近期火山喷发重塑的沿海系统中浮游动物稳定同位素格局

《Frontiers in Marine Science》：Zooplankton stable-isotope patterns in a coastal system reshaped by a recent volcanic eruption

　　

沿海火山喷发（coastal volcanic eruptions）可以深刻改变近岸地貌和物理条件，但喷发后浮游食物网（pelagic food-web）结构仍鲜有记录。本研究描述了2021年塔霍盖特（Tajogaite）喷发（加那利群岛拉帕尔马岛）期间形成的熔岩三角洲（lava deltas）附近沿海系统中的浮游动物（zooplankton）稳定同位素格局（δ¹³C、δ¹⁵N、δ³⁴S）及水动力（hydrodynamic）背景。研究人员在喷发后15个月和20个月，跨季节、深度和粒径分级采集浮游动物，并将同位素特征与海洋学观测和拉格朗日粒子追踪模拟（Lagrangian particle-tracking simulations）相结合进行分析。不同粒径浮游动物的同位素值存在一致性差异，较大粒径表现出较高的δ¹⁵N值和更宽的同位素范围，反映了营养级和分类组成的异质性。δ³⁴S值落入通常与海洋生产（marine production）相关的范围内，且在各深度和季节间相对均匀，符合沿海海洋硫源的预期范围。水动力模拟表明单个粒子在熔岩三角洲区域内的停留时间较短，同时凸显了与喷发后海岸形态相关的近岸滞留空间变化。综合这些结果，对近期重新构型的沿海系统提供了喷发后浮游同位素结构和物理背景的详细描述。尽管存在显著的地貌扰动，观测到的同位素格局表明，浮游营养结构仍主要受基于粒径的生态组织控制，而非局部火山强迫。虽然缺乏喷发前或未受影响参考数据限制了因果推断，但本研究记录了基线条件，可为未来火山扰动对浮游生态系统影响的比较分析提供参考。

**研究背景**

海洋火山喷发是一种强烈的自然扰动，能够显著改变沿海海洋系统的物理、化学和生物特征。然而，以往研究多集中于火山灰沉降、底栖群落死亡与早期再定殖，对喷发后浮游食物网结构的长期记录相对匮乏。2021年塔霍盖特火山（Tajogaite，加那利群岛拉帕尔马岛）喷发持续近三个月，大量熔岩流入海洋形成两个熔岩三角洲，显著改变了近岸水深和海岸线形态。这种地貌重构可能通过改变水流模式、水体停留时间和颗粒物输运路径，间接影响浮游生物的分布与暴露条件。然而，目前对喷发后浮游生态系统的同位素结构及其与水动力的关系仍缺乏系统描述。因此，该研究旨在记录喷发后15至20个月浮游动物稳定同位素格局（δ¹³C、δ¹⁵N、δ³⁴S），并结合水文环境与拉格朗日粒子追踪模拟，建立近期重构沿海系统中的基线参考。

**研究内容与主要发现**

研究人员在2023年1月（冬季）和2023年6月（春夏季）于“Franja Marina de Fuencaliente”特别保护区（SAC，ES7020122）内熔岩三角洲附近18个站位采集浮游动物，按200–500、500–1000和>1000 μm三个粒径分级，分析其碳、氮、硫稳定同位素，同时结合卫星环境数据与拉格朗日粒子追踪实验。结果发现，同位素差异在粒径间呈现一致规律：较大粒径的δ¹⁵N更高、同位素范围更宽，反映了营养级和分类组成的异质性。δ³⁴S值位于海洋生产来源的典型范围内，并在深度和季节间相对均匀。水动力模拟显示熔岩三角洲区域粒子停留时间短，但近岸滞留存在空间差异。总体而言，尽管地貌扰动显著，浮游营养结构仍主要由基于粒径的生态组织控制，而非局部火山强迫。

