高学鲁研究员：近海海域生源要素生物地球化学
高学鲁研究员：近海海域生源要素生物地球化学
近海海域的生物群落及其生存环境通过无机和有机营养物质的迁移转化相互紧密联系，形成了具有极高初级生产力的生态系统复合体。近海是开展海水增养殖最主要的海域，比海洋的其他部分都更直接地受到人类活动的影响。同时，近海是最容易遭受自然灾害的海域，大量证据表明，气候影响驱动因子的变化已经对近海生态系统造成了广泛而深远的影响。生源要素碳、氮、磷、硅和氧是海洋中物质循环和能量流动的基本要素，在海洋生态系统中发挥着重要作用。我国作为世界海洋经济大国，多年来海水养殖的规模和产量均位居世界首位。扇贝作为重要的海洋养殖经济贝类，在我国的渔业养殖中占有重要地位。
《近海海域生源要素生物地球化学》（高学鲁等著. 北京：科学出版社，2024.6）以养马岛附近海域作为近海海域生源要素生物地球化学研究的代表性区域。养马岛附近海域是我国北方典型的海湾扇贝养殖区。近年来，随着气候变化和海水养殖等人类活动影响的加剧，养马岛附近海域出现了一系列环境问题，如水体缺氧酸化、赤潮频发等，对生态系统健康构成严重威胁，给海洋经济带来巨大损失。如何保证这个“蓝色粮仓”的可持续产出，已引起人们的极大关注。研究该海域生源要素的地球化学循环及其主控因素，对于了解区域物质循环过程和生态状况、有针对性地制定环境保护措施具有重要的科学和现实意义。本书基于大量现场调查资料，并结合有针对性的实验室培养所得数据，阐述了养马岛附近海域溶解无机营养盐、溶解氧（DO）和有机碳的生物地球化学特征，探讨了该海域夏季底层海水低氧、酸化形成机制，评估了大规模海湾扇贝养殖对海洋环境的影响。本书丰富了人们对人类活动影响下近海海域生源要素生物地球化学过程的认知。
养马岛附近海域海水中溶解无机营养盐的浓度相对较低，其中溶解无机氮（DIN）和溶解无机磷（DIP）的浓度总体上符合第一类海水水质标准。受复杂水文和生物地球化学条件的影响，营养盐浓度的时空变化规律不显著。DIN 以硝酸盐（NO₃–）为主，占 DIN浓度的 28%～74%，平均值为 58%；其次是铵盐（N₄+），占 DIN浓度的 21%～64%，平均值为38%。潜在富营养化评价模型和富营养化状态指数法评价结果显示，该海域水体处于潜在贫营养（级别Ⅰ）水平和中等营养化状态。
图1：底层海水中溶解无机营养盐与DO 的关系
与营养盐不同，养马岛附近海域海水中DO、溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）、有色溶解有机物（CDOM）以及表层沉积物有机质（SOM）的浓度表现出明显的时空变化特征。在5～11 月，海水中DO 浓度呈现先降低、后升高的季节变化特征，其最低值出现在8 月底层海水中，部分水体的DO 浓度低于94μmol/L，呈低氧状态，其生消特征为：在6～7 月开始萌生，至8 月出现大面积低氧区，9 月低氧现象消失。与DO 浓度相似，表层海水DIC 浓度也随季节呈现先降低、后升高的变化趋势，其最低值出现在8月，而底层海水DIC 浓度的季节变化特征与之相反。就空间分布而言，除3 月外，海水DIC 浓度总体上呈现近岸高于远岸的分布特征。5～11 月该海域整体上是大气CO₂ 的净源，其向大气释放CO₂ 的通量为（3.58±3.56）～（27.94±21.21）mmol C/（m²·d），最小值和最大值分别出现在6 月和9 月；而3 月该海域则是大气CO₂ 的净汇，从大气中吸收CO₂ 的通量为（3.25±6.04）mmol C/（m²·d）。海水中DOC、CDOM 以及SOM 的浓度最高值均出现在8 月，夏季CDOM 浓度及秋季SOM 浓度呈现近岸高、远岸低的分布特征，而春季和夏季SOM 浓度呈现远岸高于近岸的分布特征。
