中國近海營養鹽結構失衡與磷消耗問題及其生態環境效應的研究進展

冉祥濱, 韋欽勝, 于志剛

中國近海營養鹽結構失衡與磷消耗問題及其生態環境效應的研究進展

冉祥濱1, 韋欽勝1, 于志剛2

(1. 自然資源部第一海洋研究所海洋生態研究中心和自然資源部海洋生態環境科學與技術重點實驗室, 山東 青島 266061; 2. 中國海洋大學 深海圈層與地球系統前沿科學中心和海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

近海的生態環境問題態勢嚴峻。在機制上, 普遍認為富營養化是導致近海環境惡化的主導因子, 但實際上, 營養鹽的結構失衡對近海生態環境問題的產生可能起到了更重要的作用。目前關于營養鹽結構失衡的主導因素和機制尚缺乏全面系統的研究。本文基于對已有數據和文獻資料的整合分析發現, 由于存在強烈的人類活動影響, 中國近海營養鹽結構失衡問題較過去更為突出, 且可能引發潛在“磷消耗”問題, 其影響在某種程度上較傳統意義上的磷限制要強, 并進而產生深遠的生態環境效應。據此提出, 今后相關的研究應該特別關注河流流域-近海環境變化和它們之間的內在關聯, 闡明控制近海營養鹽濃度、形態、分布和結構的關鍵生物地球化學過程, 量化近海氮與磷的滯留機制與效率, 揭示浮游植物群落結構變化與營養鹽結構失衡和磷消耗的耦合關系及其生態效應等, 最終制定中國入海河流與近海氮磷協同控制的適應性管理措施。

近海; 生物地球化學過程; 環境變化; 關鍵過程; 營養鹽結構失衡; 磷消耗

在人類活動增強和氣候變化的多重影響下, 全球范圍內的近海生態環境發生了明顯的變化, 導致赤潮、缺氧與酸化等生態災害和環境問題頻發[1-5], 嚴重影響了海洋的資源與環境價值。近海是海上經濟活動的主要區域, 事關人類的生存與可持續發展, 且在海洋環境上具有獨特的屬性。因此, 近海環境問題已成為人們關注的重要議題, 相關研究也是海洋科學和環境科學研究的熱點。由于受到多重環境壓力的影響, 再加之與全球氣候變化相疊加, 近海海洋環境變化、驅動機制和生態環境效應紛繁復雜, 特別是在近些年呈現出新的變化模態, 科學認知近海環境已成為全球海洋治理的難點和焦點。

氮(N)與磷(P)營養鹽作為水體重要的生源要素, 不僅是生態系統物質與能量流動的基礎, 其生物地球化學過程也是影響碳循環和氣候變化的重要一環[6-7], 并在海洋環境演變過程中扮演著至關重要的角色。人類活動強度的增加導致全球河流氮和磷的通量在20世紀分別增加了90%和75%[8-9], 特別是近幾十年來河流排放至近海的氮與磷的通量大為提升, 而活性硅(為硅藻等硅質生物生長所必需的一種重要的生源要素)的通量略有減少[10]; 與此同時, 地下水中營養鹽由陸向海的輸送量也有所增加[8], 且具有較Redfield比值[11]更高的氮與磷(N/P)比值[12], 這便造成了氮與磷的進一步失衡[8]以及二者與硅的化學計量學關系的顯著變化[2, 13-14]等營養鹽結構失衡問題(N/P偏離Redfield比值的現象[11])。營養鹽結構失衡除導致近海非硅藻類浮游植物生物量(主要是甲藻)的增加[1, 15], 影響海洋生態系統的穩定[16-18]與碳循環過程[19]外, 還可能在化學計量學上產生磷相對于氮的過度消耗[20], 即近海富營養化現象以及與之相關聯的環境問題。盡管營養鹽結構失衡并非海洋環境學家和生物學家關注的新的熱點問題, 相關科學問題在近幾十年來已得到國內外科學家較為廣泛和系統的研究, 然而人們對于浮游植物生物量增加和結構變化所可能導致的磷消耗(phosphorus depletion)[21](生物地球化學過程所導致, 具有非穩態的特征, 直觀的表現為輸出大于輸入)的現象和機制的認識依然不足。

中國近海海域深受人類活動的影響, 是全球陸海相互作用中極為典型的陸架海, 也是全球海洋環境變化的典型海域[22-23], 其生態系統結構和功能發生了顯著變化[2, 24]。特別是近些年來, 中國近海生態環境急劇變化, 出現赤潮[2]、綠潮[25]、低氧和酸化[26]等諸多環境問題, 成為世界上生態環境較為脆弱的海域之一; 在大多海域, 尤其是黃河口、長江口和珠江口等海域, 氮的含量處于較高水平, 且顯著高于中國其他區域[27-28], 是近海生態環境保護與修復中亟需重點關注的污染物之一。近年來, 國家采取系列舉措, 旨在解決中國近海突出的污染問題, 改善其生態環境; 如針對渤海, 國家多部委聯合印發了《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》(環海洋〔2018〕158號)等系列文件, 以應對渤海嚴峻的環境問題。然而, 在中國部分海域氮磷比居高不下的局面并沒有得到實質性的改變, 部分海域還呈現比值持續升高的趨勢, 如渤海[29-30]、黃海[31-32]和長江口等海域[22]。

