人工上升流和硅藻食物网，对海洋生态系统的益处和挑战

硅藻是一种在营养丰富的海水中茁壮成长的藻类，在海洋生态系统中发挥着至关重要的作用。硅藻以其捕获二氧化碳并通过光合作用产生有机物质的能力而闻名，是海洋食物网的基础。鉴于其在初级生产中的核心地位，硅藻经常被认为是通过人工上升流（这一过程涉及富含营养物质的深海水向上移动）改善海洋生态系统的潜在解决方案。然而，硅藻与海洋生态系统之间的关系很复杂，因为它们既是改善海洋食物网的英雄，又是阻碍。

一项新的研究探讨了硅藻在人工上升流系统中的作用，分析了它们对食物网动态的贡献、在碳封存和生态系统生产力方面的好处，以及它们对营养效率和渔业带来的挑战。

什么是人工上升流？

人工上升流涉及将深层、营养丰富的水机械地引入海洋表面。这一过程通常用于模拟自然上升流，即风驱动的洋流将氮、磷和铁等营养物质从深层带到表面的现象。这些营养物质促进了浮游植物（包括硅藻）的生长，而硅藻是海洋食物网的关键参与者。

人工上升流背后的理念是通过增加浮游植物的丰富程度来提高海洋生产力，而浮游植物又反过来支持更高营养级的生物，如浮游动物和小鱼。最终目标是通过增加依赖浮游生物获取营养的鱼类种群来改善海洋生态系统。理论上，初级生产力越高，海洋生物可获得的食物就越多，从而带来更强劲的渔业。

硅藻是一类浮游植物，在营养丰富的地区尤为丰富。它们能高效地进行光合作用，对海洋初级生产力贡献巨大。这些微小植物对海洋食物网至关重要，是浮游动物和小型远洋鱼类的食物来源，而这些食物又为大型鱼类和其他海洋捕食者提供了食物。

在人工上升流的背景下，硅藻通常被视为提高海洋生产力的理想候选者。通过带来营养丰富的水，人工上升流可以创造促进硅藻生长的条件，从而可能导致依赖硅藻的鱼类种群增加。然而，硅藻在人工上升流中的作用并不完全直接。虽然它们可以促进初级生产力，但它们在支持海洋食物网方面的有效性有限。

硅藻在海洋生态中的重要作用

硅藻因其在初级生产力中发挥的核心作用而被视为保障海洋生态系统的英雄。当营养丰富的水通过人工上升流被带到地表时，硅藻就会大量繁殖，因为它们的生长需要大量的氮和磷等营养物质。它们的快速生长可以增加海洋中初级生产者的总生物量，这是整个海洋食物网的基础。

除了支持海洋食物网外，硅藻在全球碳循环中也发挥着至关重要的作用。它们在光合作用过程中能高效吸收大气中的二氧化碳，有助于缓解气候变化。硅藻产生的有机碳通常会在它们死亡并下沉时转移到深海，这一过程被称为生物泵。这有助于将碳封存在深海中，防止其重新进入大气层。

鉴于碳封存对缓解气候变化的重要性，通过人工上升流增加硅藻种群可能有助于解决全球气候问题。这种双重好处——增强海洋食物网，同时有助于缓解气候变化——使硅藻成为旨在同时解决海洋食物网和气候挑战的人工上升流战略的重要组成部分。

硅藻对食物网效率的阻碍

虽然硅藻具有显著的好处，但它们在人工上升流中的作用并非没有挑战。其中一个关键问题是它们对海洋食草动物的营养价值相对较低，这影响了食物链中能量传递的效率。

尽管硅藻具有很高的初级生产力，但它们并不总是浮游动物的有效食物来源。研究表明，与其他类型的浮游植物相比，硅藻的营养价值可能较低。这是因为硅藻通常会产生大量的二氧化硅来构建细胞壁，这一过程会使它们的生物量难以被食草动物消化。这种低营养价值降低了能量从硅藻转移到更高营养级的效率，包括小型远洋鱼，而小型远洋鱼是渔业的主要目标。

