大型藻类δ15N和氮含量作为东北大西洋氮动态长期与空间变异性指示指标

《Environmental Research》：Macroalgal δ15N and N content as indicators of long-term and spatial variability in Northeast Atlantic nitrogen dynamics

　　

摘要

人为氮（N）输入驱动的沿海富营养化是河口生态系统面临的主要压力。本研究分析了1990年至2023年间，沿西班牙西北海岸线（约1500公里）171个采样站收集的褐藻（*Fucus* spp.）中的稳定氮同位素（δ1?N）和组织氮含量（%N），以探究长期和空间氮富集模式。我们进一步将这些指标与海水营养盐、土地利用和人为压力替代指标相关联。大型藻类的δ1?N范围为2.98‰至16.8‰（中位数 = 7.6‰），且经常超过区域基线阈值（≤6‰，即未受影响的生态系统阈值），表明人为影响普遍存在。存在显著的空间梯度：内层河口区域（*Fucus ceranoides*）的δ1?N较高，而暴露于开放海域的站点（*F. vesiculosus*–*F. spiralis*）则较低。自1990年以来，δ1?N显著下降，与污水处理改善一致。然而，近年来趋于稳定，表明氮压力持续存在。海水硝酸盐和磷酸盐、农业土地利用以及较小程度上的人工地表与大型藻类氮指标显著相关，但效应适中，突出了多种相互作用的环境驱动力。内层区域最高δ1?N值与污水排放和粪肥施肥一致，而暴露区域较低的值可能反映了上升流的影响。总体而言，大型藻类δ1?N是沿海梯度上氮富集的可靠指标。然而，由于同位素特征的重叠和现有数据集有限的空间分辨率，氮源归因仍然受限。这些结果支持将大型藻类作为长期监测的经济有效生物监测指标，并强调了需要综合方法以改善氮源辨别和管理。

引言

人类活动深刻地改变了全球氮（N）和磷（P）循环，导致数十年来这些营养盐向沿海环境的通量大幅增加，其来源包括农业集约化、城市污水排放、工业排放和大气沉降（Compton et al., 2011; Grizzetti et al., 2021; Ural-Janssen et al., 2024）。这些增加的营养盐输入导致了文化性富营养化过程，包括初级生产者群落的变化或沿海水质下降，使营养盐富集成为全球沿海生态系统面临的威胁（de Raús Maúre et al., 2021; Van Drecht et al., 2009）。

针对这些影响，欧盟和其他地区（如美国《清洁水法》EPA）实施了环境法规，包括《城市污水指令》（91/271/EEC）、《水框架指令》（WFD，2000/60/EC）和《海洋战略框架指令》（MSFD，2008/56/EC）。然而，尽管磷的输入已显著减少，其对氮的有效性仍不确定（Grizzetti et al., 2021; Preisner et al., 2021; Ural-Janssen et al., 2024）。

缓解氮污染的一个主要障碍在于难以确定导致富营养化的来源，因为仅凭海水氮浓度的变化并不能反映输入来源的变化。这凸显了对能够区分潜在来源的互补示踪剂的需求，以及将沿海氮与土地利用、城市化、污水基础设施和排放负荷等驱动力相关联的需求。

在此背景下，1?N与1?N同位素比值（δ1?N）为追踪水生态系统中的氮来源提供了强有力的工具（Carden et al., 2023; Gooddy et al., 2016; Wiegner et al., 2016）。由于氮的生产、转化、营养级传递和损失过程中发生的同位素分馏，该比值在不同环境组分中存在差异（Zhang et al., 2018）。因此，不同的氮源表现出不同的同位素特征，从而可以在相对氧化的化合物（如无机肥料或海洋硝酸盐）和还原程度更高的形式（如主要存在于污水排放或粪肥输入中的铵盐）之间进行区分（Cole et al., 2006; Malahel et al., 2026; Wong et al., 2017）。

