近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼团队在Nature发表题为“Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century”的研究论文，并入选当期封面文章。该研究揭示了2003-2020年全球海岸带藻华的整体增加趋势，并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。
图1.Nature封面
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。
研究团队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，并利用2003-2020年间76万景日尺度MODIS卫星遥感数据，实现了全球海岸带藻华的一致性动态监测。结果显示，海岸带藻华频繁暴发于海洋东边界流区域、美国东北部沿海、拉丁美洲沿海、波罗的海、黑海北部以及阿拉伯海等区域（图2）。在研究覆盖的153个邻海国家中，126个国家的海岸带区域曾暴发过藻华。全球藻华影响海域总面积达3147万km2，其中欧洲与北美洲占比最大，分别为952万km2（30.3%）和678 万km2（21.5%）。
图2. 2003~2020年间，全球海岸带浮游植物藻华分布图。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。
2003到2020年间，海岸带藻华全球影响面积与发生频率分别增加了13.2%与59.2%（图3）。在全球范围内，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）。在北半球低纬度（30°N以南）海域藻华呈减弱趋势，如加利福尼亚流、阿拉伯海等区域；墨西哥湾北部和中国东南沿海区域的藻华呈现出增强的趋势。在高纬度地区，藻华减弱的现象主要发生在北大西洋的东北部海域以及北太平洋西北部的鄂霍次克海。此外，几乎整个南半球的藻华频率呈增加趋势。
图3. 2003年至2020年间，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。
海洋温度和环流的变化会改变海洋分层状态与营养物质的运输，进而影响浮游植物的生长和藻华的形成。研究分析了藻华暴发频率与海洋表面温度（SST）、海洋表面温度梯度（▽SST，用来表征海洋中尺度洋流强度）的相关关系（图4）。结果显示，在高纬度地区(40°N以北)，年平均藻华频率与同期SST之间呈显著正相关，如阿拉斯加洋流(相关系数r=0.44)、亲潮(r=0.48)和波罗的海(r=0.41)。藻华频率与SST的变化趋势在许多海域并不一致, 例如热带与亚热带的藻华减弱区。
进一步分析显示，海洋表面温度梯度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）。此外，亚热带东边界上升流区域的藻华频率趋势与中尺度洋流的变化相一致（加利福尼亚、本格拉和加那利洋流）。 在加利福尼亚洋流系统中，藻华频率的降低可能是由于上升流减弱（表现为▽SST 降低和SST升高），从而导致海底营养供应减少。相反，加那利和本格拉洋流的特点是上升流增强与藻华频率增加。高纬度地区的两个西边界流系统（马尔维纳斯和亲潮），虽然上升流表现较不明显，但其藻华的变化机制与亚热带东边界流区域相似。然而，海洋中尺度洋流的变化是否受风、海洋分层、洋流切变等其他因素的影响还需要开展进一步的区域化研究。
图4. 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，星号表示统计上显着的相关性（P<0.05）。
分析显示，全球极端气候也对全球沿海藻华有一定影响。以多变量厄尔尼诺-南方涛动指数 (Multivariate El Niño–Southern Oscillation (ENSO) index, 简称MEI) 为例， 2010年最低的 MEI（强拉尼娜年）对应了次年的低藻华频率，而2015年最大的MEI值（强厄尔尼诺年）伴随了次年最高的藻华频率。
人类活动导致的营养盐变化也可能是海岸带藻华趋势的影响因素。例如，阿拉伯海藻华频率的下降可能与周边国家（如伊朗）化肥使用量减少有关。此外，许多亚洲国家的藻华增加可能归因于化肥使用量的激增。例如，化肥使用（氮或磷）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。此外，芬兰、中国、阿尔及利亚、几内亚、越南、阿根廷、俄罗斯和乌拉圭等国家的水产养殖产量与藻华发生频率存在显著正相关。然而，自然与人为因素对藻华趋势的进一步归因与机制分析需要考虑复杂的陆地/海洋营养传输过程，并构建耦合不同藻种营养物质与浮游植物生长关系的生态模型进行评估。
南科大环境科学与工程学院博士生戴艳会、博士后杨尚波为论文共同第一作者，冯炼为唯一通讯作者，南科大是论文唯一第一与通讯单位。合作作者包括南方科技大学环境科学与工程学院博士生赵丹、副教授Luke Gibson、讲席教授郑春苗，广东省深圳市生态环境监测中心许旺博士，美国南佛罗里达大学教授胡传民，美国伍兹霍尔海洋研究所教授Donald M. Anderson，特拉华大学励耘博士，马里兰大学宋晓鹏博士，加拿大贝德福德海洋研究所Daniel G. Boyce博士。以上研究得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05760-y
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