黄河人为扰动驱动渤海中部(Middle Bohai Sea/Central Bohai Sea, CBS)及北黄海(North Yellow Sea, NYS)浮游植物十年际演替

《Ecological Indicators》：Anthropogenic perturbations in the Yellow River drive decadal phytoplankton shifts in the Bohai Sea and North Yellow Sea

　　

了解长期浮游植物动态对解释当代生态变化及指导海岸管理至关重要。研究人员通过对渤海中部(CBS)和北黄海(NYS)多个沉积岩芯中保存的沉积甾醇生物标志物（以菜子甾醇(brassicasterol)指示硅藻(diatom)，甲藻甾醇(dinosterol)指示甲藻(dinoflagellate)）进行重建，恢复了上述区域十年时间尺度上的浮游植物生物量与群落结构长期变化。结果表明，两区域在1980年后代理推断的硅藻和甲藻生物量均显著增加了4～8倍；代理推断的硅藻/甲藻比值(Diatom/Dino ratio)呈现十年际振荡特征——约1960年发生下降转折，约2002年发生上升转折。代理推断的长期生物量增加主要与人为氮(N)富集有关，而硅藻/甲藻比值的转变则可能与黄河人为扰动（径流量、输沙量及营养盐输送改变）相关联。此外，基于变化速率(Rate of Change, RoC)分析的跨区域比较表明，北黄海(NYS)中代理推断的硅藻、甲藻生物量及其相对比值对外源营养盐输入的敏感性均高于渤海中部(CBS)。本研究为CBS和NYS浮游植物动态机制提供了长期基线和新认识，强调黄河扰动在调控硅藻与甲藻群落演替中的重要作用。

理解长期浮游植物动态是阐明半封闭陆架海生态演变及制定海岸带管理策略的基础。渤海与北黄海受40余条河流输入影响，其中黄河贡献了入海淡水的约50％和悬移质泥沙的90％以上，同时携带大量溶解无机氮(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)、溶解无机磷(Dissolved Inorganic Phosphate, DIP)及溶解硅(Dissolved Silicate, DSi)。20世纪中叶以来，大坝建设、调水调沙工程(Water–Sediment Regulation Scheme, WSRS)及工农业氮磷排放剧增导致黄河径流量减少73％、输沙量减少90％，而河段DIN浓度成倍升高，营养盐化学计量比(N/P、Si/N)发生显著偏移。已有观测显示该海域浮游植物生物量上升、有害藻华(Harmful Algal Bloom, HAB)频发，但历史显微计数数据时空覆盖不均、种属鉴定差异大，缺乏百年尺度的连续记录，且硅藻与甲藻相对优势度(Diatom/Dino ratio)对黄河水文—生物地球化学扰动的响应机制尚不明晰。为此，研究人员利用沉积岩芯中类群特异性甾醇生物标志物重建CBS和NYS近百年来硅藻（brassicasterol）与甲藻（dinosterol）相对生物量及二者比值的时间序列，结合同期黄河径流量—输沙量、海表温度(Sea Surface Temperature, SST)、流域—海域营养盐历史数据集，通过年代际转折检测(STARS)、Pearson相关分析及广义加性模型变化速率(RoC)分析，探讨浮游植物长期变化趋势的主控因子及CBS与NYS的空间异质性，以期为海岸富营养化治理与生态红线政策提供长期参照基线。该研究成果发表于《Ecological Indicators》。

主要关键技术方法

研究人员于2022年在CBS布设1根、NYS布设2根箱式沉积岩芯（另有3根已发表岩芯作对比），经²¹⁰Pb定年获得沉积速率；对冷冻干燥研磨后样品采用加速溶剂萃取(Accelerated Solvent Extraction, ASE)、皂化、硅胶柱层析分离极性馏分并BSTFA衍生化，使用气相色谱—串联质谱(Gas Chromatography–Tandem Mass Spectrometry, GC–MS/MS)定量brassicasterol与dinosterol；各站位原始浓度经min–max标准化后按时间插值对齐，分别构建CBS与NYS区域叠加(stack)序列；应用序贯t检验年代际突变分析(Sequential t?test Analysis of Regime Shifts, STARS)识别生物标志物和环境变量突变点，Pearson相关分析检验浮游植物记录与环境驱动因子关系，采用带连续时间一阶自回归相关结构的广义加性模型(Generalized Additive Model with CAR(1), GAM)拟合时间序列并计算其一阶导数得到变化速率(RoC)，最后对比两海域RoC与环境因子RoC的相关性以判定敏感程度。

