生态浮标预测赤潮暴发的分析

阮华杰 马骏 何志强

（1台州市海洋环境监测预报中心,台州,318000；2.第七一五研究所,杭州,310023）

1 赤潮的发生及危害

赤潮是局部海域因浮游生物突发性地大量增殖和高密度聚集(几百万～几千万个赤潮生物/ml海水)而使海水变色发臭的异常现象，它是海洋严重污染的结果。赤潮的成因主要是携带大量无机营养盐和有机物的工业废水和生活污水排入海洋所引起的海水富营养化，它是赤潮形成的物质基础。根据2012年浙江省环境公报显示的数据，我省近岸海域水质受无机氮、活性磷酸盐超标影响，海域水体呈中度富营养化状态。生活在富营养化环境中的藻类, 一旦条件适宜，除营养细胞迅速增殖外，还释放出大量无性生殖孢子，这些孢子迅猛成为新的营养细胞而形成赤潮。这些高度密集的赤潮生物会堵塞鱼类、贝类等海生物的呼吸器官使其窒息死亡；赤潮残骸在氧化分解过程中会消耗水体中大量溶解氧并释放H2S，造成环境缺氧，严重威胁着其它生物的生存；有些赤潮生物还能分泌毒素，甚至死后还继续放毒，且有的毒性远远超过氰化物，如链状柒沟藻分泌出的石房蛤毒素，其毒性比眼睛蛇毒高出80倍，比一般可卡因麻醉剂高出10万多倍，可直接或间接地毒死海洋生物，甚至还会导致局部海域变为鱼虾贝类绝迹的“死海”[1]。此外，赤潮还严重威胁着人类生命安全，人们一旦食用赤潮毒害过的鱼虾，尤其是贝类就会中毒身亡。

为了对赤潮现象进行有效监测和预警，20世纪90年代以来，国外海洋水质自动监测系统发展迅速，逐渐从试验试用阶段进入准业务运行阶段，这些水质自动监测系统多数以水质监测浮标的形式出现，少数以岸基水质监测站的形式出现。水质浮标监测系统实现了海洋水质的在线连续自动监测，为赤潮的快速监测预警提供了基础和技术支持。

2 赤潮监测要素

根据国内外专家多年来对赤潮发生机理和过程的研究，普遍认为赤潮发生前和形成中，主要表现为以下要素的异常变化。

（1）水温和盐度

当内湾或近岸海水的表层和底层水温和盐度变化很小时，因其水体密度差异小，分层现象不明显，不利于水质充分运动，就为夜光藻类的增殖提供了更充分的条件。因此，监测近岸表底层水温和盐度对监测赤潮的发生较为重要。

（2）溶解氧

赤潮发生前，溶解氧（DO） 值往往突变为高于正常平均值。赤潮发生过程中，DO 急剧下降。与此同时，pH值也可能突变或不再波动。因此，监测海水表层DO和pH 值是监测和预报赤潮的重要手段。

（3）营养盐

无机磷和无机氮（包括硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮）是海水中富营养化污染的主要指标，它们的变化意味着赤潮发生的概率在变化。因此，营养盐是赤潮监测的基本要素。

（4）叶绿素

赤潮发生和形成之后，其结果表现为有害藻类爆发性繁殖 (亦称水华现象)，它们具有多种色素，叶绿素是最重要的色素。其中叶绿素是估算初级生产力和生物量的基本指标，是赤潮报警的重要项目[2]。

（5）其它要素

除上述要素外，藻类、生物耗氧量、化学需氧量以及铁、锰等微量元素的含量变化也与赤潮突发有一定关系。

因此，设法发现这些要素的突变，进而掌握其变化规律，是赤潮监测和预报的主要内容。

3 生态浮标功能及监测要素

生态浮标在线监测系统作为一种监测设备，具有实时、综合性强等优点，广泛应用于海洋、湖泊、水库和河流的水环境监测。该系统摒弃了将水样带回实验室预处理、存放，再进行后期分析的低效传统方法，极大地提高了数据的采集效率，减轻了劳动强度，节省了人力、物力和财力。浮标搭载的水质、营养盐、气象等传感器，能连续、实时地测量水环境的变化，及时做出预报。通常将浮标布放在近海、河流、湖泊和水库中，多个浮标联网后，通过GPRS/CDMA/卫星通讯等无线网络和Internet网络，将测量的数据传至环保部门的监控室，这些数据可为了解水环境变化、制定保护措施提供准确的信息。

