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  • ISSN 1007-6336
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珊瑚礁白化监测方法研究进展

蔡玉林 索琳琳 孙旋 赵冰

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珊瑚礁白化监测方法研究进展

    作者简介: 蔡玉林(1974-), 男, 山东高密人, 讲师, 主要研究方向为资源环境遥感, E-mail:yulin_cai@163.com;
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1405006)
  • 中图分类号: X830.2

Review of methods for coral reef bleaching monitoring

  • 摘要: 珊瑚礁是地球上生物多样性最丰富、最有价值的海洋生态系统,但其生态也非常脆弱。近年来,由于气候变化、过渡捕捞和环境污染等影响,全球珊瑚礁生态系统退化严重。其中,全球变暖、海表温度异常升高导致大量珊瑚白化,已成为全球珊瑚礁最大威胁,因此珊瑚礁的白化监测对于海洋生态系统管理、保护生物多样性具有重要意义。本文综述了国内外监测珊瑚礁白化的主要监测方法,将其总结归纳为三类:现场监测、生态监测和遥感监测方法,介绍和评述了各方法的原理及优缺点,并展望了监测珊瑚礁白化方法的发展前景。目前,通过海水温度预测珊瑚礁白化状况的监测方法应用最为广泛,但其监测精度还有待于提升。纵观全球,美国和澳大利亚对于珊瑚礁健康状况监测工作起步较早且已实现常规化运行,而我国相对起步较晚,监测手段落后。
  • 图 1  珊瑚健康图

    Figure 1.  Coral health chart

    图 2  全球珊瑚礁预警图像(来自NOAA珊瑚礁监测网站)

    Figure 2.  Global Coral Reef Warning Image (From NOAA coral reef watch website)

    表 1  珊瑚礁白化预警

    Table 1.  Bleaching alert levels of coral reefs

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-16
  • 录用日期:  2018-04-29
  • 刊出日期:  2019-10-20

珊瑚礁白化监测方法研究进展

    作者简介:蔡玉林(1974-), 男, 山东高密人, 讲师, 主要研究方向为资源环境遥感, E-mail:yulin_cai@163.com
  • 1. 山东科技大学 测绘学院遥感系, 山东 青岛 266590
  • 2. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室, 山东 青岛 266590
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1405006)

摘要: 珊瑚礁是地球上生物多样性最丰富、最有价值的海洋生态系统,但其生态也非常脆弱。近年来,由于气候变化、过渡捕捞和环境污染等影响,全球珊瑚礁生态系统退化严重。其中,全球变暖、海表温度异常升高导致大量珊瑚白化,已成为全球珊瑚礁最大威胁,因此珊瑚礁的白化监测对于海洋生态系统管理、保护生物多样性具有重要意义。本文综述了国内外监测珊瑚礁白化的主要监测方法,将其总结归纳为三类:现场监测、生态监测和遥感监测方法,介绍和评述了各方法的原理及优缺点,并展望了监测珊瑚礁白化方法的发展前景。目前,通过海水温度预测珊瑚礁白化状况的监测方法应用最为广泛,但其监测精度还有待于提升。纵观全球,美国和澳大利亚对于珊瑚礁健康状况监测工作起步较早且已实现常规化运行,而我国相对起步较晚,监测手段落后。

English Abstract

  • 珊瑚礁普遍分布于热带海域,为海洋生物多样性提供保护,也为渔业的经济发展起重要作用,被誉为“蓝色沙漠中的绿洲”和“海洋热带雨林”。然而,近几十年来,因为气候变化、过渡捕捞、疾病和环境污染等原因,珊瑚礁逐渐退化,对人类经济发展和海洋的生物多样性都造成负面影响。健康的珊瑚礁五彩斑斓,而珊瑚礁的白化是由于珊瑚失去体内共生的虫黄藻和(或)共生的虫黄藻失去体内色素而导致的,若珊瑚礁长期处于白化的状态,共生的虫黄藻不能回到珊瑚礁体内,就会面临死亡的威胁。1980—1997年期间,全球共报道了约370次珊瑚白化事件,1998—2010年期间报道了3700多次珊瑚白化事件[1]。斯里兰卡、马尔代夫、印度、肯尼亚、坦桑尼亚和塞舌尔的珊瑚礁发生大规模死亡,许多浅水区死亡率高达90%[2]。如今珊瑚礁状况显示,全球活珊瑚覆盖率显著下降,西大西洋下降53%,印度太平洋下降40%,大堡礁下降50%[3],2014—2016年的厄尔尼诺事件导致大堡礁出现大规模白化[4]。由于全球气候变暖,海表温度异常升高导致大量珊瑚白化,已经成为全球珊瑚礁最大威胁,引起人们对于珊瑚礁白化的广泛关注。

