馮晟霖，鄒嘉澍，蘇玉萍,2，Balaji Prasath BARATHAN,2，Zahir MUHAMMAD，林雄生

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院、碳中和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省河湖健康研究中心(福建師范大學(xué))，福建 福州 350007；3.平潭綜合實驗區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，福建 平潭 350400)

赤潮的形成是諸多因素綜合作用的結(jié)果，涉及相應(yīng)海域的生物、化學(xué)、物理、水文、氣象等多方面因素.赤潮的形成大體上包含以下幾個因素：一是赤潮生物，赤潮暴發(fā)的內(nèi)因是赤潮生物，一旦海水中的一項或多項理化指標滿足其繁殖所需要的條件，赤潮生物將在短時間內(nèi)達到驚人的繁殖和生長速度[1].二是水文氣象條件，水文氣象條件在一定程度上加強了水體的交換，促進水中營養(yǎng)物質(zhì)的擴散，對赤潮生物的快速繁衍和聚集起到了促進作用，是赤潮暴發(fā)與持續(xù)的重要因素[2-3].三是全球生態(tài)變化，生態(tài)系統(tǒng)在一定條件下處于平衡狀態(tài)，當平衡的某些因素發(fā)生變化導(dǎo)致平衡被打破時，將在一定程度上促進赤潮的形成[4].

甲藻是一種能夠在淡水與海洋中形成水華與赤潮的單細胞植物，因甲藻引起的水華或赤潮會對水體產(chǎn)生嚴重危害，加劇水質(zhì)污染進而導(dǎo)致水生動植物大面積死亡.由于不同甲藻個體之間存在差異性，因此針對影響不同甲藻生長的環(huán)境因子及其赤潮暴發(fā)后時空分布的研究被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注.Tomoyuki等[5]對甲藻門米氏凱倫藻的研究發(fā)現(xiàn)，米氏凱倫藻一天之內(nèi)最多能夠垂直遷移20 m從而能在廣泛的深度范圍內(nèi)獲取營養(yǎng)物質(zhì)，其洄游距離與水華消退的天數(shù)呈正相關(guān)，與垂直分層呈負相關(guān).在其對甲藻門亞歷山大藻的研究中，通過系統(tǒng)化對比赤潮發(fā)生前后的水質(zhì)與氣象數(shù)據(jù)來確定引起赤潮發(fā)生所需的環(huán)境條件，其中包括降水、光照、水溫、海水鹽度、無機氮(DIN)與無機磷(DIP)等環(huán)境影響因素[6].LI等[7]對中國黃海沿岸甲藻赤潮的研究指出，無機氮的過度富集以及海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為了甲藻赤潮在黃海沿岸占主導(dǎo)地位的兩個主要驅(qū)動因素，氮磷比與氮硅比的變化將導(dǎo)致浮游植物群落和赤潮主要成因物種的變化.杜雨欣等[8]研究指出，不同氮源對淡水多甲藻生長同樣具有影響，相比無氮處理其細胞密度顯著升高且在尿素環(huán)境中具有更高的生物量和比生長率.Lin等[9]研究表明，甲藻門東海原甲藻在局部空間大規(guī)模繁殖時，對破壞浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有危害效應(yīng).高波等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生甲藻分布量增加、硅藻減少時，會導(dǎo)致赤潮發(fā)生的頻率增加；Lin等[9]研究表明，東海原甲藻在局部空間大規(guī)模繁殖時，對破壞浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有危害效應(yīng).

因此，赤潮生物作為赤潮暴發(fā)的內(nèi)因，其在海域中的時空分布與赤潮的暴發(fā)是密切相關(guān)的.研究赤潮藻類的時空分布和生態(tài)演替是進行赤潮預(yù)警研究的一個重要基礎(chǔ)，對赤潮的防控具有重要現(xiàn)實意義.

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究區(qū)地理位置

福建省地處中國東南部沿海，海域面積136 000.0 km2，海岸線長度總計3 752.0 km，分布有閩東、中、南和閩外四大漁場，是我國的海洋資源大省.平潭綜合實驗區(qū)坐落于福建省東部，東面與臺灣海峽隔海相望，所屬島礁眾多.

