波的尼亚湾（Gulf of Bothnia）北部限制性营养盐的快速变化，波罗的海北部

《Scientific Reports》：Rapid change of limiting nutrient in the Gulf of Bothnia, northern Baltic Sea

　　

摘要译文：历史上，磷一直被认为是波罗的海北部波尼亚湾初级生产力的限制性营养盐，而在更南部的波罗的海本部（Baltic Proper），氮则是限制性营养盐。在本研究中，研究人员利用瑞典和芬兰的监测数据，调查了过去30年间营养盐的分布变化。研究结果首次全面表明，整个波的尼亚海（Bothnian Sea）已转为氮限制，而波的尼亚湾（Bothnian Bay）正快速趋向类似状况。这一转变是由于无机磷浓度不断增加，可能源于从波罗的海本部流入的富磷水体。无机氮浓度则下降或保持未变。磷的增加导致了初级生产力上升，并在波的尼亚海中导致丝状蓝藻（filamentous cyanobacteria）出现频率增加。这一转变强调有必要修订这些海盆的管理策略，建议对这两个海盆同时进行磷和氮的处理。

论文解读：研究背景与问题

富营养化是波罗的海面临的主要环境问题之一，其本质是过量营养盐导致藻类过度增殖。赫尔辛基委员会（HELCOM）最新评估（HOLAS 3，2016–2021年）显示，该区域至少93%的海域处于中等或较差的富营养化状态。尽管较前一评估周期（2011–2016年，97%受影响）略有改善，但富营养化治理仍是重大挑战。在波罗的海治理中，氮和磷是主要的关注营养盐，但究竟是氮还是磷限制初级生产力，长期以来存在激烈争论。历史观点认为，波罗的海北部波的尼亚湾（Gulf of Bothnia）为磷限制，而南部的波罗的海本部（Baltic Proper）为氮限制；波的尼亚海（Bothnian Sea）则被视为过渡区。然而，近年来已有证据表明波的尼亚海可能已出现氮限制和富营养化效应，如蓝藻水华持续时间延长、范围扩大，底层水溶解氧下降等。与此同时，瑞典和芬兰的污水处理政策仍基于“波的尼亚湾对氮不敏感”的旧有认识，仅去除磷而不去除氮。随着欧盟废水指令（2024/3019）修订，亟需重新评估该区域的限制性营养盐变化。本研究旨在阐明过去30年间波的尼亚海和波的尼亚湾沿岸及近海无机磷、无机氮浓度的变化趋势，以及营养盐化学计量比和限制性营养盐是否发生转变。

研究内容与主要技术方法

研究人员利用瑞典国家数据库SHARKweb（瑞典气象水文研究所，SMHI）、芬兰数据库Merihavainnot.fi（芬兰环境研究所，SYKE）、于默奥海洋科学中心（UMSC）的dBotnia数据库以及地方和区域受纳体控制计划的数据，获取1994–2023年12月至3月冬季0–10米水深的营养盐数据。采用Mann-Kendall非参数检验分析时间序列趋势，并计算溶解无机氮与溶解无机磷之比（DIN:DIP）即Redfield比值（16:1）来评估限制性营养盐。此外，研究人员于2023年9月26–27日利用“KBV 181”船的Ferry-box系统在波的尼亚湾中部到波的尼亚海中部的10个站位采集表层5米水样，进行了营养盐添加实验（氮、磷、硅及氮磷硅联合添加），以叶绿素a浓度变化作为浮游植物生长的响应指标，验证Redfield比值的适用性。研究还利用QGIS绘制DIN:DIP比值的空间分布图，并将监测站位按区域分为6组进行分析。

研究结果

时间趋势：沿岸和近海区域的营养盐变化

过去20年间，波的尼亚湾和波的尼亚海的近海区域溶解无机氮（DIN）均呈下降趋势；沿岸区域则较为异质，瑞典波的尼亚湾沿岸呈下降趋势，其他沿岸区域无显著趋势。磷酸盐（DIP）浓度在所有研究区域均呈上升趋势，仅芬兰波的尼亚湾沿岸例外。其中波的尼亚海近海上升最为显著，从1994年的0.21±0.009 μmol/L增至2022年的0.43±0.07 μmol/L，约翻了一番；同期该区域DIN从4.32±0.31降至3.86±0.65 μmol/L，降幅约10%（p=0.0041）。

