近日，南方科技大學環境學院副教授馮煉團隊在Nature發表題為“Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century”的研究論文，并選為當期封面文章。
該研究揭示了2003-2020年全球海岸帶藻華的整體增加趨勢，并量化了藻華發生頻率與海表溫度、海洋中尺度環流以及農業化肥施用、水産養殖等人類活動之間的潛在關系。
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浮遊植物是指在水中以浮遊生活的微藻類，當大量藻類細胞聚集在一起時會形成藻華(或赤潮)。藻華暴發會危及海洋生态系統，例如海水水質惡化、水體缺氧、魚類死亡，甚至能影響人類健康。目前，海洋赤潮已經成為危害海洋生态系統最嚴重的問題之一。
然而，基于現有的現場實測資料無法從全球尺度準确描述海岸帶藻華的時空動态狀況。本研究利用衛星遙感長時序、周期性、大範圍等觀測優勢，彌補了目前對全球海岸帶藻華變化趨勢的認知缺陷。
對此，研究團隊建構了海岸帶藻華的遙感全自動分類算法，并利用2003-2020年間76萬景日尺度美國MODIS衛星遙感資料，實作了全球海岸帶藻華的一緻性動态監測。
結果顯示，在所研究的153個鄰海國家中，有126個國家的海岸帶區域曾暴發過藻華（圖1）。全球藻華影響海域總面積達3147萬 km2，其中歐洲與北美洲占比最大，分别為952萬km2（30.3%）和678萬km2（21.5%）。
▲圖1 | 全球海岸帶浮遊植物藻華分布圖(2003-2020年)。a：基于MODIS Aqua遙感日尺度觀測資料的全球年平均藻華發生次數空間分布圖；b：基于全球和各大洲的藻華發生次數統計結果（SA：南美洲，AF：非洲，EU：歐洲，NA：北美洲，AS：亞洲，AU：澳洲）；c：各大洲受藻華影響面積的多年平均統計結果。其中，百分比數字表示各大洲藻華面積在全球的占比。
2003到2020年間，海岸帶藻華全球影響面積與發生頻率分别增加了13.2%與59.2%（圖2）。
- 在全球範圍内，六大沿岸洋流系統的藻華頻率增加最多，包括親潮、阿拉斯加洋流、加那利洋流、馬爾維納斯洋流、灣流和本格拉洋流。
- 在北半球低緯度（30°N以南）海域藻華呈減弱趨勢，如加利福尼亞流、阿拉伯海等區域；墨西哥灣北部和中國東南沿海區域的藻華呈現出增強的趨勢。
- 在高緯度地區，藻華減弱的現象主要發生在北大西洋的東北部海域以及北太平洋西北部的鄂霍次克海。此外，幾乎整個南半球的藻華頻率呈增加趨勢。
▲圖2 | 全球海岸帶浮遊植物藻華變化趨勢(2003-2020年)。a：全球1×1°格網尺度下藻華頻率變化趨勢的空間分布；b：藻華頻率年中值和全球藻華總面積的年際變化和趨勢。
海洋溫度和環流的變化會改變海洋分層狀态與營養物質的運輸，進而影響浮遊植物的生長和藻華的形成。研究分析了藻華暴發頻率與海洋表面溫度（SST）、海洋表面溫度梯度（▽SST，用來表征海洋中尺度洋流強度）的相關關系（圖3）。
結果顯示，在高緯度地區(40°N以北)，年平均藻華頻率與同期SST之間呈顯著正相關，如阿拉斯加洋流、親潮和波羅的海。藻華頻率與SST的變化趨勢在許多海域并不一緻, 例如熱帶與亞熱帶的藻華減弱區。
▲圖3 | 氣候變化對浮遊植物藻華的影響。a：2003~2020年▽SST變化趨勢分布；b：2003~2020年SST變化趨勢分布；c：a和b中虛線标記的區域内藻華頻率的長期變化，以及它們與 SST 和▽SST的關系。其中，S表示藻華頻率的線性斜率，r表示藻華頻率與SST和▽SST間的相關系數。
進一步分析顯示，海洋表面溫度梯度與藻華頻率呈現更為顯著的正相關，如加那利洋流、馬爾維納斯洋流、加利福尼亞洋流、本格拉洋流以及灣流。此外，亞熱帶東邊界上升流區域的藻華頻率趨勢與中尺度洋流的變化相一緻（加利福尼亞、本格拉和加那利洋流）。
在加利福尼亞洋流系統中，藻華頻率的降低可能是由于上升流減弱（表現為▽SST 降低和SST升高），進而導緻海底營養供應減少。相反，加那利和本格拉洋流的特點是上升流增強與藻華頻率增加。
高緯度地區的兩個西邊界流系統（馬爾維納斯和親潮），雖然上升流表現較不明顯，但其藻華的變化機制與亞熱帶東邊界流區域相似。然而，海洋中尺度洋流的變化是否受風、海洋分層、洋流切變等其他因素的影響還需要開展進一步的區域化研究。
全球極端氣候也對全球沿海藻華有一定影響。以多變量厄爾尼諾-南方濤動指數 (Multivariate El Niño–Southern Oscillation index, MEI) 為例，2010年最低的 MEI（強拉尼娜年）對應了次年的低藻華頻率，而2015年最大的MEI值（強厄爾尼諾年）伴随了次年最高的藻華頻率。
人類活動導緻的營養鹽變化也可能是海岸帶藻華趨勢的影響因素。例如，阿拉伯海藻華頻率的下降可能與周邊國家（如伊朗）化肥使用量減少有關。許多亞洲國家的藻華增加可能歸因于化肥使用量的激增。例如，化肥使用（氮或磷）與藻華頻率在中國、伊朗、越南和菲律賓等國家存在高度正相關。此外，芬蘭、中國、阿爾及利亞、幾内亞、越南、阿根廷、俄羅斯和烏拉圭等國家的水産養殖産量與藻華發生頻率存在顯著正相關。
然而，自然與人為因素對藻華趨勢的進一步歸因與機制分析需要考慮複雜的陸地/海洋營養傳輸過程，并建構耦合不同藻種營養物質與浮遊植物生長關系的生态模型進行評估。
南方科技大學博士生戴豔會、博士後楊尚波為論文共同第一作者，馮煉副教授為唯一通訊作者，南科大是論文唯一第一與通訊機關。合作作者包括南科大環境學院趙丹博士生、Luke Gibson副教授、鄭春苗講席教授，廣東省深圳生态環境監測中心站許旺博士，美國南佛羅裡達大學胡傳民教授，美國伍茲霍爾海洋研究所Donald M. Anderson教授，特拉華大學勵耘博士，馬裡蘭大學宋曉鵬博士，加拿大貝德福德海洋研究所Daniel G. Boyce博士。