克服夏季磷酸盐匮乏：DOP生物可利用性介导黄海营养盐循环

《Journal of Hydrology》：Overcoming phosphate scarcity in summer: DOP bioavailability mediates nutrient cycling in the Yellow Sea

　　

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  夏季分层和生物过程导致黄海出现磷限制。
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  船上培养实验确定约20%的环境DOP具有潜在的生物可利用性。
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  低分子量溶解性有机磷组分主导了DOP池。
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  分配系数揭示了不同水团中颗粒态磷的差异反应性。
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  在低至0.101 μmol L^?1的浓度下，生物可利用的DOP即可支持微生物代谢。

引言

磷（P）是所有生物体的必需营养元素，在能量储存和转化等细胞过程中发挥核心作用（Paytan and McLaughlin, 2007, Van Mooy et al., 2008, Dyhrman, 2016）。作为海洋初级生产者的关键限制营养元素，海水中磷的生物有效性直接影响浮游植物生长和群落组成，并最终调控海洋初级生产力（Benitez-Nelson, 2000, Karl et al., 2001, Mackey et al., 2007）。由于海洋初级生产作为大气二氧化碳的主要生物泵，磷的分布和循环对碳（C）及其他必需营养元素（包括氮（N）和硅（Si））的生物地球化学循环也具有重要调控作用（Benitez-Nelson, 2000, Filippelli and Gabriel, 2010, M?rz et al., 2014）。与可以从大气中固定的氮不同，磷在海洋中停留时间较长，主要通过外部来源供给（如河流输入、海底释放和大气沉降），因此在长时间尺度上通常被认为是海洋生态系统中的终极限制营养元素（Toggweiler, 1999, Tyrrell, 1999）。

近年来，磷限制已成为海洋系统中全球和区域尺度的广泛生物地球化学现象（Moore et al., 2013）。该现象已在多种沿海和开阔海域中得到广泛记录，包括长江口和东海（Huang et al., 2007）、东地中海（Krom et al., 2005）、萨加索海（Cotner et al., 1997）和切萨皮克湾（Malone et al., 1996）。在黄海——位于中国和韩国之间的半封闭边缘海——越来越多的证据表明磷限制正在逐步加剧（Wang et al., 2022, Jin et al., 2024）。这一趋势在很大程度上是由氮的快速富集（主要来自人为来源）与磷相对较慢的供给速率之间的化学计量不平衡所驱动的（Zou et al., 2001, Wang et al., 2003, Yang et al., 2018, Wang et al., 2021a, Wang et al., 2021b, Wang et al., 2022）。这种营养元素化学计量不匹配已被证明会限制初级生产力并引发一系列生态问题，包括有害藻华和生物多样性丧失（Guo et al., 2020, Wang et al., 2003）。近期研究进一步表明，黄海持续存在的磷限制正在驱动浮游植物群落从硅藻优势向甲藻转变（Fu et al., 2024, Wang et al., 2025）。先前的研究已详细记录了黄海的季节性营养元素循环、总磷的区域空间分布、沉积物-水柱磷组分以及环境营养元素化学计量特征（Fu et al., 2016, Guo et al., 2020, Guo et al., 2025, Han et al., 2022, Wang et al., 2025, Wei et al., 2016, Wu et al., 2025a, Wu et al., 2025b, Xing et al., 2024, Yoon et al., 2016）。在这些先前研究的基础上，对黄海不同磷形式的分布，特别是DOP的分子大小组成及其潜在生物可利用性进行联合考察的研究相对较少。这种综合信息对于进一步了解磷限制边缘海中磷的转化和生物利用具有重要意义。

