半封闭海湾中富营养化的机制：来自双水同位素的见解

《Marine Environmental Research》：Mechanism of Eutrophication in a Semi-Enclosed Bay: Insight from Dual Water Isotopes

本研究基于2020年四季实地观测数据，运用双水同位素（δD和δ1?O）与水文参数，解析了湛江湾季节性水动力特征及其对富营养化的调控机制。结果表明：夏季因高盐海水入侵形成盐度锋面，阻碍陆源营养盐扩散，加剧富营养化；而冬春季海水入侵减弱，营养盐扩散改善，富营养化程度降低。该研究为半封闭海湾的水质管理提供了理论依据。

　　

迪克韦勒·P.T.T.席尔瓦（Dickwelle P.T.T. Silva）| 廖奇斌（Qibin Lao）| 陈春青（Chunqing Chen）| 蔡尚军（Shangjun Cai）| 陈法进（Fajin Chen）

中国湛江广东海洋大学海洋与气象学院，524088

摘要

在全球变化和人类活动的双重压力下，作为陆海相互作用关键区域的半封闭海湾正遭受日益严重的富营养化问题，并面临显著的生态风险。目前对海湾富营养化原因的理解主要集中在营养物输入等环境因素上，往往忽视了水动力过程的调节作用。本研究利用2020年春夏秋冬四个季节的实地观测数据，通过双水同位素（δD和δ¹⁸O）以及水文和其他物理化学参数，探讨了湛江海湾（中国南部的一个半封闭水产养殖海湾）的季节性水动力特征及其与富营养化的相互关系。研究结果表明，海湾内的营养盐浓度（EI）表现出明显的空间和季节性变化，且上部海湾的营养盐浓度始终高于下部海湾。夏季富营养化程度最高，其次是秋季，而冬季和春季则较低。双水同位素分析结合水文数据揭示了水团贡献的显著季节性变化：夏季以高盐度海水入侵为主，秋季则以陆地淡水为主。这两种过程都会加剧海湾内的盐度，阻碍陆地营养物质的输出并导致其积累。相反，在干旱季节（冬季和春季），陆地淡水输入减少以及高盐度海水入侵减弱了海湾内的盐度梯度，使营养物质能够向海湾较低和外部扩散，从而降低富营养化程度。这些发现为热带半封闭海湾系统的海岸管理和营养盐缓解策略提供了重要见解。

引言

河口和沿海海湾是连接陆地和海洋的关键过渡带。尽管它们仅占全球海洋面积的不到0.2%，但这些区域是陆地物质向海洋输送的主要通道，在全球碳循环中发挥着重要作用，同时也支持着海洋渔业的发展（Dai等人，2023；Kessouri等人，2021）。然而，由于自然过程和人类活动的影响，这些区域正经历生态环境变化（Zhou等人，2021），导致了一系列环境问题，包括富营养化、有害藻类爆发和底层水体缺氧，这些直接威胁到了关键的社会经济活动（特别是海水养殖和沿海旅游业）（Dai等人，2023；Lan等人，2024）。

目前对沿海环境恶化的原因主要归因于与人类活动相关的过量营养盐输入（Dai等人，2023；Wang等人，2021）。相比之下，水动力过程的调节作用往往被忽视，这在我们对沿海环境变化的理解中留下了一个重要空白。在许多河口和近岸系统中，沿海水域受到河流淡水与入侵海洋水体相互作用的影响，这些区域是海洋锋面形成的热点（Cao等人，2025；Lao等人，2023c）。这些锋面可能作为物理屏障限制水交换，进而影响陆地污染物的滞留和浓度，可能加剧河口和沿海地区的环境风险（Wang等人，2022）。此类变化会导致水产养殖产量下降（如牡蛎、鱼类、虾、螃蟹）、营养盐积累增加以及有害藻类爆发和富营养化更加频繁。最终，这些后果可能导致严重的生态退化和经济损失（Lao等人，2023）。类似的现象已在世界各地的多个河口和海湾系统中得到记录，例如切萨皮克湾（Sanford等人，2013）、旧金山湾（Ingram等人，1996）、尼罗河三角洲（Abd-Elaty等人，2024）和湄公河三角洲（Vu等人，2018）。

具体而言，湛江海湾是中国著名的天然海水养殖基地，但由于人类活动的影响，正面临富营养化的威胁。过去三十年间，湛江海湾的富营养化现象显著加剧，主要源于人为磷输入的增加（Fu等人，2020；He等人，2023；Zhang等人，2021；Liang等人，2024）。这种不断加剧的营养盐负荷导致有害藻类爆发的频率和范围显著增加（Zhang等人，2022）。因此，湛江海湾经历了反复的富营养化、底层水体缺氧（Zhang等人，2024）以及水产养殖产量的下降，使得海水养殖生物特别容易受到盐度和营养盐波动的影响。然而，现有研究主要关注这些陆地营养盐来源的直接作用（He等人，2023；Zhang等人，2021；Liang等人，2024；Zhang等人，2022），往往忽视了同时发生的水动力变化。值得注意的是，疏浚和筑坝等人类活动显著改变了海湾的物理环境（Lao等人，2022b）。特别是，这些改造加剧了高盐度海水的入侵，研究表明过去二十年间入侵量增加了20%以上（Lao等人，2022b）。这种增强的入侵可能加强了海湾内的盐度锋面，形成持续的物理屏障，困住陆地来源的污染物，从而加剧内部营养盐积累、水质恶化和富营养化的整体严重程度（Cao等人，2025）。尽管如此，关于西粤沿海水域（WGCC）驱动的水动力变化如何影响湛江海湾水环境的系统理解仍然不足。

