东亚气溶胶沉降背景下东海浮游植物群落演变特征探究

Due to intensifying human activities, how the increasing amount of atmospheric deposition influences the marine ecosystem has received increasing attention. The East China Sea is close to Yangtze River Delta and affected prominently by the transportation of the East Asian aerosols. Thus, exploring the response of phytoplankton to aerosol deposition is critical for us to evaluate the dynamics of the marine food web and the stability of the ecosystem. However, research on this issue is still in its infancy, and many questions are waiting to be answered. In this project, aerosol addition experiments in combination with high-throughput sequencing and microscopic and flow cytometric techniques will be carried out in the East China Sea to study: 1) the response of phytoplankton diversity and community composition to different scales of aerosol deposition events; 2) the most responsive phytoplankton species to aerosol input and the critical elements in the aerosols that affect the phytoplankton abundance and community structure; 3) the response of existing and active phytoplankton community structure to aerosol deposition in different regions with various trophic status. This project will provide a scientific basis for assessing the community structure of phytoplankton and their future trends under future scenarios of changing aerosol deposition. It will be also helpful in evaluating the coupling relationship between phytoplankton diversity and aerosol inputs, as well as the ecological health of the East China Sea.

全球范围内大气气溶胶沉降如何影响海洋生态系统已成为海洋学领域日益关注的问题。东海毗邻我国四大灰霾区之一的长江三角洲，严重受东亚气溶胶传输的影响，因此探寻气溶胶沉降下该海域浮游植物多样性和群落演变规律对完整了解微食物网结构、评估海洋生态系统健康与稳定性等具有明确的学术价值与应用前景。国内关于此问题的研究仍在起步阶段，许多未知问题等待解答。本项目拟选取东海为研究海域，采用现场气溶胶添加培养实验结合高通量测序和显微观测等方法，开展下列研究：1）探讨典型水域浮游植物多样性和群落结构对不同程度气溶胶沉降事件的响应、变化和演替规律；2）探寻东亚气溶胶中的关键作用元素和沉降后的关键响应种群；3）探寻现存和活跃的群落组成在不同海区的响应特征。该工作将为未来气溶胶沉降改变的前景下评估浮游植物群落结构及其变化趋势提供数据支持；也为评估东海生态健康、阐明气溶胶输入与浮游植物生物量和多样性耦合关系提供科学依据。

大气沉降是陆源污染物由大陆输送至海洋的重要途径，也是上层海洋中营养物质的主要外界来源之一，对全球的生物地球化学循环有着重要影响。在东亚气溶胶沉降的影响下，中国边缘海已成为世界上接受大气氮、铁、其他痕量金属沉降最高的海域之一。本项目围绕中国近海浮游植物多样性和群落结构对东亚气溶胶输入的响应特征这一关键科学问题展开,通过在东海、南海等海域开展原位海水培养实验，评估了东亚气溶胶沉降对浮游植物的影响，获得了以下研究成果：1）以人为来源为主的东亚气溶胶携带大量的无机营养盐(尤其是氮)和金属元素，并具有极高的N/P。气溶胶添加伴随大量无机氮的输入和利用，可能导致寡营养海水中磷相对不足，造成N/P的改变，浮游植物由氮限制转变为磷限制。2）气溶胶沉降显著提高了培养海水中的叶绿素a浓度，同时改变了寡营养海域浮游植物的粒径结构和群落结构，使群落中的优势类群由适应寡营养环境的原绿球藻等微微型浮游植物转变为以硅藻为代表的微小型浮游植物。该改变进一步导致物种丰富度、均匀度和多样性的改变。3）对气溶胶响应较为显著的关键浮游植物类群主要为原绿球藻、聚球藻、硅藻、甲藻、定鞭金藻、和金藻等。4）气溶胶的效应与沉降量以及沉降海域营养状况密切相关。低浓度气溶胶（0.2mg/L）比高浓度气溶胶（1mg/L）和单一无机氮添加的促进作用更强，说明低浓度气溶胶中除与无机氮添加组相等浓度的氮外，其携带的铁等其他营养物质也发挥了重要作用；然而高浓度气溶胶输入可能会导致过高的铜和铅等重金属浓度从对某些类群浮游植物生长产生负效应。此外，群落多样性和组成在寡营养海域变化更为显著。5）气溶胶输入改变了浮游植物的生理状态，真核浮游生物的互作关系和共发生网络，以及原核生物多样性和代谢功能。以上改变可能对中国近海生物泵的效率和碳循环有着重要影响。本项目为评估增多的人类活动和大气沉降背景下的浮游植物群落结构及其变化趋势提供科学依据。