平潭，簡稱“嵐”，當?shù)厝怂追Q為海壇，與平潭綜合實驗區(qū)一同實行“政區(qū)合一”的管理體制.平潭綜合實驗區(qū)位于119.53°～120.17°E，25.25°～25.75°N之間，島嶼眾多，陸地總面積371.9 km2，海域面積6 064.0 km2.其主島被稱為海壇，島上南北方向的地勢較高，海岸線長408.7 km，島嶼面積324.1 km2，是面積排名全國第五、福建省第一的大島[11].平潭島中部以平原為主，東北有風(fēng)口，南部則多為低丘，其地勢的獨特性使平潭島有著特色鮮明的氣候[12].本文以福建省平潭綜合實驗區(qū)所轄海域為研究對象開展研究.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2011—2021年福建省海洋與漁業(yè)局、福建省海洋預(yù)報臺所發(fā)布的《福建省海洋災(zāi)害公報》和《福建沿海赤潮發(fā)生條件預(yù)測》中所記錄的赤潮事件資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)，收集整理了共計42起赤潮災(zāi)害過程.赤潮信息主要包括赤潮發(fā)生與消亡時間、發(fā)生地點、受災(zāi)面積、生物優(yōu)勢種及其密度、是否產(chǎn)毒或有毒害作用和造成的直接經(jīng)濟損失.

同時，本文整理統(tǒng)計了福建省海洋與漁業(yè)監(jiān)測中心提供的2013—2021年6個監(jiān)測站位的海洋赤潮監(jiān)測有效數(shù)據(jù)樣本，平潭海域監(jiān)測站位共計12個，2013—2018年平潭海域監(jiān)測站位一致，共計6個；2019年以后監(jiān)測站位數(shù)量不變，經(jīng)緯度略有變化.赤潮監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)數(shù)據(jù)(水溫、鹽度、溶解氧、表觀增氧量、葉綠素a、pH)、海水中總藻密度、優(yōu)勢藻密度(浮游植物細胞密度)以及氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、降水、氣溫)等10個指標.

1.3 研究方法

本文的數(shù)據(jù)分析處理主要采用統(tǒng)計學(xué)分析方法，作圖和數(shù)據(jù)分析工具為Origin 2019b 64Bit、Excel 2016和Photoshop.其中數(shù)據(jù)歸一化處理的工作主要在Excel 2016中完成，Origin 2019b 64Bit、Photoshop主要用于制圖及圖片調(diào)整.

2 結(jié)果與討論

2.1 福建海域赤潮時空分布特征

2015—2021年福建海域共發(fā)生赤潮42起，赤潮暴發(fā)在年際變化上存在較大的波動(如圖1)，將2015—2021年的赤潮暴發(fā)數(shù)據(jù)按照不同月份進行分類疊加，得到2015—2021年各年份當月赤潮暴發(fā)次數(shù)、赤潮累計影響時間與赤潮累計影響面積的總和并加以分析.在暴發(fā)頻次方面：2019年的赤潮暴發(fā)次數(shù)最多，達到9次.在赤潮累計影響時間上，2015—2021年總體波動較大，其中2019年赤潮累計影響時間最長，達到57 d，2019年后赤潮的累計影響時間逐年下降，2021年赤潮累計影響時間最短，為11 d.

福建沿海發(fā)生的赤潮具有季節(jié)性規(guī)律[13]，赤潮多集中和發(fā)生在春、夏季，秋、冬季的發(fā)生頻率則較低.4月是福建沿海赤潮高發(fā)期的起始，5-6月達到峰值，7月后進入減退期，赤潮暴發(fā)頻次和面積在季節(jié)變化上表現(xiàn)出明顯的單波峰特征[14].如圖2所示，2015—2021年福建沿海的赤潮暴發(fā)主要集中在4-6月，5-6月屬于福建沿海被西南暖濕氣流影響最嚴重的時期，沿海的濕度增加，水溫升高，為赤潮的發(fā)生創(chuàng)造了良好的條件[15-16].4-6月大量氮磷污染物隨降水地表徑流匯入海洋，造成近岸海域營養(yǎng)鹽含量急劇上升，加劇了海洋富營養(yǎng)化，藻類生物的繁殖顯著增加，容易引起赤潮[17-18].由于2015年9月在泉州圍頭灣海域暴發(fā)了一次球形棕囊藻赤潮，影響面積為150.0 km2，因此在9月份時赤潮累計影響面積出現(xiàn)大幅回升.

