《Marine Pollution Bulletin》：Response of phytoplankton to near-future multi-pressures in the East China Sea
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东海海域浮游植物物候受气候与长江输入共同影响，2050年春季萌芽期在浙江近岸提前5-20天，升温1℃可致物候提前5天，长江营养输入增强与气候变暖共同驱动夏季浮游植物生长。研究采用三维耦合模型揭示多压力因子下浮游植物群落时空演变规律。
Jia-Wei Shen|梁 超|郑 自佳|郭 冈|郝 华
天津科技大学海洋与环境科学学院，天津经济技术开发区，300457，中国
摘要
了解浮游植物对大陆架海域多重压力响应的情况，对于人类应对未来变化至关重要。我们使用了一个三维生物物理-地球化学耦合模型来研究2050年代东海（ECS）浮游植物的变化。结果表明，在浙江沿海地区，光合作用区的浮游植物物候发生了显著变化。与2010年代相比，春季浮游植物的大量繁殖开始时间提前了，尤其是在高排放情景下（约2周），水温升高1°C可能导致繁殖开始时间提前5天。尽管生长季节延长，但由于气候因素的影响，未来春季的浮游植物生物量仍接近当前水平。此外，从硅藻向非硅藻的浮游植物演替也提前了，这与长江带来的河流营养物质增加和热量通量变化有关。在夏季，长江流量的增加以及气候变化共同促进了光合作用区浮游植物的生长，在这些变化中，夏季东风的异常作用尤为关键。这些发现强调了未来多重压力下沿海水域浮游植物物候的变化，因此应考虑长期观测浮游植物的必要性。
引言
海洋浮游植物是重要的初级生产者，它贡献了几乎一半的生物圈净初级生产力，尽管其在全球初级生产者中所占比例不到1%（Field等人，1998年）。浮游植物群落的变化可能会影响浮游动物生物量，进而改变浮游动物的组成，从而影响鱼类的食物质量（Okunishi等人，2012年；Ichii等人，2017年；Heneghan等人，2023年）。此外，它还可能调节碳循环过程（Wilson等人，2022年；Godrijan等人，2023年）。
边缘海域虽然仅占海洋表面积的7%，但却负责了14%的海洋总生产力（Chen等人，2003年）。气候变化影响着浮游植物，包括浮游植物自身的生物量（Kwiatkowski等人，2020年；Dai等人，2023年）、群落组成（Chiba等人，2012年；Hinder等人，2012年）和物候（Griffith等人，2019年；Thibodeau等人，2024年）。在西北太平洋，5月至7月期间，非硅藻的相对丰度与海表温度（SST）呈正相关（Chiba等人，2012年）。Hinder等人（2012年）指出，自2006年以来，东北大西洋中硅藻与甲藻的比例显著增加，这可能是由于SST和风的变化所致。通常情况下，硅藻的沉降速率更大（Sun等人，2016年），这意味着组成的变化可能会影响碳循环。许多研究还报告，在温暖条件下，浮游植物的繁殖时间会提前（Chiba等人，2012年；Thibodeau等人，2024年），从而影响渔业（Koeller等人，2009年；Honda等人，2025年）。陆源营养物质输入对沿海浮游植物的繁殖非常重要；营养物质输入的增加会加剧浮游植物的繁殖（Rabouille等人，2001年；Kessouri等人，2021年；Dai等人，2023年），并改变浮游植物的组成（Gypens和Borges，2014年；Jiang等人，2014年）。研究浮游植物对多重压力的响应，包括陆源营养物质输入和气候变化，已成为应对全球变化的热点问题之一。
