大气尘埃对东阿拉伯海热带海洋生态系统中的浮游植物动态和初级生产力的影响

《Marine Pollution Bulletin》：Impact of atmospheric dust on phytoplankton dynamics and primary productivity in the tropical marine ecosystem of the Eastern Arabian Sea

　　大气尘埃沉积显著提升印度西海岸沿海初级生产力，改变浮游植物群落结构，导致硅藻向浮游单细胞蛋白优势转变。

　　
印度西海岸大气尘埃沉积对海洋初级生产力及浮游植物群落的影响研究

摘要
本研究首次在印度西海岸六处不同生境区域开展为期七天的微宇宙实验，系统揭示了大气尘埃沉降对近岸生态系统产生的多维度影响。实验发现，尘埃沉积使水体硝酸盐浓度提升99%，磷酸盐浓度增加94%，同时导致海水pH值下降0.088-0.205个单位。这种营养富集效应显著改变了浮游植物群落结构，表现为硅藻优势期向 Picophytoplankton 主导期转变，伴随物种多样性下降但个体数量激增。生态监测数据显示，尘埃输入引发的短期营养脉冲直接导致初级生产力提升160%，这种增强效应与营养元素吸收效率存在显著正相关。

研究区域涵盖古吉拉特邦至喀拉拉邦的5个沿海州，总面积约2497.5公里。地理环境差异显著：古吉拉特邦拥有复杂的 Gulf of Kutch 和 Gulf of Khambhat 地貌结构，而喀拉拉邦则以狭窄的笔直海岸线为特征。人口密度在 Kochi 周边达到峰值，约1500万人口集中于200公里海岸带。这种地理和人文环境的多样性为研究尘埃沉积效应提供了天然实验场。

大气源解析表明，不同区域尘埃组成存在显著差异。孟买和果阿主要受海洋气团影响，而 Veraval、Mangalore、Kochi 和 Kanyakumari 的尘埃则呈现明显陆源特征，主要源自东海岸季风区。尘埃中总悬浮颗粒物（TSP）浓度呈现梯度分布，最高达209±17μg/m3（Veraval），最低53±26μg/m3（Kochi），这种空间异质性直接影响实验结果。

实验设计采用多站点同步控制试验，通过添加不同比例的大气尘埃模拟自然沉积过程。发现尘埃输入后水体 immediately 产生化学响应：硝酸盐/磷酸盐浓度峰值出现在48小时内，pH下降幅度与尘埃负载量呈正相关。这种快速响应揭示了尘埃作为外源营养输入的独特机制，区别于传统陆地径流或地下水输入的滞后效应。

浮游植物群落演变呈现典型双相演替模式。初始阶段以 Thalassiosira sp. 和 Chaetoceros sp. 硅藻群为主，占优势期约72小时。随着营养盐持续富集，出现硅藻群优势期向 Picophytoplankton（如 Chroomonema、Emiliania）主导的转换。显微分析显示， picophytoplankton 个体数量在尘埃处理组较对照组增加380%，而硅藻群相对丰度下降至35%以下。这种转变与叶绿素a浓度动态密切相关，其峰值较对照组提高2.3倍。

生态监测发现 pH 下降与生产力提升存在矛盾但协同的关系。虽然水体酸化指数上升0.088-0.205，但初级生产力提升160%的关键在于尘埃携带的磷元素被有效吸收。实验组水体总磷含量较对照组提高89%，而硝酸盐利用率增加至对照组的2.7倍。这种营养吸收效率的提升可能源于尘埃颗粒携带的纳米级磷酸盐颗粒更易被浮游植物细胞膜吸收。

研究创新性体现在三个方面：首先建立多站点微宇宙实验平台，覆盖从内陆河三角洲到珊瑚礁海岸的不同生境；其次开发基于气溶胶轨迹分析（AMBT）的源解析技术，实现尘埃输入路径与生物响应的时空关联；最后首次揭示印度洋季风区尘埃沉积引发的"营养-酸度-生产力"耦合效应。该机制为解释东亚夏季风期间阿拉伯海海域生物地球化学过程提供了新视角。

在海洋生物地球化学循环方面，本研究证实了尘埃沉积作为关键外源营养输入途径。实验组水体氮磷硅比值（N:P:Si）从1.2:0.8:5.5优化至1.5:1.2:6.0，更接近浮游植物理想营养比例。这种优化使硅藻群落的硅吸收效率提升40%，而 picophytoplankton 的氮磷同化速率提高2.8倍。

生态效应评估显示，虽然物种多样性指数（Shannon）从3.2降至2.1，但优势物种更替使生物量浓度提升。浮游植物生物量在处理组达到12.7mg/L，较对照组提高3.2倍，其中 picophytoplankton 占比从15%跃升至58%。这种结构转变可能改变食物网基础，导致桡足类等次级生产者的数量级提升。

应用价值方面，研究结果为海岸带管理提供重要依据。建议在尘埃输入量大的区域（如Veraval）建立动态监测网络，重点关注 picophytoplankton 的爆发阈值。同时需警惕 pH下降对珊瑚礁的潜在影响，建议后续研究追踪酸化效应的生态阈值。在渔业资源评估方面，需重新审视浮游植物群落结构转变对渔获量的影响，传统生产力估算模型可能低估 picophytoplankton 的贡献。

研究局限性与改进方向：实验周期仅7天，不足以完全揭示群落演替的长期效应；未考虑海洋内源营养（如 SGD）的协同作用；对尘埃中重金属污染的生物放大效应缺乏评估。后续研究建议延长实验周期至30天，结合同位素示踪技术解析营养来源贡献率，并开展生物毒性实验评估重金属风险。

该研究通过多站点、多维度观测，完整揭示了大气尘埃输入对近岸生态系统的调控机制。其成果不仅补充了海洋大气化学研究体系，更为全球变暖背景下尘埃沉降量增加导致的海洋生产力变化提供了区域尺度的科学依据。研究数据已纳入"Mission Mousam"国家项目数据库，可供后续气候模型参数化使用。