中國近海鮮明的區域特色和嚴峻的環境問題賦予了其生態環境控制機制研究的典型意義, 相關環境問題的研究對于海洋可持續發展與適應性管理亦具有重要價值。然而, 長期以來對近海生態環境問題的研究大多圍繞污染物通量展開, 缺少陸海一體化視角下控制機制—響應方面的綜合、系統性研究, 既不利于揭示近海海洋環境變異的驅動機制, 也不利于制定科學的可持續發展的海洋戰略。在前人研究的基礎上, 本文以陸海相互作用為出發點, 緊扣公眾關切的近海生態環境問題, 深入探究近海營養鹽結構的失衡及其機制和生態環境效應, 相關工作有望為海洋管理和綜合治理等提供新的視角。

1 營養鹽結構失衡問題的研究現狀

當近海環境系統的營養鹽輸入大于輸出時, 其在近海的累積便產生了富營養化, 直觀地表現為水體氮與磷濃度普遍升高、生態災害頻發等。無疑, 入海的陸源污染物負荷增加與結構變化[8-9]是導致近海環境問題的主控因素, 尤其是那些人類活動比較集中且水交換能力相對較弱的近海海域, 在其中富營養化又是諸多海洋環境問題產生的根本所在[5]。

不斷增強的人類活動是導致水體富營養化加劇的主要驅動力[6]; 氮與磷肥料在陸地上的大量使用和污水排放量的顯著增加, 使得人類活動產生的氮與磷營養鹽負荷較過去明顯升高, 導致富營養化由河流、湖泊以及地下水傳遞到近海, 并對近海環境造成極大的影響。目前, 關于富營養化現象、驅動機制及其環境效應的探討較為深入[6, 33-34], 特別是對陸源輸入的貢獻認識尤為深入, 但缺少近海氮磷循環與營養鹽結構失衡之間的量化關系, 關于營養鹽由陸向海輸送及其近海環境響應方面的陸海一體化的系統研究則更少[35-36], 這使得我們缺少陸海統籌的理論支撐, 無法有效地識別驅動近海環境演變的關鍵過程, 進而影響了開展近海環境管理與修復工作的時效。概括而言, 國內外開展近海富營養化、營養鹽結構及其環境效應的研究主要集中在以下3個方面。

1.1 陸源氮與磷污染物向海輸送與營養鹽比值變化

陸源物質通過河流向海洋的輸送及其對近海環境的影響是環境科學和海洋科學領域的重點研究內容。盡管從區域到全球尺度海洋系統中內部的循環與再生作用是維持海洋系統初級生產的主要氮磷物質來源, 但海洋外部穩定的輸入是保持這個系統可持續性的重要方面。在氮和磷等生源要素向海洋的輸送中, 河流的輸送通量最高, 其次是地下水、大氣輸送等[2, 37]。在全球尺度上, 河流是海洋中磷的主要外部輸入源, 占海洋外源總輸入量的75%～94%[38-40]; 除固氮作用外, 河流向海洋輸送的氮也是海洋獲得外源性氮的主要途徑[8, 41]。在中國近海, 河流占海洋外部輸入的氮磷比例均高達90%以上[2], 成為控制近海環境演變的主要外部驅動機制。相比過去, 社會經濟的發展改變了流域的土地利用、河流的形態、水力停留時間等重要過程, 進而影響了河流原有的生物地球化學過程[9, 42-43]。在當前, 我們大多關注陸地向海輸送的營養鹽通量的變化, 對于其比值的變化關注相對前者要少; 地球上近300個大河系統中超過半數的河流在不同程度上受到了持續增強的人類活動的影響[44-45], 大多水體呈現出氮磷比升高的趨勢[8, 46], 而其中的中國河流則是當今世界受人類活動影響最顯著的典型河流體系[42], 如長江氮與磷輸送通量在過去100年間分別增加了17倍和6.6倍[9], 氮磷比相比過去顯著升高。此外, 大氣沉降的氮也較過去大為增加[37], 進一步加劇了陸地水體氮磷比失衡的態勢[47]。由此可見, 陸源氮與磷污染物向海輸送通量的增加、比例變化成為當前河流的主要特征, 其對近海海洋生源要素生物地球化學過程及相關水生態環境的影響正得到國內外科學家越來越多的重視[48]。