圖1 2015—2021年福建海域逐年赤潮發(fā)生情況Fig.1 Annual occurrence of red tides in Fujian coastal waters from 2015 to 2021

圖2 2015—2021年福建海域不同月份赤潮發(fā)生情況Fig.2 Occurrence of monthly red tides in Fujian coastal waters from 2015 to 2021

圖3 2015—2021年福建各市海域赤潮暴發(fā)情況Fig.3 Outbreak of red tides in the coastal waters of districts and cities in Fujian from 2015 to 2021

福建沿海赤潮具有空間分布不均衡特征[19].如圖3所示，2015—2021年，福州、泉州和寧德的暴發(fā)頻次分別達13、11、11次，合計占赤潮暴發(fā)總數(shù)的83.3%；累計影響時間分別為77、53、85 d，合計占總時間的81.1%；累計影響面積分別為74.5、235.2、206.0 km2，合計占總影響面積的75.9%.近岸海域污染帶是導(dǎo)致福建省赤潮暴發(fā)區(qū)域差異的主要影響因素之一，大部分赤潮集中暴發(fā)在泉州及其以北地區(qū)的河口、海灣及上升流區(qū)[20].

2.2 平潭海域藻類和赤潮優(yōu)勢種類特征

對2015—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域連續(xù)監(jiān)測水樣的優(yōu)勢藻密度數(shù)據(jù)進行了整理分析[21-23].平潭綜合實驗區(qū)海域優(yōu)勢種由4門50種生物組成，以硅藻和甲藻居多.根據(jù)檢出次數(shù)降序排列，如表1所示：硅藻門38種，檢出次數(shù)占比77.6%；甲藻門10種，檢出次數(shù)占比18.6%；定鞭藻門1種，檢出次數(shù)占比0.1%，原生動物門1種，檢出次數(shù)占比3.7%.

圖4為2015—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域優(yōu)勢種藻類檢出占比前十的生物.中肋骨條藻、東海原甲藻、旋鏈角毛藻、柔弱菱形藻、紅色中縊蟲、布氏雙尾藻、米氏凱倫藻等7種生物的檢出次數(shù)超過20次，合計占總次數(shù)的81.1%；中肋骨條藻和東海原甲藻的檢出次數(shù)均超過100次，合計占總次數(shù)的59.5%.在藻密度數(shù)量上，中肋骨條藻、東海原甲藻、旋鏈角毛藻和柔弱菱形藻等4種生物的平均密度超過1.0×105L-1，藻密度數(shù)量范圍在7.6×102～4.6×106L-1；平均檢出密度最高的為柔弱菱形藻，其藻密度數(shù)量范圍在7.6×102～2.4×106L-1.

圖4 2015—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域檢出占比前10的生物Fig.4 Top 10 organisms detected in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone from 2015 to 2021

表1 2015—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域優(yōu)勢藻生物種類Tab.1 Dominant algae species in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone from 2015 to 2021

圖5 2021年平潭綜合實驗區(qū)海域監(jiān)控點位優(yōu)勢藻春、夏季演替規(guī)律Fig.5 Succession pattern of dominant algae in spring and summer at monitoring points in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone in 2021

圖5為平潭綜合實驗區(qū)海域2021年春、夏季優(yōu)勢藻演替規(guī)律.從圖5可以看出，2021年春季到夏季呈現(xiàn)出較為明顯的藻類演替規(guī)律，其中春季各點位水樣中甲藻、硅藻、其他藻類及原生動物等在監(jiān)測水樣中均占有一定的比例；到夏季，甲藻和其他藻類及原生動物所占比例開始下降，硅藻門逐漸占據(jù)優(yōu)勢位.在優(yōu)勢藻種類方面，東海原甲藻在甲藻門中占據(jù)優(yōu)勢，同時還包括夜光藻、米氏凱倫藻、錐狀斯克里普藻等；硅藻門中占據(jù)優(yōu)勢位的藻類生物為柔弱擬菱形藻、中肋骨條藻、具槽直鏈藻等.呂頌輝等[24]研究表明，因甲藻與硅藻對硅、氮、磷的儲存利用能力不同，高氮硅比的環(huán)境條件更有利于甲藻的生長，從而導(dǎo)致浮游植物優(yōu)勢種的轉(zhuǎn)變.

