大气沉降和河流径流,如何促进沿海地区磷的利用
在沿海生态系统中,溶解有机磷 (DOP) 在维持海洋生物方面发挥着至关重要的作用。大气沉降和河流径流已成为 DOP 动态的重要因素,影响其在沿海水域的生物利用度和循环。
最近的一项研究,强调了这些外部营养输入在通过改变溶解无机磷 (DIP) 的可用性来刺激 DOP 的生物利用方面的重要性。
磷在海洋中的作用
磷是海洋生态系统中的关键营养物质,通常会限制沿海水域的初级生产。虽然溶解无机磷 (DIP) 传统上被认为是生物利用度最高的形态,但溶解有机磷 (DOP) 的作用越来越受到关注。DOP 包括多种磷化合物,这些磷化合物不能立即被生物吸收,但在适当的条件下可被微生物利用。
沿海海洋的 DOP 供应受到多种因素的影响,包括大气沉降和河流径流。这些来源尤其令人感兴趣,因为它们代表了自然和人为的投入。大气沉降是指空气中的颗粒物(包括气溶胶)沉积到地球表面的过程,通常会将营养物质输送到很远的距离。另一方面,河流径流涉及从陆地流向海洋的水,携带来自农业、工业和自然来源的营养物质。
大气沉降在 DOP 利用中的作用
大气沉降在沿海水域磷的生物地球化学循环中起着重要作用。气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒,可以携带磷酸盐化合物形式的磷。这些气溶胶通过湿沉降和干沉降过程沉积在陆地和海洋表面。在沿海海域,大气沉降物通常富含营养物质,包括氮和磷,这些营养物质既有自然来源,也来自人类活动(例如工业排放等)。
多项研究表明,大气沉降可以刺激沿海生态系统对 DOP 的生物利用。气溶胶(尤其是富含氮和磷的气溶胶)的添加,可以促进能够将 DOP 转化为生物可利用形式的微生物的生长。这一过程通常与 DIP 的消耗有关,而 DIP 是许多海洋生物首选的营养形式。因此,在大气沉降条件下 DOP 可用性的增加可以显著改变沿海水域的营养动态。
河流径流及其对 DOP 循环的影响
河流径流是沿海生态系统营养物质(包括磷)的另一个重要来源。径流是指水从陆地流向海洋的过程,它可以携带各种物质,包括溶解和颗粒营养物质、有机物和污染物。河流径流的营养成分受土地利用方式的影响,农业径流是沿海水域无机磷和有机磷的主要来源。
近年来,研究表明,河流径流可以刺激沿海海域 DOP 的生物利用,类似于大气沉降的影响。河流水的流入通常含有高浓度的溶解有机物 (DOM),可以增强沿海地区的微生物活动,促进 DOP 的分解和吸收。径流中提供的有机物提供了额外的营养来源,有助于支持利用 DOP 作为主要磷源的微生物的生长。
沿海生态系统中 DOP 的利用机制
沿海生态系统中 DOP 的生物利用主要由微生物(包括细菌和浮游植物)驱动,这些微生物能够将 DOP 水解为生物可利用的无机磷。这些微生物拥有酶,例如磷酸酶,可将有机磷化合物分解为磷酸根离子,然后生物体可以吸收这些磷酸根离子用于生长和代谢。
在沿海海域,氮和磷含量升高(无论是来自大气沉降还是河流径流)都会刺激微生物活动并增强磷的生物循环。当 DIP 变得有限时(贫营养(低营养)水域中经常出现这种情况),微生物更有可能转向 DOP 作为替代营养源。这种转变是由特定酶和生化途径的存在促成的,这些酶和生化途径允许将 DOP 分解成更易利用的形式。
由于气溶胶和河流径流的营养输入,DIP 的消耗也可能创造一种环境,其中 DOP 成为有效磷的主要形式。这种转变对沿海生态系统的结构和功能具有重要意义,因为不同形式磷的可用性会影响群落组成和初级生产力。
新的研究发现
中国海洋大学深海多圈层与地球系统前沿科学研究中心, 海洋环境与生态教育部重点实验室主导的一项研究,探索了大气沉降和河流径流在溶解有机磷 (DOP) 利用中的作用,研究人员通过将微观实验与全局方法相结合来解决这一知识空白。
研究发现,气溶胶和河水的加入主要通过增加氮浓度消耗 DIP 来刺激沿海海域 DOP 的生物利用,从而促进浮游植物的生长。因此,这种“人为氮泵”被确定为使 DOP 成为沿海海域浮游植物磷的重要来源,但前提是叶绿素a与 DIP 的比率 [Log 10 (Chl a / DIP)] 大于 1.20。
最近的研究表明,人为氮输入可能有助于沿海海域的磷循环。这些外部营养输入刺激了沿海生态系统对 DOP 的利用。这项研究解决的关键问题是气溶胶和河水的加入如何影响 DOP 的生物吸收,主要是通过消耗 DIP。
DOP 利用的生态意义
刺激沿海海域 DOP 的利用具有几个重要的生态意义。首先,它可能在传统磷源(例如 DIP)有限的地区提高初级生产力。在这样的环境中,微生物利用 DOP 的能力可以支持浮游植物和其他初级生产者的生长,这些初级生产者构成了海洋食物网的基础。初级生产力的提高可能会对更高的营养级产生连锁效应,包括浮游动物、鱼类和海洋哺乳动物。
其次,DOP 利用率的提高可能会改变沿海水域微生物群落的组成。不同微生物群落利用 DOP 的能力各不相同,营养物质供应的变化可能有利于某些物种的生长。这种转变可能会导致微生物群落整体结构的变化,从而可能影响生态系统的功能和恢复力。
最后,由于大气和河流输入,DOP 利用率的提高也可能对沿海生态系统的养分循环产生影响。通过促进 DOP 的分解,这些外部养分输入可以帮助维持 DIP 稀缺地区的磷循环。
思考
N :P比率对 DOP 循环的影响尚不清楚,鉴于大气沉降和河流径流为沿海生态系统贡献氮和磷,N :P平衡在刺激或限制 DOP 利用方面究竟起什么作用?过量的氮会增强还是抑制海洋微生物对磷的吸收?
参考文献:Haoyu Jin, Chao Zhang, Siyu Meng, Qin Wang, Xiaokun Ding, Ling Meng, Yunyun Zhuang, Xiaohong Yao, Yang Gao, Feng Shi, Thomas Mock & Huiwang Gao ,Atmospheric deposition and river runoff stimulate the utilization of dissolved organic phosphorus in coastal seas. Nature Communications volume 15, Article number: 658 (2024) ,doi.s41467-024-44838-7
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