营养物质、碳以及水体变暗对沿海溶解磷生物可利用性的影响——一项中观尺度研究

《Limnology and Oceanography》：Nutrient, carbon, and darkening impacts on coastal dissolved phosphorus bioavailability—a mesocosm study

生物可利用溶解有机磷（BDOP）的动态受水色暗化、无机营养输入及溶解有机碳（DOC）共同调控。通过全因子微宇宙实验，发现暗色水体下无机磷（PO?3?）的添加未显著增加BDOP，反而抑制其转化，说明光暗环境改变微生物对无机磷的利用方式。实验表明，单独增加DOC或无机营养对BDOP影响有限，但两者在水色暗化条件下的交互作用显著降低无机磷生物有效性，导致总溶解磷（TDP）分配比例变化。研究强调，沿海富营养化治理需同步控制水色暗化和营养输入，否则仅减少无机磷输入可能无法有效降低总生物可利用磷。

　　磷是水生生态系统中一个至关重要的营养元素，对初级生产力、生物地球化学循环以及生物群落组成具有深远影响。在许多淡水和沿海系统中，磷往往成为限制性营养元素，其可利用性直接决定了微生物和浮游植物的生长。磷以多种形式存在于自然水体中，包括溶解态无机磷（主要是正磷酸盐）、颗粒态磷和溶解态有机磷（DOP）。虽然无机磷可以被水生生物迅速吸收利用，但有机磷的生物可利用性则较为复杂，通常需要通过酶促反应转化为可吸收形式，这使得它成为微生物群落的重要但间接的磷来源。

近年来，随着人类活动对自然环境的影响日益加深，沿海生态系统中的磷循环也发生了显著变化。例如，在北半球许多河流中，无机营养物质的输入量有所减少，这种现象被称为“寡营养化”（oligotrophication），部分原因在于对富营养化的治理措施和大气沉积减少。然而，这种变化往往伴随着溶解有机质（DOM）输入的增加，即所谓的“变暗”（browning）现象，这进一步导致了沿海水域颜色变深。这种“寡营养化”与“变暗”的共存不仅改变了无机和有机磷在沿海系统中输入的相对比例，还可能影响浮游生物群落利用这些资源的条件。此外，由于内部磷负荷，特别是缺氧条件下，沿海生态系统还面临着富营养化加剧的潜在风险。

本研究通过一个全因子的浮游生物群落实验，探讨了溶解有机磷（DOP）生物可利用性（BDOP）在不同环境条件下的变化。实验设计中，我们操纵了水体颜色、可溶性碳输入和无机营养物质浓度，以评估它们对磷循环的独立及交互影响。研究的核心假设是，这些因素之间的相互作用可能塑造磷的动态变化和微生物群落的响应。具体而言，我们提出了三个主要假设：光的可用性在调节BDOP浓度中起关键作用，可溶性碳的供应通过刺激微生物活动和分解复杂的碳-磷结构来影响BDOP，而无机营养物质的供应则通过促进无机磷的优先吸收间接影响BDOP浓度。

研究结果显示，尽管水体变暗可能促进DOP的生物可利用性，但这种效应并不显著，且主要体现在磷的可利用形式由无机向有机转变的背景下。相反，无机营养物质的增加在清澈水体中显著提高了BDOP浓度，而在变暗水体中，无机磷主要以无机形式残留，而非转化为生物可利用的有机磷。这表明，光照条件在调节BDOP浓度中起着重要作用，特别是在浮游植物竞争强烈的情况下。光可以增强浮游植物对磷的吸收，从而减少BDOP的积累，而水体变暗可能降低这种竞争，使得DOP更容易被异养微生物利用。

此外，实验还发现，可溶性碳的增加对BDOP浓度的影响并不显著，这可能是因为陆源DOM的生物可利用性较低，难以直接刺激微生物活动。然而，在清澈水体中，碳的添加显示出一定的趋势，即BDOP浓度有所上升，这可能与浮游植物对碳的利用及其代谢产物的释放有关。这些代谢产物可能被微生物进一步分解，从而提高DOP的生物可利用性。因此，虽然碳的输入在某些情况下可能间接影响磷的循环，但其效果并不显著，尤其是在缺乏充足光照的条件下。

无机磷的增加在清澈水体中显著促进了BDOP的积累，这可能是因为浮游植物在光照条件下对无机磷的高效利用，导致其代谢过程中释放更多的有机磷，进而增加BDOP的浓度。而在变暗水体中，这种效应并不明显，这可能与异养微生物对无机磷的优先利用有关。当无机磷充足时，异养微生物可能更倾向于直接吸收这些形式的磷，而减少对DOP的依赖。因此，光照和营养物质的共同作用可能决定了磷的可利用性，而水体变暗则可能改变这种动态平衡。

研究还揭示了无机磷、碳和水体颜色之间的复杂交互作用。例如，在清澈水体中，无机磷的添加显著提高了BDOP的浓度，而在变暗水体中，这种效应并不明显。这表明，光照条件在调节磷的可利用性方面起着关键作用，特别是在浮游植物活跃的环境中。同时，碳的输入在某些情况下可能通过促进微生物活动间接影响BDOP的浓度，尤其是在光照条件下。然而，这些效应往往受到多种因素的影响，包括微生物群落的组成、营养物质的输入时间和强度，以及环境条件的变化。

综上所述，本研究的发现表明，沿海水域的变暗现象可能对磷的可利用性产生深远影响。虽然变暗可能减少浮游植物对无机磷的竞争，从而促进DOP的生物可利用性，但同时也可能改变微生物群落的结构和功能，进而影响整个磷循环。因此，为了有效减少总磷的生物可利用性并恢复沿海生态系统的健康，管理措施不仅需要关注无机磷的输入，还应考虑溶解有机质的输入及其对水体颜色的影响。只有在综合考虑这些因素的前提下，才能制定出科学有效的磷管理策略，以维护沿海生态系统的生态平衡和功能。