2.3 平潭海域甲藻赤潮時空特征

2011—2021年，平潭綜合實驗區(qū)海域赤潮發(fā)生情況如表2所示.2011—2021年近11年間平潭綜合實驗區(qū)所轄海域共發(fā)生赤潮12起，其中2012—2013年赤潮發(fā)生次數(shù)居多，各發(fā)生了3起，屬近11年中最多.持續(xù)時間最長和影響面積最大的赤潮事件均發(fā)生于2012年，持續(xù)時間和影響面積分別達到13 d和80.0 km2.但近5年來，平潭綜合實驗區(qū)僅2017年、2019年各發(fā)生了1起赤潮，影響面積分別為2.0、3.5 km2，赤潮暴發(fā)的次數(shù)、持續(xù)時間和影響面積呈現(xiàn)較大的下降趨勢.

2011—2021年，平潭海域引發(fā)赤潮的生物種類為夜光藻、東海原甲藻、米氏凱倫藻，均為甲藻門.在平潭東部的上升流區(qū)域，上升流會將底部豐裕的營養(yǎng)物質(zhì)和孢囊種源運輸至上層水體中，使生物繁殖過程得到支持，該因素被推測是甲藻赤潮暴發(fā)的一個重要原因.首先由夜光藻所引起的赤潮事件最多，共計有7次.平潭海域是夜光藻赤潮出現(xiàn)最頻繁的海域，其后是霞浦的三沙和四礵列島海域.雖然陸源污染為平潭海域帶來較大的影響，但該海域存在的上升流卻為表層水體帶來了豐富的物質(zhì)和生物條件，使其具備了營養(yǎng)物質(zhì)和種源，增加了赤潮暴發(fā)的概率.其次為東海原甲藻4次，米氏凱倫藻2次，其中2019年暴發(fā)的一次東海原甲藻和米氏凱倫藻雙相型赤潮對平潭綜合實驗區(qū)海洋漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)造成了3 100萬元的直接經(jīng)濟損失.趙艷民等[25]在對長江口及其臨近海域赤潮研究中指出，在5月到6月水溫處于東海原甲藻適溫范圍內(nèi)(18.0～28.2 ℃)，有利于東海原甲藻赤潮的暴發(fā).

從表2可以看出，平潭綜合實驗區(qū)海域2011—2021年間，2015、2018、2020、2021年未有赤潮發(fā)生記錄.赤潮暴發(fā)主要集中在春季和夏季的4-6月份，其中高發(fā)期為5月份.赤潮年際變化受到人類活動、全球氣候異常和海洋水動力變化等多種因素的影響.海運業(yè)的蓬勃發(fā)展，為赤潮生物的遷移提供了條件，船舶壓艙水攜帶某海區(qū)的赤潮生物后，可能排放在各地海域，造成當?shù)赝鈦沓喑鄙锏娜肭?工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水，最終流入海中，使得水體氮磷污染加劇，富營養(yǎng)化程度提高，對改變浮游植物群落結(jié)構(gòu)和赤潮優(yōu)勢種群的演替起到不可忽視的作用[26].閩江、九龍江、晉江等多條攜帶大量污染物的入海徑流均對福建沿海造成影響，加上受到不斷擴張的海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和羅源灣、廈門灣、湄洲灣等臨港工業(yè)的發(fā)展影響，海域富營養(yǎng)化加劇以及營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化等問題，是赤潮優(yōu)勢類群由硅藻向甲藻演變的主要推動力[27-28].