盡管同為富營養化的關鍵因子, 但氮與磷營養鹽在來源、循環以及從陸到海的輸送過程中存在明顯的差異, 使得陸地生態系統存在差異化的氮或者磷營養鹽限制情況[46]。陸地水體中溶解態的氮與磷濃度主要由流域水-土/水-巖作用、生態系統構成以及流域特性控制, 特別是受到流域日益增強的農業活動的極大影響。流域化肥施用量逐年增加是導致水體中氮濃度升高的主要原因; 大多情況下, 肥料中的氮元素非常容易溶解于水和順水輸送, 當氮肥的使用量超過了生物生長所需要的量時, 多余的氮肥會在土地中累積、流向地表水體、滲透到地下水或揮發到大氣中, 并通過河流、地下水和干/濕沉降等方式影響陸地或海洋的生態系統[49-50]。而對于環境中的磷而言, 由于其存在強的顆粒物-水界面作用(通常由吸附-解吸過程控制), 水體搬運作用對它的影響稍低[51]。上述控制過程的差異是產生高氮磷比的重要因素。

污水排放也是水體中氮與磷濃度升高的重要原因[52], 大約占河流輸送負荷的12%(全球尺度)[8], 從土壤流失或由廢水攜帶而增加的氮與磷提高了全球流向海洋的營養鹽通量[8]。在中國長江, 污水排放的氮與磷占陸源向海輸送的比例與全球河流大致相當, 在10%左右(氮與磷分別為9%和11%), 低于全國河流的平均值[2, 9]。不過, 流域內不同的區域對氮與磷污染的貢獻也不相同, 即存在多樣化的熱點源區(hotspot, 指對入海負荷的貢獻量占比較多的源或單位面積輸出氮與磷通量較高的區域); 如在長江流域, 中游來自農田中化肥流失的氮與磷貢獻比例較高, 而下游污水的份額占比較大[9], 這也使得河流輸送的氮磷比在通量增加的同時顯著升高。

人類活動, 如化肥使用和污水排放, 也提高了陸地地下水中營養鹽由陸向海的輸送通量, 尤其是氮的通量[53], 使之成為近海乃至全球海洋營養鹽收支計算中重要的輸入項之一[54]。不過, 在入海營養鹽通量估算中數值模型的估算與同位素的結果存在較大的差別[8, 55]。盡管地下水入海的營養鹽通量在數值上存在一定的不確定性, 然而大量的觀測顯示地下水中具有較高的氮磷比[12, 54], 對近海富營養化加劇及氮磷比失衡的貢獻不可忽略。此外, 人類活動強度的增加也影響了大氣沉降向海輸送的營養鹽通量和組成[56]; 其中, 氮的通量增加較快, 其相比工業革命前增加了400%[57], 而磷僅為5%～15%[58]; 不過,在全球尺度上, 大氣沉降輸送入海的營養鹽對海洋初級生產的貢獻相對其他外源輸入以及大氣向海洋貢獻的鐵而言較低[56, 59]。

淡水[60]與海水[61]養殖作為人類活動影響海洋環境的另一形式, 也在某種程度上增加了氮與磷的入海負荷, 加劇了近海水體富營養化及營養鹽結構失衡的趨勢。這一過程中氮與磷來源的貢獻及其相關的生物地球化學過程在近些年開始被納入到近海物質循環研究中[9, 61]。不過, 相比于其他界面過程, 這一過程對近海氮與磷負荷的貢獻并不大[2]。相比于其他外源輸入, 固氮作用對近海氮來源的貢獻似乎也不大[62-64]。

正是由于氮與磷來源不同及生物地球化學循環模式的不同特點, 在控制富營養化和削減陸源氮與磷污染向海排放的應用實踐過程中, 產生了限制氮[2, 65-66](部分研究是基于河口或近海的氮磷比值及其生態學效應, 海洋學家普遍支持此觀點, 如王修林等提出削減渤海入海氮的負荷[67])或限制磷[68-69], 亦或氮與磷協同限制[70-73]等多種觀點和模式, 并在學界爭論不休。在中國, 最近的研究開始呼吁限制氮[74]。究竟是哪一種營養元素或者二者均應受到限制, 這取決于當地的人類活動和地理背景, 以及不同區域的實際情況, 不可一概而論。當然, 這一爭論問題的出現恰恰說明了陸海一體化研究的必要性和緊迫性, 其過程與機理的深入研究理應成為陸海統籌等管理實踐的關鍵科學依據。

