激活海洋意識從關注近海環境開始
——記衛星海洋環境動力學國家重點實驗室近海動力與生態環境團隊

本刊記者　汲曉奇　通訊員　竺可欣

激活海洋意識從關注近海環境開始
——記衛星海洋環境動力學國家重點實驗室近海動力與生態環境團隊

本刊記者汲曉奇通訊員竺可欣

機緣巧合，跟隨近海生態系統動力學研究的腳步

時光回溯到20世紀90年代末，我國的海洋科研環境并不理想，國民的海洋意識薄弱，國家對海洋研究的投入也較少，直到1999年，那一年有兩個海洋“973”項目立項，才有更多的投入轉向海洋環流和海洋生態研究，而國家海洋局第二海洋研究所正是參加這兩項“973”的主力之一。周鋒研究員回憶初到海洋二所讀研究生時，多少有些感慨。他說如果沒有那時候看到的海洋事業的一絲希望，要在這個崗位長期從事海洋科學研究幾乎是不可能實現的任務。

從國內外海洋發展的現狀看，海洋問題中有兩個熱點：一是近海環境與生態系統，二是海洋環流與氣候變化。為什么要關注近海環境呢？世界有40%的人居住距離海洋線100公里范圍內，人口密度非常大。美國30%的石油和20%的天然氣生產均來自近海及毗鄰海域。在我國，沿海地區以13%的國土面積創造了60%以上的國民經濟生產總值。海洋的產出影響我們的生活、生產和經濟。近海不光是生活居住的主要場所，也是海洋食物的主要來源。很多經濟魚類都是在近岸的水域產卵回游，很多養殖場也都在近海。相反，海洋災害則會給旅游、交通、漁業等經濟的多個方面帶來損失。

我們對于海洋的興趣從來沒有像今天這樣高，國民海洋意識的喚醒只是最近幾年的事情。譬如，上世紀70年代以前，很少有人關注南海島嶼，現在各國對彈丸島礁都突然熱衷起來，爭的無非就是島礁周圍與毗連海域的海洋資源。所以，海洋成為沿海國家核心利益的說法并不過分；而近海又是離人類活動最近的海域。

然而，近海在接受人類日益增長的索求的時候，也在承受著過度捕撈、圍海造田、富營養化、酸化等多重壓力。

在支撐近海海洋環境可持續發展的研究中，衛星海洋環境動力學國家重點實驗室近海動力與生態環境團隊近期正從事一項“近海底層水體缺氧”的研究。什么是“缺氧”？以人為例，人呼吸需要氧氣，但到了高原地區，有些人就會不適應，甚至出現高原反應，高原反應是對于氣壓和氧氣濃度變化的人體反應。不同的人對氧氣濃度的適應性有一些差異。在海洋里，海洋動物們也需要氧氣，多數魚類要求氧氣濃度高，而海洋無脊椎動物對氧氣的要求相對低。多數研究發現，海水中的溶解氧濃度低于2mg/l時會使大多數魚類難以生存；如果低至0.5mg/l，則連耐氧能力較強的底棲海洋生物也難以存活。嚴重缺氧的海域又被稱為海洋中的“死亡區”，海水如果處于長時間氧氣不充足的情況就會發生海洋災害。

在廣袤的海洋中，情況會更為復雜。因為海洋是立體的、變化的、流動的，海洋與大氣、河流和沉積物存在交換；海洋中還有浮游植物，浮游植物通過光合作用可以產生氧氣，也可以通過呼吸作用消耗氧氣。氧氣被消耗后可能會緩解。那么，什么時候形成災害？什么時候又不是災害？形成災害之后又會如何變化？如何降低災害發生的概率？這些問題都是海洋科研人員亟需回答近海生態環境與生態系統的時空變化特征和機制。

管中窺豹，以缺氧為起點關注近海環境可持續發展利用

近海環境存在很多問題，有些與人類影響有關，缺氧是其中之一。缺氧又與其他現象如富營養化、赤潮、酸化等聯系在一起，因此是撬開海洋芝麻之門的鑰匙之一。氧氣對于海洋動物不可或缺。水中氧氣的來源有兩個：一個是從空氣中來，溶解到上層水中，再通過上下層水交換，使整個水體布滿氧氣；另一個來源是來自海洋植物的光合作用。那氧氣是如何被消耗掉的呢？與光合作用相對的有浮游植物的呼吸作用消耗氧氣；特別是它們在死亡分解過程中需要消耗氧氣。

冬天氣溫低，海水的垂向對流交換過程比較頻繁，空氣中的氧氣溶解到上層后會慢慢被交換到下層；但到了夏天情況就不同了，上層水體隨著大氣增溫比較快，下層水增溫比較慢，在上下層之間形成了一個障礙層。另外，夏天來自河流的淡水多，淡水輕，海水重，重的在下面，輕的在上面，又增強了這個障礙層。有了這個障礙層，溶解在上層的氧氣很難交換到下層水中。下面的水中氧氣被消耗之后氧氣的補充比較慢，經過幾天或者兩三周的累積之后就會發生缺氧。

