共附生菌对绿潮浒苔作用的研究进展及应用

绿潮的迁移与大规模暴发,除了与藻体自身较强抗胁迫能力等生物学特性和海域环境条件有关外,也离不开藻际微生物的参与。微生物群落对藻类的生长、消亡等过程具有重要作用。不同环境条件下,浒苔共附生菌群落结构多样,对藻类的促进作用主要体现在藻体形态建成、生长、营养吸收以及光合作用等过程。在藻华发生过程中,能够帮助藻体高效吸收营养物质,促进藻类增殖,加剧绿潮的形成。因此,本文基于前人的研究成果,总结当前绿潮优势种浒苔共附生菌的研究现状,阐述浒苔共附生菌分离技术的建立过程,指出高通量测序等分子生物学技术对微生物群落结构与多样性分析的重要性,分析共附生菌对浒苔生长、繁殖、形态建成等生理特征和绿潮暴发的影响,探寻共附生菌在今后生产、生活中的应用价值,旨在为预测、防控绿潮暴发以及资源化利用开辟新思路。

2022年南黄海绿潮分布与浮游生物群落关系初探

本文以2022年南黄海(119°E~122.5°E,34.5°N~37°N)表层海水浮游生物为对象,利用高通量测序技术分析绿潮期间浮游生物群落结构特征,同时对环境要素进行调查,综合分析环境与浮游生物分布之间的潜在关联,为掌握南黄海绿潮的生态效应提供依据。结果表明,2022年7月上旬调查期间南黄海绿潮浒苔生物量湿重估计值为7.24×104吨,分布特征为以山东近岸以及海州湾附近为主要堆积处,浒苔生物量、浮游植物以及浮游动物与溶解性无机磷酸盐均有着显著的正相关性。浒苔覆盖区域中,浮游植物和浮游动物都有着较高的丰富度,甲藻和桡足类为主要优势种,属水平下包括:新角藻、未分类到属的共甲藻、薮枝螅水母、尖头溞等。与无浒苔覆盖的区域相比,该区域优势种相对单一,导致次生灾害发生的可能性大。浮游细菌群落调查中发现脱硫单胞菌纲和优势种γ-变形菌纲都与浒苔生物量有着紧密的联系,其中脱硫单胞菌与浒苔生物量呈显著性正相关,γ-变形菌纲与浒苔生物量呈显著性负相关。相关性分析表明,浮游细菌多样性与环境中总溶解性氮、磷以及溶解性有机氮呈显著性相关,结合浒苔与环境因子相关性分析,浒苔绿潮的发生可以为某些浮游细菌提供生长所需的营养物质。共线性网络分析表明,在绿潮发生的浒苔覆盖区域,浮游生物丰富度高且关系紧密复杂,因此浒苔绿潮对浮游生物的群落结构以及丰富度有潜在的影响。

我国绿潮灾害时间序列特征的模拟与预测

基于2010—2019年黄海绿潮卫星遥感影像资料,构建绿潮覆盖面积时间序列分析方法。将每年5月8日—8月7日成像条件较好的遥感监测数据预处理为周平均时间序列,将2010—2018年设定为模型训练集,2019年设定为模型验证集。基于Box-Jenkins法构建了差分整合自回归移动平均模型ARIMA(2,0,2)、加法季节性模型SARIMA(1,0,0)×(0,1,0)_(12)和乘法季节性模型SARIMA(1,0,0)×(0,1,1)_(12),3个模型都通过模型白噪声检验和参数显著性检验,具有较好的模拟效果和可预测性。SARIMA(1,0,0)×(0,1,1)_(12)的赤池信息准则值最小,2019年平均绝对误差为95.56 km^(2),均方根误差为156.74 km^(2),与ARIMA(2,0,2)相比,MAE提高12%,RMSE下降1.2%,SARIMA(1,0,0)×(0,1,0)12的预测精度最低,MAE和RMSE分别为115.12 km^(2)和192.16 km^(2)。

