 m以深水深,水温最低小于5℃,盐度为34.5‰～34.7‰。

北半球低纬度地区长期盛行东北信风,加之受地转偏向力的影响(海流偏向右),在8°N-20°N海域形成自东向西流动的太平洋北赤道流。该赤道流横贯太平洋,主要流经菲律宾海南部,且在菲律宾海的水平流幅约为2 000 km,垂向流幅约为250 m(0.1 m/s等速线);平均流速约为0.4 m/s,其中靠近赤道一侧的流速较大,在菲律宾海南部可达0.55 m/s。该赤道流为菲律宾海尤其是10°N-20°N海域温盐结构的一致性提供动力条件。

赤道至3°N海域则形成太平洋南赤道流,平均流速约为0.3 m/s,水深约为200 m(0.1 m/s等速线)。在太平洋北赤道流以南的赤道无风带上,南、北赤道流之间有一股横穿菲律宾海的自西向东的海流即赤道逆流(NECC)。分析显示,该断面赤道逆流的南界约处于3°N,北界约至5°N,水深为500 m以深,最大流速达0.6 m/s,而副热带逆流较弱甚至已无明显呈现。须提出的是,北赤道逆流和黑潮续流可能分别对10°N以南和20°N以北海域温盐结构的东西分布差异产生较大影响。

从总体上看,菲律宾海的海流主要呈带状分布于500 m以浅水深,尤其是200 m以浅水深受海流动力影响明显。500 m水深的海流流速显著减慢,尤其北赤道流基本消失。20°N以北海域主要为黑潮续流和较弱的副热带逆流,而20°N以南海域则为强度明显增强的赤道流和西边界流,这种海流的垂向和水平分布可能是造成上层(500 m以浅水深)温盐结构区域差异显著的主要动力因素。

综上所述,菲律宾海具有较显著的水文环境分异和动力配置特征。温盐结构的水平分布呈“五区分异”模式,南北方向约以20°N和10°N为界,东西方向约以137°E为界,具有显著的区域差异。垂向分布呈“三线一圈”模式,以200 m水深为界,上层季节变化较大且区域特征明显,而下层季节变化较小;200～500 m水深的温盐结构与上层相比呈反相分布,500 m以深水深的温盐结构变化较小且差异不明显。值得注意的是,20°N以北海域的500～1 000 m水深存在次低温低盐水。

菲律宾海的温盐结构是其生态构成和分布的重要依据,上述分析可为其海洋生态区划提供必要的水文动力环境参考依据。

2 海洋生态区划现状

生态区划以保护生物多样性以及维持生态系统结构和功能为主要目的,其通过划分或归并生态单元以揭示生态特征的区域相似性和差异性,是生态系统和自然资源管理的重要支撑[21-25]。海洋是地球最主要的生态系统之一,提供全球约67%的生态系统服务价值[26]。作为生命系统从基因到生态系统各层次多样性的总和,生物多样性包含生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程[27-32],而海洋生物多样性则是全球和海洋环境演变的结果。

受气候变化和人类活动的影响,当前海洋生态系统衰退加重,加强海洋和海洋生物多样性保护已是全球共识[33-34]。为提升保护和可持续开发利用海洋生物资源的能力以及维护海洋权益,各国将海洋环境和生态保护作为主要目标和优先行动,积极推进海洋和海洋生物多样性保护工作,其中的重要议题涉及海洋保护区选划以及具有重要生态或生物学意义海域的划区管理[34]。与此同时,海洋保护区由国家管辖内海域逐渐向国家管辖外海域拓展[35-36],联合国《生物多样性公约》纳入国家管辖范围外海域的生物多样性(BBNJ)问题,通过确定适当机制,建立和有效管理国家管辖范围外的海洋保护区。

海洋生态区划是海洋可持续发展的战略基础,有助于推广生态系统方法,为减缓气候变化和人类活动对海洋生态系统的影响提供重要技术支撑。加强海洋保护区建设、实施海洋功能区划以及全面开展海洋空间规划和管理的首要任务是基于海洋环境和生态系统的异质性,针对典型生态系统以及特征生境和物种进行海洋生态区划,以维持和提高海洋生态系统的恢复力和适应性。海洋生态区划方案的编制以辨识海域系统地理要素的变化过程、时空格局及其相互作用机理为前提,其中确定界线是海洋生态区划的具体体现,而环境要素的地理区划是海洋生态区划的重要底层参考[31]。由此,本研究基于菲律宾海水文动力环境的关键要素分异,从环境梯度的角度提出水平“五区分异”模式和垂向“三线一圈”模式,以期为该海域海洋生态区划的边界确定、动态量化和分异组合等提供参考依据,进而为该海域实施有效的海洋生物多样性保护和管理策略提供必要的科技支撑。

菲律宾海邻近全球生物多样性和生物进化中心,分布多种重要的海洋生物资源[17]。以脊索动物为例,近期研究表明菲律宾海边缘海域尤其是菲律宾群岛、台湾岛、日本群岛、马里亚纳群岛和九州-帕劳海岭所在海域的生物多样性较高,而中央海盆区的生物多样性较低。生物多样性与初级生产力显著正相关,而与水深显著负相关[37]。如前所述,海洋温盐三维结构是影响海洋生态系统的重要环境要素,气候变化对海洋生物多样性的影响也主要源于海洋温盐三维结构的变化。须提出的是,海洋生态系统是生物群落及其生存环境交互作用的动态复合体,然而仅以脊索动物为例尚无法形成对菲律宾海生物多样性及其分布的完整认识。此外,菲律宾海的海洋生物多样性具有边缘海域较高而中央和深水盆地海域较低的分布格局,应考虑当前菲律宾海深海生物多样性数据不足的现状[37],由此也可见海洋生态区划体现强动态性的特征。

