汲曉奇 竺可欣

機(jī)緣巧合，跟隨近海生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的腳步

時(shí)光回溯到20世紀(jì)90年代末，我國(guó)的海洋科研環(huán)境并不理想，國(guó)民的海洋意識(shí)薄弱，國(guó)家對(duì)海洋研究的投入也較少，直到1999年，那一年有兩個(gè)海洋“973”項(xiàng)目立項(xiàng)，才有更多的投入轉(zhuǎn)向海洋環(huán)流和海洋生態(tài)研究，而國(guó)家海洋局第二海洋研究所正是參加這兩項(xiàng)“973”的主力之一。周鋒研究員回憶初到海洋二所讀研究生時(shí)，多少有些感慨。他說(shuō)如果沒(méi)有那時(shí)候看到的海洋事業(yè)的一絲希望，要在這個(gè)崗位長(zhǎng)期從事海洋科學(xué)研究幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。

從國(guó)內(nèi)外海洋發(fā)展的現(xiàn)狀看，海洋問(wèn)題中有兩個(gè)熱點(diǎn)：一是近海環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)，二是海洋環(huán)流與氣候變化。為什么要關(guān)注近海環(huán)境呢？世界有40%的人居住距離海洋線100公里范圍內(nèi)，人口密度非常大。美國(guó)30%的石油和20%的天然氣生產(chǎn)均來(lái)自近海及毗鄰海域。在我國(guó)，沿海地區(qū)以13%的國(guó)土面積創(chuàng)造了60%以上的國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值。海洋的產(chǎn)出影響我們的生活、生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)。近海不光是生活居住的主要場(chǎng)所，也是海洋食物的主要來(lái)源。很多經(jīng)濟(jì)魚類都是在近岸的水域產(chǎn)卵回游，很多養(yǎng)殖場(chǎng)也都在近海。相反，海洋災(zāi)害則會(huì)給旅游、交通、漁業(yè)等經(jīng)濟(jì)的多個(gè)方面帶來(lái)?yè)p失。

我們對(duì)于海洋的興趣從來(lái)沒(méi)有像今天這樣高，國(guó)民海洋意識(shí)的喚醒只是最近幾年的事情。譬如，上世紀(jì)70年代以前，很少有人關(guān)注南海島嶼，現(xiàn)在各國(guó)對(duì)彈丸島礁都突然熱衷起來(lái)，爭(zhēng)的無(wú)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(guó)家核心利益的說(shuō)法并不過(guò)分；而近海又是離人類活動(dòng)最近的海域。

然而，近海在接受人類日益增長(zhǎng)的索求的時(shí)候，也在承受著過(guò)度捕撈、圍海造田、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化等多重壓力。

在支撐近海海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的研究中，衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近海動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境團(tuán)隊(duì)近期正從事一項(xiàng)“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(qū)，有些人就會(huì)不適應(yīng)，甚至出現(xiàn)高原反應(yīng)，高原反應(yīng)是對(duì)于氣壓和氧氣濃度變化的人體反應(yīng)。不同的人對(duì)氧氣濃度的適應(yīng)性有一些差異。在海洋里，海洋動(dòng)物們也需要氧氣，多數(shù)魚類要求氧氣濃度高，而海洋無(wú)脊椎動(dòng)物對(duì)氧氣的要求相對(duì)低。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，海水中的溶解氧濃度低于2mg/l時(shí)會(huì)使大多數(shù)魚類難以生存；如果低至0.5mg/l，則連耐氧能力較強(qiáng)的底棲海洋生物也難以存活。嚴(yán)重缺氧的海域又被稱為海洋中的“死亡區(qū)”，海水如果處于長(zhǎng)時(shí)間氧氣不充足的情況就會(huì)發(fā)生海洋災(zāi)害。

在廣袤的海洋中，情況會(huì)更為復(fù)雜。因?yàn)楹Ｑ笫橇Ⅲw的、變化的、流動(dòng)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(guò)光合作用可以產(chǎn)生氧氣，也可以通過(guò)呼吸作用消耗氧氣。氧氣被消耗后可能會(huì)緩解。那么，什么時(shí)候形成災(zāi)害？什么時(shí)候又不是災(zāi)害？形成災(zāi)害之后又會(huì)如何變化？如何降低災(zāi)害發(fā)生的概率？這些問(wèn)題都是海洋科研人員亟需回答近海生態(tài)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空變化特征和機(jī)制。