Redfield比值的相关性与跨越北部克瓦尔肯的限值情况

冬季DIN:DIP比值在所有研究区域均随时间下降。波的尼亚海近海表层水在千年之交后不久已从磷限制转为氮限制；波的尼亚湾仍为磷限制，但DIN:DIP比值明显下降。营养盐添加实验显示，在北部站位（A13、A19、A19-S、B1-N），磷添加引起的叶绿素增幅最大，表明波的尼亚湾为磷限制；但在DIN:DIP比值高达60时，氮添加也引起叶绿素轻微增加，提示存在氮磷共限制。在南部站位，氮添加导致叶绿素增幅最大，表明该区域为氮限制。观测到的磷限制向氮限制转换的临界DIN:DIP比值约为18.7，略高于Redfield比值16。硅添加在所有站位均未刺激生长，表明硅不再是限制因子。

不同营养盐限制类型分布的变化

研究人员将DIN:DIP比值分为磷限制（>20）、平衡（12–20）和氮限制（<12）三类，并对比1994–2002年（过去）与2003–2023年（现在）两个时段。过去时段，波的尼亚湾100%为磷限制，波的尼亚海近海约50%为营养平衡、其余为磷限制；现在时段，仅波的尼亚湾仍为磷限制，北部克瓦尔肯区域50%磷限制、25%平衡、25%氮限制，波的尼亚海沿岸氮限制更为明显，近海约75%的观测为氮限制，已无磷限制。

DIN:DIP比值时空格局变化

对2000年至2022年所有水体的DIN:DIP比值进行逐年计算和空间分类。2000年，波的尼亚湾近海DIN:DIP比值高达200–300，芬兰部分沿岸甚至超过300，表明强磷限制；波的尼亚海近海比值为20–40，也呈磷限制。到最近年份（约2020–2022年），波的尼亚海2000年的营养盐状况（DIN:DIP 20–40）已转移至波的尼亚湾；波的尼亚海近海DIN:DIP降至6–12，呈氮限制。沿岸区域分布较异质，但总体呈现随纬度降低氮限制增强的趋势。

讨论与结论

讨论部分指出，研究期间波的尼亚海磷浓度上升无法由陆源输入解释，因为区域陆源负荷实际已下降或保持稳定。已知波罗的海本部缺氧底泥会释放磷，且波的尼亚海深层水主要来源于波罗的海本部约60米深处的中间层水体向北输送。因此，磷浓度上升最可能源于波罗的海本部富磷水的流入。波的尼亚海目前底层水尚无缺氧，但溶解氧已在下降；若富营养化持续，蓝藻水华增加将加剧氧消耗，进而引发内部磷负荷，形成恶性循环。波的尼亚湾的DIN:DIP比值也在持续下降，若趋势延续，线性外推显示西部沿岸及近海可能在10–40年内转为氮限制。芬兰波的尼亚湾沿岸的趋势与其他区域不同，磷无显著上升，DIN:DIP也无下降，其原因尚待研究。向氮限制转变的主要后果是富营养化风险增加，尤其是固氮蓝藻（diazotrophic cyanobacteria）水华频发。在氮限制环境下，固氮蓝藻可利用溶解态N₂，具有竞争优势；波的尼亚海已出现这类水华且持续时间、范围及生物量均增加。实验中也观察到南部站位固氮蓝藻Aphanizomenon spp.占优势。固氮蓝藻向系统贡献氮，其输入量可能超过河流和大气外源氮负荷。管理方面，欧盟废水指令修订后，北部瑞典和芬兰的污水处理厂可能需增加脱氮工艺。研究结果明确表明，波的尼亚海近海已氮限制数十年，许多沿岸区域也呈氮限制；波的尼亚湾虽仍以磷限制为主，但正快速趋向氮限制，且在高DIN:DIP比值（高达60）时已出现磷氮共限制，表明该区域对氮也已有一定敏感性。因此，两个海盆应分别管理，并建议同时削减磷和氮的输入。研究还强调波罗的海本部的水质状况对波的尼亚湾有决定性影响，建议优先监测海盆间的水体交换和营养盐输运通量。

结论：波罗的海富营养化仍在蔓延，波的尼亚海和波的尼亚湾均已处于氮限制或正朝此转变，主要原因是磷酸盐增加导致DIN:DIP比值下降。其后果是未来富营养化风险增加。海盆间的水交换对营养盐分布至关重要，其机制需进一步研究。两个海盆应单独考虑管理，但减少磷和氮输入对两者都有利。