1.2 近海富營養化、氮磷滯留與初級生產變化

富營養化是全球性的環境問題。由于人類活動影響的程度不同, 世界各地近海富營養化呈現了從輕度到重度等不同的富營養水平, 這些富營養化水平的不同往往產生多樣化的生態學效應[75]。大量的研究顯示, 富營養化會提高近海初級生產水平; 如, 全球代表性的河流、海灣的數據顯示富營養化不同程度上提高了河口、近岸的初級生產力[76-77]。當然, 營養鹽濃度變化(部分區域為富營養化)對初級生產的影響也存在明顯的區域性差異; 在低緯度區域, 初級生產因營養鹽濃度變化而提高的幅度較低, 如南海大約升高了2%～4%[78]; 對于高緯度區域, 如北極, 這個升高幅度接近60%[79](受極區升高的海洋溫度和營養鹽輸入共同作用); 在渤海, 初級生產升高的幅度大約為10%[80]。需關注的是, 初級生產的提高潛在影響海洋生物地球化學過程, 持續變化的生物地球化學過程協同海洋氣候變化又可能反作用于生物過程, 使得將來初級生產發生不確定性的變化; 盡管這一過程對于未來海洋環境變化的研究很重要, 但目前的關注還很少; 如, 基于地球系統模式的研究顯示未來全球海洋初級生產可能降低3%～10%[81], 這一初級生產先升高后降低的曲線變化過程主要受生物地球化學循環過程變化的驅動。

值得注意的是, 氮與磷在水體中的循環過程也明顯不同[51], 這也使得河口生態系統中的氮與磷在向外輸送的過程中呈現出不同的變化趨勢[82], 近海的其他區域同樣如此。營養鹽滯留(nutrient retention)在刻畫營養鹽跨區域輸送的主要手段, 其是指水體中發生的物理、化學與生物的過程, 將營養鹽永久地去除或者臨時地存儲、延緩營養鹽在跨區域輸運的過程; 這一概念被廣泛用于量化河流、湖泊和水庫的營養鹽輸送過程, 近些年開始應用到近海, 如歐洲的波羅的海[83]。一般而言, 河口、陸架對營養鹽的滯留效率滿足磷大于氮[51, 84]。氮與磷滯留效率的差異實質上是由于其滯留機理不同造成的。對于氮而言, 近海的滯留率一般在20%～30%之間不等[84-85], 主要滯留機制是脫氮反應和生物轉化利用; 脫氮反應受到水體溶氧水平、水體停留時間、磷負荷等因素的影響, 尤其是水體停留時間; 總體而言, 在近海水體氮循環過程中脫氮反應總量巨大[64, 86], 是氮去除/滯留的主要過程。對于磷而言, 滯留率在50%～70%之間不等[84-85], 主要的滯留機制為顆粒態磷的沉降和生物利用, 這主要是由于顆粒態磷通常是水體磷的主要形式, 而顆粒物輸送則受到水動力的顯著影響; 在磷限制的水體中, 生物的吸收轉化作用對磷酸鹽的滯留極為顯著[38], 并提高其他賦存形態磷(如多聚磷酸鹽[20]和有機磷[87])參與生物地球化學循環的能力, 有機磷的生物可利用性增加以及快速的周轉也可在一定程度上補償磷的限制作用, 特別是遠離近岸的開闊海域。在中國近海, 磷是水體主要的限制性因子[14, 88-89], 上述提到的近海初級生產升高的趨勢將可能提高磷向沉積物的埋藏通量, 使得河口-近海體系磷限制進一步加強, 甚至是磷耗竭, 后者將可能導致高的浮游生物數量難以維持。最近有關黃渤海氮與磷收支的模式研究顯示, 氮在水體中呈積累趨勢, 而磷的外部輸入卻低于輸出(即呈現“消耗/耗竭”的特征)[64], 這一現象也被最近的研究所證實[90]; 黃河口沉積物中由表至下逐漸變小的有機氮和總磷、有機氮和有機磷的物質的量的比或許可以從一個側面支持了上述磷消耗的猜想(圖1), 值得進一步的關注。盡管目前有關富營養化趨勢下近海氮與磷滯留、累積與耦合循環的機制研究在逐漸地增多, 但缺少氮與磷不同滯留機制的研究, 對近海磷埋藏與浮游植物種群變動響應機制機理及其生態環境效應方面的研究則更少, 這一研究的不足在中國近海尤為突出。

圖1 黃河口沉積物中有機氮與總磷和有機磷的物質的量的比變化[91]

氮與磷在水體中之所以存在不同的滯留效率, 主要是由于二者的化學活性/特性與生物利用機制不同造成的[38, 92]。如中國近海多呈現磷限制的特點, 這在一定程度上應與磷易吸附在顆粒物表面及其沉積作用有關。在維持浮游植物生長的過程中, 相對于氮在水體中的易獲取性, 磷往往表現出“吝嗇”的一面, 氮與磷這種不同的生物地球化學循環特性實際上維持了初級生產的相對穩定, 減少了浮游藻類旺發的可能性, 即有利于維持生態系統的穩定。富營養化, 尤其是氮在水體中的積累在一定程度上打破了由磷“吝嗇”維持的這種“平衡”, 從而導致磷消耗甚至耗竭的現象出現。需說明的是, 本文所指的磷消耗在表觀上是一種磷限制, 其產生既是過量營養鹽(尤其是氮)輸入及與之相關的富營養化共同作用的結果, 也在一定程度上受近海生物地球化學循環過程變化的驅動(主要是浮游植物生物量和種群結構的變化), 可能為富營養化條件下磷限制的新模態, 理應成為當前海洋環境需要關注的問題之一。

