长江口及邻近海域浮游植物生态系统气候变化综合风险评估

郭海峡,蔡榕硕,谭红建

(自然资源部第三海洋研究所海洋可持续发展研究中心,福建 厦门 361005)

近几十年来,在我国沿海地区社会经济快速发展的背景下,河口及邻近海域资源环境面临的压力日益突显。一方面,人类活动对河口生态系统的影响愈发显著。快速增长的人口、土地利用方式的改变、化肥的大量使用与流失、城市生活污水和工业废水的排放以及海水养殖的扩张,扰乱了大型河口系统营养物质的循环,从而引发富营养化现象,进而增加河口及其邻近海域有害藻华和季节性缺氧的发生[1-2]。另一方面,近几十年来,随着全球变暖和东亚季风的减弱,我国近海增暖明显,低空风场和海面风应力明显减弱,无论是冬季还是夏季均有明显升温,且升温幅度冬季大于夏季,这使得包括三大河口区的我国近岸海域,尤其是长江口及邻近海域既受到气候变暖的影响,又受到东亚季风变化的显著作用[3]。因此,我国近岸海域特别是长江等河口区及其邻近海域的环境和生态对气候变化和人为活动的响应与适应成为值得高度关注的科学问题。

目前,长江河口区及邻近海域大面积赤潮暴发次数为我国三大河口之最[15],并成为主要的生态灾害之一。特别是,自20世纪70年代末以来,该海域赤潮的发生频率呈现出年代际的增加,与东亚冬季风和海温的年代际变化有很好的对应关系[16-17],浮游植物生态系统处于较高的不稳定和脆弱性状态[3]。长江河口及附近海域大规模甲藻等有害赤潮的暴发严重影响了海洋环境与生态系统的健康及其服务功能以及沿海地区社会的可持续发展[10,18]。

据此,本文主要研究长江口浮游植物生态(以赤潮的暴发为主要研究对象)对气候变化的响应及脆弱性特征,并基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)有关气候变化综合风险的概念与理论[19-20],构建了河口生态系统的气候变化综合风险评估指标体系,分析与评估不同气候情景下未来长江口浮游植物生态系统的脆弱性和风险。

1 数据与方法

1.1 数据资料

1.2 气候变化综合风险评估指标体系的构建

IPCC AR5指出[19],气候变化综合风险(risk,R)是由气候变化致灾事件(因子)的危险(害)性(hazard,H)、自然和社会系统(承灾体)的暴露度(exposure,E)和脆弱性(vulnerability,V)相互作用产生的,即R=f(H,E,V)。当承灾体(如生态系统)暴露于某种气候变化致灾因子(如温度上升)时,由于承灾体存在一定的脆弱性,如果承灾体应对气候变化致灾因子不力,则可能发生承灾体的结构和功能的损毁或损失,并产生严重的影响或风险。因此,造成海洋生态系统结构与服务功能损失的气候变化致灾因子是风险发生的前提,而承灾体的存在是风险发生的必要条件。

气候变化致灾因子的影响程度及是否造成灾害风险,除了取决于致灾因子的危害性(如强度、频率和范围)之外,还取决于承灾体的暴露度和脆弱性的水平。暴露度是指气候变化致灾因子发生时的不利影响范围与承灾体在空间分布上的暴露程度[22]。脆弱性是指承灾体易受气候变化致灾因子不利影响的倾向或习性,而容易受到损害的一种状态,与其对气候变化致灾因子的敏感性和适应性等因素密切相关[23-24]。