在海洋环境中，溶解性无机磷（DIP）是浮游植物的主要磷来源，但在夏季表层往往因强烈的分层而耗尽，限制了营养元素的垂直补充（Nausch and Nausch, 2004）。在这种磷限制条件下，DOP（占总溶解性磷（TDP）池的相当大比例，特别是在贫营养区域）可以充当重要的补充磷源（Suzumura et al., 1998, Thingstad et al., 2005, Wu et al., 2000）。已知当DIP不足时，海洋生物体会通过酶解DOP化合物来获取磷（Clark et al., 1998, Karl, 2014, McLaughlin et al., 2013, Ding et al., 2025）。然而，DOP不仅可以在DIP耗尽后被利用，也可以在微生物磷需求高峰期同时被利用，这表明DOP在磷循环中发挥的作用比先前认识到的更为动态（Nausch et al., 2018）。DOP组成具有异质性，包括磷酸酯（含C-O-P键）和膦酸酯（含C-P键）（Clark et al., 1998, Karl and Bj?rkman, 2015, Paytan and McLaughlin, 2007）。C-O-P键比C-P键更容易断裂，使得磷酸酯比膦酸酯具有更高的生物可利用性（Kolowith et al., 2001, Yamaguchi et al., 2019）。然而，黄海DOP的分子大小分布、不同水团之间的垂直转化以及能够支持微生物磷需求的潜在比例仍缺乏制约。

此外，在黄海夏季强烈磷耗竭条件下DIP和DOP相对利用率的直接实验证据也有限。

为解决这些研究空白，我们于2019年8月至9月在黄海磷耗竭水域开展了野外调查。选择夏季是因为强烈的季节性分层有效阻碍了底层水再生营养元素向上输送，通常导致表层真光层中磷限制最为严重，这一自然条件为阐明生物可利用DOP在缓解环境磷胁迫中的作用提供了理想框架。我们考察了不同深度和站位溶解态和颗粒态磷形式的空间分布，识别了影响其变异性的因素，并通过船上培养实验评估了DIP和DOP对微生物生长的相对贡献。我们进一步探讨了DOP的分子量分布，以增进对其活性和潜在生物可利用性的理解。本研究旨在推进对磷限制海洋环境中磷循环的机制性理解，并为黄海中磷形态和生物有效性的生态及生物地球化学影响提供见解。

章节摘要

研究区域

黄海是一个半封闭边缘海，平均水深44米（Song and Duan, 2019）。夏季，黄海沿岸流主要包含鲁北沿岸流（LCC），后者从西向东沿山东南岸经渤海海峡流动（Zheng et al., 2021）；苏北沿岸水（SCW），向东南方向扩展穿越黄海（Lie et al., 2003）；以及长江冲淡水（CDW），由长江径流混合形成

物理生物参数

表层水温从近岸向离岸逐渐升高，范围从22.11°C至28.86°C（图S1a）。相比之下，近底层水温呈现相反的跨陆架梯度，从海岸向离岸区域递减（7.54–27.09°C；图S1c）。值得注意的是，相对温暖的浅层沿岸水与中央离岸盆地里最冷水团之间的温差超过了19°C。盐度呈现出明显的

黄海夏季营养元素动态与生态系统影响

黄海夏季营养元素动态与物理水文结构密切相关，这体现在营养元素浓度与温度呈显著负相关，与盐度呈正相关（图S7）。基于温度、盐度和营养元素的分布，我们区分出两种对比鲜明的水团：温暖、营养耗竭的表层混合层和寒冷、营养丰富的近底层，后者对应黄海中央混合水（YSCWM）。这种

结论

黄海夏季营养元素动态受物理和生物过程共同作用塑造。在分层期间，陆源输入并非黄海中央区域的主要营养源；相反，黄海中央混合水调控的底层水充当了独特的内部营养库。除受黄海中央混合水影响的水域外，黄海夏季普遍存在磷限制，而这些受黄海中央混合水影响的水域保持了接近Redfield比的N:P化学计量。本研究进一步突出了

CRediT作者贡献声明

武沛云：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。屈英雪：方法学，调查，数据管理。朱东东：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资助获取，数据管理，概念化。柴正清：方法学，

未引用参考文献

Schlitzer (2025)。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文研究成果的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者非常感谢中国海洋大学（OUC）海洋生物地球化学实验室的吴念在实验室提供的帮助，以及"北斗"号科考船船长和船员在船上提供的协助。本研究由中国国家自然科学基金（NSFC, 42176040, 41776087）、山东省泰山学者计划资助。数据和样品采集于"北斗"号科考船上，由开放研究航次NORC2019-01实施并支持。

武沛云|屈英雪|朱东东|柴正清|李文|刘苏梅