The influence of shellfish farming on sedimentary organic carbon mineralization: A case study in a coastal scallop farming area of Yantai, China  

貝類養殖對沉積有機碳礦化的影響：以中國煙臺扇貝養殖區為例  

來源：Marine Pollution Bulletin, 182 (2022) 113941

《海洋污染通報》，第182卷，2022年，文章編號：113941

 

摘要內容  

摘要研究了煙臺扇貝養殖區沉積有機碳（OC）礦化的速率和途徑，發現筏式養殖設施導致OC和活性Fe(III)積累增加，促進了好氧礦化、鐵還原，并競爭性抑制硫酸鹽還原。在扇貝養殖區（SFA），O?還原、異化鐵還原和硫酸鹽還原分別貢獻總OC礦化的32.17%、27.77%和30.18%，分別為非養殖區（NFA）的1.6倍、1.2倍和0.6倍。扇貝收獲和水流再懸浮會短期增加水體溶解無機碳（DIC）累積風險。碳收支表明該區域OC礦化強于埋藏，僅5.0-7.2%的凈沉降OC被永久埋藏。  

 

研究目的  

量化煙臺沿海扇貝養殖區沉積有機碳礦化的速率與路徑貢獻，闡明貝類養殖活動對沉積環境碳循環的影響機制。  

 

研究思路  

采樣設計：在扇貝養殖區（SFA1、SFA2）和非養殖區（NFA）采集未擾動沉積物巖芯（圖1）。  

 

 

現場測量：使用丹麥Unisense微電極測定沉積物-水界面的O?剖面（圖4）。  

 

實驗室分析：  

 

剖面分層：測定孔隙度、干密度、固體相TOC、TN、Fe、Mn(IV)（圖3）及孔隙水DIC、ΣH?S、Mn2?、Fe2?、NH??、NO??、SO?2?（圖2）。  

 

 

 

厭氧培養：分層混合沉積物進行31天厭氧培養，監測DIC、Ca2?、Mn2?、SO?2?和固體Fe(II)的動態變化（圖5）。  

 

速率計算：  

 

好氧呼吸：基于O?消耗剖面計算擴散O?吸收速率（DOU）（表2）。  

 

厭氧路徑：通過線性回歸分析培養數據，計算硫酸鹽還原率（SRR）、異化鐵還原率（DFeRR）和錳還原率（MnRR）（表3）。  

 

碳收支模型：整合初級生產力、陸源輸入、水體礦化、沉積物礦化和埋藏通量（圖7，表5）。  

 

 

測量數據及研究意義  

O?微剖面數據（圖4，表2）  

 

數據：使用Unisense電極測量溶解O?濃度剖面，計算DOU和O?消耗速率。  

 

意義：直接量化好氧呼吸對OC礦化的貢獻（SFA占比>30%），揭示養殖區表層沉積物因OC積累導致O?快速消耗。  

孔隙水地球化學數據（圖2）  

 

數據：DIC、ΣH?S、Mn2?、Fe2?、NH??、NO??、SO?2?的深度分布。  

 

意義：反映氧化還原分帶特征（如ΣH?S峰值深度指示硫酸鹽還原活躍區），為厭氧路徑提供環境背景。  

固體相參數（圖3）  

 

數據：TOC、TN、草酸提取Fe(II)/Fe(III)、Mn(IV)含量。  

 

意義：高TOC和Fe(III)證實養殖促進有機質和活性鐵積累，競爭性抑制硫酸鹽還原（SFA硫酸鹽還原貢獻僅30%，NFA達48.5%）。  

厭氧培養動態數據（圖5，表3）  

 

數據：DIC、Ca2?、Mn2?、SO?2?、Fe(II)隨時間變化。  

 

意義：  

 

DIC累積速率計算厭氧礦化速率（表4）。  

 

SO?2?下降斜率計算SRR，Fe(II)上升斜率計算DFeRR（表3），揭示鐵還原在SFA主導中層沉積物礦化（貢獻>56%）。  

碳收支參數（表5）  

 

數據：干密度、孔隙度、沉積速率、TOC，結合礦化速率計算埋藏通量。  

 

意義：量化養殖區碳歸宿（僅7.2%凈沉降OC被埋藏），凸顯礦化主導的碳循環特征。  

 

結論  

扇貝養殖促進沉積物OC積累和活性Fe(III)增加，導致好氧礦化速率升高（SFA的DOU達10.26–12.62 mmol O? m?2 d?1，NFA為6.8 mmol O? m?2 d?1）。  

 

高Fe(III)含量使異化鐵還原成為關鍵礦化路徑（SFA貢獻27.77%），競爭性抑制硫酸鹽還原（SFA貢獻30.18%，NFA為48.53%）。  

 

碳收支顯示煙臺沿岸OC礦化強于埋藏（埋藏效率僅5.0–7.2%），扇貝收獲可能短期增加DIC釋放風險。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義  

使用丹麥Unisense O?微電極（檢測限0.3 μM）測量沉積物O?剖面（圖4），通過擬合消耗速率曲線劃分三層：  

表層（0–1 cm）：O?快速消耗反映好氧呼吸和還原性無機物（如H?S、Fe2?）再氧化。  

 

意義：  

 

直接量化養殖區因OC富集導致的好氧呼吸增強（SFA貢獻32.17%，NFA為20.21%）。  

 

確定O?滲透深度（SFA僅2.5–2.7 mm，NFA為4.4 mm），揭示養殖活動加劇沉積物表層缺氧。  

 

支持DOU計算（表2），為碳收支模型提供關鍵好氧礦化通量參數。