（工程力学专业论文）渤海赤潮生态系统动力学与预测研究.pdf

摘要 在过去的2 0 年中，由于沿海经济的高速发展，海洋富营养化状况日益严重， 赤潮发生的频率、影响规模都在不断扩大。探索赤潮的形成机理，对于预测预报 赤潮、减少赤潮的损害十分关键。 本文采用多学科交叉的方法，对赤潮藻类的生态系统动力学以及赤潮的预测 预警进行了研究。 具体研究工作如下： 1 、为了解渤海的典型赤潮藻类以及其生态环境状况，2 0 0 1 年到2 0 0 3 年连 续三年对渤海湾生态理化因子进行了监测，特别是2 0 0 3 年5 月到9 月，对渤海 湾的赤潮监控区进行了高密度的监测( 一周一次) ，并对渤海湾赤潮藻类生态状 况进行了评价。 2 、针对渤海的典型藻类及其生长特性，建立了夜光藻、硅藻的多种群赤潮 生态模型，中肋骨条藻的生物链模型，运用现代非线性动力学分岔混沌理论，判 断了方程解的动力学稳定性，求出了导致方程发生h o p f 分岔的环境因子关键值， 并考虑了高等动物捕食对模型非线性动力学行为的影响。 3 、基于渤海湾的生态环境因子的监测数据，运用主成分分析及多元逐步回 归，得到了影响渤海湾赤潮藻类生长的主导因子，并建立了多元回归预测方程。 4 、综合人工神经网络、模糊逻辑、专家系统以及赤潮生物动力学预测模型， 提出了渤海赤潮的预测系统方案。 本论文得到了教育部科学技术研究重点项目和天津市科技发展计划研究项 目的资助。 关键词：赤潮 生态动力学模型非线性动力学多元统计预测系统 a b s t r a c t t h el a s tt w oe l c c a d e sh a v eb e e nm a r k e db yan e wa p p r e c i a t i o no ft h es e r i o u s i m p a c t s o ft h em a r i n ep h e n o m e n aw en o wc a l l h a r m f u l a l g a l b l o o m s t h e s e o c c u r r e n c e so fh a b sr e p r e s e n tas i g n i f i c a n t a n ds e e m i n g l ye x p a n d i n gt h r e a tt o h u m a nh e a l t h ，f i s h e r yr e s o l u c e $ ，a n dm a r i n ee c o s y s t e m st h r o u g h o u tt h ew o r l d t o u n d e r s t a n dt h ec r i t i c a lf e a t u r e sa n dm e c h a n i s m su n d e r l y i n gt h ep o p u l a i t o nd y n a m i c s o fh a b s p e c i e si n av a r i e t yo fo c e a n o g r a p h i cr e g i m e sa r ee s s e n t i a lt op r e d i c ta n d m i t i g a t et h er e d t i d e s i nt h i sp a p e r , a ni n t e r d i s c i p l i n a r ya p p r o a c hi su s e di nt h er e s e a r c ho fh a r m u f l a l g a ld y n a m i c a lm o d e l a n dp r e d i c a t i o n t h ed e t a i l e dr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 f r o m2 0 01t o2 0 0 3 ，w em o n i t o r e dt h ep h y s i c a l ，c h e m i c a l ，a n db i o l o g i c a l f a c t o r st h a ta f f e c tt h eo c u l 】h e n c eo fh a b s e s p e c i a l l yi nm a y - s e p 2 0 0 3 ，ah i g h f r e q u e n c ym o n i t o rp r o j e c tw a sc a r r i e d i nb o h a ib a y l a s tw ea p p a i s e dt h eh a b s c e c o s y s t e mo f b o a h a ib a y 2 b a s e do nan o c t i l u c as c i n t i l l a n s d i a t o m n u t r i e n tn a b sm o d e l ，u s i n gm o d e m n o n l i n e a rt h e o r y , w e a n a l y z e d t h es t a b i l i t yo ft h em o d e l ss t