编辑推荐：
本研究探讨韩国 Jinhae Bay 水体缺氧（WCH）强度对沉积物硫酸盐还原（SR）、铁锰氧化物溶解及底泥营养通量（BNF）的影响。结果表明，当底层溶解氧（DO）从206 μM降至17 μM时，SR速率增加6倍（46.0→281 nmol cm?3 d?1），伴随硫化氢（H?S）积累和铁锰氧化物溶解，导致铵（NH??）和磷酸盐（PO?3?）释放量分别升高6.5倍和17倍，N:P比值从45.2降至14.8。长期监测（1997–2024）显示，尽管外部营养输入减少，但WCH加剧沉积物 SR，形成内部营养源主导的循环，削弱传统外部减排策略效果。
作者：Sangbeom Baek, Jin-Sook Mok, Haneul Kim, Hyeonji Lee, Jung-Ho Hyun
韩国京畿道安山市汉阳大学海洋科学与融合技术系，汉阳大学路55号，邮编15588
摘要
由于人类活动和气候变化导致的海洋脱氧现象日益威胁着海洋生态系统的可持续性。本研究探讨了水柱缺氧（WCH；溶解氧（DO）< 63 μM）的程度如何调节韩国珍海湾的沉积物硫酸盐还原（SR）、硫-铁-锰-磷（S–Fe–Mn–P）循环、底栖营养物通量（BNF）以及氮（N）与磷（P）的比率。该海域以季节性反复出现的WCH为特征。当底层水的溶解氧浓度从206 μM下降到17 μM时，表层沉积物中的硫酸盐还原速率增加了6倍，从46.0 nmol cm?3 d?1增加到281 nmol cm?3 d?1，同时孔隙水中硫化氢（H?S）的含量升高，Fe(III)/Mn氧化物的含量减少。这些氧化还原变化显著增强了铵（NH??）和磷酸盐（PO?3?）向上层水体的释放，严重缺氧条件下的NH??和PO?3?通量分别比正常氧条件下的高6.5倍和17倍（分别为NH??: 7.70 mmol m?2 d?1；PO?3?: 0.52 mmol m?2 d?1）。硫酸盐还原的增强以及Fe(III)/Mn氧化物的溶解进一步加剧了磷相对于氮的释放，导致底栖营养物通量的氮磷比率从正常氧条件下的45.2下降到严重缺氧条件下的14.8。长期监测（1997–2024年）显示，尽管环境法规减少了外部（陆地）营养物质的输入，底层水中的磷含量仍然持续升高，这凸显了内部（底栖）来源的主导作用。我们的研究结果表明，加剧的WCH增强了由硫酸盐还原驱动的内部营养物通量，从而加剧了富营养化现象，并对缺氧易发沿海地区的外部营养物减排策略的有效性提出了挑战。
引言
自20世纪中叶以来，开阔海域和沿海海域的溶解氧（DO）浓度一直在下降（Diaz和Rosenberg，2008）。海洋脱氧是气候变化和人类活动引发的最严重的环境问题之一（Rabalais等人，2014；Schmidtko等人，2017），并被认为是一个可能威胁海洋生态系统可持续性的全球性边界问题（Richardson等人，2023；Ferrer等人，2025）。在沿海海域，大约有500个地点经历了溶解氧浓度低于63 μM（或2 mg L?1）的缺氧条件（Isensee等人，2016；Breitburg等人，2018）。沿海海域的水柱缺氧通常由以下原因引起：（1）半封闭海湾中的水柱分层和循环受限（Diaz，2001；Conley等人，2011）；（2）由污水排放、农业和集约化渔业引起的富营养化（Conley等人，2007；Fennel和Testa，2019）。随着缺氧条件的加剧、持续时间和范围的扩大，沿海生态系统逐渐丧失维持高生物量和生物多样性的能力，同时影响商业渔业和水产养殖等关键生态系统服务的提供（Vaquer-Sunyer和Duarte，2008；Levin等人，2009；Abdel-Tawwab等人，2019）。此外，沿海缺氧还深刻影响了调节沉积物中氧化还原敏感元素动态的生物地球化学过程，从而改变了有机碳矿化（CorgM）途径并影响上层水体的营养物动态（Conley等人，2009；Howarth等人，2011；Carstensen等人，2014）。因此，阐明这些复杂的相互作用需要精确测量和稳健的生物地球化学过程建模，如硫酸盐还原（SR）和底栖营养物通量（BNF）（Dale等人，2013；Hyun等人，2013）。
