浮游植物藻华暴发会危害海洋生态系统，例如海水水质恶化、水体缺氧、鱼类死亡，甚至能影响人类健康。目前，海洋赤潮已经成为危害海洋生态系统最严重的问题之一。
南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼团队，通过构建海洋浮游植物藻华遥感自动识别算法，追溯了近20年全球海岸带藻华的时空动态过程，并揭示了藻华发生频率与海表温度、海洋中尺度环流以及农业化肥施用、水产养殖等人类活动之间的潜在关系。该研究弥补了目前对全球海岸带藻华变化趋势的认知缺陷。
3月9日，上述研究论文以“Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century”为题登上Nature（《自然》）封面，南科大博士生戴艳会、博士后杨尚波为论文共同第一作者，冯炼为唯一通讯作者，南科大是论文的唯一第一作者单位和唯一通讯单位。
01 构建藻华遥感自动分类算法，实现了全球海岸带藻华一致性动态监测
浮游植物是指在水中以浮游生活的微藻类，当大量藻类细胞聚集在一起时会形成藻华。海洋浮游植物藻华主要发生在营养盐水平较高的海岸带区域，当自然条件适宜时浮游植物会快速繁殖，改变海水颜色，这一现象也称为赤潮。浮游植物藻华暴发会危害海洋生态系统。
2021年联合国教科文组织政府间海洋学委员会的报告指出，虽然现有数据表明海洋赤潮的暴发次数呈增加趋势，但这与历史观测频率不一致——特别是近年观测频次的显著增加有关。
“因为每个地方海水的组分、结构等都可能不同，一直以来没有一个特别好的办法能将卫星遥感拍摄的图片自动识别出藻华。因此，全球赤潮主要暴发在哪些地方、暴发的频率如何等问题也就无法进行回答。” 冯炼介绍，其研究团队通过利用卫星遥感长时序、周期性、大范围等观测优势，构建了基于叶绿素荧光与CIE颜色空间的藻华遥感自动分类算法，并利用2003-2020年间76万景日尺度MODIS卫星遥感数据，实现了全球海岸带藻华的一致性动态监测，这在全球尚属首次。
02 2003到2020年间，全球海岸带藻华影响面积增加13.2%
研究结果显示，海岸带藻华频繁暴发于海洋东边界流区域、美国东北部沿海、拉丁美洲沿海、波罗的海、黑海北部以及阿拉伯海等区域（图1）。在研究覆盖的153个邻海国家中，126个国家的海岸带区域曾暴发过藻华。全球藻华影响海域总面积达3147万 km2，其中欧洲与北美洲占比最大，分别为952万 km2（30.3%）和678 万km2（21.5%）。
2003到2020年间，海岸带藻华全球影响面积与发生频率分别增加了13.2%与59.2%（图2）。在全球范围内，六大沿岸洋流系统的藻华频率增加最多，包括亲潮、阿拉斯加洋流、加那利洋流、马尔维纳斯洋流、湾流和本格拉洋流。
在北半球低纬度（30°N以南）海域藻华呈减弱趋势，如加利福尼亚流、阿拉伯海等区域；墨西哥湾北部和中国东南沿海区域的藻华呈现出增强的趋势。在高纬度地区，藻华减弱的现象主要发生在北大西洋的东北部海域以及北太平洋西北部的鄂霍次克海。此外，几乎整个南半球的藻华频率呈增加趋势。
研究发现，海洋温度和环流的变化会改变海洋分层状态与营养物质的运输，进而影响浮游植物的生长和藻华的形成。分析显示，全球极端气候也对全球沿海藻华有一定影响。人类活动导致的营养盐变化也可能是海岸带藻华趋势的影响因素。此外，包括中国在内的许多亚洲国家的藻华增加可能归因于化肥使用量的激增。
图1. 2003~2020年间，全球海岸带浮游植物藻华分布图。a：基于MODISAqua遥感日尺度观测数据的全球年平均藻华发生次数空间分布图；b：基于全球和各大洲的藻华发生次数统计结果（SA：南美洲，AF：非洲，EU：欧洲，NA：北美洲，AS：亚洲，AU：澳大利亚）；c：各大洲受藻华影响面积的多年平均统计结果。其中，百分比数字表示各大洲藻华面积在全球的占比。
图2. 2003年至2020年间，全球海岸带浮游植物藻华变化趋势。a：全球1°×1°格网尺度下藻华频率变化趋势的空间分布；b：藻华频率年中值和全球藻华总面积的年际变化和趋势。
03 粤港澳大湾区的赤潮暴发频次，大概以每年2.3%的幅度在增加
深圳的情况又如何呢？
冯炼介绍，近些年，包括深圳在内的粤港澳大湾区的赤潮暴发频次大概以每年2.3%的幅度在增加。“大量的藻类繁殖会使得海水缺氧，挤占其它海洋生物生存空间，导致鱼类等生物的死亡。同时，有的藻类会释放毒素，通过食物链影响到人类。所以水质富营养化对海岸带来说是一个影响很大的生态环境问题。”而上述研究会为生态环境部门提供实时监测信息，助力相关管理与治理。
在冯炼看来，随着我国对环保事业越来越重视，特别是近海环境保护的重视，未来上述研究成果会有更大、更广的应用。
冯炼透露，接下来，团队还会继续进行研究升级，希望对藻类实现更精细化、空间化的刻画，“现在通过算法可以直接知道有没有藻类或赤潮，以后随着数据功能的提升，希望可以做到对不同种群或不同藻类的区分。也希望能够开发智能化的监测系统，通过手机便可以对藻类实现实时监测。”
图3. 气候变化对浮游植物藻华的影响。a：2003~2020年▽SST变化趋势分布；b：2003~2020年SST变化趋势分布；c：a和b中虚线标记的区域内藻华频率的长期变化，以及它们与 SST 和▽SST的关系。其中，S表示藻华频率的线性斜率，r表示藻华频率与SST和▽SST间的相关系数，星号表示统计上显着的相关性（P<0.05）。
04 创新需要时间和宽松的环境
作为科学家，冯炼对于高水平科技自立自强有着深刻感受。
在他看来，科技创新尤其是源头创新有着非常重要的意义，“而创新需要时间，也需要宽松的环境，否则将很难迸发出灵感。同时，做任何事情都不是一蹴而就，需要多年的深耕和积累，也要坐得住冷板凳。”冯炼说。
冯炼举例称，此次团队研究成果花费一年左右的时间完成，但如果没有此前四五年相关研究的积累，没有南科大搭建的数据处理平台等各方面的支持，没有团队成员的努力，上述研究也不会推进得如此顺利。
南科大是论文的唯一第一作者单位和唯一通讯单位，合作作者包括南科大环境科学与工程学院博士生赵丹、Luke Gibson副教授、郑春苗讲席教授，广东省深圳市生态环境监测中心许旺博士，美国南佛罗里达大学胡传民教授，美国伍兹霍尔海洋研究所Donald M. Anderson教授，特拉华大学励耘博士，马里兰大学宋晓鹏博士，加拿大贝德福德海洋研究所Daniel G. Boyce博士。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05760-y
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