e a d ys t a t e s t h e nt h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw eg e tt h ev a l u e so faa th o p fb i f u r c a t i o np o i n t s f i n a l l yw e d i s c u s s e dt h eb i f u r c a t i o nb e h a v i o r sa n d s t a b i l i t y o ft h em o d e l e q u a t i o n sb y c o n s i d e r i n gt h ep r e d a t i o no f z o o p l a n k t o n 3 b a s e do nt h ed a t ao fh a m 血la l g a la n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r si nb o h a ib a y ， u s i n gp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dm u l t i v a r i a t es t e p w i s er e g r e s s i o n ，t h ed e c i s i v e f a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h ea b u n d a n c eo fp h y t o p l a n k t o na r e g o t t h e n am s r f o r e c a s t i n ge q u a t i o n i sc o n s t r u c t e d ，a n dt h er e s u l ti sg o o d 4 c o n s i d e r i n ga n n ，f l ，e x p c ns y s t e m a n dh a b sd y n a m i c a l m o d e l ，w e s u p p o s e d ap r o t o t y p eo fh a b s p r e d i c t i o na n de a r l y - w a r n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：h a r m f u la l g a l b l o o m s ； e c o s y s t e md y n a m i c s ； n o n l m e a r d y n a m i c s ； m u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c s ；p r e d i c t i o na n d e a r l y w a r n i n gs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孚亏卅事 签字日期：p 甲年 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 哆制丰 签字日期：矿僻- 月 导师签名 优m 签字目期：撕中年占月邝日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 - l 赤潮概述 随着现代化工农业生产的迅猛发展，沿海地区人口的增多，大量工农业废水 和生活污水排入海洋，其中相当一部分未经处理就直接排入海洋，导致近海、港 湾富营养化程度日趋严重。同时，由于沿海开发程度的增高和海水养殖业的扩大， 也带来了海洋生态环境和养殖业自身污染问题：海运业的发展导致外来有害赤潮 种类的引入；全球气候的变化也导致了赤潮的频繁发生。 赤潮是一种自然现象。人类早就有相关记载，如旧约出埃及记中就有 关于赤潮的描述：“河里的水，都变作血，河也腥臭了，埃及人就不能喝这里的水 了”。在日本，早在腾原时代和镰时代就有赤潮方面的记载。1 8 0 3 年法国人马 克r 莱斯卡波特记载了美洲罗亚尔湾地区的印第安人根据月黑之夜观察海水发 光现象来判别贻贝是否可以食用。1 8 3 l 1 8 3 6 年，达尔文在贝格尔航海记录 中记载了在巴西和智利近海面发生的束毛藻引发的赤潮事件。据载，中国早在 2 0 0 0 多年前就发现赤潮现象，一些古书文献或文艺作品里已有一些有关赤潮方 面的记载。如清代的蒲松龄在聊斋志异中就形象地记载了与赤潮有关的发光 现象。 世界上多数学者对赤潮的定义为“有害藻类的水华( h a r m f u l a l g a l b l 0 0 1 1 2 s h a b s ) ”。赤潮是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌 爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮是一个历史沿 用名，它并不一定都是红色，实际上是许多赤潮的统称。赤潮发生的原因、种类、 和数量的不同，水体会呈现不同的颜色，有红颜色或砖红颜色、绿色、黄色、棕 色等。 