珠江口沉积硅藻记录的百年环境演变及人类活动影响

《Marine Environmental Research》：Centennial environmental evolution and human activity impacts recorded by sedimentary diatoms in the Pearl River estuary

通过分析珠江口两个210Pb测年沉积物核心的硅藻群落，揭示2000年前后的生态转型。研究显示，自然气候波动主导的硅藻组合（如 Cyclotella striata）在2000年前占主导，之后底栖硅藻 Paralia sulcata 激增超过50%，表明人类活动（工业化、海岸开发）已超越自然气候成为珠江口生态演变的主因，为潮间带管理提供量化依据。

　　

赵雅琪|赵元亮|赵向伟|苏贾塔·尼拉杰卡尔|程柳玲|周文欣|刘悠|卢阳|孙俊

中国天津科技大学印度洋生态系统研究中心，天津，300457

摘要

沉积硅藻群落是敏感的生物档案，可用于重建水生生态系统中的过去环境条件。然而，在高度动态的河口地区，能够精确区分人为影响与自然变异的定量沉积记录仍然知之甚少。在这里，我们对来自珠江口（PRE）的两个经过²¹⁰Pb测年的沉积岩芯（Z4-2和Z5-2）进行了高分辨率的硅藻分析，这两个岩芯分别覆盖了1938–2023年和1893–2023年的时期。我们的研究共鉴定出66种硅藻，并揭示了显著的生态变化。2000年之前，硅藻群落主要由浮游种类如Cyclotella striata和C. stylorum主导，其变化反映了自然气候的波动。相比之下，2000年之后的时期则以底栖种类Paralia sulcata为主，其丰度超过了50%，同时淡水种类数量急剧下降。这一结果表明，在最近几十年里，包括工业污染和沿海开发在内的人为因素已成为该河口环境变化的主要驱动力。这些发现为区分自然周期和人为引起的变化提供了关键依据，从而为PRE及其他受人为影响的河口生态系统的管理决策提供了科学依据。

引言

河口作为陆地与海洋之间的关键过渡带，属于地球上生产力最高、生态价值最大的生态系统之一。淡水和海水的混合创造了富含营养的动态环境，支持着复杂的生态过程。河口的初级生产力非常高，这既来自浮游植物，也来自广阔的潮间带湿地。这种生产力为强大的生态功能奠定了基础（Paerl, 2006）。河口作为重要的生物地球化学处理器，通过过滤和转化氮、磷等营养物质来改善水质（Howarth et al., 2011）。从物理角度来看，盐沼和泥滩等河口结构可以缓冲波浪、储存洪水并减轻海岸侵蚀。至关重要的是，这些栖息地为众多水生物种提供了必要的育婴场所、觅食地和庇护所，其中包括具有商业价值的鱼类和甲壳类动物，从而支撑了沿海生物多样性和渔业（Tecchio et al., 2016; Yi et al., 2021）。然而，这个依赖陆地-海洋输入平衡的动态系统极易受到自然变化和人类活动的影响（Cloern and Jassby, 2012）。城市化、农业等人类活动的强烈压力显著增加了营养物质和污染物的负荷。因此，美国超过65%的河口经历了中度到高度的富营养化（Pinckney et al., 2001）。人类活动显著加速了氮和磷的输入，导致藻类大量繁殖和缺氧现象（Howarth et al., 2011）。同时，筑坝和抽水活动扰乱了自然的水文和沉积物流动（Alber, 2002），导致栖息地丧失和地貌失衡（Meire et al., 2005），而疏浚和建设则直接破坏了底栖栖息地并改变了水流动态（Tecchio et al., 2016）。气候变化（包括海平面上升、变暖和极端事件）进一步加剧了这些影响，进一步破坏了栖息地并引入了脉冲性污染（Paerl, 2006）。总体而言，这些压力改变了盐度和分层结构（Niu et al., 2021），重塑了沉积物动态（Jones et al., 2011），并导致了生物多样性的丧失和功能衰退，这一点从斯海尔德河到珠江口（PRE）都有证据（Meire et al., 2005; Niu et al., 2021）。了解这些相互作用的因素对于有效管理和保护这些不可或缺的生态系统至关重要。

作为中国最重要的河口系统之一，珠江口接收了来自珠江（中国第二大河流）的大量淡水和营养物质，并通过多个出口流入南海，包括凌定洋和黄茅海等主要海湾（Harrison et al., 2008）。自20世纪90年代以来，其广阔且人口密集的流域经历了快速的工业化和城市化进程。这一发展导致了大量的陆地污染物输入和严重的富营养化（Huang et al., 2003a; Ou et al., 2024），深刻影响了浮游植物群落的结构和组成，使得该地区成为评估人为压力下生态影响的关键区域（Chen et al., 2014）。以往在珠江口的古环境研究中主要关注长期变化，使用花粉、稳定同位素和有孔虫等多种沉积物代用指标来重建千年的时间尺度上的水文和生态演变（Yin et al., 2016）。类似的基于硅藻的研究也记录了地质时间尺度上的硅藻组成和丰度变化，包括第四纪时期（Chen et al., 2014, 2016）。进一步的研究对这些长期硅藻记录进行了详细阐述（Peng et al., 2021; Zheng et al., 2023）。研究表明，分析浮游植物群落的变化可以识别温度、湿度、水文动态和营养水平等环境变化（Shang et al., 2010）。尽管这些研究主要关注长期变化，但对过去一个世纪的高分辨率、短期生态重建相对较少。为填补这一空白，本研究利用沉积岩芯中的高分辨率硅藻记录来研究珠江口百年尺度上的环境变化。通过关注这一近期且研究不足的时期，我们旨在阐明短期硅藻群落变化的驱动因素，并提供现代人为和气候影响下河口生态动态的精细视角。

