美国南部沿海保护区的时空水质动态：长期视角

《Regional Studies in Marine Science》：Spatiotemporal Water Quality Dynamics in U.S. Southern Coastal Reserves: A Long-Term Perspective

　　

摘要

在河口生态系统中进行水质监测对于评估这些动态沿海栖息地的健康状况和可持续性至关重要，因为这些栖息地越来越容易受到环境变化和人类活动的影响。本研究旨在分析美国南部四个国家级河口研究保护区（阿帕拉契科拉湾、格兰德湾、米申-阿兰萨斯湾和威克斯湾）中七个关键水质参数（温度、盐度、溶解氧（DO）、pH值、叶绿素-a（Chla）、硝酸盐+亚硝酸盐（NOx）和磷酸盐（PO₄）的长期趋势及季节性驱动因素，以确定哪些保护区及过程最容易受到气候变化和人为因素的影响。利用1995年至2020年的二十年数据，并应用广义加性模型（GAMs），我们发现了与环境因素和人为因素相关的显著空间和时间模式。研究结果显示：威克斯湾的温度呈上升趋势（+0.1035°C/年，P=0.0013）；格兰德湾的盐度下降（-0.1699 PSU/年，P=0.033）；阿帕拉契科拉湾的盐度上升（+0.2055 PSU/年，P=0.003）。溶解氧浓度在春季达到峰值，夏季下降，这反映了季节性的营养输入。格兰德湾的叶绿素-a变异性最高（CV=131.48%）。格兰德湾的硝酸盐+亚硝酸盐浓度下降（-0.0003 mg/L/年，P=0.0162），而磷酸盐水平相对稳定。pH值的变化表明某些区域发生了酸化，尤其是在米申-阿兰萨斯湾（-0.0071/年，P=0.0016）。GAM的结果强调了长期变化和季节性变化的综合效应，同时存在特定地点的差异。这些发现为了解河口生态系统的功能提供了关键见解，并强调了制定区域化管理策略的必要性，以提高美国沿海保护区的恢复力和生物多样性保护。

引言

河口是地球上生产力最高的生态系统之一。它们支持高度多样的生物种群，为具有商业价值的鱼类和贝类提供繁殖场所，并维持对区域和全球经济至关重要的渔业（Barbier等人，2011；Costanza等人，1993；Guerreiro等人，2021；Kennish，2002；Sheaves等人，2015）。作为陆地、淡水和海洋系统之间的交汇处，河口还参与生物地球化学循环，将养分和能量在陆地-海洋之间转移和转化（Chilton等人，2021；Vasconcelos等人，2011）。

然而，河口正面临日益严重的气候变化压力，同时还要应对局部的人类活动影响（Costa等人，2023；Mallick和Dunn，2024）。气候变暖、海平面上升、降水模式改变以及风暴强度增加正在重塑河口的水文和生物地球化学过程（IPCC，2023；Kennish等人，2023），而城市化、农业径流、工业排放和海岸线改造通过营养负荷和污染物排放降低了水质（Barletta等人，2019；Chakraborty，2021；Reed等人，2012）。这些因素共同导致了富营养化、有害藻类大量繁殖、缺氧以及生物多样性的丧失（Kennish，1994；Rabalais等人，2002；Williams和Grosholz，2008）。

温度、盐度、溶解氧（DO）、pH值、叶绿素-a（Chla）和养分是反映河口状况的综合指标（Day等人，2024；Zhang等人，2017）。温度调节生物的新陈代谢和物种分布，盐度反映淡水与海水的混合情况（Gibson等人，2002；Velasco等人，2019）；溶解氧影响好氧生境，而缺氧会破坏食物网（Rabalais和Baustian，2020）；叶绿素-a指数可用于指示浮游植物生物量和富营养化程度（Boyer等人，2009；Boyer等人，1999；Le等人，2013）；硝酸盐和磷酸盐虽然促进初级生产，但过量时会引发富营养化和生态系统退化（Codispoti等人，2013；Tyrrell，1999）。