由杭州应用声学研究所生产的生态浮标集成系统可监测水温、盐度、pH、溶解氧、叶绿素a、浊度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐、气温、气压、风速、风向、雨量、相对湿度等要素。监测部门可根据生态浮标实时采集的监测数据的变化情况，及时做出应对。根据监测要素变化预测赤潮发生的可能性，提前做好防灾减灾准备，减少损失。

4 监测过程分析

台州大陈海域生态浮标于2012年8月布放，浮标可监测水温、盐度、pH、叶绿素、溶解氧、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐及气象参数等共21个参数，经过三个月的调试和试运行后，系统运行正常，实现了对台州大陈海域的连续实时在线监测。

2013年5月11日，海洋环境监测人员通过查看生态浮标数据，发现pH、溶解氧、叶绿素等重要参数在持续升高。5月11日、12日，监测人员进行了现场查看，发现已有浮游植物繁殖，但未达到赤潮临界密度。5月13日，根据台州海洋环境监测预报中心现场监测情况，向省海洋与渔业局上报了台州暴发赤潮的预测报告。本文根据监测人员现场监测情况，通过对生态浮标监测数据的分析，表明生态浮标对赤潮的监测是有效的。

4.1 温盐变化分析

海水温度高低及其变化情况，是赤潮发生的关键因素之一，但不同的赤潮生物对温度的反应有明显差别。海水的温度可直接控制着赤潮的发生、发展及消亡。就一般情况而言，短时间内急剧的温升，可能会刺激赤潮生物细胞的大量繁殖而发生赤潮。

每一种赤潮生物都有各自的适应盐度范围，而盐度的急剧变化直接影响赤潮生物的生长与繁殖。盐度变化对赤潮生物生长的作用，目前尚无统一的认识。有的研究结果表明，暴雨容易造成表层水体盐度急降，这种盐度在短时间内的急降，对主要分布在表层水体中的夜光藻种群具有巨大的破坏力。但有关实验研究指出，盐度不能令赤潮生物的生物量有明显的增加，却会在低盐度的情况下刺激赤潮生物加快细胞分裂速度。关于盐度急降对赤潮生物在短时间内的大量繁殖的刺激作用，在其他一些相关研究中亦有报道[4]。根据生态浮标所监测到的温盐数据进行了统计，得出图1所示变化曲线图。从曲线的变化上看，从5月10日起，水温在明显升高，刺激赤潮生物细胞的大量繁殖而发生赤潮，盐度也显然发生了变化。监测结果表明，该监测区域温盐度变化符合赤潮发生的条件，为赤潮预测提供了有效的温盐度变化数据。

图1 赤潮暴发过程温盐的变化（上方曲线为盐度，下方曲线为温度）

4.2 溶解氧变化分析

浮游植物在光合作用下，会产生氧，随着浮游植物的增多，水中的含氧量也随之升高，浮游植物的大量繁殖生长，在强烈的光合作用下放出相当量的氧，氧含量急速上升。当浮游植物消亡时，有机质分解，消耗了氧，使水体中氧含量下降。图2是浮标监测到的溶解氧饱和度变化趋势。5月5日之后，浮游植物已开始繁殖生长，浮游植物密度不断提高，水中氧含量持续升高，直至5月13日，浮游植物密度达到了赤潮临界密度。5月13日～14日，赤潮持续了2天时间，15日开始，溶解氧饱和度在持续下降。

图2 赤潮暴发过程溶解氧饱和度的变化

另外，图3显示了白天和晚上溶解氧饱和度的变化，白天在太阳光的照射下，光合作用强烈，溶解氧饱和度较高。晚上无阳光照射时，浮游植物释放氧含量明显降低，水中溶解氧饱和度因此变低。

4.3 pH变化分析

由于是藻类的大量爆发，所以其导致藻类对水中CO2的需求量增高，会在短时间内消耗大量CO2，水体酸碱度随之产生较大的变化。赤潮引起水中生物死亡，水中溶解的氧下降，大量厌氧微生物迅速繁殖，水体不断恶化，微生物产生大量有机酸，pH下降。前期连续监测结果表明，台州大陈海域pH在7.8～8.0之间。但5月5日之后，pH持续升高，说明有藻类繁殖，5月13日～15日，pH最高接近8.5，与赤潮的高峰期吻合。5月16日，pH开始持续下降，这是藻类植物开始消亡和厌氧微生物迅速繁殖共同作用的结果，见图4。另外一个现象是，pH的下降比DO的下降晚了一天，这主要是因为厌氧微生物是在缺氧状态下才开始繁殖，而厌氧微生物的繁殖需要一定的时间，pH比DO推迟下降正好符合这一规律。

