激活海洋意识从关注近海环境开始——记卫星海洋环境动力学国家重点实验室近海动力与生态环境团队

本刊记者　汲晓奇　通讯员　竺可欣

激活海洋意识从关注近海环境开始
——记卫星海洋环境动力学国家重点实验室近海动力与生态环境团队

本刊记者汲晓奇通讯员竺可欣

机缘巧合，跟随近海生态系统动力学研究的脚步

时光回溯到20世纪90年代末，我国的海洋科研环境并不理想，国民的海洋意识薄弱，国家对海洋研究的投入也较少，直到1999年，那一年有两个海洋“973”项目立项，才有更多的投入转向海洋环流和海洋生态研究，而国家海洋局第二海洋研究所正是参加这两项“973”的主力之一。周锋研究员回忆初到海洋二所读研究生时，多少有些感慨。他说如果没有那时候看到的海洋事业的一丝希望，要在这个岗位长期从事海洋科学研究几乎是不可能实现的任务。

从国内外海洋发展的现状看，海洋问题中有两个热点：一是近海环境与生态系统，二是海洋环流与气候变化。为什么要关注近海环境呢？世界有40%的人居住距离海洋线100公里范围内，人口密度非常大。美国30%的石油和20%的天然气生产均来自近海及毗邻海域。在我国，沿海地区以13%的国土面积创造了60%以上的国民经济生产总值。海洋的产出影响我们的生活、生产和经济。近海不光是生活居住的主要场所，也是海洋食物的主要来源。很多经济鱼类都是在近岸的水域产卵回游，很多养殖场也都在近海。相反，海洋灾害则会给旅游、交通、渔业等经济的多个方面带来损失。

我们对于海洋的兴趣从来没有像今天这样高，国民海洋意识的唤醒只是最近几年的事情。譬如，上世纪70年代以前，很少有人关注南海岛屿，现在各国对弹丸岛礁都突然热衷起来，争的无非就是岛礁周围与毗连海域的海洋资源。所以，海洋成为沿海国家核心利益的说法并不过分；而近海又是离人类活动最近的海域。

然而，近海在接受人类日益增长的索求的时候，也在承受着过度捕捞、围海造田、富营养化、酸化等多重压力。

在支撑近海海洋环境可持续发展的研究中，卫星海洋环境动力学国家重点实验室近海动力与生态环境团队近期正从事一项“近海底层水体缺氧”的研究。什么是“缺氧”？以人为例，人呼吸需要氧气，但到了高原地区，有些人就会不适应，甚至出现高原反应，高原反应是对于气压和氧气浓度变化的人体反应。不同的人对氧气浓度的适应性有一些差异。在海洋里，海洋动物们也需要氧气，多数鱼类要求氧气浓度高，而海洋无脊椎动物对氧气的要求相对低。多数研究发现，海水中的溶解氧浓度低于2mg/l时会使大多数鱼类难以生存；如果低至0.5mg/l，则连耐氧能力较强的底栖海洋生物也难以存活。严重缺氧的海域又被称为海洋中的“死亡区”，海水如果处于长时间氧气不充足的情况就会发生海洋灾害。

在广袤的海洋中，情况会更为复杂。因为海洋是立体的、变化的、流动的，海洋与大气、河流和沉积物存在交换；海洋中还有浮游植物，浮游植物通过光合作用可以产生氧气，也可以通过呼吸作用消耗氧气。氧气被消耗后可能会缓解。那么，什么时候形成灾害？什么时候又不是灾害？形成灾害之后又会如何变化？如何降低灾害发生的概率？这些问题都是海洋科研人员亟需回答近海生态环境与生态系统的时空变化特征和机制。

管中窥豹，以缺氧为起点关注近海环境可持续发展利用

近海环境存在很多问题，有些与人类影响有关，缺氧是其中之一。缺氧又与其他现象如富营养化、赤潮、酸化等联系在一起，因此是撬开海洋芝麻之门的钥匙之一。氧气对于海洋动物不可或缺。水中氧气的来源有两个：一个是从空气中来，溶解到上层水中，再通过上下层水交换，使整个水体布满氧气；另一个来源是来自海洋植物的光合作用。那氧气是如何被消耗掉的呢？与光合作用相对的有浮游植物的呼吸作用消耗氧气；特别是它们在死亡分解过程中需要消耗氧气。

冬天气温低，海水的垂向对流交换过程比较频繁，空气中的氧气溶解到上层后会慢慢被交换到下层；但到了夏天情况就不同了，上层水体随着大气增温比较快，下层水增温比较慢，在上下层之间形成了一个障碍层。另外，夏天来自河流的淡水多，淡水轻，海水重，重的在下面，轻的在上面，又增强了这个障碍层。有了这个障碍层，溶解在上层的氧气很难交换到下层水中。下面的水中氧气被消耗之后氧气的补充比较慢，经过几天或者两三周的累积之后就会发生缺氧。