浒苔绿潮暴发期间海水溶解有机碳的生物可利用性及其碳汇作用

自2007年以来,浒苔绿潮已经连续15年在南黄海暴发。浒苔(Ulva prolifera)作为主要肇事藻种,在暴发过程中向海水释放大量的溶解有机碳(DOC)。然而,这些藻源DOC能否长期保存在海洋中,主要取决于它们的生物可利用性,目前关于此方面的研究甚少。本研究在浒苔绿潮大规模暴发时期(2019年6月),分别在浒苔暴发海区和无浒苔海区各选择3个站位富集表层海水,在实验室进行长期(300 d)的DOC降解实验。结果发现,在60 d内,不同站位富集海水中的DOC浓度随着微生物的利用快速下降,微生物丰度也在第60天达到峰值,表明这些被消耗的DOC是生物可利用性高的活性DOC(LDOC)。60 d后,剩余的DOC可抵抗微生物的降解,在60~300 d内保持稳定,表明这些DOC是具有强稳定性的惰性DOC(RDOC)。最终发现,浒苔暴发海水的RDOC占富集DOC的46%,明显高于无浒苔海水的(36%)。并且,荧光溶解有机物(FDOM)中活性的类蛋白组分随着微生物的利用被快速消耗,惰性的类腐殖质组分逐渐积累,暗示了在降解过程中LDOC逐渐向RDOC转化。可见,浒苔绿潮暴发除了在短时间内增加海水中的DOC浓度,在长时间尺度上也可增加近海RDOC库的积累。

防城港核电站周边海域绿潮藻类的组成及时空分布

绿潮通常由石莼属(Ulva)藻类形成,可对沿岸工业、旅游等产生不利影响,甚至影响核电站冷却水取水安全。河口和富营养化的沿海地区是易发生绿潮的区域,钦州湾呈富营养化态势。为了解钦州湾大型海藻对防城港核电站冷却水取水安全的影响,文章调查评估2020年12月至2022年2月退潮期间钦州湾西侧潮间带的大型绿藻生长情况。结果表明:钦州湾冬、春季有绿潮发生,时间为12月至翌年2月,持续时间约3个月,其中1月生物量最高,3月逐渐消失;绿潮持续时间的决定性因素是海水温度,绿潮发生月份与低纬度的厦门等地相近,而与中高纬度地区差异较大;钦州湾绿潮由3种石莼属藻类组成,按出现时间先后分别为条浒苔(Ulva clathrate)、肠浒苔(Ulva intestinalis)和长石莼(缘管浒苔)(Ulva linza);钦州湾绿潮为石莼属藻类本土生长类型,目前未发现外地漂移来的藻类;钦州湾海水营养盐浓度较高,利于石莼属藻类生长;人类活动抑制石莼属藻类生长,滩涂养殖区未发现石莼属藻类;钦州湾绿潮对核电站冷却水安全取水具有潜在危害。

东西连岛邻近海域绿潮发生前后浮游植物的群落变化

通过长时间的现场调查并结合历史资料分析,探讨了绿潮影响下浮游植物群落的变化。调查期间,浮游植物共鉴定出6门52属91种,分别为硅藻(67种,占74%)、甲藻(19种,占21%)、金藻(1种)、裸藻(1种)、绿藻(2种)、蓝藻(1种)。浮游植物细胞丰度为(8.16±7.48)×10^(4)cells/L,其中,甲藻细胞丰度为(1.10±1.05)×10^(4)cells/L;硅藻细胞丰度为(4.75±6.36)×10^(4)cells/L。共发现16种优势种,各个时期浮游植物优势种有所差别。经Spearman相关性分析,结果可知:水温、溶解无机氮和盐度是影响浮游植物群落的主要因素。结合历史资料分析,浮游植物优势种有一定变化,在本次调查期间绿潮发生时,中肋骨条藻不再占优势,而在历史同期时间,骨条藻仍是本海域重要的优势种之一。绿潮的暴发对浮游植物群落产生了一定的影响。

