基于STARS分析的渤海营养状态转换及其生态效应研究

For quite a long time, especially over the last 40 years since the reform and opening up, rapid economic and social development in the BS hinterland has brought tremendous pressure to the ecosystem of the BS, which has led to a series of environmental and ecological effects, then resulting in the significant degradation of the BS ecosystem health and services, and finally severely limited the sustainable development of the economy and society in the peri-BS region. Thereinto, change of trophic state induced by eutrophication is one of the most primary environmental problems, and also one of the main reasons for the continuous deterioration of the BS ecological status. However, previous studies were focused on qualitative description for relationship between changes of trophic state and ecological status in the BS, and lacked quantitative identification of relationship between the trophic state and ecological responses. Based on analysis of historical data, field investigation, simulation experiments and model study, this proposal aims to research on the long-term changes of nutrient in the BS at different time scales (including interannual and interdecadal variations); and to quantitatively differentiate and analyze regime shifts of the trophic state in different areas; and to discuss their driving mechanism; and illuminate the regime shifts of trophic state and their ecological effects in the BS. The results of this work will be helpful to deepen the understanding of trophic state evolution in the BS, and provide scientific basis for protecting and restoring the BS ecosystem structure and function, and for promoting the BS ecosystem services.

长期以来，特别是改革开放40年来，环渤海地区经济社会的快速发展给渤海生态系统带来巨大压力，进而引发了一系列环境与生态效应，导致渤海生态系统健康及服务功能明显退化，严重制约了环渤海社会经济的可持续发展。其中，富营养化引起的营养状态变化是渤海最主要的生态环境问题之一，也是渤海生态状况持续恶化的主要原因之一。然而，以往研究集中于定性描述渤海营养状况与生态状况变化之间的关系，缺乏对渤海营养状态转换与生态响应之间关系的定量判别。因此，本项目聚焦受高强度人类活动影响的渤海，基于渤海历史资料、现场观测、模拟实验与模型分析，研究不同时间尺度（年际与年代际）渤海及各海区营养状态的长期变化规律，定量辨析渤海营养状态转换及其转换节点，并探讨其驱动机制，阐明渤海营养状态转换引发的生态效应。项目成果有助于深化对渤海营养状态演变进程的认识，并为保护和恢复渤海生态系统结构与功能、提升渤海生态系统服务提供科学依据。

近60年来，受人类活动影响，河流入海物质组成和通量变异导致河口生物地球化学过程发生变化，进而引起河口和近海生态系统结构和功能的变异。本项目以我国唯一的半封闭内海-渤海为例，系统论述了其营养状态的转换及引发的生态效应。研究表明，自20世纪50年代末到2010年代中期，渤海水体中DIN的浓度增加了约7倍，同期DIP和DSi的浓度则从20世纪50年代末到90年代初下降，此后又开始上升。莱州湾、渤海湾、辽东湾及渤海中部海域变化有所差异。辽东湾和渤海中部的DIN上升幅度相对较莱州湾慢，渤海湾上升最快。营养盐浓度的不同步变化导致了其结构的变化，进而引发了一系列生态环境效应。自20世纪60年代初至2010年代中期，渤海浮游植物生物量增加了6倍，浮游植物群落比例则由硅藻为主逐渐向甲藻为主转变，浮游动物的成年个体有所减少，大型底栖动物的群落结构发生变化且逐渐小型化，对环境污染耐受性较高的多毛类逐渐成为优势种。赤潮在20世纪80年代以前鲜有发生，20世纪90年代以来非周期性和周期性赤潮频发，且赤潮肇事物种多样化、有害化。综上，渤海生态系统从20世纪90年代中期以前营养盐和初级生产力低的氮限制贫营养状态逐渐转变为20世纪90年代营养盐含量较高，初级生产力升高的无营养限制中度营养状态，而进入21世纪后，则转变为水体营养盐含量较高，初级生产力进一步升高的磷限制富营养状态。研究结果可为开展营养盐周期性常规监测、评估以及维护渤海生态系统健康奠定基础，同时为渤海污染治理计划的实施提供理论依据，以保障渤海生态系统健康可持续发展。