1.3 營養鹽結構失衡與浮游植物種群變動

營養鹽結構失衡(偏離Redfield比值)是海洋環境和生態學研究的熱點問題, 其往往導致河口、近海生態系統的轉變[93], 這在世界上許多中緯度的近海海域均有出現[94], 特別是人口較為集中的區域。大多情況下, 我們關注河流對于近海營養鹽結構失衡的貢獻, 如, 多瑙河等河流入海營養鹽結構變化導致了黑海浮游植物優勢種由硅藻向非硅藻(鞭毛藻和顆石藻)轉變, 藻類還呈現了小型化的趨勢[95]。類似群落變動的情況在人類活動深度影響的圣華金河口(美國加州)[96]、尼羅河(埃及)[97]、科羅拉多河(美國)[98]、長江[99]、黃河[100]等主要河流的河口區都有出現, 并且從河口擴展到了河口以外的近海。又如, 研究顯示近30 a來, 渤海三個海灣和中部的營養鹽濃度和結構(N/P比)均發生了顯著的變化(表現為N/P比值升高(圖2))[29-30], 渤海生態系統也較過去[101]發生了較為明顯的變化, 在近些年甲藻在生物量中的占比甚至超過了硅藻[15, 30], 占到了生物量的60%[15], 同時出現了抑食金球藻()的褐潮, 這顯然與包括黃河在內的環渤海流域所輸送營養鹽的結構變化[102]有關, 還可能驅動渤海中部低氧[103]和酸化[14, 104]的產生。可見, 浮游植物群落結構轉變的特征在中國近海海域是十分獨特和鮮明的。由于生物有機體內氮、磷循環機制的不同, 浮游植物結構與生物量的變化很可能會進一步加劇營養鹽失衡問題。然而, 這一過程的驅動機制及其生態效應還需要更多的研究來揭示。

圖2 渤海營養鹽濃度、比值長期變化與有害赤潮(HABs)爆發頻率的關系[64, 91, 102, 105]

浮游植物群落結構變化在一定程度上可認為是對低磷和高氮磷比的水環境采取的適應策略, 且不同的區域呈現出較為顯著的差異。近些年來, 河流輸入到近海的營養鹽通量和組成較過去發生了顯著的變化[8], 一旦近海絕對的營養鹽濃度限制狀況被日益變化的陸源輸入所打破, 無疑會引起河口和近岸海域生物量及其組成的顯著變化。中國近海硅藻和甲藻是主要的類群[106], 而硅藻在低磷和高氮磷比環境中不占優勢[87, 107]。因此, 營養鹽結構失衡必然引起浮游植物群落結構向有利于甲藻生物量增加的趨勢發展, 由此改變水體氮磷的循環過程。一個針對渤海變化合理的解釋是: 渤海生態系統的轉變不僅僅受陸源輸送的營養鹽通量升高的影響, 還受到水體內部營養鹽結構相對外部輸入失衡的脅迫, 導致浮游植物生物量和群落結構響應陸源輸入變化的同時甲藻不斷增加, 這一過程提高了水體向沉積物中磷的埋藏量(圖1), 并進一步加劇了營養鹽的失衡。相比于黃河(升高大約12倍)、海河(相對穩定)等主要環渤海河流, 渤海氮磷比升高(升高約15倍)的幅度要大些[30], 也可以說明磷埋藏量相對于氮在比例上是增加的。同樣, 最新的研究還顯示類似磷消耗的情況在黃海和東海都存在[90], 即中國近海可能存在普遍的磷消耗問題, 值得關注。

除種群變化外, 浮游植物還往往通過調整它的生化組成來適應低磷和高氮磷比的環境[20, 108], 使得它們體內的元素組成偏離Redfield比值(106C/16N/ 1P[11, 109-110]); 如中國常見的兩種微微型浮游植物聚球藻()和原綠球藻()在磷限制下可以出現N/P比介于(59～109)/1的高值情況[110]。此外, 水體磷限制(主要是無機磷酸鹽)情況下其他賦存形態的磷參與物質循環的程度可能提高, 這在前面已經提到。不過, 由于有機磷形態和組成復雜多樣, 目前對于其參與生物地球化學循環的主要過程的量化還較少。可見, 浮游植物對于水環境的自我調整和適應機制無疑將影響磷的生物地球化學過程[111], 進而改變其在水體中循環和沉積物內埋藏的規律等。

