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揭秘海湾生态的前世今生

2021-02-23 10:40:18    来源: 中国自然资源报    作者:乐凤凤

党的十九大报告指出“人与自然是生命共同体,人类必须尊重自然、顺应自然、保护自然”。认识生态系统演变规律,科学指导海洋空间规划、管制和修复,探索人海和谐的空间发展道路,是自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室(依托单位:自然资源部第二海洋研究所)建设的使命。

海湾是承载自然变化与人类活动的最重要区域之一,其环境恶化引起生态系统退化和资源衰退,对社会经济产生负反馈。浙江省海湾生态健康肩负着“重要窗口”的展示作用。浙江省象山港作为中国典型的亚热带海湾生态系统,拥有独特的地形、水动力和生物群落,其生态系统对人类活动与自然变化的响应是对海湾空间单元开发格局的重要反馈。

针对美国切萨皮克湾、纳拉甘西特湾,日本东京湾,法国布雷斯特湾和中国胶州湾、大亚湾等的多年研究表明,富营养化和海水升温是近岸海湾的普遍问题。日前,自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室近海生态研究团队以东海狭长形半封闭海湾象山港为研究区域,系统揭示了富营养化和海水升温叠加影响下海湾浮游生物的演变格局。相关成果发表在《海洋污染通报》《河口与海岸》《河口、海岸和大陆架》《浮游生物研究》等国际海洋学和浮游生态学主流期刊。

海水升温作祟,能量上行受阻 

该研究发现,富营养海湾大量浮游植物生物量不能有效传递到高营养级生物。

生物量是生态学术语,指单位面积(体积)内某类生物的总重量。浮游植物是进行光合作用的初级生产者,高营养级生物是食物链中捕食浮游植物的浮游动物和鱼类等。

该研究主要完成人之一、自然资源部第二海洋研究所研究员江志兵介绍,象山港属亚热带高生产力(即浮游植物生物量高)海域,较大个体(微型, 2~20微米;小型,>20微米)浮游植物占比超过80%,较小个体(微微型,<2微米)浮游植物占比较小。江志兵介绍,近10年象山港污染得到有效控制,水体富营养化没有进一步恶化,但以氮、磷计,只能长期维持在四类水体(适用于海洋港口、海洋开发作业区);与此同时,先后上马的宁海国华和大唐乌沙山两个滨海电厂排放大量高温废水,叠加气候变暖,使得象山港生态系统面临海水快速升温的压力。在富营养化和暖化影响下,叶绿素a浓度和初级生产力逐渐升高,且个体大于20微米的浮游植物占比增加明显。然而,较大个体的浮游动物(大中型,>505微米)生物量和丰度却呈现下降趋势,渔业资源也明显下降。

为寻找其原因,研究团队通过同步多参数高密度采样法,利用随机森林模型研究发现,象山港浮游动物生物量不会随浮游植物生物量增加而增加,且两者的比值随浮游植物生物量增加而降低,表明大量浮游植物能量不能通过食物链有效传递到高营养级生物。研究同时发现,浮游动物对升温最敏感,温度升高促进了小个体(中小型,200~505微米)浮游动物增加,而较大个体(>505微米)的数量降低,即浮游动物整体趋于小型化,造成较大个体浮游植物生物量无法通过浮游动物摄食向高营养级生物传递。

狭长地形决定,生态演变异质 

该研究发现,亚热带狭长形海湾浮游生物长期演变显现时空异质性。

据介绍,时空异质性也是生态学用词,指生物和非生物环境随时间变化、同时在空间分布上不均匀。

象山港属亚热带狭长形半封闭海湾,理化环境和生物群落具有显著的季节变化和空间异质性。基于此,研究团队推测营养盐、水温和浮游生物的长期变化可能也存在时空异质性,并利用1980年~2019年的历史数据验证了该假设。

据该研究主要完成人之一、自然资源部第二海洋研究所副研究员杜萍介绍,大中型浮游动物生物量于2005年电厂运行后快速下降,主要发生在夏、秋季的港底、港中部,这正是无机氮和水温同步升高显著的季节和区域,说明富营养化和高温的共同作用明显抑制了大中型浮游动物生物量,其中一个重要原因是夏季电厂排水口水温超过了优势种(中型桡足类)的致死温度,而个体较小的短尾类幼体和剑水蚤比例增加。研究团队还发现,在远离港顶、港中部温排水数十公里的港口区域,浮游动物变化趋势与港底、港中部明显不同,未见数量下降;港口区主要受港外海水影响,春季受长江冲淡水影响的时期,浮游动物数量甚至呈现明显上升趋势,与长江口浮游动物变化趋势高度一致。

“象山港生态演变时空异质性这个案例,意味着在进行区域规划和开发时,要尊重自然规律,合理布局、有限发展,方能维系海湾经济与生态的可持续协调发展。”杜萍说。

生态结构变化,传递能效下降 

总结该研究,食物链结构变化降低了生态系统能量传递效率。

据介绍,太阳能通过浮游植物光合作用进入海洋生态系统,然后从浮游植物逐级转移到上一营养级,而上一营养级与下一营养级吸收能量的比值为生态系统的能量传递效率。

研究团队综合理化因素和各营养级生物的长期变化和异质性特征推导出象山港中底部浮游生态系统的演变过程:富营养化和暖化增加了浮游植物生物量,尤其促进个体较大的硅藻和甲藻生长,但海水升温不利于较大型浮游动物繁殖,导致大粒径浮游植物缺少有效的摄食控制。同时,冬季海水变暖加速了浮游植物生长,叠加同期浮游动物摄食作用较弱,引起藻华加剧,且藻华时间从春季提前至冬季。浮游植物旺发产生的初级生产力无法有效传递到较高营养级的浮游动物和鱼类,造成牧食食物链效率降低。因此,除过度捕捞外,富营养化与变暖加剧引起的浮游生物粒级结构和物候过程改变也是象山港渔业资源较20世纪80年代明显下降的重要原因。此外,微食物环作为初级生产力传输的补充途径,相对重要性可能增强,其变化对能量传递效率的影响有待研究。

该研究结果丰富了海湾生态学的科学认知,提示内湾水交换能力差的海湾,需严格控制陆源营养盐输入,并减少网箱养殖和虾塘养殖;同时严格控制电厂温排水的温升范围,尤其在高温季节。生态修复工作以提升生态系统的稳定性、提高蓝色碳汇效率等生态服务功能为目标,该研究为海湾生态修复提供了科学支撑,支持内湾养殖大型经济藻类(海带等)和滤食性贝类(牡蛎等)、底播毛蚶、菲律宾蛤仔等土著贝类,以降低水体营养盐浓度、减少浮游植物藻华的发生。

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