本刊記者　汲曉奇　通訊員　竺可欣

激活海洋意識從關(guān)注近海環(huán)境開始
——記衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室近海動力與生態(tài)環(huán)境團隊

本刊記者汲曉奇通訊員竺可欣

機緣巧合，跟隨近海生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)研究的腳步

時光回溯到20世紀90年代末，我國的海洋科研環(huán)境并不理想，國民的海洋意識薄弱，國家對海洋研究的投入也較少，直到1999年，那一年有兩個海洋“973”項目立項，才有更多的投入轉(zhuǎn)向海洋環(huán)流和海洋生態(tài)研究，而國家海洋局第二海洋研究所正是參加這兩項“973”的主力之一。周鋒研究員回憶初到海洋二所讀研究生時，多少有些感慨。他說如果沒有那時候看到的海洋事業(yè)的一絲希望，要在這個崗位長期從事海洋科學(xué)研究幾乎是不可能實現(xiàn)的任務(wù)。

從國內(nèi)外海洋發(fā)展的現(xiàn)狀看，海洋問題中有兩個熱點：一是近海環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)，二是海洋環(huán)流與氣候變化。為什么要關(guān)注近海環(huán)境呢？世界有40%的人居住距離海洋線100公里范圍內(nèi)，人口密度非常大。美國30%的石油和20%的天然氣生產(chǎn)均來自近海及毗鄰海域。在我國，沿海地區(qū)以13%的國土面積創(chuàng)造了60%以上的國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值。海洋的產(chǎn)出影響我們的生活、生產(chǎn)和經(jīng)濟。近海不光是生活居住的主要場所，也是海洋食物的主要來源。很多經(jīng)濟魚類都是在近岸的水域產(chǎn)卵回游，很多養(yǎng)殖場也都在近海。相反，海洋災(zāi)害則會給旅游、交通、漁業(yè)等經(jīng)濟的多個方面帶來損失。

我們對于海洋的興趣從來沒有像今天這樣高，國民海洋意識的喚醒只是最近幾年的事情。譬如，上世紀70年代以前，很少有人關(guān)注南海島嶼，現(xiàn)在各國對彈丸島礁都突然熱衷起來，爭的無非就是島礁周圍與毗連海域的海洋資源。所以，海洋成為沿海國家核心利益的說法并不過分；而近海又是離人類活動最近的海域。

然而，近海在接受人類日益增長的索求的時候，也在承受著過度捕撈、圍海造田、富營養(yǎng)化、酸化等多重壓力。

在支撐近海海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的研究中，衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室近海動力與生態(tài)環(huán)境團隊近期正從事一項“近海底層水體缺氧”的研究。什么是“缺氧”？以人為例，人呼吸需要氧氣，但到了高原地區(qū)，有些人就會不適應(yīng)，甚至出現(xiàn)高原反應(yīng)，高原反應(yīng)是對于氣壓和氧氣濃度變化的人體反應(yīng)。不同的人對氧氣濃度的適應(yīng)性有一些差異。在海洋里，海洋動物們也需要氧氣，多數(shù)魚類要求氧氣濃度高，而海洋無脊椎動物對氧氣的要求相對低。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，海水中的溶解氧濃度低于2mg/l時會使大多數(shù)魚類難以生存；如果低至0.5mg/l，則連耐氧能力較強的底棲海洋生物也難以存活。嚴重缺氧的海域又被稱為海洋中的“死亡區(qū)”，海水如果處于長時間氧氣不充足的情況就會發(fā)生海洋災(zāi)害。

在廣袤的海洋中，情況會更為復(fù)雜。因為海洋是立體的、變化的、流動的，海洋與大氣、河流和沉積物存在交換；海洋中還有浮游植物，浮游植物通過光合作用可以產(chǎn)生氧氣，也可以通過呼吸作用消耗氧氣。氧氣被消耗后可能會緩解。那么，什么時候形成災(zāi)害？什么時候又不是災(zāi)害？形成災(zāi)害之后又會如何變化？如何降低災(zāi)害發(fā)生的概率？這些問題都是海洋科研人員亟需回答近海生態(tài)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的時空變化特征和機制。

管中窺豹，以缺氧為起點關(guān)注近海環(huán)境可持續(xù)發(fā)展利用

近海環(huán)境存在很多問題，有些與人類影響有關(guān)，缺氧是其中之一。缺氧又與其他現(xiàn)象如富營養(yǎng)化、赤潮、酸化等聯(lián)系在一起，因此是撬開海洋芝麻之門的鑰匙之一。氧氣對于海洋動物不可或缺。水中氧氣的來源有兩個：一個是從空氣中來，溶解到上層水中，再通過上下層水交換，使整個水體布滿氧氣；另一個來源是來自海洋植物的光合作用。那氧氣是如何被消耗掉的呢？與光合作用相對的有浮游植物的呼吸作用消耗氧氣；特別是它們在死亡分解過程中需要消耗氧氣。

冬天氣溫低，海水的垂向?qū)α鹘粨Q過程比較頻繁，空氣中的氧氣溶解到上層后會慢慢被交換到下層；但到了夏天情況就不同了，上層水體隨著大氣增溫比較快，下層水增溫比較慢，在上下層之間形成了一個障礙層。另外，夏天來自河流的淡水多，淡水輕，海水重，重的在下面，輕的在上面，又增強了這個障礙層。有了這個障礙層，溶解在上層的氧氣很難交換到下層水中。下面的水中氧氣被消耗之后氧氣的補充比較慢，經(jīng)過幾天或者兩三周的累積之后就會發(fā)生缺氧。