海洋大型藻类被广泛认可为沿海污染和氮动态的有效生物监测指标（Alldred et al., 2024; Carballeira et al., 2012; Mwaura et al., 2017）。特别是，这类长寿物种在数周至数月的时间内从水柱中吸收溶解无机氮（Bailes & Gr?cke, 2020; Viana et al., 2015），使其组织中的氮含量和δ1?N特征能够反映生长期间营养盐可用性的变化以及不同氮源的相对贡献（Ochoa-Izaguirre & Soto-Jiménez, 2015; Samper-Villarreal, 2020; Signa et al., 2020）。

然而，尽管氮稳定同位素在沿海监测中的应用日益增多，将大型藻类或其他沿海生物的氮含量与同位素组成相结合的长期研究仍然稀少（如 Bode et al., 2025; Corman et al., 2018; Costanzo et al., 2005; Savage & Elmgren, 2004）。此外，只有少数研究明确调查了氮来源的时间变化（Costanzo et al., 2005a; Savage & Elmgren, 2004a; Viana et al., 2011），且通常空间覆盖范围有限（Corman et al., 2018）和时间跨度较小（García-Seoane et al., 2021）。相反，大多数关于氮稳定同位素的研究集中在其他方面，如食物网中营养结构的变革（如 Corman et al., 2018; Frouzová et al., 2026）、上升流等海洋学过程的影响（Bode et al., 2025），或生物生理响应（Sch?ne & Huang, 2021）。在其他情况下，报告了时间趋势但未进一步解释（如 García-Seoane et al., 2021）。

此类时间序列尤其有价值，因为它们能够检测营养盐来源的变化，并提供关于沿海生态系统如何应对不断演变的人为压力、环境管理策略和更广泛环境变化的见解。此外，虽然当代来自国家排放清单的监测计划（如西班牙国家污染物排放和转移登记册；PRTR-Espa?a）目前提供了中等分辨率和定期采样的排放和无机营养盐浓度数据集，但在过去此类系统性观测基本不存在。因此，对历史样本的分析对于重建长期轨迹变得至关重要。

同样，将同位素信号与精细空间尺度上的多个潜在驱动力联系起来的全方位评估仍然稀少。仅凭δ1?N往往不足以解析氮来源，因为不同人为和自然输入之间可能存在大量重叠（Samper-Villarreal, 2020）。这一局限性凸显了需要采用更综合的方法，纳入额外环境变量以更好地解耦控制氮动态的过程。然而，大多数研究将生物中的δ1?N和氮含量与有限数量的因素分别考虑相关联，如土地利用模式（Román, Fernández, & Méndez, 2019）、海洋学条件（Page et al., 2023a; Rossi et al., 2018），或人为压力指标（Carden et al., 2023; Viana & Bode, 2013）。相比之下，只有少数研究采用了更广泛的综合视角，考虑了流域特征、人口和城市开发、污水管理、排放来源以及环境营养盐可用性等对沿海生物同位素模式的影响。

加利西亚（西班牙西北部）拥有广泛的河口和里亚系统（潮汐入海口），约占西班牙海岸线总长度的18–19%，代表了高度动态且承受强烈人为压力的沿海环境典范（Pacín et al., 2025）。高人口密度和工业设施（包括集约化畜牧业、鱼类养殖和贻贝养殖）的重要性，集中在沿海地区，导致大量的工业、城市和污水排放（Beiras et al., 2003; Bellas et al., 2008）。与此同时，这些地区受到海洋学过程的强烈影响，包括与加那利流东边界上升流系统相关的沿海上升流，该系统季节性地将富含深层硝酸盐的自然水引入沿海生态系统（Cameselle et al., 2024）。因此，加利西亚里亚是高生产力生态系统，支撑着欧洲最重要的沿海渔业和水产养殖业之一，但也易受文化性富营养化过程影响。鉴于其重要的经济价值和相对严格的环境法规与持续人为压力的并存，这些系统为更广泛地了解受影响的沿海地区氮动态的时间趋势提供了有价值的设置。