值得指出的是，某些赤潮生物( 如膝沟藻、裸甲藻、梨甲藻等) 引起的赤 潮有时并不引起海水呈现任何特别的颜色。 第一苹绪论 一一 1 1 2 赤潮形成原因及过程 赤潮是一种复糸的生吝具凿现象，发生的原因也比较复杂。关于赤潮发生的 机理虽然至今尚无定论，但是赤潮发生的首要条件是赤觏生物增殖要达到一定的 密度，否则，尽管其他因子都适宜，也不会发生赤潮，在正常的理化环境条件下， 赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，有些鞭毛虫类( 或者假藻类) 还是一 些鱼虾的食物。但是由于特殊的环境条件，使某些赤潮生物过量繁殖，便形成赤 潮。大多数学者认为，赤潮发生与下列环境因素密切相关。 一、海水富营养化是赤潮发生的物质基础和首要条件 由于城市工业废水和生活污水大量排放入海中，使营养物质在水体中寓集， 造成海域富营养化。此时，水域中氮、磷等营养盐类；铁、锰等微量元素以及有 机化合物的含量大大增加，促进赤潮生物的大量繁殖。赤潮检测的结果表明，赤 潮发生海域的水体均己遭到严重污染，富营养化，氮磷等营养盐物质大大超标。 据研究表明，工业废水中含有某些金属可以刺激赤潮生物的增殖。在海水中加入 小于3 r a g d i n 3 的铁螫合剂和小于2r a g d i n 3 的锰螯合剂，可使赤潮生物卵甲藻和 真甲藻达到最高增殖率；相反，在没有铁、锰元素的海水中，即使在最适合的温 度、盐度、p h 和基本的营养条件下也不会增加种群的密度。其次一些有机物质 也会促使赤潮生物急剧增殖。如用无机营养盐培养简单裸甲藻，生长不明显，但 加入酵母提取液时，则生长显著，加入土壤浸出液和维生素b 1 2 时，光亮裸甲藻 生长特别好。 二、水文气象和涎水理化因子的变化是赤潮发生的重要原因 海水的温度是赤潮发生的重要环境因子，2 0 3 0 是赤潮发生的适宜温度范 围。科学家发现一周内水温突然升高大于2 是赤潮发生的先兆。海水的化学因 子，如盐度变化，也是促使生物因子赤潮生物大量繁殖的原因之一。盐度在 一 一3 7 的范围内均有发生赤潮的可能，但是海水盐度在1 5 2 1 6 时，容易形成 温跃层和盐跃层。温、盐跃层的存在为赤潮生物的聚集提供了条件，易诱发赤潮。 由于径流、涌升流、水团或海流的交汇作用，使海底层营养盐上升到水上层，造 成沿海水域高度富营养化。营养盐类含量急剧上升，引起硅藻的大量繁殖。这些 硅藻过盛，特别是骨条硅藻的密集常常引起赤潮。这些硅藻类又为夜光藻提供了 丰富的饵料，促使夜光藻急剧增殖，从而又形成粉红色的夜光藻赤潮。据监测资 第一章绪论 料表明，在赤潮发生时，水域多为干旱少雨，天气闷热，水温偏高，风力较弱， 或者潮流缓慢等水域环境。 三、海水养殖的自身污染亦是诱发赤潮的因素之一 随着全国沿海养殖业的大发展，尤其是对虾养殖业的蓬勃发展。也产生了严 重的自身污染问题。在对虾养殖中，人工投喂大量配合饲料和鲜活饵料。由于养 殖技术陈旧和不完善，往往造成投饵量偏大，池内残存饵料增多，严重污染了养 殖水质。另一方面，由于虾池每天需要排换水，所以每天都有大量污水排入海中， 这些带有大量残饵、粪便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其它形式的含氮化合物 物，加快了海水的富营养化，这样为赤潮生物提供了适宜的生物环境，使其增殖 加快，特别是在高温、闷热、无风的条件下最易发生赤潮。由此可见，海水养殖 业的自身污染也使赤潮发生的频率增加。 赤潮的形成过程如图1 1 所示： h o wat o x i ca l g a lb l o o mo c t u r s r ，槽i t f oc y c l eo f c o i l 图1 - 1 赤潮形成过程示意图 第一章绪论 1 1 3 赤潮危害及其主要分布 一、赤潮的危害 近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大，破坏了渔业资源和海产养殖业， 赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全，主要表现在如下： 1 、赤潮对海洋生态平衡的破坏 海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存，相互制约的复杂生态系 统。系统中的物质循环、能量流动都是处于相对稳定，动态平衡的。当赤潮发生 时这种平衡遭到干扰和破坏。在植物性赤潮发生初期，由于植物的光合作用，水 体会出现高叶绿素a 、高溶解氧、高化学耗氧量。这种环境因素的改变，致使一 些海洋生物不能正常生长、发育、繁殖，导致一些生物逃避甚至死亡，破坏了原 有的生态平衡。 2 、赤潮对海洋渔业和水产资源的破坏 赤潮破坏鱼、虾、贝类等资源的主要原因是： 1 ) 、破坏渔场的铒料基础，造成渔业减产。 2 ) 、 赤潮生物的异常发制繁殖，可引起鱼、虾、贝等经济型生物瓣机械堵 塞，造成这些生物窒息而死。 3 ) 、 赤潮后期，赤潮生物大量死亡，在细菌分解作用下，可造成环境严重 缺氧或者产生硫化氢等有害物质，使海洋生物缺氧或中毒死亡。 4 ) 、 有些赤潮的体内或代谢产物中含有生物毒素，能直接毒死鱼、虾、贝 类等生物。 3 、赤潮对人类健康的危害 有些赤潮生物分泌赤潮毒素，当鱼、贝类处于有毒赤潮区域内，摄食这些有 毒生物，虽不能被毒死，但生物毒素可在体内积累，其含量大大超过食用时人体 可接受的水平。