赤潮的发生受到许多因素的影响,如营养盐、环境因子和生物入侵等。最近的研究结果表明,长江口赤潮的发生次数与营养盐浓度、SST和表面风应力有很好的相关关系[25]。人类活动排放到海洋里的工业废水和生活污水中的大量营养物质,导致海水富营养化,为赤潮生物的繁殖提供了物质基础[26]。较暖的海水温度有利于浮游植物的生理活动以及赤潮的暴发。研究表明,前冬或春季温度升高有利于浮游生物生长,在营养盐充分的条件下,浮游动物优势种的季节演替脱节导致摄食平衡失调,赤潮易暴发[20,27]。较小的风力会扩大上层海水混合减弱效应,利于赤潮藻和细胞聚集[28]。并且,SST上升可以拓宽赤潮种藻类的季节性暴发机会窗口,扩大其分布,并为增长提供竞争优势,这意味着随着SST的增加,有害藻华事件可能会更频繁地发生在更广泛的区域[29]。此外,光照强度影响浮游植物光合作用,高光照度下藻细胞生存所需铁和磷的量较少,为赤潮暴发提供了条件[30]。河口浮游植物生态系统的脆弱性与浮游植物背景丰度和水层结构有关[31]。较高浮游植物丰度的水体,在同等藻华条件下更容易暴发赤潮,浮游植物敏感性程度高。混合层深度越小,混合层内平均光强越大,即藻类接受的光照越充分,浮游植物适应性越弱[32]。基于上述分析以及IPCC致灾因子危害性、承灾体暴露度、脆弱性和综合风险与概念理论,形成了河口浮游植物生态系统的气候变化综合评价指标体系(表1)。

表1 河口浮游植物生态系统的气候风险评估指标体系Tab. 1 Assessment system of climate change on comprehensive risks of phytoplankton ecology in estuarine areas

1.3 气候变化综合风险评估方法

根据表1河口浮游植物生态的气候风险评估指标体系定义,浮游植物生态的致灾因子危害性由SST、风速和营养盐浓度3部分构成,SST由冬季(12、1、2月份)海温表征,风速取赤潮高发季节海表面风速,营养盐取NO3-N浓度和PO4-P浓度;暴露度由增温速率和太阳辐射强度两部分构成;脆弱性由敏感性和适应性两部分构成,敏感性由表征浮游植物丰度的叶绿素a浓度决定,适应性与海水混合层深度有关;风险为致灾因子危害性、承灾体的暴露度和脆弱性三者相互作用。具体计算过程如下:

Hi,j=a1Swi,j-a2Wi,j+a3CDIN+a4CDIP

(1)

Ei,j=Tai,j×Soli,j

(2)

Vi,j=Si,j/Ai,j

(3)

Ri,j=a5Hi,j+a6Ei,j+a7Vi,j

(4)

式(1)至(4)中:下标i和j表示网格点坐标,H、E、V、R分别为致灾因子危害性、暴露度、脆弱性和风险,Sw为经过标准化[33]处理的SST,W为经过标准化处理的风速,CDIN为经过标准化处理的NO3-N浓度,CDIP为经过标准化处理的PO4-P浓度,Ta为经过标准化处理的SST线性变化趋势,Sol为经过标准化处理的表面净太阳辐射,S为敏感性,由叶绿素a浓度经标准化处理得到;A为适应性,A=Zmix,Zmix为混合层深度,同样经过标准化处理;a1～7为权重系数。计算结果采用自然断点法[34]划分为5个等级。

2 结果与分析

2.1 主要致灾因子危害性评估

根据致灾因子危害性评估方法,计算得到长江口及邻近海域在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)不同时间段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的致灾因子危害性空间分布差异(图1)。

图1 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世纪近期、中期、末期长江口及邻近海域浮游植物生态致灾因子危害性空间分布Fig. 1 Spatial distributions of phytoplankton ecology hazard in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分别为RCP 2.6情景下21世纪近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)致灾因子危害性,(d)—(f)为RCP 4.5情景,(g)—(i)为RCP 8.5情景。

由图1(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态致灾因子危害性总体为中等,空间分布较为均匀;到21世纪50年代,致灾因子危害性有所上升,上升区域主要在北麂列岛附近海域,有较高危害性;到21世纪90年代,致灾因子危害性有所下降,总体危害性较低,这种变化可能主要受营养盐浓度下降和平均风速上升影响。

由图1(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态致灾因子危害性总体为中等,与RCP 2.6情景相似;到21世纪50年代,致灾因子危害性有所上升,上升幅度随纬度增加而增大,长江河口附近有较高危害性;到21世纪90年代,致灾因子危害性进一步上升,海域总体处于高危害性影响下,高值区主要出现在舟山群岛附近海域。

由图1(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态致灾因子危害性总体为中等,与RCP 2.6情景相似;到21世纪50年代,海域总体致灾因子危害性快速上升至高等;到21世纪90年代,致灾因子危害性大幅度增加,该海域浮游植物总体处于极高危害性影响下,这种变化可能主要受海温快速上升的影响。

