渤海湾及其邻近沿海水域中浮游植物群落结构与氮因素的耦合效应

《Marine Environmental Research》：Coupling Effect of Phytoplankton Community Structure and Nitrogen Factors in Estuary of Bohai Bay and Its Adjacent Coastal Waters

　　

廖莉莉|王伟民|徐莉|张一章|苏荣欣|黄仁良

天津大学海洋科学与技术学院，天津海洋环境研究与服务中心，中国天津300072

摘要

在过去22年中，由于陆地氮输入的加剧，渤海的浮游植物物种丰富度持续下降，硅藻与甲藻的演替现象变得明显。为了探讨氮因素与浮游植物之间的区域耦合机制，我们在2023年8月对渤海湾及其邻近沿海水域的41个站点进行了调查。结果显示，近岸水域的浮游植物丰度较高，而离岸水域的浮游植物丰度较低。在浮游植物种类方面，河口区域以蓝细菌和绿藻为主，而沿海水域则以硅藻和甲藻为主。氮磷摩尔比远超过典型的Redfield比值16:1，证实了磷限制状态持续存在。皮尔逊相关性分析表明，氮、活性磷酸盐和悬浮固体是调节硅藻群落的核心因素。本研究阐明了这种耦合特征，并为渤海的富营养化管理提供了理论依据。

引言

渤海作为中国典型的半封闭内海，是多条河流（如济运河和海河）的最终入海汇聚区。渤海每年接收大量的陆地径流和物质输入（Fu和Sun，2024），其独特的地理位置和水文特征使其成为连接陆地和海洋生态系统的关键枢纽（Gao等人，2014；Zhang等人，2024；Halpern等人，2009）。渤海不仅承担着重要的海洋生态系统服务功能，还是中国北方海洋经济发展的核心区域，在渔业养殖、港口航运和生态保护方面具有不可替代的战略地位。

受周边密集工业和农业活动的影响，渤海沿海水域长期面临氮富集的严重问题。来自陆地的无机氮输入浓度持续超过标准值，导致水营养结构失衡（Zhang等人，2025；Zhang和Li，2022；Jiang等人，2025；Lin，2025）。其氮磷比值远高于经典的Redfield比值（Redfield，1934；Redfield，1958；Brzezinski，1985），营养限制类型已逐渐从传统的氮限制转变为磷限制（Song等人，2022；Lin等人，2001；Xin等人，2019）。这种结构变化直接驱动了浮游植物群落的生态演替（Song等人，2016；Xin等人，2019），表现为硅藻种类减少、甲藻种类增加的趋势（Song等人，2022；Lin等人，2005），进而导致有害藻类暴发的频率显著增加（Zhao和Wei，2005），对海洋生态系统的稳定性、水产养殖的可持续性和海洋生态安全构成了严重威胁。

浮游植物群落具有不同的时间和空间结构，并随各种物理环境参数的变化而变化（Hall等人，2015；Wei等人，2017），是了解中国渤海生态状况的有效方式（Guo等人，2014；Wang等人，2022；Fu和Sun，2024）。然而，在不同氮形态影响下的生物可利用性和时空异质性仍不清楚；流域氮和磷负荷输入与渤海营养结构演变之间的定量关联机制尚缺乏研究；此外，营养限制类型变化对浮游植物群落功能冗余性的影响也缺乏系统性的解释。

本研究重点探讨了渤海湾及其邻近沿海水域中浮游植物群落结构与氮因素的耦合效应。在“营养结构演变—氮因素调节—浮游植物群落响应”的核心框架下，通过分析浮游植物群落状况，研究了Redfield比值的变化以及浮游植物群落功能冗余性的系统变化。我们旨在填补营养关联的定量关系和氮因素调节浮游植物群落组装机制等研究空白，为渤海沿海地区的富营养化精准管理、生态系统恢复和海洋生态安全提供理论支持和科学依据。

章节摘录

样品与方法

2023年8月，在渤海湾的天津沿海水域设置了41个采样站点，包括27个水生生态站点和29个水质站点（图1）。采样站点的分布密度在近岸较高，离岸逐渐减少，涵盖了河口区、沿海海域和河岸带等典型的沿海生境单元。调查区域的水深范围为3米至12.5米，平均深度为7.05米。

水生环境因素特征

近岸站点的悬浮固体、氮和磷营养负荷浓度通常呈现从岸向海的梯度下降趋势，而靠近河口的站点由于径流输送容易出现短暂的高值脉冲。叶绿素a（Chl-a）浓度在营养富集的沿海区域可能形成局部峰值，这可能产生富营养化风险区。而离岸站点的浓度则较低且分布均匀。

结论

天津沿海水域的渤海环境因素存在显著的空间异质性：（1）近岸站点的悬浮固体、氮和磷营养负荷浓度呈从岸向海的梯度下降趋势，靠近河口的站点容易出现营养物质的短暂高值；（2）叶绿素a在营养富集的近岸区域形成局部峰值，存在富营养化风险；（3）出现溶解氧的低值异常区域。

作者贡献声明

王伟民：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。廖莉莉：撰写——初稿，方法学设计，数据整理，概念构思。苏荣欣：撰写——审稿与编辑，监督。黄仁良：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。徐莉：软件使用，数据整理。张一章：监督，调查。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国宁波市自然科学基金（2023J394）、浙江省自然科学基金（LQN26D060005）和中国国家自然科学基金（42506241）的支持。感谢天津滨海新区生态环境监测中心提供的数据。