3 对海洋生态区划的启示

目前我国的生态区划工作大多集中在陆地系统,而对海洋系统的关注相对不足;海洋生态区划工作起步较晚且多定性而静态[36],有关气候变化和人类活动对海洋和海洋生物多样性影响的基础性研究较薄弱,无法引导或影响国际海洋和海洋生物多样性评估进程,难以形成对国际条约谈判的技术支撑[35]。结合海洋生态区划现状和研究焦点,本研究提出3点启示性研究建议。

3.1 加强海洋观测组网和基础数据融合,科学划分海洋生物多样性保护和资源空间管理边界

有效的区划管理须有大量数据作为支撑,但目前开放海域和深海海域仍缺乏本底调查数据。随着深海脆弱生态系统逐渐成为公海管理的新热点,同时考虑气候变化的影响(包括由气候变化引起的海平面上升以及海洋生物及其栖息地分布等的变化),须在多源数据采集、处理和整编的基础上不断构建相关海域的精确化和长时序的环境数据库。

须提出的是,由于目前海洋生物数据与环境要素数据相比尚显不足,依据环境要素的地理区划凸显实践价值。在全球生态区划的大背景下,应加快构建海洋生物和生态观测的组网系统。同时,为科学评估海洋生物多样性和海洋生态系统的现状和未来变化,亟须建立可靠的基线数据库并实时更新和补充,主要包括环境背景、本底和基线以及基线物种组成、生态系统类型、生物栖息地边界、生态过程和生态韧性等基础信息数据库。

海洋生态区划的边界包含海洋生物和环境分布规律的复杂信息,为实现从科学调查到管理实践的有效衔接,须针对不同海洋生物和环境观测数据构建数据融合与评估的技术体系和有效工具,并建立海洋生态区划制图的标准化技术和规范。选取适当的环境因子类型和分辨率,在多维度认知海洋生态系统的基础上编制高效动态的海洋生态区划方案。

3.2 构建综合区划方案理论体系和分类分区综合区划技术体系

在全面认知海洋环境要素的变化过程及其相互作用的基础上,以区域分异规律为理论基础,构建综合区划方案理论体系,提出我国海洋生态综合区划方案以及建立有效的区划管理工具和动态管理平台,为国家多维度和多目标的科学决策提供技术保障。

丰富海洋生态安全内涵,从区域角度观测、研究和管理地域综合体,加快探索分类分区综合区划技术体系,必要时建立过渡性分区,结合全球环境和气候变化,强化海洋生态区划的动态适应性,促进海洋生态系统的健康可持续发展,满足跨学科和跨专业的自然资源综合管理需求。

3.3 创新复合分类分区算法,提高海洋生态系统服务能力

生态地理区划的优势在于明确的区划目标和明显的空间表达方式,其依据生态系统环境因素的空间分异成功推动全球生物多样性研究的广泛开展。然而以生物多样性保护为目标的区划方案仍属生态地理区划范畴,而缺乏对生态系统服务的空间表达。为此,应加速实现从海洋生态地理区划到海洋生态功能区划的跨越,根据海洋生物多样性状况、海洋生境、人-海关系及其威胁以及社会经济政治条件地理优先级,动态调整海洋生态区划边界,丰富和完善海洋生态区划理论体系。

未来海洋生态区划的研究重点为叠加各种人类活动、气候变化和海洋生态系统服务指标,综合海洋环境容量和承载力、海洋生态连通性、海洋生物多样性及其胁迫程度、海洋生态位结构和脆弱性及其对人类的影响等不同视角,发展海洋生态区划的复合分类分区算法,加强分级分时的多重目标动态管理。

4 结语

21世纪,人类进入开发利用海洋资源和海洋战略空间的新阶段,尤其空间发展已进入生态文明的新时代。为加快海洋强国建设和促进海洋高质量发展,我国编制国土空间规划、海洋空间规划和海洋功能区划等一系列规划方案,其中海洋分类分区体系是国土空间规划编制的重要依据,关系到海洋空间的划分和管控[36]。随着人类海洋保护意识的增强,国际自然保护联盟(IUCN)发出保护30%海洋水域的号召。在主权管辖海域或公海中,明确界定某个海洋地理环境空间并对其进行选划和管理,以实现“从基因到生态系统”的生物多样性保护,成为全球海洋保护区选划和管理的重要内容。而基于海洋生态安全,科学选划以及分类分区和分级分时管理海洋保护区,是有效发挥海洋生态系统功能的重要保障。

上述分析均体现海洋生态区划研究的迫切需求。基于此,本研究以重要的全球海洋生物多样性中心和起源地之一的菲律宾海为例,通过水文动力三维环境特征分析,提出菲律宾海水文环境分异的水平“五区分异”模式和垂向“三线一圈”模式,作为海洋生态区划的重要底层参考,进一步结合我国海洋生态区划现状提出启示性研究建议。本研究的相关内容仅作为推进海洋生态区划基础性工作的尝试,致力于充分利用海洋环境、海洋生物和社会经济等方面的变量和要素,为开展海洋生态区划尤其是科学有效的综合区分和界定工作提供必要的科学支撑,以满足海洋生态系统安全健康以及海洋资源可持续开发利用的战略新需求。