这些鱼虾、贝类如果不慎被人食用，就引起人体中毒，严重时可 导致死亡。 由赤潮引发的赤潮毒索统称为贝毒，目前已经确定的有1 0 余种贝毒，其毒 素比眼镜蛇毒素高8 0 倍，比一般的麻醉剂，如普鲁卡因、可卡因还强l o 万多倍。 贝毒中毒症状为：初期唇舌麻木，发展到四肢麻木，并伴有头晕、恶心、胸闷、 站立不稳、腹痛、呕吐等，严重者出现昏迷，呼吸困难。赤潮毒素引起人体中毒 第一章绪论 事件在世界沿海地区时有发生。据统计，全世界因赤潮毒素的贝类中毒事件约 3 0 0 多起，死亡3 0 0 多人。 二、赤潮的主要分布 1 、赤潮在世界范围内的分布 图1 - 2 世界范围内赤潮发生的区域分布 目前，赤潮已成为一种世界性的公害，美国、日本、中国、加拿大、法国、 瑞典、挪威、菲律宾、印度、印度尼西亚、马来西亚、韩国、香港等3 0 多个国 家和地区赤潮发生都很频繁。 2 、我国赤潮多发区分布 根据我国海域的分布特点和近几十年的观测和记录，我国赤潮灾害的主要发 生海域为： 1 ) 渤海海域主要包括：辽东湾中部、秦皇岛附近海域、渤海湾、莱州湾。 2 ) 黄海海域主要包括：辽宁庄河附近海域、烟台海域、胶州湾、海州湾。 3 ) 东海海域主要包括：长江口海域、舟山群岛附近海域、浙江东部沿海、 厦门西港； 4 ) 南海海域：主要包括：大鹏湾、大亚湾、珠江口附近海域、拓林湾以及 香港的维多利亚湾等。 其中辽东湾、渤海湾、莱州湾、长江口( 包括杭州湾) 和珠江口为赤潮多发 区。辽东湾、渤海湾和长江口赤潮发生的面积可能增加：而珠江口海域赤潮发生 的面积一般不会太大，但赤潮发生频率相对要高些；由于南海水温较高，有毒藻 类种类及其引发的有毒赤潮相对要多些，因此造成的经济损失和人员中毒事件也 会增多。 第一章绪论 3 、我国赤潮发生状况 2 5 0 2 0 0 蒜 蜇1 5 0 粲1 0 0 + 睦 5 0 o 5 0 年代6 0 年代7 0 年代8 0 年代o o 年代 图i - 3 中国各海区赤潮发生情况 图1 - 42 0 0 0 年赤潮发生情况 图i - 52 0 0 1 年赤潮发生情况 图i - 62 0 0 2 年赤潮发生情况 赤潮发生的整体趋势为：规模越来越大，分布越来越广，次数越来越多。 6 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 国内外赤潮的研究主要包括以下五个方面： 一、赤潮藻的培养生物学和分类学研究 根据赤潮发生的记录种，进行赤潮藻类分类学的研究是赤潮研究的一个重要 方向。由于人们对赤潮的研究时间较短，而且重视程度不够，所以有关赤潮生物 种的研究还很不充分。所以加强赤潮藻分类学的研究，记录赤潮发生物种，并在 实验室进行培养和研究具有非常重要的理论和实际意义。暨南大学的齐雨藻和黄 长江老师，以及国家海洋局检测中心的郭浩老师在这方面都作了大量工作，取得 了较大成果。 二、赤潮藻类的生活史的研究 历史上赤潮藻类的演变也随着环境的变化而发生改变。近二十年来，由于现 代工业的急剧发展，海洋环境的持续恶化，引发大规模赤潮的赤潮生物种群也发 生了相当大的变化。也出现了许多新的生物记录种。表1 1 给出了近年来中国有 害赤潮藻种的变化情况。 表1 - 1 近年来中国有害赤潮藻种类变化情况( 有毒藻及甲藻所占比例的变化) 有毒 d s pn s pc f t其他 甲藻p s p o a s p 产毒 年代新种藻比产毒产毒产毒有毒 比例毒藻藻 例藻藻藻藻 1 9 9 12 6 41 2 1 5 312 1 9 9 73 45 2 92 4 155ll45 三、赤潮藻类毒素的研究 赤潮发生除了造成重大经济损失外，由于有毒赤潮藻类代谢产生的毒素也威 胁着人们的身体健康。赤潮发生时，有毒赤潮藻类的毒素在鱼和其他贝类海产品 的体内积累，人们误食此类海产品会引发各种病状，甚至会造成死亡。 到目前的研究为止，根据人们的中毒症状，藻毒素共分为麻痹性贝毒p s p 、 腹泻性贝毒d s p 、神经性贝毒n s p 、记忆缺失性贝毒a s p 和西加鱼毒c f p 。 对赤潮毒素的研究方向集中在主要赤潮藻类毒素的产生机理和相应的防治 办法，记录新毒素种类，以及利用生物医学和遗传机制来抑制毒素的产生和扩散。 四、赤潮生态动力学模型的研究 - 第一章绪论 赤潮研究的一个重要方面就是根据发生赤潮的种群的动力学机制和海洋物 理环境，建立有关赤潮生消过程动力学模型，利用各种数学工具对模型进行分析 和求解，了解动力学系统中的参数特性，并对模型进行模拟和仿真。 国内关于模型的研究从9 0 年代才开始，中山大学的王寿松老师，暨南大学 的黄伟建和齐雨藻老师等在这方面作了大量的工作，但是还很不成熟。国家海洋 局南海分局和中山大学数学系对大鹏湾赤潮的仿真模型中，仅简单地把各种营养 元素看成一个整体加入讨论，而并未考虑各营养元素和环境因子耦合作用，但这 正是大多有关藻类赖以生存的主要原因所在。天津大学王洪扎，李超( 2 0 0 2 ) 建 立了赤潮藻类营养盐限制方程并研究了方程的非线性动力学行为。对国外有关对 模型的研究也相对较少，而且大多只考虑赤潮发生因素的一个方面。所以将来的 方向必将是各种因素的关联模型是主要方向，解决复杂关联模型的也必将用现代 非线性动力学的分岔和混沌方法代替传统的统计学方法和数值分析，这也是本课 题组的研究重点。 