未来海洋热浪事件下海草床养分循环功能改变及其生态服务退化风险

这篇研究通过模拟+5°C持续30天的海洋热浪(MHW)事件，揭示了热带海草Halophila ovalis生态系统中氮(N)循环功能的显著改变。研究发现MHW导致海草叶片铵(NH4+)同化速率升高但存活率波动，沉积物反硝化(denitrification)和异化硝酸盐还原为铵(DNRA)速率降低，同时海水总碱度下降。这些变化表明未来MHW可能削弱海草床的氮去除、碳汇和海洋酸化缓冲等关键生态功能。

　　

海洋热浪对海草床养分循环的冲击

引言
海岸带生态系统作为全球最重要的生态系统之一，承担着关键的养分循环功能。其中海草床通过吸收过量氮素(N)改善水质，但其对海洋热浪(MHW)等人类活动压力极为敏感。热带海草Halophila ovalis作为香港优势物种，其生态系统功能对未来气候变化的响应机制亟待阐明。

材料与方法
研究团队从香港东涌湾采集海草和沉积物，在实验室构建模拟系统。设置25°C对照组和30°C的MHW处理组（模拟持续30天、+5°C的极端热浪），通过¹⁵N同位素示踪技术测定海草叶片、根系、沉积物及水体中各隔室的氮循环最大转化潜力。实验同步监测了沉积物反硝化、DNRA、厌氧氨氧化(anammox)和硝化(nitrification)等过程的潜在速率，并采用qPCR定量分析了功能基因(nirS和nosZ)丰度变化。

结果
海草生理响应呈现显著波动：MHW组叶片NH₄⁺同化速率升高约20 μmol g^-1 DW h^-1，但存活率下降至66%且个体差异极大。沉积物氮循环功能整体受损：反硝化速率从12降至6 μmol kg^-1 h^-1，DNRA速率降低57%，相关功能基因nirS和nosZ拷贝数锐减90%以上。值得注意的是，硝化速率在MHW下反而翻倍，导致海水总碱度显著下降1.71 mmol l^-1，暗示海洋酸化缓冲能力减弱。

讨论
研究发现MHW通过三重机制影响海草床功能：

1. 海草代谢改变：升高的呼吸速率(4.55 mgO₂ L^-1 h^-1)与δ¹³C值下降表明碳代谢紊乱，但叶片NH₄⁺吸收增强形成短期氮汇
2. 微生物功能抑制：反硝化基因丰度与功能速率同步下降，反映高温对沉积物微生物群落的负面选择
3. 系统耦合失调：硝化-反硝化耦合被打破，虽然硝化增强但反硝化减弱，导致活性氮净去除能力降低

生态启示
该研究首次系统揭示了MHW对海草床多隔室氮循环的差异化影响：虽然海草可通过提高NH₄⁺同化短期缓解氮负荷，但沉积物微生物功能的丧失可能导致长期氮去除服务退化。更值得关注的是海水总碱度下降所预示的酸化缓冲能力减弱，这可能与硝化过程释放H⁺和有机质降解加速有关。研究建议未来应重点关注先锋种海草（如H. ovalis）对频繁MHW的适应性进化，以及沉积物微生物功能恢复的临界温度阈值。

方法论创新
研究通过高浓度¹⁵N标记测定最大潜在速率，克服了自然浓度下速率检测限的难题；结合MIMS和细菌反硝化法的多技术验证，确保了硝化速率数据的可靠性。但作者指出，强标记可能导致记忆效应，建议后续研究采用时间序列采样优化速率计算。

应用前景
该成果为海岸带生态系统的气候韧性评估提供了新指标：沉积物nirS/nosZ基因丰度可作为MHW影响的早期预警标志物，而海水总碱度变化则能反映海草床对海洋酸化的缓冲潜力。在管理实践中，需特别关注热浪后沉积物微生物功能的恢复周期，以制定科学的生态修复时间窗口。