Nature：21世纪沿海浮游植物藻华的扩张与加剧
期刊：Nature
中文题目：21世纪沿海浮游植物藻华的扩张与加剧
英文题目：Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century
作者：Yanhui Dai, Shangbo Yang, Dan Zhao, Chuanmin Hu, Wang Xu, Donald M. Anderson, Yun Li, Xiao-Peng Song, Daniel G. Boyce, Luke Gibson, Chunmiao Zheng & Lian Feng
发表日期：2023年3月9日
摘 要
沿海海域的浮游植物对沿海渔业生产和生态系统功能具有重要作用，但浮游植物藻华也可能造成重大环境问题。然而，目前尚未有全球范围的藻华发生和分布状况的详细研究。该研究利用2003至2020年卫星观测数据，以1公里空间分辨率绘制了每日尺度全球海洋沿岸区域藻华地图。研究发现，在研究的海岸带153个沿海国家中，有126个国家观测到了浮游植物藻华。在研究期间，藻华的空间范围(+13.2%)和频率(+59.2%)显著增加(P < 0.05)，而在北半球热带和亚热带地区藻华减弱。研究揭示了藻华趋势与海洋环流之间的关系，并确定了近期海表面温度上升的刺激效应。这项研究为全球评估藻华风险和效益以及制定或评估管理或政策行动提供了基础。
研究背景
浮游植物是指在水中以浮游生活的微藻类，当大量藻类细胞聚集在一起时会形成藻华。海洋浮游植物藻华主要发生在营养盐水平较高的海岸带区域，当自然条件适宜时浮游植物会快速繁殖，改变海水颜色，这一现象也称为赤潮。浮游植物藻华暴发会危害海洋生态系统，例如海水水质恶化、水体缺氧、鱼类死亡，甚至能影响人类健康。目前，海洋赤潮已经成为危害海洋生态系统最严重的问题之一。然而，2021年联合国教科文组织政府间海洋学委员会（UNESCO-IOC）的报告指出，虽然现有数据表明海洋赤潮的暴发次数呈增加趋势，但这与历史观测频率不一致---特别是近年观测频次的显著增加有关。本研究通过利用卫星遥感长时序、周期性、大范围等观测优势，弥补了目前对全球海岸带藻华变化趋势的认知缺陷。
研究结果
结果1：藻华空间分布状况
* 在调查的153个沿海国家中，有126个国家观察到浮游植物藻华。受影响的总面积为3147万平方公里，相当于全球陆地面积的约24.2%和全球海洋面积的8.6%。
* 欧洲(952万平方公里，占总受影响面积的30.3%)和北美(678万平方公里，占21.5%)贡献了最大的藻华面积。
* 非洲和南美洲近岸区域发现了最频繁的藻华现象(年中值超过6.3次)。
* 澳大利亚近岸区域的藻华频率最低(每年2.4次)和受影响面积最小(284万平方公里，占总面积的9.0%)。
图1. 全球海岸带浮游植物藻华分布图(2003-2020)。a：基于MODISAqua遥感日尺度观测数据的全球年平均藻华发生次数空间分布图；b：基于全球和各大洲的藻华发生次数统计结果（SA：南美洲，AF：非洲，EU：欧洲，NA：北美洲，AS：亚洲，AU：澳大利亚）；c：各大洲受藻华影响面积的多年平均统计结果。其中，百分比数字表示各大洲藻华面积在全球的占比
结果2：藻华时间演变特征
* 2003年至2020年间，全球受藻华影响的总面积扩大了397万平方公里(13.2%)，相当于每年增加0.14万平方公里(P < 0.05)。全球中值藻华频率在观测期内增加了59.2%(+2.19%/年，P < 0.05)。
* 六大沿岸洋流系统的藻华频率增加最多，包括亲潮(+6.31% yr^-1)、阿拉斯加洋流(+5.22% yr^-1)、加那利洋流(+4.28% yr^-1)、马尔维纳斯洋流(+3.02% yr^-1)、湾流(+2.42% yr^-1)和本格拉洋流(+2.30% yr^-1)。
图2.全球海岸带浮游植物藻华变化趋势。a：全球1°×1°格网尺度下藻华频率变化趋势的空间分布；b：藻华频率年中值和全球藻华总面积的年际变化和趋势
结果3：引发藻华驱动因素
* 在高纬度地区(40°N以北)，年平均藻华频率与同期海表面温度(SST)显著正相关，如阿拉斯加洋流(r=0.44)、亲潮(r=0.48)和波罗的海(r=0.41)。
* 海洋表面温度梯度(▽SST)与藻华频率呈现更为显著的正相关，如加那利洋流(r=0.84)、马尔维纳斯洋流(r=0.83)、加利福尼亚洋流(r=0.81)、本格拉洋流(r=0.73)以及湾流(r=0.61)。
* 全球极端气候事件，如厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)，也与沿海藻华频率有关。
* 人为营养物质富集的变化可能也对藻华趋势有贡献。例如，化肥使用量与藻华频率在中国、伊朗、越南和菲律宾等国家存在高度正相关。
图3. 气候变化对浮游植物藻华的影响。a：2003~2020年▽SST变化趋势分布；b：2003~2020年SST变化趋势分布；c：a和b中虚线标记的区域内藻华频率的长期变化，以及它们与 SST 和▽SST的关系。其中，S表示藻华频率的线性斜率，r表示藻华频率与SST和▽SST间的相关系数，星号表示统计上显著的相关性（P<0.05）
研究意义
该研究不仅揭示了全球海岸带藻华的整体增加趋势，还量化了藻华发生频率与海表温度、海洋中尺度环流以及农业化肥施用、水产养殖等人类活动之间的潜在关系。这些发现对于理解和预测全球海洋生态系统的变化，以及制定相应的管理策略具有重要意义。
研究创新之处
首次构建了基于叶绿素荧光与CIE颜色空间的藻华遥感自动分类算法，实现了全球海岸带藻华的一致性动态监测。
归纳了复杂的陆地/海洋营养传输过程对藻华趋势，评估不同藻种营养物质与浮游植物生长关系生态模型。
对我们开展工作启示
利用卫星遥感长时序、周期性、大范围观测优势，弥补了对我们常见事物的认知缺陷。但稳健的藻华遥感识别算法是开展研究工作的重要基础和前提条件，研究初始阶段需要着重注意构建完善的遥感方法体系框架。
研究使用了空间分辨率1km的MODIS数据集，该数据空间分辨率对捕捉湖泊水体细微演变特征稍显乏力。建议在开展内陆湖库水识别和参数反演研究时可以着重使用波段较为丰富的中等分辨率的Landsat系列，Sentinel 系列和国产高分系列数据。
文献来源：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05760-y
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿人：王正