HY-1C/DCZI多光谱影像云覆盖与耀斑区域绿潮自动提取方法研究

针对多光谱影像受云、雾、太阳耀斑等因素的影响,难以实现高精度的绿潮自动提取的问题,本文以我国的HY-1C/D卫星CZI载荷多光谱影像为数据源,采用数据挖掘技术,通过探索绿潮区域与非绿潮区域的光谱分布差异,提出一种适用于HY-1C/DCZI影像的高精度、全自动绿潮提取方法。首先,分析有云区域和无云区域样本的光谱差异,给出厚云去除规则;其次,选取绿潮和非绿潮区域的样本,采用决策树算法生成绿潮提取规则;然后,针对薄云和厚云边界区域常常会出现误检绿潮的问题,设计了5种错误类别修正策略。为验证方法的有效性,收集2021年黄海区域绿潮暴发周期内的25景HY-1C/D CZI影像,开展绿潮自动检测实验。结果表明,与传统的NDVI方法、VB-FAH方法等指数方法以及ResNet50、U-Net等深度学习方法相比,本文方法在准确度、Kappa系数、F1-Score和MIoU等指标上均优于其他方法,而且能够实现在厚云、薄云、无云、云斑和耀斑区域复杂情况下的绿潮的高精度自动提取。

温度、光照和降水量对江苏海域浒苔绿潮暴发的影响

根据2016—2021年江苏管辖海域浒苔绿潮分布的遥感数据,分析海温、光照时长、降水量对浒苔绿潮暴发的影响。结果表明,2021年江苏海域海温上升速率较快,为浒苔的发生与大规模暴发提供了有利条件;日照时数偏长,加速了浒苔的繁殖增长;沿海降水量偏多,较多的陆地降水可能使海水中的营养物质含量上升,导致浒苔绿潮的发生与大规模暴发。

浒苔漂流聚集绿潮现象的初步分析

由石莼科绿藻大量增殖形成的绿潮已成为全球常态发生的生态现象之一。中国近年来也发生的孔石莼、浒苔等大型海藻异常增殖和聚集的现象,与国外报道的发生生物种类、发生基本过程和方式完全不同,可以作为绿潮一类新的模式进行研究和探讨。文中分析和探讨了漂流聚集浒苔绿潮发生的基本现象,浒苔因管状中空藻体内由光合作用产生的气泡增加了其浮力而进行漂浮生活,通过营养生殖的方式不断进行藻体的增殖,在适宜条件下日生长速率高达10%～37%,并在风场、流场以及潮汐的作用下不断聚集形成大规模的连片;漂浮聚集的浒苔会因藻体衰老死亡、光合作用速率下降、海水盐度降低以及水体泥沙等悬浮物附着使其聚集藻体浮力发生改变,而由海面表层沉降在水体表层以下。

基于多源、多时相遥感影像的黄、东海绿潮影响区检测

利用不同空间分辨率、多时相卫星遥感数据,对2007—2010年间黄海、东海发生的绿潮(大型绿藻———浒苔)进行了监测与评估。江苏北部浅滩沿岸水体浑浊,浒苔在该海域中光谱混合现象严重,高空间分辨率的遥感影像有利于其检测;在水体极浑浊的射阳河口检测到的浒苔离岸最近距离为1 km左右。反演结果表明,浒苔在5月初会沿苏北沿岸流向南漂移、影响东海海域;随着东亚夏季季风的加强,浒苔主要漂向南黄海并影响山东半岛邻近海域;在有利的风和海流作用下,亦可横跨黄海、影响朝鲜半岛南部邻近海域。