五、赤潮预测预警的研究 赤潮的预测预警研究在赤潮的研究中有着非常重要的地位，它对防止赤潮危 害，减少赤潮所造成的经济损失，保护人们的健康安全起着重要的作用。由于近 年来赤潮的危害日趋严重，各国都加强了对于赤潮预测理论及预警系统的研究。 国内，黄伟健( 1 9 9 3 ，1 9 9 6 ) 等对大鹏湾海水采用因子分析法研究了海水中 理化因子对夜光藻生长的影响，并建立了夜光藻种群密度变化率动态模型；黄奕 华( 1 9 9 7 ) 等以逐步回归、主成分分析及判别的方法分析了大棚湾中肋骨条藻与 环境因子的关系；夏综万( 1 9 9 7 ) 等将海洋动力学与赤潮生物动力学相结合，建 立了一个赤潮发生的仿真模型。但就目前来说，这些模型都还没有真正用于赤潮 的预测预警。 在国外，人工智能技术正作为一个前沿技术被用于赤潮预测预警。机器学 - j 被应用于生态系统时间序列的预测与建模( f r i d r i c hr 2 0 0 1 ) 。h u g hw i l s o n ( 2 0 0 1 1 利用人工神经网络在赤潮的预测计算中取得了比较好的结果。沈菲等( 2 0 0 3 ) 运 用优化后的人工神经网络进行了赤潮的预测，另外还有j o s e p h ( 2 0 0 2 ) 等对神经网 络的输入变量选择上作了些研究。j a s o nr o b b i n ( 2 0 0 1 ) 尝试将近化学习应用 于赤潮的预测研究中。a r t h l l r e m y i l c t t ( 2 0 0 2 ) 将模糊逻辑( f u s s y l o g i c ) 用于赤 第一章绪论 潮的预测。总的来说，赤潮预测预警系统是一个前沿的热点研究问题，但是都还 没有有效的应用于实际的预测预警。 1 3 本论文的主要工作 综上所述，由于近几年来渤海赤潮发生的日趋频繁，危害日益严重，因此迫 切需要建立一个基于渤海海域的赤潮预测预警系统。 本文针对这一问题，主要作了以下几方面的工作： 1 、为了解渤海的典型赤潮藻类以及其生态环境状况，2 0 0 1 年到2 0 0 3 年连 续三年对渤海湾生态理化因子进行了监测，特别是2 0 0 3 年5 月到9 月，对渤海 湾的赤潮监控区进行了高密度的监测( 一周一次) ，并对渤海湾赤潮藻类生态状 况进行了评价。 2 、针对渤海的典型藻类及其生长特性，建立了夜光藻、硅藻的多种群赤潮 生态模型，中肋骨条藻的生物链模型，运用现代菲线性动力学分岔混沌理论，判 断了方程解的动力学稳定性，求出了导致方程发生h o p f 分岔的环境因子关键值， 并考虑了高等动物捕食对模型非线性动力学行为的影响。 3 、基于渤海湾的生态环境因子的监测数据，运用主成分分析及多元逐步回 归，得到了影响渤海湾赤潮藻类生长的主导因子，并建立了多元回归预测方程。 4 、综合人工神经网络、模糊逻辑、专家系统以及赤潮生物动力学预测模型， 提出了渤海赤潮的预测预警系统方案。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 浮游植物生物量与生产力是海洋生态系统食物网的结构与功能的基础环节， 是供养其摄食者浮游动物的物质基础，从而直接或间接的影响海区鱼、虾、 贝等经济渔业资源的变动。浮游植物与周围物理、生物、化学环境通过各种复杂 的相互作用形成一个统一的整体，一个相互影响、共生共灭的生态环境系统。 渤海是一个半封闭的浅海，生态环境的季节变化显著，同时渤海周围又是一 个人口相对集中、工农业生产较为发达的地区，易受人为因素的影响。特别是近 些年来，渤海富营养化状况目益严重，赤潮频繁发生，给工农业生产以及社会的 可持续发展都有很大的负面作用。因此，开展渤海浮游植物及其相关环境因子和 海域的富营养化调查研究和评价有很大的现实意义和经济价值。 2 1 监测项目与分析方法 2 1 1 监测项目 2 0 0 0 - 2 0 0 3 年，分别于枯水期( 5 月) 、丰水期( 8 月) 、平水期( 1 0 月) 对 天津近海海域生态环境因子进行了调查。 调查区域为：北纬3 8 。3 6 3 0 ”3 9 。0 6 5 7 ”、东径1 1 7 。3 9 ，1 1 8 。 监测项目为： 水文气象：风向、风速、简易天气现象、水温、水色、水深、透明度、海况。 水质：p h 值、盐度、溶解氧、叶绿素a 、化学耗氧量、磷酸盐、亚硝酸盐一 氮、硝酸盐一氮、氨盐一氮。 2 0 0 3 年5 月 9 月，对渤海湾赤潮监控区进行了高频率( 每周一次) 监测。 监测区域为：北纬3 8 。4 9 2 0 ” 3 8 。5 4 、东径1 1 76 3 7 1 1 7 。5 0 。 监测项目包括： ( 1 ) 水环境 水文气象：风向、风速、简易天气现象、水温、水色、水深、透明度、海况。 理化要素：p h 值、盐度、溶解氧、叶绿素a 、化学耗氧量、磷酸盐、亚硝 酸盐一氮、硝酸盐氮、氨盐一氮。 ( 2 ) 赤潮生物 浮游植物细胞总数( 细胞m 1 ) 、优势种及细胞数量( 细胞m 1 ) 。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 圈2 - 1 采样站位图 2 1 2 分析方法 气象、水文、水质、生物量监测项目及分析方法见表2 1 。 