1974年至2017年珠江口人为强迫对浮游植物动力学环境控制的影响
摘要
浮游植物如何在时空上对多个变量的共存做出反应，对生态系统管理至关重要。在这项研究中，1974年至2017年间在中国南方珠江口（PRE）进行的广泛调查揭示了人为因素对浮游植物动力学的环境驱动因素（叶绿素a）的强烈影响。经验因果链总结为人类活动→ 水文学→ 营养物→ 叶绿素可能构成预测海岸富营养化影响的基本定量工具。人类应力引起的水下地形变化导致了浅滩槽的不稳定，这意外地改变了整个地区的营养动态。
随着时间的推移，溶解无机氮（DIN）和磷（PO4）增加，摩尔氮磷比（DIN/PO4）也增加，这表明浮游植物在大多数PRE中的生长可能受到磷酸盐的限制。沉积物颗粒对磷的吸附比对氮的吸附更强。浮游植物驱动因素的量化表明了河潮动力学的重要性，河潮动力学包含了环境变量之间的相互作用。
特别是，河流输入的影响随着时间和地点的变化而变化，影响水文控制变量和营养限制。我们的结构方程建模结果（p<0.05）进一步表明，营养物质和水温直接影响浮游植物叶绿素，但盐度和悬浮沉积物对营养物质的贡献相对较大。描述过去40年中浮游植物叶绿素、营养物质和水文因素之间的关系，使我们能够制定有效的长期生态系统管理策略，并设计更侧重于生态健康和功能的研究。
1.简介
河口和邻近沿海水域因其位于陆地、淡水和海洋界面而被称为过渡区，在海洋管理计划中具有首要的生态重要性（Cao等人，2011年，Vidal等人，2014年，Machado等人，2014）。由于海水和淡水之间复杂的相互作用，河口通常具有各种因素的强物理和生物地球化学梯度，包括溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、盐度、水温（T）、悬浮沉积物（SS），和溶解的营养物质（例如，铵，NH4；硝酸盐，NO3；亚硝酸盐，NO2；磷，PO4；和硅酸盐，Si）（Yin等人，2001年，Yin et al.，2004年，Li等人，2014年，Lu和Gan，2015）。因此，河口是浮游植物生长的热点。浮游植物叶绿素是沿海生态系统健康的关键指标（Boyer et al.，2009，Niu et al.，2015，Luo et al.，2019），是河口生态系统中重要的初级生产者，是食物链中的一个基本环节（Zhang et al.，2016，Srichandan et al.，2017）。
现在人们普遍认为，水生环境中的浮游植物动力学是与各种水文控制相关的营养水平增加的结果（Cabrerizo等人，2017，Srichandan等人，2019，Chen等人，2019）。例如，某些盐度范围有利于某些浮游植物物种（Jiang et al.，2014）；SS中吸附/解吸的营养物质，特别是磷，会影响浮游植物的丰度（Byun et al.，2007），而氮和/或磷可能会调节浮游植物的生长（Gan et al.，2014，Gan等人，2010）；具体而言，溶解氮的可用性可能会限制浮游植物的生长，而在某些情况下，磷酸盐的可用性起着关键作用（Dai et al.，2008，Kim et al.，2014）。
人类活动增加了河口生态系统的营养负荷，加速了富营养化并影响了生物过程（Howarth，1998，Chen等人，2019）。虽然沿海富营养化的主要原因是农业肥料，但其他营养源，如牲畜、废水、城市径流、河流流量和水产养殖，也会影响生态系统健康。因此，河口生态系统受到人类活动和自然过程的威胁（Frame和Lessard，2009年，Yang等人，2016年，Jin et al.，2016，Yi等人，2018）。此外，人类驱动的河口地貌变化极大地影响了潮汐河动力学，这可能会导致水环境恶化。
珠江口相关区域（PRE；图1）受到强烈的人类强迫（Luo et al.，2007，Wu et al.，2016）。人类活动改变了海岸线和水深，破坏了浅滩槽的稳定以及冲刷和淤积的交替（Zhang et al.，2015b，Wu et al.，2016）。PRE特别以海水潮汐、沿海水域和淡水流出之间的强烈相互作用而闻名（Cai et al.，2019）。这种源/汇交换增加了PRE的复杂性，并在浮游植物行为中发挥了重要作用（Gan et al.，2014，Gan等人，2010）。PRE及其附近的快速经济发展和人类活动改变了河口动力学，增加了生态系统管理的压力（Wang，2018）。
2.2.珠江水沙流量的长期变化
1974年至2017年间，淡水排放量发生了适度变化（图2A），通过Mann-Kendall趋势测试，泰尔森斜率为?0.277千立方米/年。观测到振幅波动：1974年至1989年期间为279.80千立方米/年；1989年至1998年期间，299.74千立方米/年；1998-2002年期间为268.25千立方米/年；2012-2015年期间为289.04千立方米/年；2015年至2017年期间为330.83千立方米/年。水量与降水量密切相关（R2=0.53，p<0.01，图2C）。
1974年至1989年、1989年至1998年、1998年至2012年、2012年至2015年和2015年至2017年期间，主要由淡水排放携带的年平均输沙量分别为92.04 Mt、73.77 Mt、34.16 Mt、22.87 Mt和115 29.33 Mt（图2B）。大坝建设和航道疏浚截留了大部分沉积物，导致1974年（103.11 Mt/年）至2016年（26.90 Mt/年。
2.3.珠江流域和珠江河口的人类活动
大坝施工。珠江流域已经修建了14000多座水库（Wu et al.，2016）。其中，5%为中大型水库，包括岩滩水库、天生桥水库、飞来峡水库和龙潭水库。这些水库截留了大量的沉积物，并减少了进入PRE的沉积物流量（图2）。
土地复垦。1962年至2010年，LDB总共开垦了306.76平方公里；69%的开垦土地（212.73平方公里）位于西部LDB。具体而言，1962年至1979年间填海55.84平方公里（距离西部LDB 37.84平方公里），1979年至1990年间填海75.54平方公里（来自西部LDB 61.52平方公里）、1990年至2000年间填海116.96平方公里（距西部LDB 82.39平方公里）和2000年至2010年间填海59.42平方公里（离西部LDB 30.98平方公里），以及中山大学河口与海岸研究所。
从1962年到现在，采砂活动也一直在持续（Xie et al.，2015）。为了让大型船只进入LDB，航道疏浚改变了水下地形，导致浅滩变浅，水槽变深（Yao和Wu，2012）。这些疏浚项目直接改变了河口动力学和边界条件（图3），影响了泥沙输移甚至沉积环境（Zhang et al.，2015a）。在1974年至1989年、1989年至1998年和1998年至2012年期间，LDB的水域面积分别下降了43.4平方公里、20.5平方公里和26.1平方公里（图3C）。在这里，我们特别关注1974年、1989年、1998年、2012年和2015年，与可用的数字化海洋图表相对应。
举报/反馈