长期、高频率的监测提供了必要的时间深度，有助于区分短期变异性和持续性变化，并检测非线性趋势和系统转变（Brown等人，2020；Smith等人，2018），这在哈德逊河口、切萨皮克湾和五大湖等系统中得到了验证（Bunnell等人，2021；Jiang等人，2023；Murphy等人，2022）。墨西哥湾北部的河口（从佛罗里达州西北部到阿拉巴马州、密西西比州、路易斯安那州和德克萨斯州）尤其具有动态性，受到强烈的淡水流入梯度、养分负荷和气候因素的共同影响（Ahmad等人，2025a；Ahmad等人，2025b；Geyer等人，2018；Paerl等人，2006；Rabalais等人，2002）。然而，以往大多数关于这些系统的研究仅限于单个河口、短期数据或有限的参数集，这使得区域性和跨系统比较的基础较为薄弱（Akhtar等人，2021；Delpla等人，2009）。三个主要问题依然存在：缺乏基于标准化高频率记录的近期全域评估；对多个系统中季节性变化与长期趋势相互作用的理解不足；以及关于局部流域特征如何调节更广泛气候因素的证据不足。

本研究利用来自国家级河口研究保护区系统（NERRS）的二十年标准化高频率监测数据，在一个分析框架内比较了墨西哥湾北部多个河口的水质动态。通过结合物理、化学和生物指标，本研究既可以分析季节性驱动因素，也可以研究长期趋势，同时捕捉非线性和特定地点的响应。具体而言，本研究的目标是：（i）量化关键水质参数的长期趋势，包括温度、盐度、溶解氧、pH值、叶绿素-a、硝酸盐+亚硝酸盐和磷酸盐；（ii）识别季节性驱动因素，并评估年内变化对长期变化的贡献；（iii）根据当地水文和流域特征评估不同河口及监测站之间的空间变异性；（iv）探讨观察到的模式对生态系统的影响。这些目标为监测美国南部河口未来的变化提供了区域性的基准，并为在加速的气候变化和人为压力下管理这些生态系统提供了依据。

章节摘录

研究区域

研究区域包括四个国家级河口研究保护区：佛罗里达州的阿帕拉契科拉湾、密西西比州的格兰德湾、德克萨斯州的米申-阿兰萨斯湾和阿拉巴马州的威克斯湾。各保护区的面积分别为：阿帕拉契科拉湾（950平方公里）、米申-阿兰萨斯湾（751平方公里）、威克斯湾（26平方公里）和格兰德湾（73平方公里）。

结果

四个保护区的七项水质参数存在显著差异（表2、图2、补充表1）。温度的中值范围为22.77–26.47°C，盐度为5.91–32.11 PSU，溶解氧为2.99–7.83 mg/L，pH值为6.90–8.18，叶绿素-a为1.80–26.92 μg/L，硝酸盐+亚硝酸盐为0.01–0.03 mg/L，磷酸盐为0.00–0.03 mg/L。温度和pH值在各个保护区之间最为稳定，而叶绿素-a、盐度和硝酸盐的变异性最大，其中格兰德湾的变异性最高（叶绿素-a，124%；硝酸盐+亚硝酸盐，118%）。

讨论

本研究综合了二十年的高频率监测数据，评估了美国南部四个河口的水质时空变异性，发现强烈的季节性控制因素叠加在特定地点的长期趋势之上。所有参数都表现出明显的异质性，这种异质性由气候影响、水文条件和局部流域特征之间的相互作用驱动，强调了针对每个保护区进行个性化管理的必要性。

温度变化主要受季节性因素调控。

结论

本研究对美国南部四个国家级河口研究保护区的水质时空动态进行了全面、长期的评估，表明河口对气候变率和人类活动的响应具有高度异质性，并且受到当地水文条件和流域特征的显著影响。在所有保护区中，季节性变化对温度、溶解氧、pH值和养分具有主导作用，而长期趋势则显示……（原文此处部分内容缺失）

CRediT作者贡献声明

Bingqing Liu： 数据验证、监督、方法论设计。Srinivas Kolluru： 文章撰写、审阅与编辑、监督、概念构建。Emily Mocek： 文章撰写、审阅与编辑、验证、概念构建。Padmanava Dash： 文章撰写、审阅与编辑、监督、软件开发与资源协调。Hafez Ahmad： 原始稿撰写、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。Darren James Shoemaker： 文章撰写、审阅与编辑、资源管理、方法论设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢NOAA的国家级河口研究保护区系统和中央数据管理办公室提供本研究使用的水质和养分时间序列数据。

声明与注释

作者声明与提交发表的研究内容没有直接的或间接的财务或非财务利益关系。不存在任何可能影响或偏倚本文内容的个人或职业关系。本研究未获得任何形式的支持。

Hafez Ahmad | Darren James Shoemaker | Bingqing Liu | Srinivas Kolluru | Emily Mocek | Padmanava Dash