    鉴于珊瑚礁生态系统对热带海洋生物多样性和资源生产力的巨大价值以及对热带海岸带民众巨大的生态价值和经济价值[5],随着珊瑚礁白化面积的逐渐扩大,各国政府也加强了对珊瑚礁生态系统健康情况的监测力度,澳大利亚和美国也相应采取了一系列措施。2005年澳大利亚政府成立了以监测大堡礁沿岸的健康状况为目的的珊瑚礁救援监测计划(reef rescue marine monitoring program),之后又制定了2050年珊瑚礁长期可持续发展计划(reef 2050 long-term sustainability plan),在2016年9月28日首个2050年珊瑚礁计划年度报告已公布,显示在保护大堡礁方面已取得良好进展。美国总统克林顿于1998年发布了“珊瑚礁保护”总统令,美国先后成立了珊瑚礁任务工作组(U.S.coral reef task force,USCRTF)、珊瑚礁保护计划(coral reef conservation program,CRCP)、珊瑚疾病与健康联盟(coral disease and health consortium,CDHC),实施了国家珊瑚礁监测计划(national coral reef monitoring program,NCRMP)和珊瑚礁健康与监测计划(NOAA's coral health and monitoring program,CHAMP)等计划,为沿海和海洋资源管理者有效应对珊瑚礁生态系统面临的威胁提供了良好的科学信息和工具,并帮助解决珊瑚健康问题和缓解退化的问题,为珊瑚礁的保护和恢复提供帮助。20世纪90年代初联合国成立全球珊瑚礁监测网络(global coral reef monitoring network,GCRMN),努力改善珊瑚礁管理和保护状况。本文对珊瑚礁白化监测的方法进行了概述和总结,并展望了珊瑚礁白化监测的发展。

    • 目前监测珊瑚礁白化的方法大致分为3类:现场监测、生态监测和遥感监测,遥感监测方法又根据不同的监测方法分为分类法、海表温度法、物理模型法和珊瑚白化指数法。

      现场监测方法是通过水下拍摄的影像对珊瑚礁进行分析,从而得到珊瑚礁的白化信息。早期珊瑚礁监测通常使用现场数据进行,现场数据的获得是由专业潜水员利用水下摄像机通过拍摄录像,记录下调查范围内的珊瑚生长情况。由于潜水员对珊瑚礁白化分析的经验不足,为了避免不同研究人员对白化的珊瑚礁产生分歧,CoralWatch组织设计出珊瑚健康图[6](图 1)。该图使用四种颜色色调内的6个亮度刻度来记录珊瑚礁白化状态的变化,通过视觉观察改善了对珊瑚礁白化状态的现有主观评估[7]。珊瑚健康图的使用方法是根据不同珊瑚类型的实际观测的颜色比对珊瑚健康图的颜色,最后得到匹配其健康等级的颜色代码。2017年,Oladi等[8]将水下采集的白化和健康的珊瑚礁样本与珊瑚健康图进行比对分析,验证了珊瑚健康图的准确性,并对样本数据进行生物实验检测虫黄藻的密度。该方法只能一次性的对珊瑚礁的健康状况进行监测,不能实现实时持续的监测。

      图  1  珊瑚健康图

      Figure 1.  Coral health chart

    • 生态监测即对珊瑚礁区域生长环境的监测,由于海水的质量和疾病的传播等因素对珊瑚礁的白化具有一定的影响,生态监测也能够评估珊瑚礁的健康状况。随着自动化技术的发展,监测珊瑚礁的技术得到相应的改进。目前将多种水质传感器和高分辨率水下摄像机整合于一个系统内,同时完成实时在线远距离传输,从而对珊瑚礁的生态状况以及健康白化的情况给予实时监测。相比现场监测方法,该方法具有持续监测的优势,监测精确度高,并且可以根据水质的变化对珊瑚礁的健康状况进行分析。我国将该监测技术应用于西沙群岛珊瑚礁生态系统,对其水质指标(包括PH值、盐度、叶绿素等)进行监测[9]。澳大利亚2050年珊瑚礁长期可持续发展计划中,将提高水质作为该计划的重点之一,以减少环境污染对珊瑚礁的影响。2009年,Cooper等[10]选取了7个生物指标提出了量化水质变化对珊瑚礁生态系统的影响生物框架。2012年,Fabricius等[11]对大堡礁的水质进行了实验,研究发现珊瑚礁的监测指标(包括底栖生物组成,珊瑚覆盖率)与水质的变化显着相关,浑浊度是珊瑚礁生物群的最佳预测指标。

