渤海湾及其邻近海域营养环境的百年变化特征和浮游植物的响应机制—结合氨基酸稳定同位素技术的多参数综合判定方法

Long-term variation of ecological environment in the Bohai Sea is one of the major concerns of the government and scientists. The limited and discontinuous researches are difficult in explaining the history variation of nutrient environment and related ecological response. In this study, multi-parameter (including traditional elements, bulk stable isotopes, pigments, diatom frustules, dinoflagellate cysts, together with the stable isotope of amino acid) analysis of sediment cores were used to reconstruct the variation history of nutrient environment, nutrients and organic matter sources, and response of primary production of the Bohai Bay and its adjacent areas during the last 100 years. The study will give the environmental background, timeline and dominant causes of nutrients and phytoplankton variation in the study area. Discriminate the temporal and spatial influence of different human actives and confirm the role of stable isotope of amino acid in tracing the long term variation of coastal environment. This study will give a significant contribution to understand the changing process of biogeochemical cycle, fishery and second primary production in the Bohai Sea.

渤海生态环境的长周期变化一直是政府和科研人员关注的热点问题，但有限而不连续的现场水体观测资料仍难以全面解析渤海营养环境变化和生态响应的历史过程。基于此，本项目利用古海洋学手段，采用结合氨基酸稳定同位素技术的多参数示踪方法（元素和同位素分析、色素生物标志物分析、沉积物硅、甲藻分析），通过对百年尺度沉积物柱样的分析，重建渤海湾及其邻近海域营养环境的百年变化过程、营养盐和有机质来源、以及初级生产者的响应规律。阐明营养环境的本底值、营养盐和浮游植物变化的时间节点和关键驱动因子、探寻不同人类活动对研究海域环境影响的时空特异性、确立氨基酸稳定同位素分析在多参数示踪长周期近海环境变化中的作用。研究对解释渤海水体的生物地球化学过程、次级生产力和渔业资源的变动等具有重要参考价值。

本项目的研究目的为利用古海洋学手段，采用多参数耦合的示踪方法，通过对百年尺度沉积物柱样的分析，重建渤海湾及其邻近海域化学环境百年变化过程和浮游植物的响应，阐明营养盐和浮游植物变化的时间节点和关键驱动因子，探寻人类活动对海域环境的影响。研究在明晰了渤海及其邻近海域水体营养盐和浮游植物空间、季节和年际变化的基础上，对海域四根百年沉积物柱样的碳氮含量及其总稳定同位素和氨基酸同位素、生物硅、浮游植物色素、沉积硅藻和甲藻孢囊等多参数指标进行分析，结合PCA、Cusum和STARS统计方法定量确立了海域化学环境和浮游植物变化的时间节点。研究发现，受黄河水沙输入影响明显的两根柱样存在两个突变点，一个出现在1850s，受黄河改道影响，对应甲藻生物量和半咸水种的增加以及海水种的降低；而另一个出现在1970s后，受改革开放人类活动营养盐（主要是氮营养盐）输入影响，呈现硅藻小型化，有害藻华物种和富营养化物种增加的变化。而受黄河影响较弱海域的两根柱子，则仅出现了1970s的突变节点。研究进一步证明了多参数耦合指示环境和生态变化的有效性和可靠性，不仅对于掌握海洋中碳的生物地球化学循环过程，回溯古海洋环境及生态环境变化具有十分重要的意义，而且可为预测环境变化下浮游植物的响应，制定合理的海洋管理政策提供有效的科学参考。研究建立了沉积物氨基酸碳、氮稳定同位素实验室分析技术平台，并通过沉积物柱样氨基酸同位素的分析选取了可靠的指示氨基酸，细化了不同氨基酸对环境的指示作用，提高了稳定同位素指示的可靠性。研究成果发表于“Journal of Cleaner Production”，“Marine Pollution Bulletin”，“Ecological Indicators”等国际主流期刊。