在富含有机物的沿海沉积物中，氧气在几毫米深度内迅速耗尽，有机碳矿化主要通过厌氧呼吸过程进行，例如反硝化作用以及Mn(IV)、Fe(III)和硫酸盐（SO?2?）的还原（Rabalais等人，2010；Lipsewers等人，2017）。尽管能量效率较低，但由于海水中硫酸盐（SO?2?）的浓度较高（约28 mM）（J?rgensen等人，2019；Callbeck等人，2021），硫酸盐还原在海洋沉积物中通常占有机碳矿化的50–90%（Thullner等人，2009；J?rgensen等人，2024）。此外，在WCH条件下，由于沉积物中其他高效电子受体的快速耗尽，硫酸盐还原作用得到显著增强（Lenstra等人，2021；Mok等人，2025a）。硫酸盐还原的增强通过硫化氢（H?S）的积累和营养物质（如铵（NH??）和磷酸盐（PO?3?）向上层水体的同时释放，引发了环境和生态问题（Lojen等人，2004；Lehtoranta等人，2009；Hyun等人，2013）。生物毒性的H?S的积累和化学活性会导致生物多样性的显著丧失（Vaquer-Sunyer和Duarte，2010；Kanaya等人，2018），并通过化学氧化快速消耗氧气进一步恶化水柱健康状况（Zopfi等人，2004；Kemp等人，2005；Rickard，2012）。此外，H?S还促进了Fe（及其他金属）氧化物的还原性溶解，导致更多的磷酸盐（PO?3?）释放到上层水体中（Sulu-Gambari等人，2016a，Sulu-Gambari等人，2018；An等人，2019；Mok等人，2019；Hermans等人，2021）。这种底栖营养物通量最终通过浅海生态系统中的底栖-浮游耦合促进了不希望出现的富营养化和有害藻类爆发（Rozan等人，2002；Reed等人，2011；Lomnitz等人，2016）。因此，理解沉积物中硫酸盐还原的变异性及其与硫-铁-锰-氮-磷（S–Fe–Mn–N–P）循环的关系，以及这些过程与WCH强度的耦合，对于阐明沉积物和水柱中的动态至关重要（Bowles等人，2014；Kappler和Bryce，2017；Mok等人，2025a，Mok等人，2025b）。尽管最近的转录组分析显示，在缺氧条件下与硫酸盐还原相关的微生物门（如Chloroflexota和Patescibacteria）的基因表达增加（Lindsay等人，2025），但它们与生物地球化学通量或S–Fe–Mn–P相互作用的整合不足，限制了更广泛的生态和环境解释。虽然直接将沉积物中的硫酸盐还原及相关元素动态与WCH条件联系起来的研究对于阐明元素分布的因果关系至关重要，但这些研究仍然相对较少。
珍海湾（JB）位于韩国东南海岸（图1a），由于人为营养负荷和季节性分层作用，该海域经历了季节性反复出现的WCH（Lee等人，2017；Lim等人，2018；第2.1节）。尽管2007年实施了“总污染物负荷管理系统”（Chang等人，2012；Kwon等人，2014；Choi等人，2014），外部营养负荷有所减少（Kim等人，2012；Lee，2013；Park等人，2018），但长期夏季监测数据（1997–2024年）显示底层水中无机磷（DIP）浓度持续或增加（图1b），这与WCH范围的扩大相吻合（图S1，Lee等人，2018；Kim等人，2024b）。这些长期趋势表明，WCH的扩大通过增强沉积物中的硫酸盐还原作用刺激了底栖磷通量（Sinkko等人，2019；Hermans等人，2021）。