      珊瑚礁疾病也是促使珊瑚礁白化和死亡的一个因素,在过去的几十年间,伴随着多种珊瑚疾病的传播,佛罗里达岛礁的珊瑚礁覆盖率大幅下降[12],因此珊瑚礁疾病的研究对于珊瑚礁的监测和保护起着重要作用。Yee等[13]开发了一个基于疾病的动力学模型来量化六种疾病(包括曲霉病,黑斑,白色带,白色瘟疫,白色斑块和加勒比黄色带)对佛罗里达礁岛珊瑚种群动态的影响。传统的生态监测方法通常是通过监测影响珊瑚礁的生物环境因素对其白化状况进行评估,其他白化监测方法为该监测方法起辅助的作用。

    • 遥感技术的费用低,方便获得,能够得到大面积区域,尤其对于偏远地域可以实施监测的优势,使得遥感卫星监测成为珊瑚礁监测的最普遍方法。利用遥感数据进行白化监测的方法大致分为:分类法、海表温度法、物理模型法和珊瑚白化指数法,其中前两个方法使用较为广泛。

      分类法是指利用卫星影像数据对珊瑚礁系统进行分类,从而识别出珊瑚礁白化区域。2000年,Yamano和Tamura[14]利用Landsat TM单波段数据使用辐射传输模型研究了监测珊瑚礁白化的可行性,2004年,他们[15]利用辐射传输模型和多时相的Landsat TM数据研究了卫星遥感探测和监测珊瑚礁白化的能力。随着遥感技术的发展,分辨率的不断提高,通过多光谱影像对珊瑚礁区域分类,并比较多时相的数据区分光谱特征较相似的砂砾和白化区域,实现珊瑚礁白化的监测,这种方法较为普遍[16-17]。高光谱卫星数据的光谱微分可以有效区分出活珊瑚、白化珊瑚、藻类和砂砾区域[18]

      海表温度法是指通过海表温度数据(SST)进行计算分析珊瑚礁白化情况的一种方法。温度升高会促使珊瑚礁中的虫黄藻繁殖能力下降,从而促使珊瑚礁的白化和死亡,例如有研究表明,在30°S~31.5°S范围内的珊瑚礁白化温度阈值处于26.5~26.8℃之间[19],所以气候变化成为珊瑚礁大面积白化的一个主要因素,使用海表温法可以有效的监测珊瑚礁白化区域。2000年,美国开发了珊瑚礁监视计划(coral reef watch,CRW),基于全球50 km海表温度(sea surface temperature,SST)得到的热点指数(HotSpot)和周热度指数(degree heating week,DHW)作为监测珊瑚礁白化的指标,并验证了50 km SST的HotSpotDHW产品能够对于大规模珊瑚白化事件的发生提供预警[20]HotSpot是基于海表温度数据和最热月平均温度计算得来,公式如下:

      式中:SST为夜间温度;MMM为最热月平均温度值(maximum monthly mean climatology)。DHW广泛使用于评估气温升高对于珊瑚礁的热压力,并且可以提供准确的珊瑚礁白化预警,DHW计算公式如下:

      由于50 km的SST分辨率较低,对于岛屿周围或近海岸浅水区域的小规模高温很可能低估或忽略掉。为此,2014年5月,NOAA正式发布了高分辨率的5 km SST数据对珊瑚礁白化进行预警监测,其DHW产品计算与50 km的略有不同,公式修改如下[21]

      根据HotSpotDHW的大小,珊瑚礁监视计划(CRW)开发了珊瑚礁预警系统,按照表 1的标准确定白化预警区域等级。该计划可以实时监测并提供珊瑚礁健康情况,为珊瑚礁系统的保护起着重要作用。这项监测一直持续到现在,并已成为大尺度珊瑚礁白化预警的常规方法。图 2为该计划提供的2017年11月24日5 km全球珊瑚礁预警图像,图中可以看出,由印度尼西亚、菲律宾、巴布亚新几内亚和所罗门群岛组成的珊瑚礁三角区白化程度较严重,该处珊瑚可能已出现死亡。海表温法通过对海水表面温度的监测从而预警珊瑚礁的白化状况,该方法还需实地监测数据加以验证。