諸多研究還顯示, 營養鹽失衡還會導致有害赤潮暴發頻率與面積的增加[2, 112], 以及優勢種的變遷。Wang等[2]的研究顯示, 營養鹽輸送通量居高不下的當前, 當河流輸送的氮與磷營養鹽比值(總氮與總磷的摩爾比)高于25～30的閾值時(其中, 渤海和黃海為25, 東海和南海為30), 中國近海赤潮暴發的頻率和面積將大為增加。與過去相比, 當前中國河流輸送的營養鹽的氮磷比明顯高于這一閾值, 這無疑增加了近海赤潮發生的風險。與此同時, 世界范圍內許多區域河流輸送的氮磷比都有升高的趨勢[113], 而低磷和高氮磷比的海洋環境更適合甲藻的快速生長[114]。上述營養鹽輸入與比值的變化還可能導致浮游植物優勢種的改變; 再以渤海為例, 其優勢種由1990年前硅藻門的角毛藻()和中肋骨條藻()等轉變為2000年后的硅藻門的舟形藻()、具槽帕拉藻()與海線藻()和甲藻門的角藻()等聯合占優[15], 即“硅藻占優”至“硅甲藻聯合為主”的轉變; 同時, 赤潮發生特征也由偶發發展到多發與有毒階段, 且種類隨時間變化明顯[115]。這表明渤海的浮游植物群落組成、優勢種變化等可能與富營養化程度特別是營養鹽結構失衡等密切相關, 其響應過程還將不斷催生磷消耗的問題。圖2顯示有害赤潮暴發頻率與N/P比值存在正相關關系, 這也從側面證實上述假設。當然, 除營養鹽比值外, 營養鹽的形態也可能影響上述種群變化, 如氨氮相對于其他無機氮比例的變化以及有機氮、有機磷相對于總氮、總磷比例的變化也是推動近海浮游植物種群變化的“推手”, 如在東海, 持續暴發的東海原甲藻()赤潮還可能與水體有機磷濃度升高有關[116]。然而, 相關的研究主要是依據培養實驗[93], 還需要更多的現場數據來驗證。同樣, 在南海近岸赤潮的優勢種也從束毛藻()轉變為球形棕囊藻()[117], 后者可能與水體氨氮、尿素等含量變化有關。除近岸水域外, 南海營養鹽的供給還受到多尺度物理過程的影響[118], 其營養鹽結構失衡與浮游植物種群變動的相關研究較中國其他海域少。

可見, 水文、水化學環境背景場是影響環境質量狀況和水生生態的重要因素, 其變化將首要對近海浮游植物的結構和功能產生長期的生態學效應, 并對水體生態系統產生深遠影響, 特別是由此導致生態災害事件頻發, 將對近海資源產生不利的影響。如前所述, 氮、磷有著不同的生物地球化學循環過程, 近海浮游植物響應陸源輸入變化及其相關聯的生物地球化學過程是產生磷消耗這一環境問題的重要因素(圖3)。因此, 開展以氮與磷營養鹽由陸向海輸送及其海洋過程響應為基礎的研究, 特別是導致近海氮磷營養鹽結構失衡加劇的生物地球化學機制的研究, 將為近海環境變化和重要生物資源保護等提供重要科學依據, 豐富和提升人們對環境變化的系統認知。

2 中國近海相關工作的切入點

近海環境的演變最終將引起與之相關的氮與磷埋藏的變化以及浮游植物種群變動。中國近海海洋環境與浮游植物群落結構變化現象是十分獨特的, 顯著區別于鄰近的韓國和日本[119]; 受人類活動的影響, 流域-近海的氮與磷物質輸送過程-循環正在發生改變, 而作為物質之“匯”的邊緣海必將通過調節系統的狀態以響應這種變化, 從而對近海氮與磷埋藏格局產生影響, 如近海磷消耗乃至耗竭的現象。以上這些過程變化將導致近海磷的沉積環境發生怎樣的變化, 以及以何種方式、在多大程度上影響近海環境健康與穩定正在成為一個廣受關注的科學問題, 但相關研究仍較匱乏, 亟待加強。因此, 從海洋環境演變的角度, 陸地對緊鄰的海洋影響不容忽視, 應加強陸海一體化研究, 做出科學合理的“以海統陸”的決策, 科學規劃流域污染物入海通量和組成[120]。這便要求沿海省份和大河流域各行政單元盡可能通過優化化肥使用、改進污水處理、優化養殖活動等有效措施降低陸源污染物入海通量。不過, 當前近乎于“一刀切”的減排舉措可能無法改變氮磷比失衡的環境問題。由此不難理解, 在過去20 a, 盡管渤海的環境治理行動取得了階段性的進展, 但渤海生態環境惡化的趨勢依舊嚴峻(如, 近海富營養化海域面積和程度繼續擴大, 氮磷比持續升高[121]), 且有新的環境問題出現(由2000年前的氮限制向當前的磷限制轉變, 出現了抑食金球藻()褐潮[102, 122])。類似美國切薩皮克灣(Chesapeake Bay, 世界上富營養化程度最高的海灣[6])差異化的陸源氮與磷削減實踐[123-124]或可為氮與磷減排量提供參考。同樣, 歐洲的陸地營養鹽管理策略降低了河流營養鹽輸送通量, 改善了其近海海洋環境, 使得波羅的海浮游植物的優勢種出現了從硅藻到甲藻再到硅藻的轉變[125]。從目前有限的數據分析來看, 應優先削減輸入到近海的氮營養鹽通量, 以減少其生態災害發生的頻率和面積。不過, 上述問題的科學回答需要明確氮與磷驅動近海環境演變的機制以及陸地氮與磷的熱點源區、組成與輸送路徑等, 因地制宜地制定不同區域差異化的“氮與磷配額”, 有針對性地開展氮與磷減排工作。值得說明的是, 最新的基于網格化的環境評估模型-營養鹽數值模式 (integrated model to assess the global environment - global nutrient model, IMAGE-GNM)[9]對長江氮與磷的溯源研究, 對于污染物來源的源地解析、管控和陸海統籌等具有很好的借鑒意義; 同時, 最近Wang等[102]基于IMAGE-GNM與海洋3D模式(D-flow flexible mesh)的耦合是一次新的嘗試, 初步揭示了中國近海赤潮發生的新模態, 給出了削減陸源氮和磷的比例, 初步回答了中國海洋環境治理應該限制氮、還是限制磷抑或協同限制氮和磷排放的問題, 為今后相關研究提供了重要手段。