2.2 暴露度评估

根据承灾体暴露度评估方法,计算得到长江口及邻近海域浮游植物生态在不同气候情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)未来不同时间段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的暴露度空间分布差异(图2)。

图2 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世纪近期、中期、末期长江口及邻近海域浮游植物生态暴露度空间分布Fig. 2 Spatial distributions of phytoplankton ecological exposure in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分别为RCP 2.6情景下21世纪近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)暴露度,(d)—(f)为RCP 4.5情景,(g)—(i)为RCP 8.5情景。

由图2(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态暴露度整体较小,高暴露度区域主要为长江河口附近;到21世纪50、90年代,长江口及附近海域浮游植物生态暴露度空间分布特征与21世纪30年代类似,变化幅度较小。

由图2(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域整体暴露度较小;到21世纪50年代,暴露度明显增加,高值区主要在长江口31°—32°N,121°—123°E范围内,并向南延伸与岸线平行呈带状分布;到21世纪90年代,与21世纪50年代相似的空间分布格局下,暴露度略有增加。

由图2(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物整体暴露度较小;21世纪50年代暴露度明显增加,高值区主要在长江口31°—32°N,121°—123°E范围内,并向南延伸与岸线平行呈带状分布;21世纪90年代,暴露度进一步剧增,几乎整个海域都处于很高的暴露度环境中,该海域多年升温明显,且光照充足,有利于赤潮暴发。

2.3 脆弱性评估

根据承灾体脆弱性评估方法,计算得到长江口及邻近海域浮游植物生态在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)不同时间段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的脆弱性空间分布差异(图3)。

图3 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世纪近期、中期、末期长江口及邻近海域浮游植物生态脆弱性空间分布Fig. 3 Spatial distributions of phytoplankton ecological vulnerability in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分别为RCP 2.6情景下21世纪近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)脆弱性,(d)—(f)为RCP 4.5情景,(g)—(i)为RCP 8.5情景。

根据定义,脆弱性由敏感性和适应性两部分构成,而敏感性由表征浮游植物丰度的叶绿素a浓度决定,适应性与海水混合层深度有关。由于CMIP5模式预估的长江口及邻近海域叶绿素a浓度和混合层深度,在不同时期和不同情景下空间分布差异较小,故由两者计算得出的脆弱性空间分布也就趋于一致。总体上看,长江口及邻近海域浮游植物脆弱性由近岸向远岸呈递减分布,123°E附近以西海域基本处于很高脆弱性状态中。河口近岸海域由于富营养化程度高,导致浮游植物背景丰度较高,加上水深较浅,混合层深度小,水体中的藻类更容易受到充足的光照,并迅速增长,利于形成赤潮。

2.4 气候变化综合风险评估

根据承灾体综合风险评估方法,计算得到在不同情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)长江口及邻近海域浮游植物生态在未来不同时间段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的综合风险空间分布差异(图4)。

图4 在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,21世纪近期、中期、末期长江口及邻近海域浮游植物生态综合风险空间分布Fig. 4 Spatial distribution of comprehensive risks of phytoplankton ecology in Changjiang Estuary and adjacent waters in the near, mid and late 21st century under RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios(a)—(c)分别为RCP 2.6情景下21世纪近期(2030—2039年)、中期(2050—2059年)和末期(2090—2099年)综合风险,(d)—(f)为RCP 4.5情景,(g)—(i)为RCP 8.5情景。

由图4(a)至(c)可以看出,在RCP 2.6情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态的综合风险总体较小,较高风险区域主要为北部的长江入海口附近和南部的台州湾附近;到21世纪50、90年代,北部长江入海口附近高风险区有所发展,综合风险空间分布格局总体为近岸高远岸低。

由图4(d)至(f)可以看出,在RCP 4.5情景下,到21世纪30年代,长江口及邻近海域浮游植物生态综合风险整体较小;到21世纪50年代,综合风险明显增加,高风险区扩展到整个近岸海区内,与岸线平行呈带状分布;与21世纪50年代相似的空间分布格局下,21世纪90年代综合风险略有增加。