表2 - 1 监测项目与分析方法一览表 指标监测项目分析方法采用标准 气压空盒气压表 g b1 2 7 6 3 2 9 1 风速 风向、风速仪( 表) g b1 2 7 6 3 2 ，9 1 水 风向风向、风速仪( 表) g b1 2 7 6 3 2 9 1 文气温通风干湿表、温度计 g b1 2 7 6 3 2 9 1 气透明度透明度盘( 水下照度计) g b1 7 3 7 8 4 - 1 9 9 8 象 水色 水色计g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 海况海浪及海流目测 g b1 7 3 7 8 4 - 1 9 9 8 水温 颠倒温度计 g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 p h 值 笔式p h 计、p h 电位计 g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 盐度电导法、折射式盐度计 g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 环 溶解氧测氧计、碘量法g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 境 化学耗氧量碱式高锰酸钾法 g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 因 活性磷酸盐磷钼酸法 g b1 7 3 7 84 1 9 9 8 子 亚硝酸盐 重氮一偶氮分光光度法 g b1 7 3 7 8 4 1 9 9 8 硝酸盐锌铬还原法g b1 7 3 7 8 4 一1 9 9 8 氨氮次溴酸盐氧化法 g b1 7 3 7 8 4 - 1 9 9 8 生 浮游植物种类及数量 个体计数法 g b1 7 3 7 8 7 1 9 9 8 物浮游动物种类及数量 个体计数法 g b1 7 3 7 8 7 1 9 9 8 因底栖生物种类及数量个体计数法g b1 7 3 7 8 7 - 1 9 9 8 子叶绿素a 荧光分光光度法g b1 7 3 7 87 - 1 9 9 8 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 2 2 渤海湾生态环境因子空间分布与季节变化 2 2 1 海水温度 海水温度是海洋环境中最为重要的生态因子，水温对浮游生物的生活起着重 要的作用。在适当的温度范围内，温度的升高将加速生物的新陈代谢，增加其繁 殖速度。 渤海湾是一个半封闭的海湾，三面环陆，气温的日差和季节差较为明显，再 加上渤海湾与外界的水体交换能力较差，水深较浅，水温受气温的影响较大，有 较明显的大陆性和季节性。根据调查资料分析，海水水温与气温有较明显得相关 关系。 下图为2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域水温季节变化趋势图。 一一 m o n t h 图2 - 22 0 0 3 年5 月 9 月渤海海域水温季节变化趋势图 调查海区水温的平面变化不大，丰水期和枯水期温度变化趋势为近岸高、远 岸低。这是由于该季节太阳辐射较强，近岸海水受到陆地辐射的影响，增温较远 岸快。平水期与丰水期和枯水期的变化相反，其分布由近岸向远岸呈逐渐增加的 趋势。这是由于太阳辐射减弱，受陆地降温迅速的影响，近岸海水降温较外海快。 2 2 2 盐度 盐度是海洋中生态的另外一个非常重要的环境因子。许多报道认为，降雨是 引起海水盐度下降，从而引起浮游植物异常繁殖的物理刺激因素。 下图为2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域盐度季节变化趋势图。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 t n 图2 - 32 0 0 3 年5 月9 月渤海海域盐度季节变化趋势图 枯水期和平水期的盐度空间变化较小。而丰水期的盐度变化较大。盐度最低 点都出现在大的排污河附近或者渤海湾的南部区域，这是由于夏季入海径流增加 和夏季渤海湾潮余流为逆时针旋转，使含盐量较低的陆地径流由北向南沿岸流动 引起的。 2 2 3 营养盐 营养盐是浮游生物赖以生存的物质基础，多数学者认为氮、磷、硅等无机营 养盐浓度的上升是浮游植物生长爆发繁殖，从而引起赤潮的原因。朱树屏的实验 结果表明，海洋浮游植物对无机氮和无机磷的需要的适应浓度分别为8 0 m g l 和 1 8 m g l 以上，而邹景忠则认为1 5 m g l 以上的无机磷是浮游植物生长繁殖的起码 浓度。 海水中无机氮源的主要形式为n 0 3 - - - n 、n 0 2 - 一n 、n 地+ 一n 三种。 下图为2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域n 0 3 - 一n 、n 0 2 - 一n 、n h 4 + 一n 季节变 化趋势图。 墨墨 嘲 强疆 图2 - 42 0 0 3 年5 9 月渤海海域n 0 3 一- - n 、n 0 2 一- - n 、n i - h + 一n 季节变化趋势图 活性磷酸盐是浮游植物生长繁殖的重要元素，许多研究表明，它是引发赤潮 的重要因素。海水中的磷以颗粒态和溶解态存在。前者主要为含有有机磷和无机 磷的生物碎屑，以及某些磷酸盐矿物颗粒；后者则包含有机磷和无机磷的两种溶 解态。溶解态的无机磷是正磷酸盐，主要以h p 0 4 2 一和p 0 4 3 一的离子形态存在。