“我們研究的就是：長江的淡水去向哪里？障礙層什么時候開始？障礙層什么時候會增強？氧氣什么時候被消耗？消耗的速率和補充的過程怎么樣？整個時間需要多久……”周鋒概括地介紹團隊的工作。海洋空間范圍比較大，海水始終在流動，相對湖泊和水塘而言缺氧比較難發(fā)生。水交換會對缺氧海域進行補充。但也有反面的情況會加劇缺氧，比如流動過來的水氧含量比較少。在東海邊緣，有一個世界聞名的洋流叫黑潮。黑潮在東海的陸架邊緣經(jīng)過，會通過多種方式和路徑入侵到近海，而且量很大，入侵在陸架邊緣大概是長江的50倍左右，向內(nèi)有所減少。入侵的黑潮主要來自比較深的層次，水體中的含氧量少。當(dāng)這種特征的水流到長江口，與當(dāng)?shù)厍闆r結(jié)合，缺氧就更容易發(fā)生。

長江口的缺氧在很多次的實地考察中被證實，很多科學(xué)家在其中做了扎實的工作。觀測在海洋研究中具有非常重要的地位。只有在一線現(xiàn)場，才能了解海洋最真實的情況，特別是水面下的海洋變化過程在實驗室中很難準確的感受到。近海動力與生態(tài)環(huán)境團隊在過去十幾年中，圍繞缺氧實施了多種方式的觀測，既有連續(xù)觀測長達數(shù)月的浮標錨系調(diào)查，也有即到即測而觀測范圍較廣的大面調(diào)查。這樣的觀測反復(fù)了好多年，逐漸發(fā)現(xiàn)東海缺氧的復(fù)雜變化中既有短至一天的變化，也有幾天與幾周的變化，也有不同年份間的明顯差別。在這些年中，一起參加缺氧研究的既有物理海洋、海洋化學(xué)、海洋生物，也有衛(wèi)星遙感的專業(yè)人士，這正是近海動力與生態(tài)環(huán)境團隊的特色。不同學(xué)科的人，各自發(fā)揮自己的獨門絕技，用不同方法了解近海環(huán)境所經(jīng)歷的時空變化以及背后的原因?，F(xiàn)在的海洋研究，“需要不同學(xué)科共同協(xié)作，不是單憑一己之力就可以實現(xiàn)大跨步前進的。”

海洋研究另一個特點是費時費錢。到海上進行現(xiàn)場觀測，需要租用船只和設(shè)備，費用少則幾萬元一天，多則二十幾萬一天。即便如此，取回來的資料可能也只是反映某一個時間段的特征，而不是現(xiàn)象的全部特征。就像盲人摸象，雖然每個盲人摸到的都是大象真實的一面，但以點代面還是無法體現(xiàn)大象整體特征的，所以盲人們都沒有做出正確的判斷。海洋研究也是如此，只有經(jīng)過長期的培訓(xùn)專業(yè)人士，對科考資料進行大量的系統(tǒng)分析，才可能做出合理的判斷，找出隱藏其中的真正規(guī)律。這些年，科技部的“973”、國家自然科學(xué)基金委和國家海洋局的公益項目都先后支持了缺氧研究，為資料的長期積累提供了有力的經(jīng)費保障。

另外，獨立的研究視角和多種分析手段，對挖掘真相也是很有幫助的。目前，該團隊一方面在觀測上更加細致和多學(xué)科更多地相互補充；另一方面，也正在研究如何把氧氣的補充過程和消耗過程簡化，構(gòu)建簡單的物理模型，濃縮為數(shù)學(xué)公式，再用計算機進行模擬。這樣做的好處是既不脫離海洋的實踐經(jīng)驗，又能大大節(jié)約了研究成本，有一些想法可以直接在計算機上測試或者實現(xiàn)。通過這種方法，研究人員就能知道哪些地方缺氧，何時發(fā)生，影響的面積有多大……“這樣我們可以大概有個估算，大致了解哪些地方需要重點關(guān)注，方便以后到現(xiàn)場做調(diào)查時有針對性地觀測”。

深耕細作，探討人類活動和自然變化對近海的雙重影響

近海是“家門口的海洋”，既連接著陸地，又與大洋相連。陸地的影響通過徑流、排污、養(yǎng)殖活動甚至大氣等方式影響近海，大洋則可以通過調(diào)節(jié)氣候變化、海洋環(huán)流、形成極端天氣等方式來影響近海。因此，近海受人文活動和自然過程雙重調(diào)節(jié)的特征是相當(dāng)明顯的，也一貫以來受到世界海洋大國的重視，也是該團隊研究的核心區(qū)域。

在近期一個浙江省自然科學(xué)杰出青年基金項目“東?？珀懠芙粨Q過程、機理及其對近海缺氧的影響”中，該團隊就希望進一步了解東海陸架邊緣交換過程和關(guān)鍵機理，弄清黑潮入侵對近海的生態(tài)影響。在已經(jīng)積累了一定基礎(chǔ)的立體觀測方式上，進一步建立東海陸架的生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模式，了解物理、生物和化學(xué)的耦合過程，更加明確近海底層水體缺氧現(xiàn)象的關(guān)鍵機理及其對生態(tài)鏈的影響。相對于早期的單純以動力過程為主的研究方式，目前的研究更加注重多學(xué)科的交叉，而在研究中考慮了海洋動植物的生命過程之后，也使得研究的難度加大。

在此之前，近海動力與生態(tài)環(huán)境團隊已經(jīng)積累了大規(guī)模的觀測資料并發(fā)展了先進的平臺監(jiān)測能力。未來，還需要在生態(tài)環(huán)境變化領(lǐng)域?qū)で笮碌耐黄?，發(fā)展出不僅適用于近海環(huán)境短期過程變化，也能對其長期變化和年際差異進行解釋的生態(tài)模式，在此基礎(chǔ)上，為合理使用海洋資源提供科學(xué)依據(jù)。