Ocean deoxygenation caused non-linear responses in the structure and functioning of benthic ecosystems  

海洋脫氧引起底棲生態系統結構和功能的非線性響應  

來源：Global Change Biology WILEY  

《全球變化生物學》（威利出版社）

 

摘要內容：  

摘要指出全球海洋氧氣含量因人類活動和氣候變暖持續下降，但長期脫氧對底棲生物群落、沉積物生物地球化學及其相互反饋的影響尚不明確。研究以加拿大圣勞倫斯灣和河口（EGSL）的底部溶解氧梯度為對象，發現當氧氣濃度低于約63μM時，大型底棲動物群落組成和生物擾動率（如生物擴散系數和生物灌溉系數）呈現非線性下降，導致沉積物中有機質代謝的電子受體序列向表層壓縮，還原化合物積累于更接近沉積物-水界面處（0.5-2.5 cm）。這表明底棲生物通過生物擾動緩沖低氧對生物地球化學的影響，但低于閾值時功能喪失，為預測未來海洋脫氧的影響提供依據。

 

研究目的：  

探究長期脫氧對底棲生物群落結構、生物擾動活動和沉積物生物地球化學功能的影響，識別關鍵氧氣閾值，闡明脫氧對生態系統功能的非線性響應機制。

 

研究思路：  

利用EGSL底部水體天然存在的持久性氧氣濃度梯度（從相對富氧的灣部到嚴重缺氧的河口頭部），采用“空間換時間”范式，沿梯度采集沉積物和底棲生物樣本，結合現場觀測與實驗室分析，測量沉積物氧動力學、孔隙水化學、生物擾動參數及底棲群落結構，揭示氧氣濃度變化對生態系統結構和功能的影響。

 

測量的數據及意義（數據來源）：  

溶解氧濃度與氧滲透深度（OPD）  

 

使用丹麥Unisense微電極測量沉積物中的氧微剖面，計算擴散氧通量（DOU）和OPD。  

 

數據來源：圖3b（DOU）、圖3c（OPD）、圖3e-f（氧氣濃度與DOU/OPD關系）。  

 

 

 

意義：揭示氧氣可用性對沉積物氧化還原過程的影響，OPD縮短表明低氧條件下氧化層壓縮，促進還原反應。

孔隙水營養鹽（NOx、NH4+、SRP）  

 

通過孔隙水采樣和分光光度法分析。  

 

數據來源：圖3d（NOx、NH4+、SRP剖面）。  

 

意義：顯示脫氧導致氮循環受限（硝酸鹽峰值降低）和磷釋放增強（孔隙水SRP積累），可能加劇富營養化。

底棲生物群落結構  

 

采集底棲生物樣本，統計密度、分類單元數和功能豐富度（FRic）。  

 

數據來源：表1（群落參數）、圖4（群落聚類與功能性狀）。  

 

 

 

意義：揭示低氧導致物種多樣性下降，功能群從濾食者/生物擾動者向耐受型轉變，閾值約63μM。

生物擾動參數  

 

使用發光顆粒示蹤法測生物擴散系數（Db）和最大滲透深度（MPD），溴離子示蹤法測非局部生物灌溉系數（α）。  

 

數據來源：圖5a-g（Db、MPD、α與氧氣濃度關系）。  

 

 

意義：Db和α在氧氣低于80μM時驟降，表明生物混合與灌溉能力非線性喪失，影響沉積物氧化還原屏障。

總氧攝取量（TOU）  

 

通過密閉培養法測定沉積物-水界面氧消耗。  

 

數據來源：圖6（TOU與DOU對比）。  

 

 

 

意義：TOU隨氧氣降低而減少，缺氧區DOU占比升高（40%-100%），反映底棲生物呼吸和灌溉貢獻減弱。

 

結論：  

氧氣閾值（約63μM）以下，底棲群落組成和生物擾動功能發生非線性轉變。  

 

生物擾動活動在高于閾值時可緩沖脫氧影響，維持沉積物氧化還原平衡；低于閾值時功能崩潰，導致還原化合物（如NH4+、Fe2?）上涌風險增加。  

 

底棲生物通過降低代謝率適應慢性低氧，但生態功能（如碳礦化、營養鹽循環）顯著受損。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

Unisense微電極的高空間分辨率（100 μm步長）能夠精確測定沉積物表層毫米級的氧梯度，揭示低氧導致氧化層壓縮至<1 mm（圖3c），直接影響有機質降解路徑（從有氧轉向厭氧）。DOU的計算（圖3b）表明，缺氧區沉積物氧需求主要來自還原化合物的氧化（如Fe2?、S2?），而非直接有機質礦化。這種高精度數據驗證了沉積物氧化還原模型的假設（如鐵-硫循環耦合），并為閾值識別（63μM）提供了關鍵證據。