近年来，赤潮（藻华）暴发的消息时常见诸报端，这看上去壮观的自然现象背后，可能是海洋“生病了”。然而此前很长时间，人们对于赤潮的监测只能靠人工，更是缺乏有效的预测手段。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，但这在科学界依然存在争论——得出这个结论，会否只是因为近年来人类观测频次显著增加了？有没有更科学的方式，可以研究出全球赤潮发生的趋势与规律？
日前，南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼团队最新的成果出炉，人们对于藻华的种种疑问终于找到了更科学的解答路径。该研究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。成果于3月9日登上了《自然》封面。
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成果推动藻华研究更进一步
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，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。
然而一直以来，人们对于赤潮的研究却突破不大，很多时候监测还要依靠人工定点的“土办法”。“我们团队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年至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。”冯炼介绍说，这个研究成果通过利用卫星遥感长时序、周期性、大范围等观测优势，弥补了目前对全球海岸带藻华变化趋势的认知缺陷。
根据团队研究的结果，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3147万平方公里，其中欧洲与北美洲占比最大，分别为952万平方公里（30.3%）和678万平方公里（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%，几乎整个南半球的藻华频率呈增加趋势。进一步分析显示，海洋表面温度梯度与藻华频率呈现更为显著的正相关；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。
可以说，冯炼团队的成果让全球关于藻华的研究更科学、更全面，乃至更有预见性。
冯炼老师团队
长期积累+灵光一现=成功
谈及科研的过程，冯炼谦虚地说了好几次“运气好”。他表示，之所以要感谢幸运女神的眷顾，是因为最后的成功来自灵感乍现。
“其实，我们研究所用的这些卫星图片是一直存在且完全开放的，全世界那么多科学家研究了几十年，却一直没有取得突破。为什么？因为以前的做法都是对卫星遥感的藻类近红外线反射进行分析，大家都按照这个思路在探索，但事实证明进展缓慢。”冯炼半开玩笑地说，要“感谢”疫情让各种事务放缓，反而给了他更多沉淀、思考的时间。有一天散步途中，心情放松的他突然灵光一现——此路不通，能不能换条路，从水的颜色和藻类的荧光信号入手？有了想法，冯炼带领团队立即“掉头”、“转弯”、“换路”，最终“另辟蹊径”地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。
当然，机会只青睐有准备的人。冯炼自己坦言，看似偶然的灵感闪现也是长期积累的成果。此前多年，他针对湖泊展开研究，也取得了很多成果。“海水的颜色比湖泊更复杂，但我们可以基于相似逻辑把算法进行改进”，冯炼说，此项研究的时间持续了大约一年，但就像大楼越是高耸入云，挖的地基就要越深，能抓住机会恰是因为已深耕多年。
以科技为海洋城市建设护航
近年，深圳一直在推进“全球海洋中心城市”建设，冯炼团队的成果在深圳更加有用武之地。据悉，冯炼团队已经和深圳的相关部门展开合作，“我们的成果可以助力深圳实现对藻华的全自动监测，而且可以更准确、快速地做出趋势预测，这对于深圳这座海洋城市来说还是非常重要的。”
冯炼表示，经该项研究成果推断，整个粤港澳大湾区内，藻华的影响范围正在以每年2.3%的速度在增加，如果不加干涉，会对海洋环境产生较大影响。用科技的武器保护环境，已经刻不容缓。“为了更好地服务粤港澳大湾区的建设，我们的研究成果也会不断改进。例如，随着卫星遥感清晰度的提升，我们的算法也要随之做出调整。目前，我们能解决赤潮‘有还是没有’的问题，希望今后将算法做得更加精细，不仅能指出某个区域有没有赤潮，还能区分出不同种类的藻类，乃至做出更精准的预测。”冯炼说，该项技术在很多领域都可得到应用，“但我们是专门‘做水’的，还是希望它能在海洋领域发挥更多的用处。”
专门“做水”，四个字道出了冯炼的海洋科技梦。他说，深圳既是海洋城市，又是创新城市，更是重视环保的城市。在这里，“做水”大有可为，“做水”也大有可用……
南方科技大学博士生戴艳会、博士后杨尚波为论文共同第一作者，冯炼副教授为唯一通讯作者，南科大是论文唯一第一与通讯单位。合作作者包括南方科技大学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。