浒苔绿潮与南黄海近岸海域水质的关系

浒苔绿潮在黄海海域连续暴发，为研究浒苔绿潮与该海域水质的关系，根据2010年3--6月5个航次对南黄海苏北近岸浒苔绿潮暴发区海域生态环境要素的调查数据，重点研究了该海域温度、盐度、溶解氧、pH值的分布特征及其与浒苔绿潮的关系．结果表明，受陆地径流及苏北沿岸流的影响，调查海区为低盐高营养盐区，为绿潮的暴发提供了一定物质基础．第1航次到第5航次温度由8．8℃升高到21．6℃。第3航次调查海区开始出现漂浮浒苔藻体，此航次温度平均值为14．6℃；盐度平均值为31．6，第3航次到第5航次温度和盐度值均处于浒苔藻体适宜的生长范围之内．调查海区整体上均处于富氧状态，且从第1航次到第5航次溶解氧值逐渐减低．受陆地径流的影响整个调查区域pH值基本都小于8．0．海区适宜的温度、盐度、溶解氧及pH值，为近些年黄海海域浒苔绿潮持续的大规模暴发，提供了一定的环境条件．

黄海绿潮(浒苔)暴发区温盐、溶解氧和营养盐的分布特征及其与绿潮发生的关系

根据2008年7月9～14日对黄海绿潮暴发区生态环境要素的调查数据,重点研究了调查海域温盐、溶解氧和营养盐的分布特征及其与绿潮发生的关系。结果表明,溶解氧的平均值为9.22mg/L,整体处于过饱和状态,呈北高南低,西高东低的分布趋势。溶解无机氮的平均值为9.07μmol/L,呈现出南高北低,苏北沿岸向离岸方向逐渐降低的趋势;活性磷酸盐的平均值为0.19μmol/L,呈现出东高西低,自外海向海洲湾方向递减的趋势。在调查海域的东部出现营养盐高值区。通过分析温度、盐度、溶解氧、营养盐与绿潮发生的关系发现,温度、盐度和溶解氧均处于浒苔藻体生长和孢子释放的适应范围内。大面积浒苔聚集区的表层海水DIN和PO34--P的平均含量分别为14.89和0.27μmol/L,营养盐含量要明显高于调查海域其他海区营养盐的含量,表明充足的营养盐是绿潮发生的物质基础。同时调查海区表层、10m层和底层N/P(摩尔比)比值的平均值分别为702、194和411,均远大于Redfield值,由此可见,该调查水域主要受到磷的潜在限制。

黄海绿潮研究:回顾与展望

自2007年以来,南黄海海域连年发生大规模绿潮(green tides),至2018年已连续12年出现。大规模绿潮对南黄海西部沿海一线的景观、环境和养殖业造成了严重破坏,已经成为黄海海域一类常态化的生态灾害问题。每年夏季,苏、鲁沿海一线地方政府都要投入大量人力物力,对海滩上堆积的绿藻进行收集和处理。针对绿潮问题,我国政府组织相关学者,围绕绿潮起源、成因、危害、监测和防控进行了大量调查和研究工作。经过多年研究,在黄海绿潮原因种及其鉴定方法、黄海绿潮起源地与早期发展过程、影响黄海绿潮的关键因素等方面已经有了比较系统、深入的认识,确认了黄海绿潮的原因种为浒苔(Ulva prolifera),发现黄海绿潮主要起源于南黄海西部的苏北浅滩海域,基本阐明了浅滩区绿潮早期发展的关键过程。浒苔自身的生物学特性、苏北浅滩独特的海域环境特征,以及浅滩区的养殖活动是影响黄海绿潮形成的关键要素。但是,在绿潮原因种浒苔的最初来源、绿潮的生态效应,绿潮演变趋势以及绿潮防控对策等方面仍需进一步开展研究工作。为验证黄海绿潮成因方面的科学认识,对绿潮防控工作提供思路和技术保障,青岛海洋科学与技术国家实验室设立了鳌山科技创新计划项目"近海生态灾害发生机理与防控策略",将黄海绿潮作为一项重要生态灾害问题开展研究,旨在进一步阐明绿潮成因,为绿潮防控提供坚实的科学依据。