图2：表层、底层海水中DIC 和TAlk 的水平分布
海湾扇贝的排泄过程是水体营养盐的主要来源之一，分别约占DIN 和DIP 总输入量的35%和75%。养马岛附近海域夏季呈现底层海水低氧现象，温度影响下的生化过程和水体层化作用是导致低氧发生的主要因素；尽管扇贝呼吸作用对水体DO 支出的贡献很小，但其排泄作用产生的大量有机质和筏式养殖造成的水动力条件减弱会加速局部水体DO 的消耗，促进夏季底层海水低氧的发生。
海湾扇贝养殖会显著降低海水总碱度（TAlk），在海湾扇贝的一个养殖周期（6～11月），表层海水TAlk 将降低75.7μmol/kg，如果水体该部分TAlk 不能得到及时补充，就会加速海水酸化的进程。海湾扇贝养殖过程中扇贝会排泄大量的溶解有机物（DOM），在海湾扇贝的一个养殖周期，扇贝的排泄过程可使养殖区海水DOC 浓度增加19.7μmol/L；扇贝排泄的这部分DOM 具有较高的生物可利用性，其转化过程对沿海生态环境可能带来潜在的风险。
图3：表层沉积物中不同形态磷的收支[μmol/（cm²·a）]
夏季底层海水低氧和海湾扇贝养殖活动对该海域沉积物磷的循环有重要影响。低氧能够促进沉积物中铁结合态磷（Fe-P）的还原，是沉积物磷转化的主要活性组分。在夏季低氧条件下，沉积物中约0.92μmol/g 的Fe-P 被转化为DIP 并释放到上覆水体中；而在秋季富氧条件下，水体中约0.28μmol/g 的DIP 与沉积物氧化铁结合。此外，扇贝的生物沉积过程促进了沉积物有机磷（OP）的存储，在8 月和11 月，OP 的生物沉积通量分别约占总埋藏通量的44%和50%。夏季养马岛附近海域沉积物总体上表现为NO₂–、NH₄+、DIP 和溶解性硅酸盐（DSi）的源，以及NO₃–的汇；秋季该海域沉积物总体上表现为NO₃–、NO₂–、NH₄+和DIP 的汇，以及DSi 的源。从交换通量的绝对值来看，DSi 的交换通量最大，其次为DIN 的交换通量，DIN 的迁移以NO₃–和NH₄+为主，DIP 的交换通量小于NO₃–和NH₄+的交换通量。夏季该海域沉积物-海水界面DIN 的交换通量仅可提供上覆水体初级生产力需求的0.1%～1.0%，平均值为（0.4±0.3）%；DIP 可提供上覆水体初级生产力需求的3.3%～15.6%，平均值为（9.5±4.2）%；DSi 可提供上覆水体初级生产力需求的9.2%～14.4%，平均值为（11.5±1.8）%。秋季DIN 和DIP 由水体向沉积物迁移，故对初级生产力无贡献，仅沉积物释放的DSi 可提供上覆水体初级生产力需求的11.6%～17.7%，平均值为（14.9±2.1）%。
养马岛附近海域大气总悬浮颗粒物（TSP）中含N 营养盐及有机碳（OC）的含量在冬季较高，主要与煤炭燃烧、生物质燃烧等人为活动的加强有关，而含P 营养盐和含Si 营养盐的含量在春季较高，主要与春季频繁的沙尘现象有关；降水中营养盐及有机质的含量在秋冬季较高，在春夏季较低，主要受到以下两个因素的影响，一方面秋冬季人为活动增强会导致大气中污染物的浓度增加，另一方面春夏季降水量较高，降水的稀释效应导致其中营养盐及有机质的含量降低。大气TSP 中总有机碳（TOC）主要来源于C3植物释放及燃烧和液体化石燃料燃烧，其次为煤炭燃烧、海洋生物活动释放和C4 植物释放及燃烧，在冬季集中供暖的影响下，煤炭燃烧对TOC 的贡献有所增加；大气TSP中总氮（TN）主要来自C4 植物和C3 植物的释放及燃烧，其次为煤炭燃烧、海洋生物活动释放和液体化石燃料燃烧，C4 植物对于该区域TSP 中的TN 具有较高的贡献，可能与玉米秸秆和玉米芯的燃烧有关。
