《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Temporal variations of silicon fractions and transport in the surface water of the Min River, China
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硅形态时空分布及驱动机制研究；闽江；水文条件；营养失衡；沿海生态
黄新燕|蔡水静|刘建妮|王文静
福建省亚热带资源与环境重点实验室，福建师范大学，福州350117，中国
摘要
硅（Si）是水生生态系统中的关键营养元素，对硅藻的生产力、水生植被和农业系统至关重要。作为全球硅循环的重要组成部分，陆地来源的硅通过河流输送成为海洋环境中的外来硅的主要来源。然而，不断增加的人为压力正在改变河流向沿海地区的硅输送量。本文以中国闽江为例研究了这一下降趋势。通过结合应用硅铝比校正和硅钼蓝比色法，我们量化了闽江主流中三种操作定义的硅成分的时空分布：溶解硅（DSi）、生物源硅（BSi）和岩石源硅（LSi）。研究结果表明存在明显的季节性变化：在高流量时期，DSi占主导地位（总硅的54.98%±1.25%），其次是LSi（37.02%±0.96%）和BSi（8.00%±0.53%）；而在低流量（49.35%±1.36%）和中等流量（43.21%±1.36%）时期，LSI占主导。通过随机森林建模和斯皮尔曼相关性分析，我们确定水温、pH值和悬浮颗粒物（SPM）是影响硅成分动态的关键因素。每年，闽江向沿海水域输送大量的硅：LSi为（6.64±0.24）×109 mol·yr-1，DSi为（6.48±0.25）×109 mol·yr-1，BSi为（2.34±0.09）×109 mol·yr-1。值得注意的是，这些输送量相比21世纪初有所下降。这种下降趋势与氮（N）和磷（P）输入量的增加相吻合，表明沿海接收水体中的营养失衡现象日益严重。这种化学计量比的改变可能有利于非硅藻类藻类的繁殖，从而增加有害藻华的发生频率，同时减少生物碳的固定。因此，闽江中的硅输送对沿海初级生产力、生态稳定性和全球硅-碳耦合过程具有重大影响。
引言
硅（Si）是天然水体中的关键生物地球化学元素，在控制陆地、海洋、沿海和内陆水生生态系统的功能方面起着至关重要的作用（Conley, 1997; Ragueneau等, 2000; Liu, 2003; Zhang等, 2020）。作为硅藻、水生植物和作物的关键营养元素（Derry等, 2005），硅还参与全球碳循环和陆地-海洋相互作用（Dürr等, 2009）。然而，尽管硅具有重要的生物地球化学意义，但关于硅的研究仍落后于碳（C）、氮（N）和磷（P）的研究，大多数研究集中在海洋环境而非内陆水体（如湖泊、河流和水库）。
在水生系统中，硅主要以三种形式存在：溶解硅（DSi）、生物源硅（BSi）和岩石源硅（LSi）（Michalopoulos, 1995; Conley, 1997; Bastos & Braga, 2018）。DSI是水生生态系统的基本组成部分（Ran等, 2016），对硅藻来说是必需的营养元素（Tréguer和Rocha, 2013），在维持海洋初级生产力方面起着关键作用（Buchan, 2014）。BSI的积累反映了上层水柱中的初级生产力，并通过沉积和溶解过程显著促进硅的生物地球化学循环（Coradin和Lopez, 2003）。LSI主要以淤泥和粘土颗粒的形式存在，可以引起浮游植物的响应（Deteix等, 2024）。这三种硅形式可以动态转化，为了解水生系统的代谢过程提供了宝贵的见解。此外，这些变化通常与人为因素有关，包括土地利用变化和废水排放（Bastos和Santis, 2018）。
DSI、BSI和LSI这三种硅成分是河流中硅输送的主要载体，也是水生硅生物地球化学的关键调节因素（Huang等, 2019）。河流中的硅输出是海洋系统的重要外来硅来源，构成了全球硅循环的关键环节（Tréguer和Rocha, 2013）。作为陆地到海洋硅转移的主要通道，河流在促进多种硅物种的流动的同时，也促进了大陆与海洋之间的硅交换（Conley, 1997, 2002）。然而，人为干扰显著减弱了河流向沿海地区的硅输送（Conley, 2002; Maavara等, 2020）。这种硅的限制可能引发浮游植物群落的改变（Kilham, 1971），并限制沿海生态系统的硅藻生产力（Malone, 2008），进而对海洋初级生产和全球碳循环产生连锁影响（Street-Perrott和Barker, 2008; Rousseaux和Gregg, 2014）。