黄海海域大规模绿潮成因与应对策略——“鳌山计划”研究进展

在青岛海洋科学与技术国家实验室"鳌山计划"支持下,本项目围绕黄海大规模浒苔绿潮的防控减灾,联合山东和江苏两地多个单位协作攻关,于2016年到2018年展开了多学科交叉研究,通过对绿潮藻浒苔(Ulva prolifera)的附着、入海等行为的加密观测,在大规模浒苔绿潮成因机制和防控策略方面取得了重要进展,确认了苏北浅滩源地,确认本海区大量紫菜(Pyropiayezoensis)栽培筏架提供的大面积合适附着基、典型的富营养化环境特点以及北向风生流是黄海大规模浒苔绿潮形成的重要条件。本项目解决了以下几方面的问题:1.锁定关键时段和海域并开展打捞船与无人机配合打捞;2.发现苏北浅滩存在独特浒苔种源;3.定量化研究了紫菜筏架拆除时人为去除筏架及绠绳上的附生绿藻量,明确这一过程大大促进了浒苔大量集中入海,成为浒苔绿潮形成的重要环节;4.定量化研究了浒苔在向北漂移,生物量和分布不断增加的过程;5.依据对浒苔緑潮的源头及其早期发生、发展几个关键过程的科学认识,提出了设置三道防线进行浒苔绿潮防控的策略以及在苏北浅滩开展浒苔绿潮初始生物量源头控制的具体建议。6.评价了浒苔绿潮对生态环境和养殖业危害的同时,关注了高生物量输入对受灾地可能带来生物北侵的生态风险。7.为保障2018年青岛上合峰会,项目组先期提交了绿潮防控建议,部署和开展的各项研究和现场调查结果为绿潮的预测防控提供了有力支撑。同时本项目还针对浒苔绿潮灾害的年际变化、马尾藻(Sargassumsp.)金潮灾害加剧、南黄海"三潮齐发"的复杂态势等新问题展开了观测与研究,为进一步制订更科学高效的防灾减灾方案,阐明全球变化和人类活动影响下的我国近海藻华灾害的演变奠定了基础。

苏北浅滩养殖筏架附生绿藻入海过程在黄海绿潮形成中的作用

本研究采用现场定量观测为主的研究方法,在2017年5月期间对苏北浅滩竹根沙收紫菜养殖筏架作业过程进行跟踪调查;对养殖筏架绠绳附生绿藻自然脱落和收筏架作业过程人为刮落附生绿藻,以及收筏架作业前后入海的漂浮绿藻生物量进行定量观测。结果表明:筏架绳附生绿藻自然脱落率低,为3.58%±0.78%;收筏架作业过程中绠绳上刮落绿藻生物量为(12±3)kg湿重/根,由此估算2017年整个苏北浅滩刮落的生物量估算可达到万吨湿重;收筏架作业后海域漂浮绿藻生物量是作业前的7.6倍。研究结果进一步明确了收筏架作业过程中人为刮落绿藻是目前筏架附生绿藻最主要的入海方式。刮落绿藻是海水中漂浮绿藻的主要来源,其生物量对南黄海绿潮的规模大小有重要的影响。研究结果为绿潮防控措施的制定和实施提供科学依据。

南黄海绿潮暴发与紫菜养殖的关系

采用现场调查、社会调查和卫星遥感多种手段相结合,调查了南黄海绿潮早期零星漂浮到大面积暴发的时空变化过程,分析了紫菜养殖工艺对绿潮暴发的影响,估算了南黄海不同紫菜养殖区输入海洋的绿潮藻初始生物量,并探讨了主要海域紫菜养殖面积的增长与绿潮暴发的关系。结果表明,受紫菜养殖生产工艺的影响,数以千吨的绿潮藻在短期内被刮落集中输入至海洋,为绿潮的暴发提供了最为直接和充足的绿潮藻初始生物量,其主要来源为竹根沙、蒋家沙和东沙紫菜养殖区。2005年以来,上述3个养殖区的紫菜养殖面积持续扩大,是2007年以来南黄海绿潮持续暴发的主要原因。水温是影响绿潮形成的关键环境因素,4~6月份大量被刮落入海的绿潮藻在适宜环境条件下漂浮和快速生长,并最终形成绿潮。