圖3 營養鹽結構失衡與磷消耗示意圖

值得注意的是渤海水體磷的濃度持續走低[29](圖2), 沉積物中磷的埋藏卻呈升高的趨勢[126], 這應與環渤海陸源氮與磷輸送變化及其不同的生物地球化學過程直接相關, 這也從多個側面支持了上述“磷消耗(耗竭)”的猜想。同樣有限的數據[25, 31-32, 90, 127]也顯示磷消耗的問題在黃海與東海等中國近海都存在, 特別是南黃海在近些年因滸苔綠潮的頻發其營養鹽結構變化備受關注[25, 127-128]。因此應高度重視“磷消耗/耗竭”所可能引發的潛在生態災害和環境問題。此外, 近海的水動力結構極為復雜[129], 地球化學背景場的區域性差異顯著, 不同區域的生態環境演變規律和磷消耗的變率并不完全一致[30, 104], 在其中近海區域內物質通量的急劇變化、結構失衡及其環境效應最為引人注目[14, 80], 是開展海洋環境管理有效的切入點。

不過, 面對如此廣闊的區域, 僅僅依靠沿海省市的努力, 中國近海的生態環境無法得到根本的改善, 急需陸地(通過流域延深的區域)-海洋的“一體化聯動”。目前針對近海生態環境的研究多關注于大河[27, 130-131]及其河口區和典型海灣等子區域或子系統, 很少涉及到陸-海區域的綜合研究, 陸海一體化的營養鹽輸送、循環等過程的綜合研究更為有限, 亦缺乏以此為基礎的適應性管理對策的探討。2021年3月12日, 《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[132](簡稱“綱要”)對外公布, “綱要”明確提出加快推進重點海域綜合治理, 構建流域–河口–近岸海域污染防治聯動機制。可見, 開展陸海一體化的研究正是“綱要”提出的“打造可持續海洋生態環境”所亟需的。

綜上所述, 人類活動深刻影響著近海的生態環境。入海營養鹽的大量排放以及營養鹽結構失衡已導致近海生態系統結構和功能發生了明顯的變化, 也產生了“磷消耗”的環境問題, 從而造成了近海水體營養鹽結構的進一步失衡, 并可能引發近海生態環境不確定性或災難性的變化, 需要進一步深入研究。在上述問題中, 對入海河流流域內氮與磷產生的熱點區域進行溯源, 定量估算流域-近海系統的物質輸送通量、循環與收支, 揭示其生態響應, 對于準確和深入認識近海生態環境變化是十分必要的。相關研究工作的深入開展將有助于深入闡釋人類活動對近海環境的影響及其生態效應, 為實現可持續的海洋生態環境提供科學基礎。需要指出的是, 前述三方面的主要研究內容并未涉及到全球變化的影響。實事上, 氣候變化也可能通過影響近海環流從而進一步影響區域的富營養化進程, 或通過水體升溫加劇富營養化過程[106, 114]。不過, 對于近海這一緊鄰陸地的淺海而言, 人類活動應該是影響其環境變化的主要控制因素, 這也恰恰是《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》等系列治理文件出臺的根本原因。