图4：养马岛附近海域TSP 中δ¹³C-TOC 和δ¹⁵N-TN 和不同来源的端元值（平均值±标准偏差）（a）以及TSP、TOC 和TN 不同来源的相对贡献（b～d）
大气干湿沉降向养马岛附近海域海水中输入的DIN、DIP 和硅酸盐（DSi）的通量分别为91.1mmol/（m²·a）、0.23mmol/（m²·a）和0.82mmol/（m²·a），占水体中DIN、DIP 和DSi 所有外源输入通量的比例分别为45.3%、1.62%和0.18%，表明大气沉降是水体中DIN 的重要来源之一，而对于水体中DIP 和DSi 的贡献相对较低。DIN 和DIP 的干沉降通量的化学计量比以及二者的湿沉降通量之比均显著大于海水中二者的比例以及雷德菲尔德（Redfield）比值，可能会引发水体氮磷失衡或加剧其失衡程度，并促进浮游植物优势群落由硅藻向甲藻转变，不利于养殖海湾扇贝的生长。大气沉降每年向该海域水体中输入的DOC 通量为6.31×10⁸ g C/a，占整个区域水体DOC 储量的比例为5.2%，表明大气沉降是水体中DOC 的重要来源之一；大气沉降在秋季、春季和夏季对于表层水体中颗粒有机碳（POC）的贡献分别为（25.5±7.9）%、（35.2±3.5）%和（19.2±7.4）%，表明大气沉降也是水体中POC 的重要来源。
作为养马岛附近海域水体中重要的外来N 源，大气沉降向水体输入的活性N 组分可支持的平均新生产力为25.2mg C/（m²·d），占水体新生产力的比例为14.9%，表明大气沉降可以通过影响浮游植物初级生产过程间接影响近海碳循环过程；单次降水事件可使表层2m 的海水中生物可降解溶解有机碳（BDOC）的浓度提高（0.57±0.54）μmol/L，占异养细菌每日次级生产所需OC 的比例为（12.1±11.4）%，表明大气湿沉降过程在一定程度上可以促进水体的次级生产，进而影响近海碳循环过程。大气沉降向该海域水体直接输入的OC 通量和间接输入的OC 通量（输入的活性N 可支持的新生产力）之和为11.95gC/（m²·a），春季、夏季、秋季和冬季输入的OC 总通量分别为3.49g C/m²、4.28g C/m²、1.89g C/m² 和2.29g C/m²，表明在春季和夏季，大气沉降对近海有机碳循环过程具有重要的影响。假设大气沉降向水体输入的OC 可以平均分布在整个水层，则在夏季由大气沉降所引发的DO 浓度下降速率≤0.52μmol/（L·d），意味着大气沉降对水体DO 亏损的贡献≤5.2%，表明大气沉降对该海域夏季海水低氧的贡献相对较低。
本书为中国科学院战略性先导科技专项（A 类）子课题“海洋生态环境灾害综合防控技术与示范”（XDA23050303）的研究成果之一。全书由高学鲁、赵建民、谢磊、杨波、高天赐等共同撰写，第1 章至第7 章主要由高学鲁、杨波、赵建民完成，第8 章主要由高学鲁、高天赐完成，第9 章至第11 章主要由高学鲁、谢磊、赵建民完成；全书的框架结构由高学鲁、赵建民完成，并由高学鲁统稿。
本书基于大量现场调查资料，并结合有针对性的实验室培养所得数据，阐述了养马岛附近海域溶解无机营养盐、溶解氧和有机碳的生物地球化学特征，探讨了该海域夏季底层海水低氧、酸化形成机制，评估了大规模海湾扇贝养殖对海洋环境的影响。本书丰富了人们对人类活动影响下近海海域生源要素生物地球化学过程的认知。
本书可供海洋环境科学、海洋生物地球化学、海洋生态学领域的科研、教学人员以及本科生、研究生阅读参考。