因此，在人工上升流系统中，硅藻的增殖可能导致初级生产力增加，但浮游动物或小鱼的数量却不会相应增加。初级生产力与较高营养级从中受益的能力之间的脱节是利用硅藻加强海洋食物网中面临的重大挑战。如果不能有效地将能量转移到浮游动物和鱼类身上，人工上升流可能无法实现提高海洋食物网和渔业生产力的目标。

除了对食草动物来说营养价值低外，硅藻还会损害海洋生态系统的营养效率。营养效​​率是指从一个营养级转移到下一个营养级的能量比例。理想情况下，初级生产力的提高应该导致较高营养级（如浮游动物和鱼类）种群的比例增加。然而，硅藻可以通过减少初级生产力向这些生物的转移来破坏这一过程。

最新的研究发现

GEOMAR 亥姆霍兹基尔海洋研究中心一项最新的研究，研究人员模拟了上升流场景，这些设置能够精确监测硅藻反应、营养动态和营养相互作用。

研究发现，硅藻表现出显著的生理可塑性，能够调整其营养吸收策略以应对营养供应中对硅的依赖，这种适应性凸显了它们对人工上升流引起的营养波动的适应性。在人工上升流条件下，硅藻不是桡足类浮游动物的最佳食物来源，主要是因为它们的碳氮比高，这种不平衡限制了食物网中能量的​​转移，影响了营养效率。

研究强调，提高食物网生产力不仅需要增加初级生产力，还需要提高食物质量。由于能量转移效率低下，硅藻驱动的上升流系统对鱼类和鱿鱼等较高营养级的产量提高有限。

研究结果表明，硅藻在海洋食物网的运作中发挥着核心作用，它们通过人工上升流改善海洋生态的潜力巨大。然而，它们对浮游动物的营养价值低，对营养效率的影响也带来了挑战，必须解决这些挑战才能充分发挥它们的潜力。通过优化人工上升流策略并专注于改善通过食物网的能量转移，我们可能能够增强硅藻的益处，同时减轻它们的阻碍。

优化人工上升流

为了最大限度地发挥硅藻在人工上升流系统中的潜在优势，必须解决它们存在的局限性。一种方法是专注于优化上升流系统中占主导地位的浮游植物类型。虽然硅藻通常是营养丰富的水域中的主要群体，但其他类型的浮游植物，如甲藻或蓝藻，可能为海洋食草动物提供更高的营养价值。

另一种方法是管理人工上升流发生的条件。通过仔细控制营养成分和上升流事件的时间，可能可以促进更多种类浮游植物的生长，从而提高生态系统的整体营养效率。这可以增强从初级生产者到更高营养级的能量转移，从而改善海洋食物网的结果。

最后，将人工上升流与其他海洋管理策略相结合，有助于应对海洋生态系系统面临的更广泛挑战。通过采取更全面的方法，有可能减轻硅藻带来的阻碍，同时最大限度地发挥其对食物网功能的积极影响。

思考

在人工上升流系统中，什么机制限制了能量从硅藻向更高营养级的转移？在特定条件下硅藻是否可以成为浮游动物和鱼类的更优质食物来源？不同的营养物比例（例如氮、磷、硅）如何影响硅藻生产力和物种组成？人工上升流系统中的精确营养管理是否可以缓解营养失配并优化能量转移？人工上升流系统中的硅藻对垂直碳通量的贡献程度有多大？下沉速率和聚集动力学等物理因素如何影响硅藻介导的碳输出？

参考文献：Silvan Urs Goldenberg, Carsten Spisla, Nicolás Sánchez, Jan Taucher, Kristian Spilling, Michael Sswat, Anna Fiesinger, Mar Fernández-Méndez, Bernd Krock, Helena Hauss, Jacqueline Haussmann & Ulf Riebesell ，Diatom-mediated food web functioning under ocean artificial upwelling.  Scientific Reports volume 14, Article number: 3955 (2024) ，doi.s41598-024-54345-w

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