Benthos response to nutrient enrichment and functional consequences in coastal ecosystems  

海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中底棲生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽富集的響應(yīng)及功能影響  

來(lái)源：Marine Environmental Research, 175 (2022) 105584

《海洋環(huán)境研究》，第175卷，2022年，文章編號(hào)105584

 

摘要內(nèi)容  

本研究通過(guò)離體實(shí)驗(yàn)探究營(yíng)養(yǎng)鹽富集對(duì)沉積物特性、大型底棲動(dòng)物群落及底棲通量的影響。結(jié)果表明：  

營(yíng)養(yǎng)鹽富集增加沉積有機(jī)質(zhì)（SOM）和孔隙水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度（NH??、NO?、PO?3?），但未顯著改變大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)。  

 

大型底棲動(dòng)物響應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽富集時(shí)穴居深度變淺、通風(fēng)活動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽（尤其是NO?）向水體釋放量增加，加劇富營(yíng)養(yǎng)化。  

 

海草床（Zostera marina）通過(guò)吸收營(yíng)養(yǎng)鹽和改變沉積環(huán)境，顯著緩沖營(yíng)養(yǎng)鹽富集的負(fù)面影響，使?fàn)I養(yǎng)鹽通量降低30-50%。  

 

研究目的  

量化營(yíng)養(yǎng)鹽富集對(duì)沉積物-水界面生物地球化學(xué)過(guò)程的影響。  

 

解析大型底棲動(dòng)物功能響應(yīng)（生物擾動(dòng)、通風(fēng)活動(dòng)）與營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的關(guān)聯(lián)機(jī)制。  

 

評(píng)估海草床在緩解富營(yíng)養(yǎng)化中的生態(tài)功能。  

 

研究思路  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

采集加拿大圣勞倫斯河口沉積物核心（含/不含海草），設(shè)置3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平（N0: 背景值；N1: 2倍；N2: 4倍）和2個(gè)季節(jié)（5月/8月）。  

 

監(jiān)測(cè)30天內(nèi)沉積物特性、孔隙水化學(xué)、大型底棲動(dòng)物活動(dòng)及底棲通量變化（圖1）。  

 

多參數(shù)測(cè)量：  

 

沉積物：有機(jī)質(zhì)（SOM）、葉綠素a（Chl a）、脫鎂葉綠素（Phaeo）（表1）。  

 

孔隙水：NH??、NO?、PO?3?濃度剖面（圖5）。  

 

生物擾動(dòng)：發(fā)光顆粒示蹤法測(cè)混合深度（MPD）、生物擴(kuò)散系數(shù)（Db）（圖3）；溴離子示蹤法測(cè)孔隙水交換率（Q）。  

 

底棲通量：溶解氧（DOU）、營(yíng)養(yǎng)鹽通量（圖6）。  

 

溶解氧剖面：Unisense微電極測(cè)量氧滲透深度（OPD）（圖4）。  

 

機(jī)制驗(yàn)證：  

 

結(jié)合微生物群落分析（PERMANOVA）和功能基因表達(dá)，解析營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)路徑。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

沉積物特性（SOM、Chl a、Phaeo）：  

 

來(lái)源：LOI法、熒光法（表1）。  

 

意義：營(yíng)養(yǎng)鹽富集使SOM增加40-60%（N2組），Chl a/Phaeo比值下降指示有機(jī)質(zhì)降解加速（圖3），證實(shí)富營(yíng)養(yǎng)化促進(jìn)沉積物礦化。  

孔隙水營(yíng)養(yǎng)鹽（NH??、NO?、PO?3?）：  

 

來(lái)源：分層離心+離子色譜（圖5）。  

 

意義：N2組NH??濃度較對(duì)照組高3倍（0-2cm層），PO?3?在深層（>4cm）釋放，揭示營(yíng)養(yǎng)鹽在沉積物中累積與擴(kuò)散潛力。  

生物擾動(dòng)指標(biāo)（MPD、Db、Q）：  

 

來(lái)源：發(fā)光顆粒示蹤（圖3B）、溴離子通量（圖3A）。  

 

意義：營(yíng)養(yǎng)鹽富集使穴居深度（MPD）減少50%（7.0→3.5cm），孔隙水交換率（Q）增加2倍（圖3A），表明生物活動(dòng)改變營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)移路徑。  

溶解氧剖面（OPD）：  

 

來(lái)源：Unisense微電極（100μm分辨率）（圖4A）。  

 

意義：營(yíng)養(yǎng)鹽富集使氧化層厚度從8.4mm減至1.4mm（N2組），證實(shí)有機(jī)質(zhì)礦化耗氧加劇。  

底棲通量（DOU、NH??、NO?）：  

 

來(lái)源：核心培養(yǎng)+在線監(jiān)測(cè)（圖6）。  

 

意義：N2組NO?通量增加8倍（0.1→0.8 mmol m?2 h?1），揭示底棲系統(tǒng)成為營(yíng)養(yǎng)鹽"源"。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

高分辨率氧剖面：  

 

通過(guò)微電極（OX-100）以100μm步長(zhǎng)測(cè)量沉積物氧梯度（圖4A），發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽富集使氧化層（OPD）從8.4mm（N0）壓縮至1.4mm（N2），直接證明有機(jī)質(zhì)礦化耗氧量增加。  

擴(kuò)散通量量化：  

 

結(jié)合Fick定律計(jì)算溶解氧擴(kuò)散通量（DOU），顯示N2組DOU達(dá)1.4 mmol m?2 h?1（對(duì)照組0.1），為沉積物呼吸速率提供原位證據(jù)（圖4B）。  

生態(tài)過(guò)程關(guān)聯(lián)：  

 

OPD縮減與大型底棲動(dòng)物穴居變淺（MPD下降）同步發(fā)生（圖3B），證實(shí)生物為避讓缺氧區(qū)改變行為，進(jìn)而通過(guò)增強(qiáng)通風(fēng)（Q上升）加速營(yíng)養(yǎng)鹽釋放（圖6）。  

 

結(jié)論  

營(yíng)養(yǎng)鹽釋放正反饋：營(yíng)養(yǎng)鹽富集→沉積有機(jī)質(zhì)增加→大型底棲動(dòng)物穴居變淺且通風(fēng)增強(qiáng)→營(yíng)養(yǎng)鹽（尤其NO?）釋放量提升3-8倍→進(jìn)一步加劇富營(yíng)養(yǎng)化。  

 

海草床緩沖機(jī)制：海草通過(guò)吸收孔隙水NH??（降低30%）和減弱水動(dòng)力促進(jìn)沉積，使N2組營(yíng)養(yǎng)鹽通量比無(wú)植被區(qū)低50%（圖6）。  

 

季節(jié)動(dòng)態(tài)：夏季（8月）生物擾動(dòng)更強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)鹽釋放量比春季（5月）高40%，需關(guān)注富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間異質(zhì)性。  

 

管理啟示：保護(hù)海草床可有效阻斷"沉積物-水體"營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)，為海岸帶富營(yíng)養(yǎng)化治理提供自然解決方案。