2.4 平潭海域浮游植物分布與環(huán)境影響因子分析

水文、氣象等環(huán)境因子的變化是導(dǎo)致赤潮暴發(fā)的重要原因[29-30].本節(jié)對平潭綜合實驗區(qū)海域2013—2021年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象歷史資料，初步篩選剔除后對其進行相關(guān)性分析和主成分分析，篩選出與浮游植物細胞密度相關(guān)性較高的環(huán)境因子.表3為2013—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域浮游植物優(yōu)勢種為甲藻門生物時各項指標的Pearson相關(guān)系數(shù).Pearson相關(guān)分析的結(jié)果顯示，浮游植物細胞密度與葉綠素a有顯著正相關(guān)關(guān)系，而葉綠素a與溶解氧、表觀增氧量指標、氣溫呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，將這些篩選出的環(huán)境因子輸入BP預(yù)警模型中演算，對平潭海域赤潮暴發(fā)進行預(yù)警[31].

表2 2011—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域赤潮發(fā)生情況Tab.2 Occurrence of red tides in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone from 2011 to 2021

表3 2013—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域各指標Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.3 Pearson correlation coefficients of each indicator in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone from 2013 to 2021

圖6 2013—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域各指標主成分分析結(jié)果圖Fig.6 Principal component analysis results of each indicator in the coastal waters of the Pingtan Comprehensive Experimental Zone from 2013 to 2021

對2015—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域浮游植物優(yōu)勢種為甲藻門生物時各項指標進行主成分分析，結(jié)果如表4、圖6所示.從表4所述的9項指標中提取的前5個主成分的累計貢獻率達到86.3%，證明前5個主成分可以用于代替原有環(huán)境因子變量，具有極高的可靠性，對變量無法解釋的情況的方差為13.7%.同時，第一主成分和第二主成分的合計貢獻率為56.4%，超過了50.0%，說明樣本數(shù)據(jù)的降維情況總體較為理想.同時，根據(jù)貢獻率較高的第一、第二主成分的系數(shù)向量矩陣(表4)及各環(huán)境因子在第一、第二主成分中的貢獻率圖，第一主成分貢獻率較高的指標有水溫、氣溫、鹽度、溶解氧，向量系數(shù)分別為0.497、0.452、0.344、-0.484；第二主成分的貢獻率上，對其貢獻率較高的指標有表觀增氧量、葉綠素a和pH，它們的向量系數(shù)分別為0.529、0.441、0.439.

表4 各指標主成分分析特征向量矩陣Tab.4 Eigenvector matrix of the principal component analysis of each indecator

3 結(jié)論

(1)2021年平潭綜合實驗區(qū)海域連續(xù)監(jiān)測結(jié)果的分析表明，該海域浮游植物由4門50種生物組成，以硅藻和甲藻居多：硅藻門38種，占比77.6%；甲藻門10種，占比18.6%.冬末、春季到夏季，平潭海域的浮游植物呈現(xiàn)硅藻-甲藻-硅藻的演替規(guī)律.

(2)2011—2021年，平潭綜合實驗區(qū)海域共發(fā)生了12起赤潮，優(yōu)勢種類為甲藻門夜光藻(Noctilucascintillans)、東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)和米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)，夜光藻赤潮的暴發(fā)次數(shù)最多，占暴發(fā)總次數(shù)的58.3%；2019年，平潭蘇澳附近海域暴發(fā)東海原甲藻和米氏凱倫藻雙相赤潮，東海原甲藻最高細胞密度達到7.8×106L-1，米氏凱倫藻最高密度達到3.0×106L-1，赤潮暴發(fā)的地點主要集中于北部的蘇澳碼頭、流水碼頭和中部的龍王頭附近海域.

(3)對2013—2021年平潭綜合實驗區(qū)海域氣象、水質(zhì)指標進行了Pearson相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果顯示浮游植物細胞密度和葉綠素a濃度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，而葉綠素a濃度與溶解氧濃度、表觀增氧量、氣溫呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；主成分分析結(jié)果表明，對第一主成分貢獻率較高的指標有氣溫、水溫、鹽度、溶解氧濃度，對第二主成分貢獻率較高的指標有葉綠素a濃度、pH和表觀增氧量，與Pearson相關(guān)分析的結(jié)果一致.