3 結語和展望

人類活動深刻影響近海的生態環境。中國近海營養鹽結構失衡較過去更為突出, 可能引發潛在的磷消耗問題, 而這一問題不能簡單地視作磷限制; 入海營養鹽通量和結構的變化是導致近海營養鹽結構失衡的外部因素, 近海浮游植物對陸源輸入變化的響應及其相關聯的生物地球化學過程是產生磷消耗這一環境問題的內部因素, 從而造成近海水體營養鹽結構的進一步失衡, 并可能帶來近海生態環境不確定性或災難性的變化, 需要進一步深入研究。在上述問題中, 對入海河流流域氮與磷產生的熱點區進行溯源, 定量評估河流流域-近海系統的物質輸送、循環與收支及其生態學響應, 對于準確和深入認識近海營養鹽結構失衡等生態環境變化是十分必要的。

毫無疑問, 人類活動導致的氮磷失衡是全球性的生態環境問題[133-134], 勢必會對海洋物質循環和生態系統穩定產生深遠的影響, 其中近海磷消耗及其生態系統響應應該得到重視。長期以來, 中國學科劃分過細, 陸地與海洋學科間的交叉融合不足。但地球系統科學下的海洋環境問題是一個“大科學”, 環境問題的復雜性使其無法通過單一學科的觀測與研究或有限區域的觀測與研究得以解決, 而是需要多學科、不同領域間的深度交叉。近年來, 隨著科技投入的增大、科研條件的改善和對外合作交流的加強, 中國海洋科學的觀測與研究正在走向深入, 但不同學科間的深度融合依然不足, 也缺少應對海洋環境問題的國家戰略。在全球變化大環境下, 中國需要及早布局, 有效應對; 這就要求海洋科學觀測與研究必須創新模式, 通過跨領域、跨學科的交叉, 力爭在陸海耦合機制和環境演變方面取得理論上的突破。同時, 我們也應該注意到中國海域廣闊, 不同海區存在顯著不同的生態環境特征。統一的入海河流氮、磷協同控制或許并不合適, 無法適用于不同的海域。因此, 建議在綜合考慮這些典型近海區域背景和環境演變的基礎上, 開展“因地制宜”的入海河流氮磷協同控制, 建立近海水質、入海氮磷通量、生態系統穩定等多控制目標。今后, 應堅持“陸海統籌”和“陸海協作”, 整體提升陸地-海洋聯合觀測監測體系的水平和綜合研究的能力。基于地球系統多圈層相互作用的理念, 以陸地-近海海洋為體系, 將歷史記錄、現代過程和預測預報相結合, 開展陸地-河流-近海的耦合研究, 將為維持海洋生態系統健康與穩定、促進國家經濟社會可持續發展提供有力的科學依據。

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Stoichiometric imbalance in the rates of nutrient and phosphorus depletion in coastal China with implications for the ecological environment

RAN Xiang-bin1, WEI Qin-sheng1, YU Zhi-gang2

(1. Research Center for Marine Ecology and Key Laboratory of Marine Eco-Environmental Science and Technology of Ministry of Natural Resources, First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China; 2. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, and Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Recently, anthropogenic nitrogen (N) and phosphorus (P) loadings in coastal seas have significantly increased, seriously impacting the environmental evolution of coastal areas, thereby gaining the widespread attention of scientists and local governments. In addition to the elevated abundances of N and P in the coastal zones, the stoichiometric imbalance of these nutrients could play an important role in stimulating environmental changes. However, the detailed influence of terrestrial N and P and their unbalanced nutrient ratios on marine ecosystems has been poorly documented. In this study, terrestrial nutrient inputs were analyzed from rivers, submarine freshwater and groundwater discharge, atmospheric deposition, water–sediment benthic flux, and water exchange to coastal seas. We reviewed the key biogeochemical processes controlling N and P transport and retention in the coastal areas, highlighted the unbalanced nutrient and P depletion, and explored the ecological influence of imbalanced N and P structures on the ecosystem. In the future, a multiapproach strategy is required to identify the contributions of different interfaces on the N and P concentrations, forms, and distributions. Additionally, a theoretical framework for reducing N and P loadings should be developed based on the land–sea coordination. Within this context, studying the response of terrestrial N and P in the coastal sea would improve the understanding of regional ecological patterns and provide a scientific foundation for marine ecological research and management. Addressing these scientific problems would offer a key basis for preventing and controlling environmental issues in coastal seas.

marginal seas; biogeochemical process; environmental change; major process; nutrient stoichiometric imbalance; phosphorus depletion

Sep. 1, 2021

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 42176048, 41930862, 42149902]

P734; P735

A

1000-3096(2023)8-0075-15

10.11759/hykx20210901001

2021-09-01;

2021-10-12

國家自然科學基金(42176048, 41930862, 42149902)

冉祥濱(1980—), 男, 山東夏津人, 研究員, 博士, 主要從事生物地球化學循環方面研究, E-mail: rxb@fio.org.cn

(本文編輯: 楊 悅)