**关键技术方法**

研究整合了三方面方法。（1）稳定同位素分析：使用WP-2浮游网（200 μm网目）垂直拖网采集样品，经Folsom分样器分为两个子样本，其中一个经蒸馏水润洗、60°C干燥48小时后称重封装，使用元素分析仪-同位素比质谱仪测定δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S，并以C/N>3.5进行脂质校正。（2）环境与营养盐数据：从哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）获取温度、盐度和净初级生产力数据，并在冬季航次使用Niskin瓶采集水样分析营养盐及水同位素（δ²H、δ¹⁸O）。（3）水动力模拟：基于IBI再分析产品，用Ichthyop v3.3.17进行拉格朗日粒子追踪，模拟喷发前后岸线条件下1000个粒子在24小时内的漂移轨迹。样本来自2023年1月R/V ACUIPALMA和2023年6月R/V TRAMES 1航次。

**研究结果**

**浮游动物鉴定**
各粒径和站位的分类组成总体相似，桡足类和卵为常见组分；冬季频现腹足类、毛颚类、介形类、十足目幼虫等，春夏季分类丰富度增加，出现棘皮、环节、蔓足类幼虫及水螅水母、海樽等胶质生物，说明暖季幼虫和胶质组分贡献更大。

**同位素随粒径、深度和航次的变化**
δ¹⁵N与脂质校正δ¹³C散点图显示分散范围大，其中200-μm粒径δ¹⁵N较低，500-μm和1000-μm较高。双因素ANOVA显示粒径效应显著（F=19.57, P<0.0001），航次效应较小但显著（F=5.82, P=0.0203），粒径×航次交互显著（F=9.38, P=0.0004）。事后比较表明200-μm与较大粒径差异显著，而500-μm与1000-μm无显著差异。

**δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S的季节格局**
冬季各粒径和深度上的δ¹³C、δ¹⁵N值较低且范围较窄，春夏季较高且分布更广；δ³⁴S在两个季节间分离最明显，春夏季值更高更均匀。相关分析显示δ¹⁵N与δ³⁴S显著正相关（Pearson r=0.598，Spearman ρ=0.668，P<0.001）。

**营养级**
估算营养级随粒径增大而增加：200-μm中位数约1.9–2.0，500-μm在冬季约2.1、春夏季约2.2，1000-μm在冬季约2.2、春夏季约2.35。该结果反映粒径越大，营养位置越高。

**海水同位素与营养盐结构**
表层水δ²H和δ¹⁸O高于深层，最大δ¹⁸O（0.85‰）出现在0.5 m；δ²H-δ¹⁸O关系斜率低于全球大气降水线，指示蒸发和混合过程。表层NH₄⁺和Si(OH)₄浓度较高。

**水动力学**
拉格朗日模拟显示粒子在两种岸线下均于数小时内到达海岸，表明近岸输运快速；但在熔岩三角洲存在的情况下，2–8小时到达海岸的粒子比例更高，特别是在南部熔岩三角洲附近，显示喷发后海岸形态影响了粒子轨迹和滞留空间格局。

**讨论与结论**

讨论指出，浮游动物δ¹³C、δ¹⁵N的变化主要受粒径分层驱动，与典型的中型浮游动物群落一致。δ³⁴S位于海洋消费端典型范围内，与混合的浮游-底栖硫源一致，但由于缺乏底栖基质和初级生产者的同位素数据，无法确定具体硫源途径。季节差异可能源于分类组成变化而非生产源变化。水动力模拟仅提供物理背景，不能推断水动力对同位素的直接因果作用。该研究缺乏喷发前数据或未受影响的参考点，限制了因果推断，但整合同位素、水文和地貌信息的方法可为其他火山岛系统提供借鉴。

结论部分：该研究记录了2021年塔霍盖特火山喷发形成的熔岩三角洲附近中型浮游动物的稳定同位素组成和粒径结构模式。结果表明，同位素变异性主要由浮游动物粒径类群决定，反映了沿海浮游系统的营养和分类异质性；尽管季节条件不同，同位素格局总体保持一致；δ³⁴S值在海洋沿岸系统预期范围内，与混合浮游-底栖硫源一致但具体途径尚未明确；水动力模拟指示近岸短停留时间和与喷发后海岸形态相关的粒子输运空间变化。总之，尽管存在显著地貌扰动，浮游同位素结构仍主要受基于粒径的生态组织调控。该研究建立了喷发后海岸线条件下浮游同位素结构的基线，为未来时间序列和比较研究提供了基础。