然而，尽管先前的研究广泛探讨了WCH条件下的硫酸盐还原和沉积物中的磷释放，但它们通常将WCH视为一个二元因素（存在/不存在），而没有解决不同WCH强度如何调节底栖硫酸盐还原速率和相关营养物动态的问题（Sulu-Gambari等人，2016a，Sulu-Gambari等人，2018；Mok等人，2025b）。因此，在底栖营养物释放可能显著改变水柱营养物化学计量的浅海环境中，WCH强度与底栖硫酸盐还原速率之间的直接定量联系及其对底栖营养物通量的影响仍然知之甚少。
因此，本研究旨在阐明WCH强度如何影响：（1）沉积物中硫酸盐还原的变化及其导致的S–Fe–Mn–P循环；（2）沉积物-水体界面处的营养物通量变化，特别是通过硫酸盐还原调节的氮磷比率变化，这些变化介导了珍海湾中的底栖-浮游营养物耦合。通过将WCH强度梯度与生物地球化学过程直接联系起来，我们的发现表明，由人为营养负荷和变暖引起的长期WCH扩大增强了沉积物中硫酸盐还原对有机碳矿化的贡献，从而改变了C–S–Fe–Mn–P动态并刺激了浅海生态系统中的营养物通量。WCH强度与沉积物生物地球化学过程之间的这些因果关系为缺氧易发沿海地区的底栖营养物通量管理提供了关键见解。
研究区域
珍海湾是一个半封闭的、富营养化的浅海湾，平均水深约为20米（图1a；Yim等人，2014；Ryu等人，2018）。该海湾由几个小内湾组成，其复杂的海岸线加上有限的海水交换导致中心海域的水动力循环缓慢，流速低于30厘米/秒（Moon，2009；Kim等人，2016）。此外，夏季的降水主要集中在夏季（占年降水量的60%）
环境参数
表层水温范围为18.1至25.7°C，而底层水温范围为14.6至19.1°C（表1）。表层水的盐度范围为29.3至33.2 psu，底层水的盐度范围为33.3至34.3 psu。表层水的溶解氧浓度相对稳定（229–261 μM），而在S-WCH条件下，底层水的溶解氧浓度降至17.1 μM，约为正常氧条件下的十二分之一（206 μM）。铵（NH??）和磷酸盐（PO?3?）的最高浓度
WCH强度下硫酸盐还原的增强
在S-WCH条件下，硫酸盐还原这一能量效率较低的有机碳矿化途径显著增强，达到516 nmol S cm?3 d?1——比正常氧条件下的23 nmol S cm?3 d?1增加了22倍（图2r1–r3）。沉积物中的有机碳矿化速率和途径取决于电子供体（有机物）的数量和质量以及终端电子受体（如NO??、MnO?、FeOOH和SO?2?）的可用性（Canfield等人，2005）。
结论
WCH在全球沿海海域的扩散和加剧通过刺激沉积物中的硫酸盐还原引发了严重的环境问题。尽管预计在持续的人为压力和气候变化下WCH将进一步加剧，但不同氧化还原状态下的硫酸盐还原变异性及其导致的营养物通量变化仍知之甚少。本研究提供了关于WCH强度如何调节季节性缺氧沿海沉积物中的硫酸盐还原、营养物通量和S–Mn/Fe–P循环的综合评估
CRediT作者贡献声明
Sangbeom Baek：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，调查，正式分析，数据管理，概念化。
Jin-Sook Mok：调查。
Haneul Kim：调查。
Hyeonji Lee：调查。
Jung-Ho Hyun：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（资助编号：RS-2023-00275046）和韩国教育部（资助编号：RS-2022-NR075126）的支持。此外，还得到了韩国海洋科学技术促进院（KIMST）通过韩国海洋渔业部（资助编号：PEA0085和RS-2025-02307311）提供的额外支持。