图4 赤潮暴发过程pH的变化

4.4 营养盐变化分析

营养盐是浮游植物赖以生存的物质基础，水中富营养程度达到一定条件时，就有可能暴发赤潮，而浮游植物大量繁殖生长又消耗了水体中大量的营养盐。浮游植物的大量繁殖生长，摄取了水体中大量的 N，在强烈的光合作用下放出相当量的氧，因而使得水体中N 的含量迅速下降、氧含量急速上升。

赤潮现象是由大量的浮游生物聚集造成的，充分的营养基础是形成巨大生物量的前提条件。已有的研究表明，氮、磷是浮游生物爆发性增殖最重要的调控因素。国内外研究者对浮游生物吸收营养盐的行为进行过大量研究，氮、磷在海洋环境中的含量、形态构成、数量变动不仅影响着赤潮生物，还决定了赤潮形成的规模和程度。如果无机氮含量过高，就会和水中其它营养盐类共同作用而引起水体的富营养化，易造成水生植物的大量繁殖，亦会过多的消耗水体中的溶解氧，从而破坏海洋生态环境，引起赤潮和有机污染的发生。

图5中，磷含量的变化从5月5日前的较高浓度持续下降，水中溶解的磷比较少，原因是赤潮发生时浮游植物的繁殖大量吸收磷，使得磷的含量有较明显的降低，5月10日～15日期间，甚至低于传感器的检出限。15日之后，赤潮开始消亡以及厌氧微生物的排泄，又使磷含量升高，构成磷在海洋中的循环。

图5 赤潮暴发过程磷含量的变化

4.5 叶绿素变化分析

水中的叶绿素是指水中浮游植物的现存量，是用来描述浮游植物利用光能进行光合作用将无机物质转变为有机物质时，有机物生产力的一个重要指标。浮游植物的现存量用单位体积或单位面积中生物的数量或质量表示。根据叶绿素的光学特征，叶绿素可分为a、b、c、d 四类，其中叶绿素 a包括了所有的藻类浮游植物。由于其他3 类的光合作用所吸收的光能最终都要传送给叶绿素a，因此，叶绿素a是四类中最重要的一类。水质环境监测中所说的叶绿素一般指的是叶绿素a。因此测定水中叶绿素a的含量，是对浮游植物的一种定量测量方法[3]。

生态浮标所用叶绿素传感器为光学传感器，通过测量叶绿素a的荧光反射量来测量其浓度。正常情况下，叶绿素a的值在十几微克以内。当浮游植物繁殖时，叶绿素a浓度升高。监测数据表明，自5月5日开始，监测区域的叶绿素a浓度在持续升高，达到几十微克，甚至100多微克，表明赤潮已发生，见图6。

图6 赤潮暴发过程叶绿素含量的变化

利用生态浮标系统，通过对台州等海域的长期监测，获取了大量数据，并于2013年5月成功监测了一次赤潮的发生和消亡的过程，预报数据有效、可信。

5 结束语

影响有害赤潮发生的因素十分复杂，化学因素如氮、磷等营养盐和微量元素，特定水域的气象气候、水环境动力学及生物环境等因素都可能影响赤潮的发生及分布。各种因素在时间和空间的组合上千差万别，每一类赤潮藻种与环境因子的相互关系各不相同，因而诱发不同赤潮形成的主导因素也不同。生态浮标所监测的温度、盐度、溶解氧、叶绿素、pH、营养盐等参数，通过综合分析，可以有效的对赤潮的发生进行预测预警，在显控软件上加上赤潮预报的模型或算法还可以实现自动预警预测。

[1] 刘令梅. 赤潮的监测技术和防治措施[J]. 海洋技术,1998,17(3):58-65.

[2] 廉双喜. 赤潮监测和预报的构想[J]. 海洋技术,2002,21(2) :74-78.

[3] 胡辉, 谢静. 叶绿素 a 在监视赤潮和评价水环境中的应用[J]. 环境监测管理与技术, 2001, 13(5) :43-44.

[4] 黄小平, 黄良民, 谭烨辉, 等. 近海赤潮发生与环境条件之间的关系[J]. 海洋环境科学, 2002, 21(4) :63-69.