沿海海洋的浮游植物水华有利于沿海渔业生产和生态系统功能，但也会造成重大的环境问题。但目前还没有关于水华发生率和分布的详细描述。本文利用1公里空间分辨率的全球卫星观测，绘制了2003至2020年期间每日沿海藻华的地图。本文记录了水华的趋势与海洋环流之间的关系，为全球评估水华风险和效益，以及制定或评估管理或政策行动提供了基础。
全球沿海浮游植物繁殖
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该数据集来自NASA Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）的全球1公里分辨率每日观测数据得出的。并且团队开发了一种利用MODIS图像自动检测浮游植物的方法（上图）。
本文研究的区域包括全球大陆架和沿海洋流的外边缘，这些区域提供了可供人类使用的大部分海洋资源。在153个被调查的沿海国家中，126个被观察到浮游植物大量繁殖，受水华影响的总面积为3147万平方公里，约占全球陆地面积的24.2%和全球海洋面积的8.6%。在过去的20年里，平均每年发生4.3次水华。欧洲和北美贡献了水华最大的面积（分别占30.3%和21.5%），而水华最频繁的地区是非洲和南美洲（每年超过6.3次）。澳大利亚的水华发生频率最小（每年2.4次），受影响面积最小（9.0%）。
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2003-2020年间，全球受水华影响的总面积增加了397万平方公里（13.2%），相当于每年增加14万平方公里。此外，水华扩张显著的国家数量约为呈下降趋势的国家数量的6倍。
全球中位数水华频率在观测期内增加了59.2%。从空间上看，频率显著增加的区域比相反趋势的区域大77.6%。
从全球来看，2003年至2020年，受水华影响的区域和水华频率的波动总体上是一致的，然而在过去20年里，23个国家和10个大型海洋生态系统的藻华程度和频率之间没有显著关系。
整个南半球的主要特征是水华频率增加，尽管有时也发现减弱。在北半球，低纬度海岸主要以强烈的水华减弱为特征。6个主要的沿海洋流系统水华频率增幅最大，包括Oyashio（每年+6.31%）、Alaska（每年+5.22%）、Canary（每年+4.28%）、Malvinas（每年+3.02%）、Gulf Stream（每年+2.42%）和Benguela（每年+2.30%）
海洋表面温度的升高可以刺激水华的发生。在阿拉斯加海流、大潮海流和波罗的海等几个高纬度地区，年平均水华频率与同期海温之间存在显著的正相关。然而这种基于温度的机制并不适用于海温与水华频率之间趋势不一致的地区，特别是热带和亚热带地区的大量水华减弱。
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气候变化也会影响海洋环流，改变海洋混合和营养物质的运输，从而推动海洋浮游植物的生长和水华的形成。
本文采用空间海温梯度作为海洋中尺度海流大小的代表。与海温相比，海温梯度与水华频率的变化趋势在空间上更为一致。金丝雀海流、马尔维纳斯海流、加利福尼亚海流、本格拉海流、墨西哥湾流和洋心海流等海温梯度与水华频率呈显著正相关。
在加州洋流系统中，水华频率减少可能是由于上升流减弱，从而导致养分供应减少。对于副热带西界湾流，增强的海温梯度从大陆架带来了更多的营养物质，引发了更多水华。
然而海洋中尺度活动的这些变化是否对风、分层、洋流切变或其他因素的反应，还需要基于区域的调查。
此外，人为的营养物富集的变化可能也促成了水华的趋势，例如阿拉伯海的水华频率下降，与海温与海温梯度变化没有明确的联系，可能是由于周边国家化肥使用量减少造成的。一些亚洲国家的赤潮加剧可归因于化肥使用量的激增。肥料使用和水华频率的趋势在中国、伊朗、越南和菲律宾存在高度正相关。矛盾的是，一个国家的肥料施用量减少而水华频率增加，这表明营养控制的努力可能被气候变暖或其他因素的刺激作用所抵消。
但是，在许多其他国家没有发现肥料或水产养殖方面类似的正反馈，因此，需要一个结合陆地和海洋营养物质运输以及不同物种营养物质与浮游植物关系的生态系统模型来量化自然和人为因素对藻华的贡献。
未来的意义
本文对于可检测的藻华事件的标准是由传感器灵敏度和其他因素在操作上定义的，并且这里使用的藻华计数可能低估了藻华发生率。例如Hallegraeff等人报告说，在33年研究期间，9个地区每年都会发生十几次或更多的事件，而在本研究中，全球平均爆发次数为4.3次。对于这种差异的解释可能是许多从太空无法检测到但仍可能造成伤害的低细胞浓度的有害辐射，以及传感器灵敏度和算法阈值。
但这种低估并不会改变这项研究的趋势和其他结论，因为这里使用的指标在时间和空间上是恒定的，低估的情况在全球各地区都是一致的。值得注意的是，Hallegraeff等人的研究还发现，随着时间的推移，有害藻类爆发事件的数量与水产养殖生产的全球扩张之间存在显著的联系，这与我们的研究结果相似。
本研究主要贡献是提供了2003年至2020年间全球沿海藻华的时空一致性特征。在全球范围内，藻华的面积和频率的增加趋势是明显的。然而由于气候变化，人为富营养化和水产养殖发展的复合影响，区域趋势并不均匀。本文的藻华事件地图为了解藻华形成、维持和消散的机制提供了有价值的信息，这有助于开发预测模型，以帮助减少有害藻华的后果，并有助于有关控制营养物质排放和其他有害藻华刺激因素的政策决定。
需要指出，许多水华是有益的，特别是就其对生态系统以及对野生和养殖渔业的积极影响而言，这里的结果也有助于制定维持这些有益水华的政策和管理行动。
参考文献：Dai, Y., Yang, S., Zhao, D. et al. Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century. Nature 615, 280–284 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05760-y
创作人：崔宇鑫 上海海事大学
本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。
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