在本研究中，我们分析了30年的大型藻类（*Fucus* spp.）氮含量和δ1?N记录，以调查加利西亚沿海生态系统氮输入的变化。我们假设氮来源的变化反映在δ1?N特征中，较低的值与氧化性输入（如上升流硝酸盐和无机肥料）相关，较高的值与还原性来源（如污水和粪肥）相关。我们进一步假设，大型藻类%N和δ1?N的空间和时间变异性与流域土地利用、污水输入、工业和城市排放以及沿海营养盐可用性相关。

相应地，本研究旨在：(1) 量化大型藻类组织中%N和δ1?N的长期和空间趋势，(2) 确定主导氮来源的时间和空间转变，以及(3) 评估流域特征和人为驱动力（包括土地利用、人口压力、污水基础设施、排放来源和海水营养盐浓度）如何与观察到的同位素和氮模式相关联。

研究区域

研究沿加利西亚海岸（西班牙西北部，图1）进行。该地区以里亚（由河谷淹没形成的潮汐海湾）为特征。每个里亚拥有独立的流域，向河口环境输送变化的营养盐负荷（Doval et al., 2013）。除了河流输入外，里亚还受到与加那利流东边界上升流系统相关的沿海上升流影响，该上升流季节性地将富含深层营养盐的东部……

数据背景化

大型藻类δ1?N值范围为2.98‰至16.8‰，中位数为7.6‰。这些值介于研究区域报告的*Fucus* spp.的范围（Bode et al., 2011, 2025; Carballeira et al., 2012; Viana & Bode, 2013, 2015），以及其他海藻（Bode et al., 2011）和海草（Román et al., 2019）的范围之间。氮含量在0.6%至4.4%之间变化（中位数1.9%），%N和δ1?N值之间发现显著正相关（r2 = 0.48, p < 2.2 × 10?1?）。这表明δ1?……

最终结论

本研究提供了沿加利西亚海岸的大型藻类δ1?N和组织氮含量的长期评估，展示了历史生物监测档案对于在十年时间尺度上重建沿海氮动态的价值。*Fucus ceranoides*和*F. vesiculosus*–*F. spiralis*均显示出相对于预期的东北大西洋基线值的广泛同位素富集，表明人为氮输入已影响海岸线的相当大部分。

CRediT作者贡献声明

J. ángel Fernández：概念化、资金获取、写作——审阅与编辑。Carme Pacín：数据管理、形式分析、调查、可视化、写作——原稿撰写、写作——审阅与编辑。Inés G. Viana：写作——审阅与编辑。Rita García-Seoane：写作——审阅与编辑。Jesús R. Aboal：概念化、资金获取、写作——审阅与编辑。

未引用参考文献

Barreiro et al., 2002; García-Seoane et al., 2021a; García-Seoane et al., 2021b; Wickham, 2016; Nier, 1950; Page et al., 2023; Román et al., 2019.

关于手稿制备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作过程中，作者使用ChatGPT以提高可读性和语言质量。使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并承担出版物内容的全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

Carme Pacín由加利西亚自治区预doctoral奖学金资助（ED481A 2022/374）。Rita García-Seoane目前由欧盟Horizon Europe研究和创新计划下Marie Sk?odowska-Curie博士后奖学金2023资助（项目编号#101150001-PelCon）。Inés G. Viana通过CAPTA项目（0062_CAPTA_1_E）获得欧盟Interreg计划VI-A西班牙-葡萄牙（POCTEP）2021–2027的资金。我们感谢INTECMAR提供海水营养盐数据。

Carme Pacín | J. ángel Fernández | Rita García-Seoane | Inés G. Viana | Jesús R. Aboal

CIQUS中心，物理化学系，圣地亚哥-德孔波斯特拉大学，圣地亚哥-德孔波斯特拉，15782，西班牙