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海帶是我國最重要的經(jīng)濟海藻之一，山東榮成是我國重要的海帶產(chǎn)區，年均產(chǎn)量占全省總產(chǎn)量的八成、全國的四成以上。2021年秋季至2022年春季，榮成沿海養殖區遭受了有史以來(lái)最嚴重的海帶潰爛死亡災害，造成直接經(jīng)濟損失近20億元，使當地海帶養殖業(yè)遭受毀滅性打擊。災后調查發(fā)現，受災期間當地海域的水體透明度和營(yíng)養鹽狀況出現異常是導致海帶死亡的直接環(huán)境因素，但導致這些環(huán)境因素發(fā)生突變的原因是什么？未來(lái)是否還會(huì )發(fā)生類(lèi)似災害事件？能否提前預警和有效應對？這些疑問(wèn)成為廣大養殖戶(hù)和政府管理部門(mén)迫切希望給予解答的重要科學(xué)問(wèn)題。

近日，Nature旗下top期刊Communications Earth & Environment在線(xiàn)刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室王珍巖團隊對引發(fā)2021-2022年山東榮成海帶大規模死亡災害的環(huán)境驅動(dòng)機制的研究結果。

團隊利用多學(xué)科遙感和現場(chǎng)觀(guān)測數據，追溯了誘發(fā)此次海帶大規模死亡災害的多種致災環(huán)境因素的形成過(guò)程。基于現場(chǎng)水體調查數據，發(fā)現2021年秋季在華北地區發(fā)生的極端降雨事件引發(fā)黃河流域產(chǎn)生罕見(jiàn)的秋季大洪水，導致河流中高氮磷比的營(yíng)養鹽通量大幅增加，造成在渤海南部海域出現大范圍的赤潮過(guò)程和嚴重的磷限制營(yíng)養鹽條件（圖1）。遙感反演和水文環(huán)境觀(guān)測結果顯示，此次黃河秋季洪水導致在渤海南部海域形成了低鹽且呈現異常低濁度的山東半島沿岸流入侵過(guò)程（圖2），沿岸的浮標觀(guān)測記錄也顯示出在2021年秋季發(fā)生了異于常年的低鹽水入侵。當處于磷限制狀態(tài)的山東半島沿岸流向東沿岸遷移時(shí)，會(huì )不斷與富含磷營(yíng)養鹽的近岸海水接觸，在鋒面區形成最優(yōu)的營(yíng)養鹽條件，進(jìn)而發(fā)生赤潮。發(fā)生赤潮的鋒面水體隨沿岸流向東擴展而呈現出隨“鋒”遷移特征，不斷消耗沿途沿岸海水中的營(yíng)養鹽。上述復合過(guò)程導致2021年秋季在山東半島沿岸海域產(chǎn)生顯著(zhù)的懸浮體濃度（濁度）負異常和葉綠素a濃度正異常現象，即在沿岸流途經(jīng)海域出現異常的高海水透明度和赤潮高發(fā)海況。研究人員進(jìn)一步對可能影響海帶生長(cháng)的環(huán)境因子與海帶產(chǎn)量進(jìn)行了延遲相關(guān)性分析，得出榮成海域懸浮體濃度（濁度）和葉綠素a濃度兩種環(huán)境因子在年際尺度上對當地海帶產(chǎn)量有顯著(zhù)影響。

圖1? 2021年11月黃渤海海域水體營(yíng)養鹽特征

藍色虛線(xiàn)表示Redfield ratio (C:N:Si:P=106:16:16:1)

圖2? 2021年11月渤、黃海海域表層水體異常情況

(a) 海表面溫度異常;? (b)海表面溫度梯度異常;? (c)懸浮體濃度異常;? (d)葉綠素a濃度異常

上述過(guò)程揭示了因2021年秋季在華北地區發(fā)生的極端降雨事件引發(fā)在上千公里外的山東榮成沿海養殖區發(fā)生海帶大規模死亡災害的連鎖環(huán)境過(guò)程及其驅動(dòng)機制。該過(guò)程產(chǎn)生異常的低鹽度、強光照以及因赤潮引起的營(yíng)養鹽缺乏等環(huán)境條件是導致2021-2022年山東榮成海帶大規模死亡災害的直接原因。

圖3? 華北極端降雨事件引發(fā)山東榮成海帶災害的環(huán)境驅動(dòng)機制示意圖

已有研究表明，2021年秋季發(fā)生于華北內陸的極端降雨事件歸因于熱帶印度洋-太平洋-大西洋海表面溫度異常產(chǎn)生的綜合影響。本文研究顯示，不僅低緯度熱帶海區的氣候異常可以通過(guò)遙相關(guān)作用引起數千公里外的中緯度內陸地區發(fā)生極端降雨事件，內陸發(fā)生的極端降雨事件也可能通過(guò)河流徑流及其引發(fā)的連鎖環(huán)境過(guò)程對上千公里外的沿海生態(tài)系統產(chǎn)生巨大的災害性影響。在全球變暖背景下，未來(lái)極端天氣事件發(fā)生的頻率和強度將不斷增加，類(lèi)似的突發(fā)災害事件也會(huì )越來(lái)越多。本文的研究結果將為山東半島沿岸海域海帶養殖業(yè)未來(lái)預警和類(lèi)似災害應對提供科學(xué)依據，也為探究因氣候變化引發(fā)的災害事件的成因機制提供了科學(xué)啟發(fā)和參考。研究也表明，加強多學(xué)科、多手段綜合觀(guān)測和分析研究能力對于解析突發(fā)性極端天氣事件引發(fā)的海洋環(huán)境災害的形成機制具有不可或缺的重要價(jià)值，相關(guān)基礎設施建設和研究工作對于提高極端天氣事件的風(fēng)險管理和防災能力等具有重要意義。

論文第一作者為中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室特別研究助理（博士后）李文建，通訊作者為王珍巖研究員，黃海軍研究員和中國科學(xué)院海洋研究所深海研究中心孫曉樂(lè )研究員、崔全超博士研究生為共同作者。研究得到了中國科學(xué)院戰略性先導專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金等項目聯(lián)合資助。

論文連接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01418-3

論文信息：Li, W., Wang, Z.*, Cui, Q., Sun, X.,& Huang, H. (2024). Coastal ecological disasters triggered by an extreme rainfall event thousands of kilometers inland. Communications Earth & Environment 5, 238 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01418-3.?