传统上，沿海系统的水团分布和混合过程是通过温盐度和密度特征（Fach等人，2021；Rysgaard等人，2020）、数值模拟、卫星遥感数据（Kikaki等人，2020；Matsuoka等人，2012）以及物理和气象参数的组合（Ji等人，2011；Liu等人，2019；Tanim & Goharian，2021）来研究的。尽管这些方法提供了有价值的见解，但它们存在局限性，如遥感数据的准确性较低（Lu等人，2022）、难以区分多个重叠的水源，以及难以解决河口环境中的小尺度混合问题（Lao等人，2023）。相比之下，双水同位素（δD和δ¹⁸O）能够提供不同水源的独特指纹，从而更准确地追踪水团来源和混合过程（Bigg & Rohling，2000；Benetti等人，2017；Reyes-Macaya等人，2022）。与可能在不同水团中重叠的物理水文参数不同，稳定同位素特征提供了可靠的示踪剂，能够更清晰地区分水源贡献。同位素反映了地下水、海水、河流径流和降水的不同盐度特征（Wang等人，2019；Chen等人，2020）。因此，将同位素分析与水文参数结合使用，显著提高了我们量化海水入侵、追踪物质传输和评估其生态效应的能力（Lao等人，2022，2023）。

本研究应用双水同位素分析（δD和δ¹⁸O）结合关键水文和营养盐参数，研究了2020年西粤沿海水域（WGCC）向湛江海湾的季节性海水入侵的影响。通过在不同水动力条件下进行季节性（春夏秋冬）现场采样，本研究旨在（i）利用营养盐浓度和其他物理化学参数表征富营养化的季节性模式，（ii）利用双水同位素量化水动力过程，特别是西粤沿海水域海水入侵的范围和季节性变化以及盐度锋面的形成，（iii）评估这些水动力过程对富营养化的影响，并确定导致海湾水质恶化的潜在过程。最终，本研究将为湛江海湾的管理策略提供科学依据，并有助于更深入地理解沿海系统中的海水入侵现象。

研究区域

湛江海湾位于中国南部，自20世纪80年代以来经历了快速的社会经济发展（Zhang等人，2020）。该海湾位于湛江市东海岸（20° 40′–21° 26′ N，110° 16′–110° 38′ E），在支持区域渔业和沿海资源方面发挥着重要作用。流入湛江海湾的流域面积约为2,530平方公里，该海湾通过

温度

图2显示了湛江海湾不同季节的表面温度和底部温度分布。冬季，表面温度（ST）范围为21.4至23.2°C，平均为22.2°C；春季为22.0至23.4°C，平均为22.8°C；夏季为29.5至32.8°C，平均为30.7°C；秋季为24.5至25.3°C，平均为24.9°C。

双水同位素揭示了海湾的季节性水动力特征

湛江海湾的水动力状况表现出明显的季节性变化，主要通过双水同位素（δD和δ¹⁸O）组成及其与盐度的关系体现出来。从空间上看，四个季节的同位素数据均显示出明显的时空趋势：外部海湾的δD和δ¹⁸O值较高，而上部海湾的值较低，反映了高盐度海水和低盐度陆地输入之间的混合。这与近期的一系列研究结果一致

结论

本研究对湛江海湾的富营养化动态进行了季节性评估，强调了水动力过程如何调节营养盐输入的影响。人为营养盐输入是富营养化的根本原因，而通过双水同位素（δD–δ¹⁸O）和盐度追踪的水动力过程在控制其时空严重程度方面起着关键作用。我们的结果表明，夏季由于西粤沿海水域（WGCC）的影响，海水入侵显著增加

作者贡献声明

陈春青（Chunqing Chen）：方法论、调查、数据管理。陈法进（Fajin Chen）：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。蔡尚军（Shangjun Cai）：方法论、调查。廖奇斌（Qibin Lao）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、调查、资金获取、正式分析。迪克韦勒·P.T.T.席尔瓦（Dickwelle P.T.T. Silva）：初稿撰写、可视化、方法论、数据管理

未引用参考文献

美国公共卫生协会，1926；Chen等人，2007；Chen和Jia，2009；Chen等人，2021；Duan等人，2010；Fang等人，2024；Fu等人，2020；Ji等人，2011；Kong和Ye，2014；Kusum等人，2019；Lao等人，2023b；Lao等人，2023a；Lian等人，2016；Lu和Gan，2015；Vollenweider等人，1998；Wu等人，2021；Yang等人，2022；Ye等人，2015；Zhang等人，2018；Zhang等人，2020；Zhou等人，2022；Zhou等人，2022。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了海洋生态系统动力学重点实验室的开放研究基金（MER（MED202404）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515110183、2023A1515110473）以及广东海洋大学的科研启动资金（060302032502）的支持。