由图4(g)至(i)可以看出,在RCP 8.5情景下,到21世纪30年代长江口及邻近海域浮游植物生态综合风险整体较小;到21世纪50年代综合风险明显增加,高风险区扩展到整个近岸海区内,与岸线平行呈带状分布;21世纪90年代,综合风险进一步剧增,不仅高风险区域面积扩大,风险水平也将急剧上升,几乎整个近岸海域都处于很高风险环境中。高风险环境下,水环境恶化,容易引起浮游植物群落发生改变,藻华(赤潮、绿潮)时间提前,强度和频率增加,藻毒素产生,低氧区扩大,进而导致渔业资源锐减,生产力下降等严重后果[20]。

未来气候与海洋持续变暖的情景下,海洋的持续变暖使得长江口及邻近海域的温暖期变长,即春、秋季的物候分别提前与延后结束,这可能使浮游动物群落春季优势种的演替时间更为提前,有利于赤潮等生态灾害的发生[35]。此外,硅藻和甲藻对温度和营养盐(氮、磷及其比值)变化的响应模式不同:硅藻偏好低温和高营养盐,而甲藻对温度和营养盐相对不敏感,但倾向于低磷和高氮磷比的环境。上述生态位特性差异决定了升温以及富营养化引起的高氮磷比值都会促进甲藻的快速生长[36]。浮游植物群落结构的改变又会影响浮游动物群落结构的变化,主要表现为温水种和多数暖水种的地理分布北移,优势种季节性演替的提前,例如温水性或暖水性群落向亚热带群落的更替时间提前,并影响其对浮游植物的摄食压力,从而带来与鱼类产卵场饵料供给变化有关的风险[37]。这将严重威胁海洋生态系统的健康和海洋食品安全。

3 结论

本研究基于IPCC气候变化风险理论框架,构建了河口浮游植物生态系统的气候变化综合风险评估体系,并利用IPCC CMIP5地球系统模式数据,计算分析了长江口及邻近海域浮游植物生态在不同气候情景下(RCP 2.6、4.5、8.5)未来不同时间段(2030—2039、2050—2059、2090—2099年)的致灾因子危害性、承灾体暴露度和脆弱性,以及气候变化综合风险,得到以下主要结论:

(1)致灾因子危害性的分析表明,在RCP 2.6、4.5、8.5情景下,到21世纪中期,致灾因子危害性均有明显上升,但到21世纪末期,RCP 2.6情景下有所下降,而RCP 4.5、8.5情景尤其是后一种情景下该海域浮游植物致灾因子危害性将有显著增加。

(2)在RCP 2.6情景下,长江口及邻近海域暴露度基本为中等以下,暴露度高值区主要集中在长江口31°—32°N,121°—123°E范围内,并向南延伸与岸线平行呈带状分布,主要受升温区分布的影响;在RCP 4.5和8.5情景下,未来长江口及邻近海域暴露度将快速上升,特别是在RCP 8.5情景下,21世纪末期,几乎整个海域的浮游植物都将处于很高暴露度环境中。脆弱性评估分析显示,长江口及邻近海域浮游植物脆弱性的空间分布差异较小,总体呈现近岸高远岸低的分布特征,其中,123°E附近以西海域总体处于很高脆弱性的状态下。

(3)在RCP 2.6、4.5和8.5情景下,未来长江口及邻近海域浮游植物生态综合风险呈现近岸高远岸低,且有增加的趋势,但以8.5情景最为明显。到21世纪末期,该海域浮游植物生态总体综合风险等级将上升为很高,可能暴发赤潮的海域面积将会扩大,同时赤潮强度和频率可能上升。

为了降低长江口及邻近海域浮游植物的脆弱性和减小气候变化影响的风险,需要从整体海洋生态系统的角度出发,采取一系列措施。如,加强陆海统筹,严控围填海规模、污染物排海和过度捕捞,降低近岸海域富营养化。这样可以减轻海洋生态系统的破坏和富营养化现象的加剧,从而降低浮游植物面临的生存压力;增强浮游植物生态系统的气候恢复力,通过加强科学研究,了解浮游植物生态系统在气候变化下的适应能力和响应机制,制定针对性的保护措施,减少赤潮生态灾害的发生频次,维护海洋生态系统的健康。