葡萄牙里亚福尔摩萨浅海泻湖中溶解氧和净生态系统代谢的季节性、空间性及高频监测

　　本研究评估了葡萄牙Ria Formosa潟湖溶解氧（DO）动态与净生态系统代谢（NEM），发现DO季节性变化由光合作用和呼吸作用主导，受潮汐和水动力调节。边缘区域因植被覆盖更显著，DO日变化更大且NEM异质性更强，西端以生产为主，东端多为消耗。内区NEM长期接近平衡，但需高频监测应对气候变化。

　　
本研究以葡萄牙南部拉布拉多沿海潟湖（Ria Formosa）为对象，系统分析了溶解氧（DO）动态及净生态系统代谢（NEM）特征，揭示了该生态系统在时空尺度上的复杂行为及其环境驱动机制。研究整合了短时（24小时）与长期（2.5年）监测数据，采用开放水体法和瓶培养法两种互补方法，结合环境参数与海洋动力学过程，构建了多维度分析框架。

### 1. 研究背景与意义
拉布拉多潟湖作为典型半日潮（mesotidal）沿海生态系统，其独特的物理结构（平均深度2米，潮差1.5-3.5米）和生物特征（如海草床和盐沼植被）使其成为研究海岸带物质循环与能量平衡的理想对象。研究显示，DO浓度与NEM状态直接关联生态系统生产力、碳氮循环及生物多样性。当前全球海洋溶解氧持续下降（Breitburg et al., 2018），而拉布拉多潟湖作为受陆源污染和气候变化双重压力的敏感区域，其代谢特征对沿海生态系统管理具有重要参考价值。

### 2. 研究方法与数据获取
研究采用三站点分层观测系统：西界站（PF，近岸浅滩）、东界站（CV，盐沼密集区）和内区站（CC，深水商业码头）。通过以下技术手段实现多尺度监测：
- **短时高分辨率观测**：在四个季节分别开展24小时连续监测（PF夏季2019.9，CV冬季2023.3），结合潮汐周期（春/夏/秋/冬潮差差异达2米）
- **长期动态记录**：内区站（CC）部署实时观测系统（2017.6-2020.3），获取83,781个15分钟间隔的DO数据
- **环境参数同步监测**：包括水温（日变化±5℃）、盐度（28-35‰）、叶绿素a（0.5-5 mg/m3）、悬浮物（50-200 mg/L）等，采用YSI EXO2多参数探头实现实时同步测量

### 3. 关键研究发现
#### 3.1 溶解氧时空分布特征
- **季节差异**：冬季DO饱和度最高（92-94%），夏季最低（45-60%），与水温正相关（r=0.78，p<0.01）
- **空间梯度**：西界站（PF）DO日波动幅度达50-200%，东界站（CV）因盐沼植被覆盖，DO昼夜差异较小（20-50%）
- **潮汐效应**：春潮期间PF DO峰值达197%，秋潮时CV最低仅16%（对应1.2 mg/L，接近缺氧阈值）

#### 3.2 净生态系统代谢（NEM）评估
- **方法学差异**：开放水体法计算的NEM显著高于瓶培养法（均值差约300 mmol/m2·d），主要因后者未考虑：
- 潮汐驱动的水体交换（日更新量达50-75%）
- 风动力氧交换（风速>5 m/s时贡献率提升至12%）
- 底泥呼吸与沉积物-水体耦合过程
- **空间代谢格局**：
- **PF（西界）**：全年呈现弱自养（NEM 57-215 mmol/m2·d），夏季因上升流事件达到最高自养水平
- **CV（东界）**：冬春季异养（NEM -38至-130 mmol/m2·d），秋季因盐沼植被光合作用短暂正向代谢
- **CC（内区）**：长期微异养（年均NEM -0.9 mmol/m2·d），日波动幅度0-14 mg/L，显示强代谢平衡

#### 3.3 关键驱动机制
- **物理过程主导**：潮汐交换（潮差2米导致日水体置换率>70%）和上升流事件（春夏季频发）对DO浓度影响权重达45%
- **生物地球化学耦合**：
- 盐沼植被（如海草Zostera noltei）在东界形成光合屏障，贡献日间20-30%的氧生产
- 潮间带沉积物（有机质占比35-45%）在低氧期（春潮）触发剧烈厌氧分解
- 水体氮磷比（N:P=10:1）驱动硅藻类夜间光合作用，形成独特的"生物钟"代谢模式

### 4. 管理启示与未来挑战
- **生态安全阈值**：研究显示DO临界值（5 mg/L）在拉布拉多潟湖尚未突破，但东界站春潮期间曾出现3次短时缺氧（<2 mg/L）
- **方法选择建议**：
- 短时评估推荐开放水体法（误差<5%）
- 长期监测需结合高频DO数据与遥感反演（如MODIS叶绿素产品）
- **气候变化应对**：
- 模拟显示未来升温1.5℃可使冬季DO饱和度下降至85%（当前为92%）
- 潮汐通道淤积风险（如Cacela inlet近30年淤积速率达0.3 m/年）可能加剧局部缺氧
- **监测体系优化**：建议建立"三站联动"观测网（每站配备DO-CHL-T-SS多参数传感器），结合潮汐预测模型（如OTIS全球潮汐解算）实现动态风险评估

### 5. 理论创新与实践价值
本研究突破传统单站短时观测局限，首次实现：
1. **多尺度代谢解析**：通过24小时（短时）与2.5年（长期）数据对比，揭示潮汐-生物耦合的NEM年际振荡周期（约3年）
2. **方法学验证**：建立开放水体法与瓶培养法的误差修正模型（R2=0.91），误差主要来自：
- 瓶培养法低估水体交换（潮差2米时误差达18-25%）
- 风动力氧交换未计入（风速>5 m/s时系统误差+12%）
3. **管理工具开发**：基于PCA降维分析（累计方差59%），构建"物理-生物"双因子评估指数（PBEI），可预警未来3-5年可能发生的NEM反转风险

### 6. 研究局限与拓展方向
- **数据盲区**：2018年秋季因传感器故障缺失2周数据（占全年观测15%）
- **模型验证需求**：需增加同类型潟湖（如西班牙拉戈伊拉、巴西帕托斯潟湖）对比研究
- **新兴技术整合**：建议将合成孔径雷达（SAR）潮汐预测（精度达±5 cm）与浮标组网（每平方公里1个监测点）结合，实现分钟级NEM动态模拟

本研究为半日潮沿海生态系统管理提供了重要范式，其方法体系（"3+1"监测模型）已成功应用于亚速尔群岛、西西里岛等6个地中海沿岸潟湖，未来可拓展至红树林和珊瑚礁生态系统研究。