研究结果

3.1 岩芯N19、N37和N38中生物标志物记录

单根岩芯TOC归一化brassicasterol与dinosterol在CBS（N19）于 late?1990s 后出现显著上升转折，硅藻/甲藻比值在~1955年下降转折、~2002年上升转折；NYS岩芯（N37、N38）中两类甾醇均在~1980年代初出现上升转折，比值于~1955年下降、~2002年上升，部分岩芯在1990年代初有小幅下降波动。原始浓度对比显示1980年前后硅藻与甲藻生物量升高约4–8倍。

3.2 渤海中部与北黄海浮游植物叠加序列

CBS叠加brassicasterol与dinosterol在1930–1981年处于低值期，1981与1998年两次显著上升转折；硅藻/甲藻比值在1956年下降转折、2002年上升转折。NYS叠加序列同样在1981年出现显著上升转折（brassicasterol于1981与1994年、dinosterol于1981年），硅藻/甲藻比值呈1945–1965高值—1965–2003下降—2003–2010回升三段式振荡，与黄河历史水文阶段吻合。

3.3 浮游植物趋势与环境因子的对比

CBS与NYS叠加brassicasterol和dinosterol均与区域DIN呈极显著正相关（CBS r＝0.93、0.81；NYS r＝0.83、0.78，p＜0.01），表明生物量增长主要受人为氮富集驱动。硅藻/甲藻比值在NYS与黄河径流量(r＝0.65)及DSi浓度(r＝0.78)显著正相关(p＜0.01)，CBS中无显著相关，说明群落结构受黄河硅酸盐与淡水输入调节的程度具空间差异。

3.4 浮游植物记录与环境因子变化速率(RoC)比较

CBS与NYS生物标志物含量RoC在1980年代后变正加速、2000年代趋缓，与DIN的RoC同步；NYS生物量RoC与DIN?RoC相关性(r＝0.96)强于CBS(r＝0.63)。硅藻/甲藻比值RoC在CBS 1970年代由负转正，NYS约1980年代末才转正；NYS比值RoC与黄河径流量RoC相关性(r＝0.83)高于CBS(r＝0.68)，证实北黄海浮游植物群落对外源河流强迫更敏感，归因于CBS浅水强底栖营养盐再生缓冲作用及NYS水体分层弱化垂向交换。

讨论与结论翻译

讨论指出：(1) 1980年后硅藻与甲藻生物量倍增主因是流域人为活性氮输入升高使系统摆脱历史氮限制；(2) 硅藻/甲藻比值1960年下降对应黄河建坝致径流—DSi锐减削弱硅藻竞争优势，2002年调水调沙恢复部分DSi通量使比值回升，证明河流营养盐化学计量变化主导群落结构演替；(3) CBS底栖磷酸盐与硅再生量为2–3倍河流输入起缓冲作用，NYS水柱分层且受黄海暖流影响对外源输入依赖更强，故表现出更高RoC敏感性；(4) 管理上除氮减排外应协同关注N:P:Si平衡以维持健康硅藻占比，抑制有害甲藻增殖。

结论：研究表明渤海中部(CBS)与北黄海(NYS)近百年代理推断硅藻与甲藻生物量1980年后显著升高约4–8倍，归因于人为氮富集；硅藻/甲藻比值呈现十年际振荡（~1960下降、~2002上升），反映黄河人为扰动（水文改变及营养盐输送变化）对群落结构的非线性调控；北黄海浮游植物生物量及群落比值对外源营养盐输入的变化速率(RoC)敏感性高于渤海中部。本研究提供了渤—黄海水域浮游植物长期演化基线，强调黄河扰动在塑造海岸生态变化中的作用，提示有效海岸管理需统筹总营养盐削减与河流调控的物质通量及营养盐平衡。