煙臺海岸帶所在近海低氧形成機制及生態效應方面取得系列研究進展

  健康的海洋生態系統依賴于充足的氧氣供應,當海水中氧氣消耗速度快于補充速度就會導致低氧。海水低氧是危害近岸海域生態系統健康和海洋經濟的全球性問題,高強度人類活動正在使這一問題變得日益嚴重。中國科學院煙臺海岸帶研究所典型河口海灣海島生態系統健康及調控研究組群、中科院牟平海岸帶環境綜合試驗以山東半島北部養馬島附近海域為代表性研究區域,經過多年研究,近海低氧形成機制及生態效應方面中取得系列重要進展。研究團隊相繼Environmental Research、Science of the Total Environment、Chemosphere等刊物發表論文6篇。 

  海域北黃海重要的筏架式扇貝養殖區和底播式海參養殖區,近年來該海域夏季底層水體溶解氧DO濃度過低現象頻繁發生,造成了巨大經濟損失,妨礙了當地海水養殖業的發展。研究團隊聚焦海域日趨嚴的低氧災害問題,通過大量現場觀測,并結合有針對性的實驗室培養實驗,探討了季節性低氧的生消過程及其主要控制機制,評估了DO生源要素碳、氮、磷、硅地球化學循環的影響,揭示低氧災害的生態效應。 

  研究表明,水體層化和扇貝養殖活動的共同作用是導致養馬島附近海域底層水體夏季發生低氧災害的重要因素;持續的高氣溫和低風速是造成該海域水體夏季出現層化的主導因素,扇貝養殖設施引起的水交換減緩水體分層和低氧發生的重要促進因素;溫躍層厚度大于2.5 m、上邊界深度在7.0 m以下的水體更易發生低氧;當底層水體的表觀大于4 mg/L,即使沒有躍層存在也能夠發生低氧,說層化雖然能夠促進底層水體低氧的形成,但并非必不可少(圖1Sun et al., ER 2023, 228: 115810)。溫度是該海域海水中DO季節變化的主要驅動因素,夏季底層水體DO下降速度約為表層水體的3~4,水體耗氧DO支出的主要途徑(圖2Yang et al., MPB 2021, 173: 113092)。 

  扇貝養殖活動對底層水體夏季低氧形成的促進作用還體現在其對有機質遷移轉化的影響。海灣扇貝排泄作用將大量具有高分子量和低腐殖度特征的溶解有機質(DOM)釋放到水柱中,改變了有機質的生物地球化學循環。海灣扇貝在一個養殖周期內6~11月)的排泄過程可使海水中溶解有機碳增加19.7 μmol/L,假設扇貝排泄的DOM不穩定部分被完全耗氧分解,可使養馬島附近海域海水中DOpH分別降低~13.4 μmol/L~0.018Yang et al., STOTEN 2022, 807: 150989,使水體總堿度降低75.7 μmol/kg,從而加速低氧和海水酸化的進程Yang et al., STOTEN 2021, 798: 149214)。 

  上覆水體DO濃度會影響沉積物有機質的好氧和厭氧分解模式,從而主導營養鹽和熒光溶解性有機質(FDOM的釋放。當上覆水體DO > 50 μmol/L時,有利于沉積物銨氮、FDOM的釋放;當上覆水體DO < 100 μmol/L時,會加速沉積物的釋放(圖3)(Yang et al., Chmosphere 2021, 273:129641)。在夏季,低氧通過有機質礦化和鐵結合態磷(Fe-P)還原促進了沉積物上覆水中遷移;相比之下,秋季水體的富氧狀態促進了沉積物Fe/Mn氧化物與磷酸鹽共沉淀形成Fe-P(圖4Yang et al., STOTEN 2021, 759: 143486)。 

  上述論文為中國科學院戰略性先導科技專項(A類)“‘美麗中國生態文明科技工程專項子課題海洋生態環境災害綜合防控技術與示范XDA23050303)的研究成果之一,由我所孫西艷和楊波為第一作者,高學魯和趙建民研究員為通訊作者。研究結果可為近海低氧災害預警預報和環境保護措施制定提供科學支撐,有助于提升我國近海環境災害的預警及應對能力,支持海洋經濟可持續發展。 

   

  1 養馬島附近海域水體層化和底層耗氧對海水DO的影響(α溫躍層強度;β鹽躍層強度;TT溫躍層厚度;TD溫躍層上邊界深度;HT層厚度;HD鹽躍層上邊界深度;AOU表觀耗氧量Sun et al., ER 2023, 228: 115810 

    

   

  2  養馬島附近海域物理和生化過程對海水DO的影響Yang et al., MPB 2021, 173: 113092 

    

   

  3 沉積物在好氧(DO > 100 μmol/L)、-氧(50 < DO < 100 μmol/L)和氧(DO < 50 μmol/L)條件下,營養鹽和有機質的釋放(Yang et al., Chmosphere 2021, 273:129641 

    

  4 低氧與富氧條件下,沉積物中不同形態磷的收支(Yang et al., STOTEN 2021, 759: 143486 

    

  相關論文詳情: 

  1. Sun, X., Gao, X.*, Zhao, J.*, Xing, Q., Liu, Y., Xie, L., Wang, Y., Wang, B., Lv, J., 2023. Promoting effect of raft-raised scallop culture on the formation of coastal hypoxia. Environmental Research, 228: 115810. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013935123006023 

  2. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Xie, L., Liu, Y., Lv, X., Xing, Q., 2022. The impacts of intensive scallop farming on dissolved organic matter in the coastal waters adjacent to the Yangma Island, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 807: 150989. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721060678 

  3. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Xie, L., Lv, X., Xing, Q., 2021. Summer deoxygenation in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area: The decisive role of water temperature, stratification and beyond. Marine Pollution Bulletin, 173: 113092. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X21011267 

  4. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Lui, H.K., Huang, T.H., Chen, C.T.A., Xing, Q., 2021. Massive shellfish farming might accelerate coastal acidification: A case study on carbonate system dynamics in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 798: 149214. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972104287X 

  5. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Xie, L., Lv, X., Xing, Q., 2021. Potential linkage between sedimentary oxygen consumption and benthic flux of biogenic elements in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea. Chemosphere, 273: 129641. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653521001107 

  6. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J., Liu, Y., Gao, T., Lui, H.K., Huang, T.H., Chen, C.T.A., Xing, Q., 2021. The influence of summer hypoxia on sedimentary phosphorus biogeochemistry in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 759: 143486. 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720370170 



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