东海（ECS）拥有广阔的大陆架（图1），是西北太平洋典型的富生产力的大陆架海域。其较高的初级生产力得益于陆源营养物质输入以及黑潮和台湾暖流的海洋营养物质输送（Zhang等人，2019年；Xu等人，2020年）。ECS的海洋环境变化迅速，自20世纪80年代以来温度迅速升高（Belkin，2009年），先前的研究也表明，自20世纪70年代以来输入中国沿海的河流营养物质显著增加（Wang等人，2021年；Zhang等人，2021年）。未来，ECS将会更温暖（Seo等人，2014年），东亚夏季季风（EASM）预计会增强（Li等人，2019年）。许多研究关注浮游植物群落对环境变化的响应（Jiang等人，2014年；Kong等人，2019年；Fang等人，2022年；Wang等人，2023年）。在长江口，过去几十年中，夏季浮游植物生物量显著增加，同时硅藻与甲藻的比例下降，这是由人为和气候变化引起的（Jiang等人，2014年）。基于遥感数据（1998–2012年），Kong等人（2019年）指出，温度升高导致开阔海域的叶绿素a浓度下降。一些研究调查了未来浮游植物群落的变化（Xiao等人，2018年；Zhang等人，2022年；Zhou等人，2022年；Lee等人，2023年）。在“一切照旧”的情景（RCP 4.5）下，未来ECS中甲藻的繁殖时间提前，生物量峰值增加，这分别归因于气候变化和长江输入（Zhou等人，2022年）。根据第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）的模型结果，Lee等人（2023年）报告称，风的模式可能是影响预测浮游植物生物量的关键因素。然而，分辨率较低的模型无法捕捉到ECS复杂的环流模式，限制了浮游植物的预测；另一方面，大多数研究仅考虑了一种情景。此外，很少有论文关注浮游植物的物候变化。因此，ECS未来浮游植物的变化仍不甚明了，这对于亚洲地区应对环境变化来说是一个巨大的空白。
在本手稿中，我们应用了一个耦合的物理-生物地球化学区域模型，并基于CMIP6项目获得的气候变化信号设计了敏感性实验，以探索在“一切照旧”和高排放情景下浮游植物对未来多重压力的响应。
模型简介
模型介绍
这里使用的三维生物物理和地球化学模型是一个低营养级的生态系统模型。该模型涵盖了渤海、黄海和东海，南部和东部边界为开放边界。它包括一个高水平分辨率（1/18°）的流体动力学模型（源自普林斯顿海洋模型，Guo等人，2003年；Wang等人，2008年），以及一个源自挪威生态模型系统的生态模块（Skogen和S?iland，1998年；Zhao和Guo，2011年）
模型验证
叶绿素a（[Chl a]）是浮游植物生物量的关键指标；[Chl a]和初级生产力的季节性变化在沿海地区表现出相似的模式（Liu等人，2019年）。在这项研究中，我们首先验证了对照运行（图2）中表面[Chl a]的空间分布。重建的当代观测场（彩色点）显示，春季（3月至5月）内大陆架的[Chl a]较高（> 1.5 μg/L），而在中间和外大陆架，[Chl a]较低
春季浮游植物提前繁殖的驱动因素
作为中国沿海地区的一部分，研究区域在早春时期的DIN、DIP和溶解硅酸盐（DSi）水平较高（Shen等人，2023a），这意味着长江营养物质输入的变化可能对SPB的发生影响较小。我们设计了一个敏感性实验，该实验基于R2050–8.5情景（不包括长江营养物质输入，以下简称R2050–8.5（nGO）），以具体研究其影响。结果显示
总结
揭示浮游植物对大陆架海域全球变化的响应对于深入理解海洋生产力和碳汇非常重要。基于一个三维耦合的物理-生物地球化学区域模型，我们研究了2050年代东海浮游植物的变化。我们的主要结果如下：
在浙江沿海地区，光合作用区的浮游植物物候容易受到
CRediT作者贡献声明
Jia-Wei Shen：撰写——原始草案、可视化、方法论、数据管理、概念化。Liang Zhao：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。Zijia Zheng：撰写——审阅与编辑。Gang Guo：撰写——审阅与编辑、可视化。Hao Wei：监督。
利益冲突声明
代表所有合作者，我们声明本研究中不存在利益冲突。