在 河口以及沿岸浅海区磷酸盐的垂直方向分布比较均匀，而在深海和大洋中则有明 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 显得分层。 下图为2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域磷酸盐季节变化趋势图。 倒2 - 5 2 0 0 3 年5 月- - 9 月渤海海域磷酸盐季节变化趋势图 2 2 4 其它环境因素 化学耗氧量( c o d ) 是赤潮发生期间海洋生态环境变化的又一参数。由于浮 游生物大量繁殖进行光合作用产生大量氧气，以及死亡藻类的分解消耗大量氧 气，赤潮发生时，海水中的含氧量变化较大。 下图为2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域化学耗氧量季节变化趋势图。 n t h 图2 - 6 2 0 0 3 年5 月9 月渤海海域化学耗氧量季节变化趋势图 海水的p h 值也是重要的环境因子，在赤潮发生海域的p h 值比正常海域的 p h 值高。这可能由于在赤潮代谢过程中所产生的代谢物溶解在海水中的缘故。 下图为 m o n t h 图2 _ 7 2 0 0 3 年5 月 9 月渤海海域p h 值季节变化趋势图 另外还有其它环境因子，例如气象，水文，潮汐和降雨等，都是影响赤潮发 生的重要因素。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 2 3 渤海湾浮游植物空间分布与季节变化 渤海海域的浮游植物的季节变化较为明显，季节的不同，各个海域的优势种 类明显不同。在5 月份的枯水期，由于温度的增加，广布性种类增加，浮游植物 的种类主要为沿岸的常见种，如适温和适盐范围广的布氏双尾藻和尖隐藻为主； 在丰水期的8 月份，由于雨季径流增加的影响，盐度较低、营养盐浓度较大，且 温度较高，优势种为近岸广布种和低盐暖温性的种类占优势，如布氏双尾藻、太 阳双尾藻、角刺藻等；在平水期的1 0 月份，水温下降，盐度较高，出现了许多 广温、广盐性种类，另一方面，温度抑制了藻种的大量繁殖，该季节出现的种类 较多，而且个体分布也较为均匀，没有明显的优势种。 渤海的不同的地理位置，水质状况也大不相同，浮游植物的种类也明显不同。 5 月份的北部海域优势种为斯氏根管藻，南部海域为个体微小的尖隐藻；丰水期 优势藻种为硅藻门的直链藻，且各海域的甲藻种类增多。研究表明，甲藻适应的 温度较高，渤海湾的浮游植物种类变化也正说明了这种情况。根据国家海洋局塘 沽分局的一个观测站的结果表明：5 月份出现硅藻门7 种，其中诱发赤潮藻类的 藻类有2 种，占2 8 6 ；8 月份检出4 门1 2 个种属，其中可以诱发赤潮的种类 有6 种，占5 0 ，这可能由于丰水期盐度较低，温度较高引起的；在1 0 月份则 没有明显的优势种属。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 2 4 渤海湾赤潮藻类生态环境评价与分析 2 4 1 富营养化的评价指标、标准及模式 水体富营养化为水生植物( 主要是浮游植物) 的生长和繁殖提供了大量的营 养物质，并往往导致赤潮的发生，直接引起水质恶化，提高水处理的难度和费用， 加重工业用水的设备费和运转费，也会破坏疗养胜地和旅游胜的水环境。作为农 业用水，若富营养化程度很高，对农作物也有影响。以水稻为例，富营养化会阻 碍根系的生长，产生倒伏、贪青、生长过分茂盛等。富营养化的特征与水域营养 状态，不同的研究者有不同的表示方法，表2 2 是日本学者提出的海区的营养等 级的划分。 表2 - 2 海域营养阶段的区分及其特征 特征腐水域 过营养水域富营养水域贫营养水域 数m 以下数m 以上 水质、生产量 透明度( m ) 水色 c o d ( 0 2 m g d m ) b o d ( 0 2 m g d m 3 ) 无机氮化台物 ( n u d m 3 ) 溶解氧d o 硫化氢 浮游植物的最 大成层情况 3 以下 带黑色 3 以下 黄、黄绿、赤褐等 1 0 以上3 1 0 3 1 0 短期内看到有颜 色 1 3 1 0 以上 看不到颜色 1 以下 1 0 以上3 1 0 l 3 i 以下 1 0 0 以上1 0 1 0 0 2 1 0 2 以下 表层低氧或无 氧( o 3 0 ) 接近表层处有 表层过饱和表层为饱和 底层无氧状态 ( 0 3 0 呦( 1 0 0 2 0 0 呦 在底层有无 3 m 以上，有时05 m 以上， 也有在中层或低氧区成层 表层、中层为过饱 和，底层为不饱和 ( 3 0 8 0 ) 尤 形成数m 至1 0 多 表、中层为过饱 和状态 ( 8 0 1 0 0 ) 尢 形成数l o r e 层 叶绿素( m m 3 )一1 0 2 0 0 l 1 0 l m g ( m 3 h ) 】 - 1 6 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 _ _ ，_ 一一。 