“我們研究的就是：長江的淡水去向哪里？障礙層什么時候開始？障礙層什么時候會增強？氧氣什么時候被消耗？消耗的速率和補充的過程怎么樣？整個時間需要多久……”周鋒概括地介紹團隊的工作。海洋空間范圍比較大，海水始終在流動，相對湖泊和水塘而言缺氧比較難發生。水交換會對缺氧海域進行補充。但也有反面的情況會加劇缺氧，比如流動過來的水氧含量比較少。在東海邊緣，有一個世界聞名的洋流叫黑潮。黑潮在東海的陸架邊緣經過，會通過多種方式和路徑入侵到近海，而且量很大，入侵在陸架邊緣大概是長江的50倍左右，向內有所減少。入侵的黑潮主要來自比較深的層次，水體中的含氧量少。當這種特征的水流到長江口，與當地情況結合，缺氧就更容易發生。

長江口的缺氧在很多次的實地考察中被證實，很多科學家在其中做了扎實的工作。觀測在海洋研究中具有非常重要的地位。只有在一線現場，才能了解海洋最真實的情況，特別是水面下的海洋變化過程在實驗室中很難準確的感受到。近海動力與生態環境團隊在過去十幾年中，圍繞缺氧實施了多種方式的觀測，既有連續觀測長達數月的浮標錨系調查，也有即到即測而觀測范圍較廣的大面調查。這樣的觀測反復了好多年，逐漸發現東海缺氧的復雜變化中既有短至一天的變化，也有幾天與幾周的變化，也有不同年份間的明顯差別。在這些年中，一起參加缺氧研究的既有物理海洋、海洋化學、海洋生物，也有衛星遙感的專業人士，這正是近海動力與生態環境團隊的特色。不同學科的人，各自發揮自己的獨門絕技，用不同方法了解近海環境所經歷的時空變化以及背后的原因。現在的海洋研究，“需要不同學科共同協作，不是單憑一己之力就可以實現大跨步前進的。”

海洋研究另一個特點是費時費錢。到海上進行現場觀測，需要租用船只和設備，費用少則幾萬元一天，多則二十幾萬一天。即便如此，取回來的資料可能也只是反映某一個時間段的特征，而不是現象的全部特征。就像盲人摸象，雖然每個盲人摸到的都是大象真實的一面，但以點代面還是無法體現大象整體特征的，所以盲人們都沒有做出正確的判斷。海洋研究也是如此，只有經過長期的培訓專業人士，對科考資料進行大量的系統分析，才可能做出合理的判斷，找出隱藏其中的真正規律。這些年，科技部的“973”、國家自然科學基金委和國家海洋局的公益項目都先后支持了缺氧研究，為資料的長期積累提供了有力的經費保障。

另外，獨立的研究視角和多種分析手段，對挖掘真相也是很有幫助的。目前，該團隊一方面在觀測上更加細致和多學科更多地相互補充；另一方面，也正在研究如何把氧氣的補充過程和消耗過程簡化，構建簡單的物理模型，濃縮為數學公式，再用計算機進行模擬。這樣做的好處是既不脫離海洋的實踐經驗，又能大大節約了研究成本，有一些想法可以直接在計算機上測試或者實現。通過這種方法，研究人員就能知道哪些地方缺氧，何時發生，影響的面積有多大……“這樣我們可以大概有個估算，大致了解哪些地方需要重點關注，方便以后到現場做調查時有針對性地觀測”。

深耕細作，探討人類活動和自然變化對近海的雙重影響

近海是“家門口的海洋”，既連接著陸地，又與大洋相連。陸地的影響通過徑流、排污、養殖活動甚至大氣等方式影響近海，大洋則可以通過調節氣候變化、海洋環流、形成極端天氣等方式來影響近海。因此，近海受人文活動和自然過程雙重調節的特征是相當明顯的，也一貫以來受到世界海洋大國的重視，也是該團隊研究的核心區域。

在近期一個浙江省自然科學杰出青年基金項目“東海跨陸架交換過程、機理及其對近海缺氧的影響”中，該團隊就希望進一步了解東海陸架邊緣交換過程和關鍵機理，弄清黑潮入侵對近海的生態影響。在已經積累了一定基礎的立體觀測方式上，進一步建立東海陸架的生態系統動力學模式，了解物理、生物和化學的耦合過程，更加明確近海底層水體缺氧現象的關鍵機理及其對生態鏈的影響。相對于早期的單純以動力過程為主的研究方式，目前的研究更加注重多學科的交叉，而在研究中考慮了海洋動植物的生命過程之后，也使得研究的難度加大。

在此之前，近海動力與生態環境團隊已經積累了大規模的觀測資料并發展了先進的平臺監測能力。未來，還需要在生態環境變化領域尋求新的突破，發展出不僅適用于近海環境短期過程變化，也能對其長期變化和年際差異進行解釋的生態模式，在此基礎上，為合理使用海洋資源提供科學依據。