      表 1  珊瑚礁白化预警

      Table 1.  Bleaching alert levels of coral reefs

      图  2  全球珊瑚礁预警图像(来自NOAA珊瑚礁监测网站)

      Figure 2.  Global Coral Reef Warning Image (From NOAA coral reef watch website)

      除了上述两类遥感监测珊瑚礁白化的方法外,还有利用遥感数据的物理模型监测法和珊瑚礁白化指数监测法。物理模型监测法是基于水深测量、分解和浓度评估的半解析模型(semi-analytical model for bathymetry, un-mixing, and concentration assessmen,SAMBUCA),利用分析模型和优化程序从遥感数据中提取环境变量,Wettle等[22]利用MERIS FR数据使用SAMBUCA参数化珊瑚礁水域和底栖生物的光学特性,监测了2006年澳大利亚吉宝岛珊瑚白化事件,该方法可以精确测量水深,所以对于浅水区珊瑚礁的遥感监测具有优势。Ziskin等[23]利用IKONOS和QuickBird卫星数据建立珊瑚礁白化指数以监测珊瑚礁的白化状况,珊瑚礁白化指数(CBI)公式如下:

      式中:B为蓝色波段;G为绿色波段;R为红色波段。该方法可以监测在偏远地区珊瑚礁白化状况,但对于影像数据的分辨率要求较高,并且在珊瑚礁覆盖率低的区域监测效果欠佳,所以该方法被认为可以成为珊瑚礁生态系统长期监测的一部分。物理模型监测法和珊瑚礁白化指数法为试验、研究性,使用并不广泛。

    • 我国的珊瑚礁广泛分布于台湾岛和海南岛的沿岸以及南海诸岛的128个以环礁为主要类型的礁区,按照完整的礁体地貌范围量算的总面积约30000 km2。目前,从全球来看,开展珊瑚礁健康监测工作较早国家主要是美国和澳大利亚,我国从2005年起实施珊瑚礁生态监测计划,在南海分别设立了5个珊瑚礁生态监控区[24],使用传统的生态监测方法每年定期监测5个地点的珊瑚礁总体健康状况的变化。然而从大陆沿岸和海南岛沿岸到东沙群岛和西沙群岛,活珊瑚不断退化, 覆盖率不断降低,我国珊瑚礁保护管理的对策仍然是个“棘手问题”。

      我国目前主要使用传统的生态监测方法对珊瑚礁白化进行监测,而在遥感技术应用于白化的监测涉及较少,随着我们国家遥感技术的不断提高,适用于珊瑚礁监测的遥感数据越来越易获得,例如风云气象系列卫星,应推广遥感技术在珊瑚礁白化监测中的应用,将海上浮标数据及遥感数据与当前的现场观测的方法结合起来势必会提高珊瑚礁白化监测的精度。如今,关注珊瑚礁白化的重点都放在了温度升高的因素上[25],然而对于其他因素的影响考虑的并不多,对于综合多种影响因素(如低温、紫外线辐射、海水盐度和酸度以及病毒的传播)来对珊瑚礁白化进行预警监测还有待于研究。

    • 随着科技的创新与发展,珊瑚礁的监测方法也在不断改进,无论是遥感方法还是非遥感方法,每种方法都有其优点和局限性。现场监测和生态监测可以精确监测到珊瑚礁的健康状况,但区域有限,相对来说,遥感监测方法在监测范围和成本方面更加有优势。遥感的分类法根据影像的分辨率的不同,其精度也有所差异,空间分辨率越高,其覆盖面积越小,精度也越高;高光谱数据光谱波段越多,其分类效果越佳。随着传感器技术的改善,遥感数据的空间分辨率和光谱分辨率将会得到进一步提高,这有利于海底珊瑚信息的提取。对于地区性的大面积珊瑚礁监测,利用基于遥感技术的海表温度法进行预警监测非常受欢迎,但由于空间分辨率不高,有些小区域的白化情况会有所忽略,适当提高海表温度数据的空间分辨率,对于珊瑚礁白化监测会更加精准。此外,电磁波能够穿透的水深有限(根据水质不同可探测的深度亦不同),而珊瑚分布深度可达40 m,除了浅水外,深于5 m的珊瑚礁健康状况的监测仍需要现场监测或生态监测方法来完成。由于遥感方法的局限性,对于珊瑚礁的监测仍然需要进行实地验证的数据,使用遥感卫星、生态监测以及现场监测相结合的方法将会成为白化监测的趋势。

参考文献 (25)

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