管中窺豹，以缺氧為起點(diǎn)關(guān)注近海環(huán)境可持續(xù)發(fā)展利用

近海環(huán)境存在很多問(wèn)題，有些與人類影響有關(guān)，缺氧是其中之一。缺氧又與其他現(xiàn)象如富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮、酸化等聯(lián)系在一起，因此是撬開海洋芝麻之門的鑰匙之一。氧氣對(duì)于海洋動(dòng)物不可或缺。水中氧氣的來(lái)源有兩個(gè)：一個(gè)是從空氣中來(lái)，溶解到上層水中，再通過(guò)上下層水交換，使整個(gè)水體布滿氧氣；另一個(gè)來(lái)源是來(lái)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(duì)的有浮游植物的呼吸作用消耗氧氣；特別是它們?cè)谒劳龇纸膺^(guò)程中需要消耗氧氣。

冬天氣溫低，海水的垂向?qū)α鹘粨Q過(guò)程比較頻繁，空氣中的氧氣溶解到上層后會(huì)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(gè)障礙層。另外，夏天來(lái)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(qiáng)了這個(gè)障礙層。有了這個(gè)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(bǔ)充比較慢，經(jīng)過(guò)幾天或者兩三周的累積之后就會(huì)發(fā)生缺氧。

“我們研究的就是：長(zhǎng)江的淡水去向哪里？障礙層什么時(shí)候開始？障礙層什么時(shí)候會(huì)增強(qiáng)？氧氣什么時(shí)候被消耗？消耗的速率和補(bǔ)充的過(guò)程怎么樣？整個(gè)時(shí)間需要多久……”周鋒概括地介紹團(tuán)隊(duì)的工作。海洋空間范圍比較大，海水始終在流動(dòng)，相對(duì)湖泊和水塘而言缺氧比較難發(fā)生。水交換會(huì)對(duì)缺氧海域進(jìn)行補(bǔ)充。但也有反面的情況會(huì)加劇缺氧，比如流動(dòng)過(guò)來(lái)的水氧含量比較少。在東海邊緣，有一個(gè)世界聞名的洋流叫黑潮。黑潮在東海的陸架邊緣經(jīng)過(guò)，會(huì)通過(guò)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(zhǎng)江的50倍左右，向內(nèi)有所減少。入侵的黑潮主要來(lái)自比較深的層次，水體中的含氧量少。當(dāng)這種特征的水流到長(zhǎng)江口，與當(dāng)?shù)厍闆r結(jié)合，缺氧就更容易發(fā)生。

長(zhǎng)江口的缺氧在很多次的實(shí)地考察中被證實(shí)，很多科學(xué)家在其中做了扎實(shí)的工作。觀測(cè)在海洋研究中具有非常重要的地位。只有在一線現(xiàn)場(chǎng)，才能了解海洋最真實(shí)的情況，特別是水面下的海洋變化過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室中很難準(zhǔn)確的感受到。近海動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境團(tuán)隊(duì)在過(guò)去十幾年中，圍繞缺氧實(shí)施了多種方式的觀測(cè)，既有連續(xù)觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的浮標(biāo)錨系調(diào)查，也有即到即測(cè)而觀測(cè)范圍較廣的大面調(diào)查。這樣的觀測(cè)反復(fù)了好多年，逐漸發(fā)現(xiàn)東海缺氧的復(fù)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(xué)、海洋生物，也有衛(wèi)星遙感的專業(yè)人士，這正是近海動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境團(tuán)隊(duì)的特色。不同學(xué)科的人，各自發(fā)揮自己的獨(dú)門絕技，用不同方法了解近海環(huán)境所經(jīng)歷的時(shí)空變化以及背后的原因?，F(xiàn)在的海洋研究，“需要不同學(xué)科共同協(xié)作，不是單憑一己之力就可以實(shí)現(xiàn)大跨步前進(jìn)的?！?/p>