叶：荣( m g m 2 ) 一 o 1 1 0 0 5 01 l00 3 3 0 0 0 3 0 30 0 3 c o d ( r a g g ) 3 05 3 05 微生物细菌朔日 1 0 51 旷1 0 5 1 0 2 10 d 1 0 2 胞数( 个c m 3 ) 浮游植物细胞 1 0 3 ，种数多 1 0 3 1 0 5 ，种少数稍多1 0 1 0 3 种多数少 1 0 ，种多数少 数 ( 个c m 3 ) 原生动物数多数稍多 数少数少 浮游动物( 甲壳一数少，种少 数多，种多数少，种多 娄)( 也有种多的时候) 底栖生物 多毛类数少，种少数少，种少数特多种多数多，种多数少，种少 甲壳类一数少，种少数多，种多数少，种少 例子 河口，污水排放内湾里部、半咸水湖、湾口内湾，水深3 0 m 以 水深3 0 m 以上 水域非常狭窄的内湾上的沿岸海域、近的沿岸海域、近 海海域的涨潮域海海域 表2 - 3 富营养化的指标 区分指标 c o d 、t o c 、t o d 、n 、p 、 藻类现存量的测定 叶绿素a 、s s 、微生物种等、 显在地评价指标 由于藻类增殖而使水质变化量的测定 p h 、碱度、c o 、d o 、透明 度、色度等 藻类所必需的物质量的测定p 、n 、1 贮、t c 微量金 潜在的评价指标 藻类所必需的物理量的测定属等、气温、水温、照度、 包括潜在能力的测定辐射量、停留时间、a g p 、 d i 等 1 7 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 我国在“八五”期间的国家科技攻关项目，开展了近海富营养化的研究。根 据纳污海湾、虾池两种不同的生态类型水体的检测资料和富营养化的主要特征作 以比较，提出了以c o d 、t n 、n h 4 一n 、n 0 3 一n 、t p 、p 0 4 一p 、叶绿素a 初级生产力、生物多样性等作为营养类型的评价体系。 营养化的评价方法，国内外较为通用的方法有以下几种： 1 单项指标法 单项指标法是采用富营养化阀值进行评价的一种方法，是上田和一夫 ( 1 9 7 3 ) 提出的。具体的指标是：c o d = 1 3 m g d m 3 、d i p = 0 0 4 5 m e c d m 3 、d 1 n = 0 2 o 3 m g d m 3 、c h l a = l 一1 0 m g d m 3 、初级生产力= 1 l o m g ( d m 3 h ) 、多样性指数低等。由于海区的不同，这些阀值亦有所不 同。 2 综合指数法 综合指数法又称作营养状态指数法，综合指数表达式如下： e ：c o d x d i n x d i p 1 0 6 4 5 0 0 当营养指数e 大于l 时，则表示水体富营养化。 3 营养状态质量法( n q i 法) 营养状态质量指数用下式表示： n q i = i c c o d + i c t n + 百c t p 式中，c c 0 。，c 知，c 。，分别为化学耗氧量、总氮、总磷的实测浓度 值；c ：。，c 二，c 则分别为评价标准采用的浓度值。当指数n q i 大于或等于3 时，即为富营养化水平。彭云辉( 1 9 9 1 ) 率先将模糊理 论引入近海富营养化水平的评价，将n q i 法应用于珠江口水域，取得 了与实测值较为一致的结果。 第二章渤海赤潮藻类生态环境状况调查与评价 2 4 2 赤潮藻类生态环境状况评价与分析 根据调查和监测项目，考察渤海生态环境因子的分布和变化。主要包括硝 酸盐、亚硝酸盐、氨盐、磷酸盐、叶绿素a 、初级生产力、以及浮游植物的个体 总量和浮游动物的生物量。 营养盐是浮游生物赖以生存的物质基础，多数学者认为：氮、磷等营养物质 的浓度上升是藻类繁殖的原因。朱树屏的实验结果表明，海洋浮游植物无机氮和 无机磷的需求的适应浓度分别为8 0 m g l 和1 8 m g l 以上，而邹景忠则认为1 5 m g l 以上的无机磷是浮游植物繁殖的起码浓度。从评价结果来看，1 9 9 3 2 0 0 3 年间 的无机氨水平较1 9 6 0 年和1 9 8 2 年呈大幅度上升趋势，均超过了浮游植物对无机 氮的需求浓度，尤其是1 9 9 5 年开始，渤海无机氮的平均浓度超过了o 2 o 3 m g l 的富营养化的浓度水平。 磷酸盐自1 9 9 3 年以来，除1 9 9 4 年外，全海域平均浓度均超过1 6ug l 的浮 游植物的适应浓度，较1 9 6 0 年和1 9 8 2 年的浓度上升了2 倍多。从空间分布来看， 1 9 9 3 1 9 9 4 年除辽东湾湾顶外，其余海水均为一类水质标准，为富营养型。1 9 9 5 1 9 9 6 年在辽东湾、秦皇岛近海岸、渤海湾、莱州湾均出现了磷酸盐的超标区， 与无机氮的情况刚好相反，1 9 9 7 年磷酸盐的超标范围呈扩大趋势。 c o d 的年变化较为明显，从1 9 9 3 年到2 0 0 3 年呈上升的趋势。渤海全海域 的平均值较低，各年平均不超过现有的一类水质标准，但超过了富营养化指标的 下限，即大于l m g l 。 前面讨论过，海洋浮游生物体和大洋中的n 与磷之比一般恒定在1 6 ：1 ，此 比值称作r e d f i e l d 值。偏离r e d f i e l d 值过高或者过低都可能引起浮游植物生长受 到相对较低含量的营养盐的限制。如厦门港赤潮发生区每月大潮表层海水的n p 比值的年平均值为6 0 8 7 ，赤潮发生期的n p 值的均值为5 6 6 7 。从浮游植物供求 关系看，n 过剩，而磷显得紧缺，p 成为该海区的限制性因子。对渤海历年来的 监测数据分析表明，n p 比值的差异较大，最小值为3 5 ，最大值为1