2008年与2009年黄海绿潮漂移路径分析

利用卫星资料分析了2008年和2009年黄海绿潮的漂移路径的差异,基于QSCAT(Quick Scatterometer)卫星风场及海洋模式表层环流模拟结果,分析了绿潮漂移路径差异的动力机制。结果表明:2008(2009)年绿潮发生期间黄海海域以南东(偏南)风为主,江苏至山东半岛南岸海域表层平均流为偏北(东北)向,青岛附近海域低频余流为偏西(东)向流,致使绿潮的漂移方向为西北(东北)向,在青岛(烟台-威海)近岸海域发生聚集。2008年和2009年绿潮漂移路径差异,主要由海面风与表层环流的共同作用引起。通过对黄海海域海面风场和表层流场的早期预报,可以提前预判绿潮的影响区域和程度,为政府相关部门防灾减灾工作提供决策支持。

我国绿潮发生发展机理研究进展

绿潮是大型有害藻华，在全世界各个沿海国家的海湾和河口等海域频频发生。我国黄海海域近6年连续出现大规模绿潮暴发，对2008年青岛奥运会帆船/板赛和2012年的海阳亚洲沙滩运动会等诸多海上赛事造成了困难，对水产养殖、滨海旅游、海上交通运输等相关产业的影响尤为严重。为了保证赛事、沿海经济和生态环境可持续发展，国家相关各部门对此给予了高度重视，启动相应的应急预案，应对绿潮灾害；同时启动了多项基金研究和应用项目，如2008年绿潮专项；2008年“浒苔大规模暴发应急处置关键技术研究与应用”；山东省和青岛市相应的科技项目；2012年启动了国家海洋局公益性项目“黄海绿潮业务化预测预警关键技术研究和应用”。本文将对绿潮发生发展相关内容如溯源、暴发和生长机理、分布特征、漂流聚集机理进行回顾，并结合绿潮应急监测预警工作现状对研究工作进行展望。

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM海洋模式,根据2008年6月1日海监飞机监测绿潮所在位置,采用拉格朗日粒子追踪法反向积分,追溯绿潮来源。数值模拟结果显示,回溯至5月中旬,绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟,为政府相关部门了解绿潮的源头,并采取相应的措施提供依据,进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。

2018年南黄海浒苔绿潮迁移发展规律与营养盐相互关系探究

根据2018年4月(春季,绿潮前期)和7月(夏季,绿潮后期)南黄海营养盐、温度、盐度等水文参数及每日绿潮卫星监测数据,深入分析2018年绿潮的发展规律与营养盐结构特征之间的关系。结果表明:4月25在江苏南通外海首次发现浒苔绿潮,8月中旬在山东半岛近海消亡,其发展区域集中在122°E以西近海,且快速增殖阶段处在35°N以南江苏近海。各组分的营养盐浓度受沿岸径流、冷水团及生物作用等因素影响,均呈现江苏近海高外海以及北部低的特征。对比绿潮发展和营养盐分布呈现3个明显的绿潮-营养盐特征区域:高营养盐-绿潮快速发展区域(35°N以南,122°E以西,江苏近海);低营养盐-绿潮消亡区域(35°N以北,122°E以西,山东半岛外海域)及122°E以东外海无绿潮区域。不同特征区营养盐变化表明,江苏近岸较高的营养盐含量(NO_3^--N>6.5μmol/L, PO_4^(3-)-P>0.27μmol/L)和丰富来源是浒苔萌发和绿潮快速发展的重要物质基础,为绿潮发展提供了主要的氮、磷生源要素。北部山东半岛南外海较低的营养盐水平(7月,DIN<2μmol/L, PO_4^(3-)-P<0.03μmol/L)是限制绿潮继续发展的重要因素。