闽江是福建省最大的河流系统，是将陆地物质输送到中国东南部沿海海洋环境的重要通道。研究水生硅形态的时间动态和环境控制因素对于理解河流中的硅循环及其对沿海海洋生态系统的生态影响至关重要。然而，迄今为止，关于闽江中硅的研究主要集中在特定的硅形态或河口区域或下游地区的时间变化（Gao等, 2019; Zhai等, 2021; Qiu等, 2021）。此外，人们也关注了闽江中的碳、氮和磷的动态（Qian等, 2019; Chen等, 2024）。本文设计了完整的年度水文循环，系统分析了闽江主流表面水中各种硅成分的浓度。具体来说，我们的目标是：（i）描述硅成分的空间时间模式及其环境驱动因素；（ii）量化硅与关键营养元素（N、P）之间的化学计量关系；（iii）估算当前向沿海海洋的硅输送量。作为一条受潮汐影响的山区河流，闽江的碳、氮和磷动态已得到广泛研究。相比之下，本研究首次全面分析了河流每年输送到海洋的硅成分及相关营养元素的年度变化，填补了该流域硅循环方面的知识空白。这些发现为解释浮游植物动态提供了基础数据，并有助于持续监测河流向海洋环境的营养输送。
研究区域和采样
闽江是中国东南部三大河流系统之一，发源于武夷山脉，向东南方向流经562公里后注入东海，其流域面积为60,992平方公里（Zhang等, 2018）。该地区属于湿润的亚热带气候，年平均气温为16-20°C，降水量在1,400-2,400毫米之间（Lai等, 2023）。该河流具有三种不同的水文特征：
表面水的物理化学性质
闽江表面水的物理化学参数表现出明显的时空变化（表1）。pH值范围为5.39-7.97，从酸性到弱碱性不等，显示出显著的空间异质性（P<0.05）。总溶解固体（TDS）的年均值为2105.30±228.35 ppm，2022年2月的最低值为277.83±89.57 ppm。
年均电导率（EC）为4060.67±453.62 μS·cm
-1，在高流量时期显著高于低流量时期
影响水体中硅浓度变化的因素
关键物理化学参数——包括水温、pH值、悬浮颗粒物（SPM）、叶绿素-a、总溶解固体（TDS）、浊度和电导率（EC）——被确定为水生系统中硅形态动态的重要驱动因素（Bastos和Braga, 2023）。我们的研究结果表明，不同水文时期闽江中DSI、BSI和LSI的浓度存在显著的季节性变化。为了量化这些关系，我们进行了斯皮尔曼相关性分析
结论
我们的研究发现，闽江表面水中硅浓度的季节性变化明显。DSI浓度在中等流量时期达到峰值（4.40±0.13 mg·L-1），在高流量时期略有下降（4.22±0.10 mg·L-1），而在低流量时期最低（3.75±0.14 mg·L-1）。相比之下，生物源硅（BSI）和岩石源硅（LSI）的浓度则呈现相反的季节性变化，在低流量时期达到峰值
CRediT作者贡献声明
刘建妮：数据可视化、软件处理、正式分析。
王文静：研究调查。
黄新燕：撰写初稿、数据可视化、软件应用、数据整理。
蔡水静：撰写审查与编辑、方法设计、资金申请、概念构思
未引用的参考文献
Buchan等，2014；Conley和Malone，1992；Canfield，2004；De Madron等，2003；Duan和Bianchi，2006；Dürr等，2011；Kilham，1970；Lerman，1988；Liu等，2003；Malone等，1996；Michalopoulos和Aller，2004；Ragueneau等，2002；Rousseaux和Gregg，2013；Turner等，2003；Tréguer和De La Rocha，2013；V?r?smarty和Dork，2000；White等，1999。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
资助
本研究得到了中国福建省自然科学基金（编号2023J01517）、福建省公益计划（编号2021R1002005）和中国国家自然科学基金（编号42371105）的支持。
致谢
我们感谢中国福建省自然科学基金（编号2023J01517）、福建省公益计划（编号2021R1002005）和中国国家自然科学基金（编号42371105）的支持。
