黄河口邻近海域浮游植物百年演变特征及与环境变化的响应关系

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过去的半个世纪里,受全球增温和富营养化影响,部分海域出现了浮游植物群落的演变,并导致有害藻华(harmful algal blooms,HABs)的增加。渤海是我国最大的内海,近五十年来在富营养化、黄河输入减少与全球增温的背景下环境压力增大,HABs与缺氧现象明显增加,影响了渤海的渔业环境与海洋经济发展。然而,由于长时间观测数据缺乏,以及数据的连续性与空间匹配性不够,渤海浮游植物群落的演变特征与关键驱动因素尚有存疑之处。因此,有必要结合观测与古生态学技术手段进一步解答该问题,以期更好地理解渤海浮游植物群落结构的演变趋势与驱动因素,从而服务于海洋生态系统健康与经济发展。本研究以黄河口邻近海域作为主要研究区域在分析1960s-2010s期间海水中浮游植物与环境因子的历史观测资料,阐明季节、年代际变化特征的基础上,进一步结合沉积物柱状样中硅、甲藻群落的百年演变特征的研究,以及相关地球化学参数,探讨了影响浮游植物群落演变的关键环境因子。主要研究结果如下:1.水体中浮游植物与环境因子的季节与年代际变化特征通过统计2014-2015年黄河口邻近海域的水体调查数据与1960s-2010s期间全渤海水体的历史观测资料发现:(1)浮游植物群落的季节性差异表现为生物量峰值位于春、夏两季;春季以硅藻、隐藻、绿藻为主要类群,夏季以甲藻、硅藻为主要类群,秋季以硅藻为主要类群。(2)在年代际尺度上,叶绿素a(chlorophyll-a,Chl-a)含量在1960s-2010s期间增长了7倍,Chl-a峰值由春、秋两季为主转变为春、夏两季为主;浮游植物中,硅藻的种类与丰度显著降低,甲藻的种类与丰度则呈上升趋势,此外,硅藻中大型硅藻丰度显著降低,小型硅藻升高。(3)海表温度(sea surface temperature,SST)自1980s末上升了约0.5°C,海表盐度(sea surface salinity,SSS)从1960s的27.5增加至2000s的31.4,2000s以后略有降低。溶解态无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)自1980s以来增加了约7倍,溶解态无机磷(dissolved inorganic phosphorus,DIP)与溶解态硅酸盐(dissolved silicate,DSi)则分别降低了约2倍和3倍。营养盐浓度的不对称变化导致DIN/DIP增加了约15倍,DSi/DIN降低了约20倍。(4)相关性分析表明浮游植物群落的季节变化主要受到SST与营养盐变化的影响;浮游植物群落的年代际变化可能与DIN、DIN/DIP的升高以及DSi/DIN的降低相关。2.沉积物柱状样中硅、甲藻群落的百年演变特征及影响因素通过分析黄河口邻近海域沉积物柱状样的硅藻化石和甲藻孢囊、粒度、总有机碳(total organic carbon,TOC)、总氮(total nitrogen,TN)、碳氮同位素(carbon-13 isotope,δ13C;nitrogen-15 isotope,δ15N)和生物硅(biogenic silica,BSi)等多项指标,反演了硅、甲藻群落的百年变化特征及其与环境变化的响应关系。结果表明:(1)黄河口邻近海域浮游植物群落发生两次显著的突变。第一次发生于1850s,正值黄河由南黄海改道至渤海引起粒度变细、盐度降低、营养盐增加,导致硅、甲藻总丰度,半咸水种爱氏辐环藻(Actinocyclus ehrenbergii)、膝沟藻属(Gonyaulax)丰度比例显著增加,海水种原多甲藻属(Protoperidinium)、窄形扁甲藻(Pyrophacus steinii)丰度比例降低;第二次出现于1970s以后,硅、甲藻总丰度、小型种具槽直链藻(Paralia sulcata)、波状辐裥藻(Actinoptychus undulatus)、离心列海链藻(Thalassiosira eccentrica),富营养种多边舌甲藻(Lingulodinium polyedrum)、无纹多沟藻(Polykrikos schwartzii)和有害赤潮种斯氏藻属(Scrippsiella)、亚历山大藻属(Alexandrium)丰度比例显著增加,这可能与化肥使用和废水排放增加带来水体氮营养盐浓度的增加相关。(2)硅、甲藻优势种与环境因子的冗余分析表明,1970s以后相对于营养盐增加与黄河输入引起的盐度降低对浮游植物群落演变的影响,增温的影响不明显。然而在小冰期(1550s-1850s)结束,水温回升时期,该海域冷温种网状原角管藻(Protoceratium reticulatum)与增温表现出明显的响应关系。3.水体与沉积物中浮游植物与环境因素的对应关系分析通过分析沉积物硅、甲藻与水体浮游植物群落、以及沉积物地化参数与水体环境因子的相互对应关系,进一步评估沉积物柱状样对环境变化指示作用的准确性及不确定因素。结果表明:(1)具槽直链藻、圆筛藻属(Coscinodiscus)、海链藻属、原多甲藻属在水体与柱状样中均为优势种;1970s以后柱状样中硅、甲藻丰度与水体中Chl-a的变化趋势存在较好的对应关系,沉积物与水体中富营养种、有害赤潮种、小型硅藻丰度比例增多,大型硅藻丰度比例减少;沉积物中TOC、TN、BSi、δ15N值的升高较好地对应了水体富营养化。(2)然而,也有部分细胞壁较薄的角毛藻属(Chaetoceros)或不产生孢囊的角甲藻属(Ceratium)在沉积物中没有检测到。以上研究表明,基于沉积物的多参数古生态学反演是可靠的,与水体观测资料的结合,能够较好地揭示海洋浮游植物群落演变趋势。黄河是全世界改道频率最高的河流之一,本研究以黄河口邻近海域为突破点,揭示了黄河改道对渤海浮游植物群落结构的影响,研究结果对于了解大河影响下的近海浮游植物群落演变研究具有参考意义。
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