“我们研究的就是：长江的淡水去向哪里？障碍层什么时候开始？障碍层什么时候会增强？氧气什么时候被消耗？消耗的速率和补充的过程怎么样？整个时间需要多久……”周锋概括地介绍团队的工作。海洋空间范围比较大，海水始终在流动，相对湖泊和水塘而言缺氧比较难发生。水交换会对缺氧海域进行补充。但也有反面的情况会加剧缺氧，比如流动过来的水氧含量比较少。在东海边缘，有一个世界闻名的洋流叫黑潮。黑潮在东海的陆架边缘经过，会通过多种方式和路径入侵到近海，而且量很大，入侵在陆架边缘大概是长江的50倍左右，向内有所减少。入侵的黑潮主要来自比较深的层次，水体中的含氧量少。当这种特征的水流到长江口，与当地情况结合，缺氧就更容易发生。

长江口的缺氧在很多次的实地考察中被证实，很多科学家在其中做了扎实的工作。观测在海洋研究中具有非常重要的地位。只有在一线现场，才能了解海洋最真实的情况，特别是水面下的海洋变化过程在实验室中很难准确的感受到。近海动力与生态环境团队在过去十几年中，围绕缺氧实施了多种方式的观测，既有连续观测长达数月的浮标锚系调查，也有即到即测而观测范围较广的大面调查。这样的观测反复了好多年，逐渐发现东海缺氧的复杂变化中既有短至一天的变化，也有几天与几周的变化，也有不同年份间的明显差别。在这些年中，一起参加缺氧研究的既有物理海洋、海洋化学、海洋生物，也有卫星遥感的专业人士，这正是近海动力与生态环境团队的特色。不同学科的人，各自发挥自己的独门绝技，用不同方法了解近海环境所经历的时空变化以及背后的原因。现在的海洋研究，“需要不同学科共同协作，不是单凭一己之力就可以实现大跨步前进的。”

海洋研究另一个特点是费时费钱。到海上进行现场观测，需要租用船只和设备，费用少则几万元一天，多则二十几万一天。即便如此，取回来的资料可能也只是反映某一个时间段的特征，而不是现象的全部特征。就像盲人摸象，虽然每个盲人摸到的都是大象真实的一面，但以点代面还是无法体现大象整体特征的，所以盲人们都没有做出正确的判断。海洋研究也是如此，只有经过长期的培训专业人士，对科考资料进行大量的系统分析，才可能做出合理的判断，找出隐藏其中的真正规律。这些年，科技部的“973”、国家自然科学基金委和国家海洋局的公益项目都先后支持了缺氧研究，为资料的长期积累提供了有力的经费保障。

另外，独立的研究视角和多种分析手段，对挖掘真相也是很有帮助的。目前，该团队一方面在观测上更加细致和多学科更多地相互补充；另一方面，也正在研究如何把氧气的补充过程和消耗过程简化，构建简单的物理模型，浓缩为数学公式，再用计算机进行模拟。这样做的好处是既不脱离海洋的实践经验，又能大大节约了研究成本，有一些想法可以直接在计算机上测试或者实现。通过这种方法，研究人员就能知道哪些地方缺氧，何时发生，影响的面积有多大……“这样我们可以大概有个估算，大致了解哪些地方需要重点关注，方便以后到现场做调查时有针对性地观测”。

深耕细作，探讨人类活动和自然变化对近海的双重影响

近海是“家门口的海洋”，既连接着陆地，又与大洋相连。陆地的影响通过径流、排污、养殖活动甚至大气等方式影响近海，大洋则可以通过调节气候变化、海洋环流、形成极端天气等方式来影响近海。因此，近海受人文活动和自然过程双重调节的特征是相当明显的，也一贯以来受到世界海洋大国的重视，也是该团队研究的核心区域。

在近期一个浙江省自然科学杰出青年基金项目“东海跨陆架交换过程、机理及其对近海缺氧的影响”中，该团队就希望进一步了解东海陆架边缘交换过程和关键机理，弄清黑潮入侵对近海的生态影响。在已经积累了一定基础的立体观测方式上，进一步建立东海陆架的生态系统动力学模式，了解物理、生物和化学的耦合过程，更加明确近海底层水体缺氧现象的关键机理及其对生态链的影响。相对于早期的单纯以动力过程为主的研究方式，目前的研究更加注重多学科的交叉，而在研究中考虑了海洋动植物的生命过程之后，也使得研究的难度加大。

在此之前，近海动力与生态环境团队已经积累了大规模的观测资料并发展了先进的平台监测能力。未来，还需要在生态环境变化领域寻求新的突破，发展出不仅适用于近海环境短期过程变化，也能对其长期变化和年际差异进行解释的生态模式，在此基础上，为合理使用海洋资源提供科学依据。