硅藻的硅质壳非常耐溶解，即使在动态的海洋环境中也能在沉积物中长期保存（Shang et al., 2010）。由于不同的硅藻种类具有不同的生态偏好，沉积硅藻群落的丰度、组成和群落结构的变化为重建沉积时的历史水文条件提供了可靠的指标，这些条件包括温度、盐度、pH值和营养状况（Lavoie, 1999; Yu et al., 2023）。自19世纪中叶以来，硅藻就被用作环境指标，早期研究主要关注冰期-间冰期循环和海平面变化等长期地质过程（Zhang et al., 2020; Kim et al., 2023）。在各种海洋地区进行的研究证明了硅藻在重建千年时间尺度上的古环境条件方面的实用性。例如，硅藻群落的变化被用来追踪水体运动（Jousé et al., 1971）、记录全新世以来的海洋侵入过程（Shang et al., 2010）、识别晚更新世时期的强淡水影响期（Huang et al., 2006），以及重建末次冰期以来的北太平洋环境历史（Sancetta, 1979）。这些工作确立了硅藻在古生态学中的基础地位（Lavoie, 1999）。虽然这些早期研究为了解珠江口的古环境奠定了坚实的基础，但在近期人类活动频繁的时期，它们在描述百年尺度变化方面存在局限性。这些长期记录（如覆盖全新世或第四纪的记录）通常具有百年到千年的分辨率，适用于重建冰期-间冰期循环、海平面波动或长期气候趋势（Wilson et al., 2008; Chen et al., 2016）。然而，这样的粗略时间框架无法揭示20世纪中叶以来珠江口快速且通常是十年级的生态变化。因此，由于缺乏详细的生物记录，特别是在十年级和亚十年级层面，存在重要的知识空白。这一空白阻碍了我们准确记录河口生态演变和确定其对某些当代人为压力反应的时间。

本研究旨在通过创建一个连续的高分辨率沉积硅藻序列来填补这一研究空白，该序列覆盖了珠江口整个百年尺度周期（约130年）。通过详细的时间顺序分析这一近期时间段，我们的目标是确定珠江口生态系统何时以及如何从主要受自然因素影响转变为主要受人类活动影响。

在这项研究中，从珠江口采集了两个岩芯Z4-2（长度131厘米）和Z5-2（长度142厘米），并进行了放射性碳测年和硅藻群落分析。本研究的具体目标是：i) 识别和描述珠江口沉积岩芯中的硅藻群落组成；ii) 评估环境变化对珠江口沉积岩芯中硅藻群落时间变化的影响；iii) 建立生态基准，为未来的恢复策略和可持续管理提供依据。本研究的结果将提供关键数据和理论支持，以加深对珠江口生态演变的理解，准确诊断其健康状况，并制定基于自然的恢复计划。

研究区域和采样

研究区域和采样

研究点Z4-2（东经114.0264°，北纬22.0572°）和Z5-2（东经113.8589°，北纬22.0929°）位于珠江口内。岩芯Z4-2（长度131厘米）是在3米的水深处采集的，而岩芯Z5-2（长度142厘米）是在珠江口相邻水域15.5米处使用75型重力取芯器采集的（图1）。

珠江口主要受到中国大陆沿海洋流（如广东沿海流）以及南海暖流的影响

沉积速率和硅藻群落聚类分析

根据CRS模型，确定了两种不同的沉积速率。Z4-2岩芯样本从119厘米到表面的沉积速率约为0.7142426厘米/年。Z5-2岩芯样本从130厘米到表面的沉积速率约为0.9028952厘米/年。

在分析了Z4-2和Z5-2柱状硅藻样本后，使用Cosine Distance和Minkowski Distance方法对数据进行了处理。随后，使用IBM SPSS进行了聚类分析

优势物种对环境的响应

硅藻群落的优势物种变化是环境变化的敏感指标。Z4-2的第一阶段（1938–1999年）主要包括Paralia sulcata、C. stylorum和C. striata，而Z5-2的第一阶段（1893–2000年）主要包括C. argus、Paralia sulcata、C. stylorum和C. striata（表1）。这些表明了近岸低盐度环境的沉积特征（Lan et al., 2008; Lei, 2021）。C. striata和Paralia sulcata是常见于近岸半咸水中的物种。

结论

本研究通过详细分析两个经过精确年代测定的沉积岩芯中的沉积硅藻群落，提供了珠江口百年尺度上的生态转变记录。我们的研究表明，在21世纪初（大约2000年±几年），河口生态系统发生了根本性的转变

CRediT作者贡献声明

赵雅琪：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、数据管理、概念化。赵元亮：调查、数据管理。赵向伟：撰写——审阅与编辑、可视化。苏贾塔·尼拉杰卡尔：撰写——审阅与编辑。程柳玲：调查。周文欣：调查。刘悠：撰写——审阅与编辑、调查。卢阳：撰写——审阅与编辑、调查。孙俊：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家重点研发计划（2022YFC3105300和2019YFC1407800）的财政支持，同时也感谢中国教育部长江学者计划（T2014253）对孙俊的支持。