人为影响泻湖对气候驱动水体停滞的生态系统响应：一项围隔实验

《Marine Environmental Research》：Ecosystem response of an anthropogenically impacted lagoon to induced climate-driven water stagnation: an enclosure experiment

　　

很少有操纵性野外研究调查泻湖生态系统对气候驱动环境压力因子的响应。为填补这一知识空白，研究人员调查了受汞污染的格拉多泻湖（亚得里亚海北部）结构与功能变量对水体停滞（即近未来可能预期的一种现实条件）的响应。为诱导水体停滞，研究人员于2024年6月在该泻湖污染最重且最封闭的区域布设18个中宇宙（mesocosm，每个约0.8 m3），并将结果与自然外部条件比较。通过同步调查水体与沉积物的理化特征、浮游与底栖微生物群落生物量及结构以及主要生物过程，评估了短期（T1，4天）与长期（T2，10天）隔离驱动对生态系统功能的影响。相较于外部自养条件，水体停滞模拟了夏季封闭泻湖区滞留时间增加，并逐步触发级联效应，包括氧气减少（T1，?52.9±7.4%）、初级生产降低（T2，?64.6±18.0%）以及所有异养过程占优。研究结果表明，即便短期停滞与中度缺氧也可触发对生物与生物地球化学过程的显著级联效应，改变底栖-浮游耦合（benthic-pelagic coupling）。早期胁迫条件下（T1，较外部+86.5±42.2%）微微型底栖植物（microphytobenthos，MPB）群落生物量的快速增加可能增强了生态系统抗性。尽管未达缺氧条件，但在单一封闭泻湖区域/季节获得的结果表明，水体停滞显著改变了生态系统功能，提示此类条件可能是生态系统破坏效应的前兆，若持续或反复出现，可能导致初夏营养障碍（dystrophic）事件。

研究背景方面，沿海泻湖虽单位面积碳储与初级生产力高，但受气候驱动海洋脱氧、极端天气及历史人为污染（如格拉多-马诺泻湖的汞污染）多重压力，且现有研究多偏重大洋而缺乏在生态系统尺度上以现场实验手段同时考察物理化学、微生物群落与生物过程响应的案例。为此，研究人员在亚得里亚海北部格拉多泻湖Primero子盆地最封闭、易发缺氧的区域，于2024年6月17至27日布设3组共18个中宇宙（mesocosm，每约1 m³，镀锌铁框覆透明尼龙筒，阻绝水平交换而保留气-水-沉积物垂直通量），以T0（隔离前）、T1（4天）、T2（10天）采样，外部邻近水域作对照，模拟夏季滞留时间延长情境。

关键技术方法上，研究人员选取格拉多泻湖Primero子盆地（平均水深0.72 m）为样本队列来源，布设中宇宙阻断水平交换；用水体无机营养盐（PO₄^3-、NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-、Si(OH)₄）、碳酸盐体系参数（pH_T、总碱度TA经CO2SYS算TCO₂）、叶绿素a（Chl a）、浮游植物生物量（PB）表征水柱；以粒度、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、微微型底栖植物（MPB）生物量表征表层沉积物；用¹⁴C吸收法测水体与沉积物总初级生产（GPPw、GPPs），³H-亮氨酸掺入法测异养碳生产（HCPw、HCPs），氧微电极剖面测底栖群落呼吸（CRs）；统计上因外部仅1重复而采用自助法（bootstrap）比较内外差异，辅以PCA、PERMANOVA与Spearman相关。

研究结果部分，3.1节水体理化动态显示，隔离使内部溶解氧（O₂）在T1、T2显著低于外部（T1内96.73±15.29%饱和 vs 外123.70%；T2内107.07±2.91% vs 外139.23%），pH同步下降，盐度先低后高，温度小幅波动，证明水平交换阻断即触发脱氧与酸化。3.2节无机营养盐表明内部NO₃^-、NO₂^-消耗、NH₄⁺累积（T1内6.00±2.55 vs 外1.73 μmol L^-1），PO₄^3-后期升高，反映硝化-矿化转向。3.3节沉积物特征显示T1内部TN、TOC高于外部、C/N更低，T2粒度由砂为主转粉砂为主，指示有机输入与再悬浮。3.4节Chl a与生物量中，浮游植物生物量（PB）T1内显著低于外、T2反超，硅藻主导但先抑后扬，MPB生物量从T0的82.32±20.31升至T2的135.25±99.10 μg C cm^-3且T1内显著高于外（+86.5%），显示底栖硅藻早期扩增量抗。3.5节初级生产与呼吸显示GPPw T2内降至5.24±0.73 μg C L^-1 h^-1（外6.70），GPPs与净初级生产（NPPs）内部各时刻均显著低于外且NPPs为负，CRs绝对值下降，证实系统由外自养转内异养。3.6节HCP显示T1内水体与沉积物异养生产均高于外，T2外反超内，说明早期矿化增强、后期底物限制。3.7节PCA解释水柱PC1（65.8%方差）由O₂%、pH、NH₄⁺驱动，样品沿T0高氧→T1高盐高Chl a→T2高NH₄⁺高PO₄^3-分布；沉积物PC1关联TN、TOC，T2内样点向粉砂与异养分量聚集；PERMANOVA证水柱时序差异显著（R²=0.87）。

讨论部分总结，研究人员指出中度缺氧（未达传统缺氧阈值）已足够引发生物地球化学级联，MPB生物量早期上升提供抗性但光合速率受损，底栖-浮游耦合失衡；外站因自然海水交换维持自养，而封闭中宇宙在10天内完全转异养，提示夏季反复停滞可能演化为营养障碍事件。结论部分翻译如下：中宇宙设置使研究人员观察到水体停滞级联效应下的生态系统响应。隔离4天后溶解氧较外部降52.9±7.4%，表层沉积物净初级生产（NPPs）为负（?4.35±3.71 mg C m^-2 h^-1，外部对照为+3.61），指示转向异养。所观测底栖-浮游耦合的改变表明，泻湖中由停滞导致的适度缺氧即可触发显著级联效应，若持续或复发可能成为生态系统紊乱前兆并引致初夏营养障碍事件。该研究发表于《Marine Environmental Research》。