海洋研究另一個(gè)特點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。到海上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，需要租用船只和設(shè)備，費(fèi)用少則幾萬(wàn)元一天，多則二十幾萬(wàn)一天。即便如此，取回來(lái)的資料可能也只是反映某一個(gè)時(shí)間段的特征，而不是現(xiàn)象的全部特征。就像盲人摸象，雖然每個(gè)盲人摸到的都是大象真實(shí)的一面，但以點(diǎn)代面還是無(wú)法體現(xiàn)大象整體特征的，所以盲人們都沒(méi)有做出正確的判斷。海洋研究也是如此，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的培訓(xùn)專業(yè)人士，對(duì)科考資料進(jìn)行大量的系統(tǒng)分析，才可能做出合理的判斷，找出隱藏其中的真正規(guī)律。這些年，科技部的“973”、國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家海洋局的公益項(xiàng)目都先后支持了缺氧研究，為資料的長(zhǎng)期積累提供了有力的經(jīng)費(fèi)保障。

另外，獨(dú)立的研究視角和多種分析手段，對(duì)挖掘真相也是很有幫助的。目前，該團(tuán)隊(duì)一方面在觀測(cè)上更加細(xì)致和多學(xué)科更多地相互補(bǔ)充；另一方面，也正在研究如何把氧氣的補(bǔ)充過(guò)程和消耗過(guò)程簡(jiǎn)化，構(gòu)建簡(jiǎn)單的物理模型，濃縮為數(shù)學(xué)公式，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。這樣做的好處是既不脫離海洋的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又能大大節(jié)約了研究成本，有一些想法可以直接在計(jì)算機(jī)上測(cè)試或者實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這種方法，研究人員就能知道哪些地方缺氧，何時(shí)發(fā)生，影響的面積有多大……“這樣我們可以大概有個(gè)估算，大致了解哪些地方需要重點(diǎn)關(guān)注，方便以后到現(xiàn)場(chǎng)做調(diào)查時(shí)有針對(duì)性地觀測(cè)”。

深耕細(xì)作，探討人類活動(dòng)和自然變化對(duì)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(guò)徑流、排污、養(yǎng)殖活動(dòng)甚至大氣等方式影響近海，大洋則可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣候變化、海洋環(huán)流、形成極端天氣等方式來(lái)影響近海。因此，近海受人文活動(dòng)和自然過(guò)程雙重調(diào)節(jié)的特征是相當(dāng)明顯的，也一貫以來(lái)受到世界海洋大國(guó)的重視，也是該團(tuán)隊(duì)研究的核心區(qū)域。

在近期一個(gè)浙江省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目“東海跨陸架交換過(guò)程、機(jī)理及其對(duì)近海缺氧的影響”中，該團(tuán)隊(duì)就希望進(jìn)一步了解東海陸架邊緣交換過(guò)程和關(guān)鍵機(jī)理，弄清黑潮入侵對(duì)近海的生態(tài)影響。在已經(jīng)積累了一定基礎(chǔ)的立體觀測(cè)方式上，進(jìn)一步建立東海陸架的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模式，了解物理、生物和化學(xué)的耦合過(guò)程，更加明確近海底層水體缺氧現(xiàn)象的關(guān)鍵機(jī)理及其對(duì)生態(tài)鏈的影響。相對(duì)于早期的單純以動(dòng)力過(guò)程為主的研究方式，目前的研究更加注重多學(xué)科的交叉，而在研究中考慮了海洋動(dòng)植物的生命過(guò)程之后，也使得研究的難度加大。

在此之前，近海動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積累了大規(guī)模的觀測(cè)資料并發(fā)展了先進(jìn)的平臺(tái)監(jiān)測(cè)能力。未來(lái)，還需要在生態(tài)環(huán)境變化領(lǐng)域?qū)で笮碌耐黄疲l(fā)展出不僅適用于近海環(huán)境短期過(guò)程變化，也能對(duì)其長(zhǎng)期變化和年際差異進(jìn)行解釋的生態(tài)模式，在此基礎(chǔ)上，為合理使用海洋資源提供科學(xué)依據(jù)。