Faunal and environmental drivers of carbon and nitrogen cycling along a permeability gradient in shallow North Sea sediments  

淺海北海沉積物滲透率梯度下動物區(qū)系和環(huán)境因素對碳氮循環(huán)的驅(qū)動作用  

來源：Science of the Total Environment, volume 767, 2021, Article 144994  

《總環(huán)境科學(xué)》第767卷，2021年，文章編號144994  

 

摘要內(nèi)容

 

研究聚焦比利時北海區(qū)域（BPNS）沉積物的有機質(zhì)礦化過程，沿沉積物滲透率梯度（從泥質(zhì)到高滲透性砂質(zhì)）分析了動物活動（生物擾動、灌溉）與環(huán)境因素（滲透率、有機質(zhì)含量等）對碳氮循環(huán)的驅(qū)動作用。通過結(jié)合沉積物特性、底棲動物群落和生物地球化學(xué)速率測量，發(fā)現(xiàn)：  

1. 氧化過程（如好氧礦化、硝化）主要受動物活動調(diào)控（生物擾動潛力BPc是關(guān)鍵預(yù)測因子）；  

2. 厭氧過程（如厭氧礦化）主要由沉積特性（尤其是滲透率和總有機質(zhì)TOM）驅(qū)動；  

3. 反硝化受生物與非生物因素共同影響，而硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）在灌溉活躍的沉積物中占比更高。  

 

研究目的

 

1. 區(qū)分生物（動物活動）與非生物（沉積特性）因素對礦化過程的相對貢獻；  

2. 評估功能指數(shù)（BPc和IPc）預(yù)測特定生物地球化學(xué)過程的能力；  

3. 量化人類活動（如海上風(fēng)電、采砂）對沉積物功能的影響。  

 

研究思路

 

1. 梯度設(shè)計：在北海選取12個站點（2016年5站，2017年7站），覆蓋泥質(zhì)（低滲透率）到砂質(zhì)（高滲透率）梯度；  

2. 數(shù)據(jù)采集：  

   ? 環(huán)境參數(shù)：沉積物滲透率、粒度（中值粒徑MGS）、總有機碳（TOC）、總有機質(zhì)（TOM）、葉綠素a（Chl a）（表1）；  

 

   ? 生物參數(shù)：大型底棲動物豐度/生物量、生物擾動潛力（BPc）、灌溉潛力（IPc）、實測灌溉率（表2）；  

 

   ? 生物地球化學(xué)：培養(yǎng)實驗測量溶質(zhì)通量（O?、DIC、NH??、NO??），結(jié)合質(zhì)量平衡模型計算礦化速率（圖3、4）；  

 

 

3. 統(tǒng)計分析：  

   ? 多元因子分析（MFA）揭示環(huán)境-動物-過程的關(guān)聯(lián)；  

 

   ? 方差分解量化生物/非生物因素對礦化過程的解釋率；  

 

   ? 回歸模型預(yù)測關(guān)鍵過程（如SCOC、反硝化）的驅(qū)動因子。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 沉積物特性（表1）：  

   ? 滲透率（10?12 m2）、粒度（粉砂/細砂比例）、TOM（%）、Chl a（μg g?1）。  

 

   ? 意義：量化沉積物傳輸能力與有機質(zhì)可利用性，揭示滲透率是厭氧礦化的主要預(yù)測因子（解釋84%變異）。  

 

2. 動物群落功能指數(shù)（表2）：  

   ? BPc（生物擾動潛力）、IPc（灌溉潛力）、實測灌溉率（L m?2 d?1）。  

 

   ? 意義：BPc是氧化過程（如硝化）的關(guān)鍵預(yù)測指標(biāo)，IPc與硝化正相關(guān)但預(yù)測力較弱，反映生物活動的時間動態(tài)未充分納入指數(shù)。  

 

3. 礦化過程速率（圖3、4）：  

   ? 碳循環(huán)：總礦化、好氧礦化、厭氧礦化、反硝化（mmol C m?2 d?1）；  

 

   ? 氮循環(huán)：硝化、反硝化、DNRA（mmol N m?2 d?1）；  

 

   ? 意義：好氧礦化與BPc正相關(guān)（動物活動促進氧化），厭氧礦化與TOM正相關(guān)且與滲透率負相關(guān)（高滲透沉積物限制厭氧反應(yīng)）。  

 

結(jié)論

 

1. 主導(dǎo)驅(qū)動因素：  

   ? 好氧礦化、硝化、SCOC主要受動物活動（BPc）調(diào)控；  

 

   ? 厭氧礦化由沉積特性（滲透率、TOM）主導(dǎo)；  

 

   ? 反硝化受二者共同影響（TOM促進，灌溉抑制）。  

 

2. 功能指數(shù)局限性：IPc未充分捕捉灌溉的瞬時效應(yīng)，BPc更能穩(wěn)定預(yù)測氧化過程。  

3. 人類活動影響：沉積物細化（如風(fēng)電樁周邊）通過改變滲透率和動物群落，間接增強礦化速率。  

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的意義

 

在2016年實驗中，使用Unisense 100μm尖端氧微電極測定培養(yǎng)體系溶解氧濃度：  

1. 高分辨率監(jiān)測：微電極實現(xiàn)非破壞性原位O?測量，避免探頭擾動引起的通量誤差（對比2017年Firesting探頭）；  

2. 精準(zhǔn)量化SCOC：通過線性擬合O?下降斜率，校正水置換影響，準(zhǔn)確計算沉積物群落耗氧率（圖3B）；  

3. 支撐模型關(guān)鍵輸入：O?通量數(shù)據(jù)是質(zhì)量平衡模型的核心輸入，用于區(qū)分好氧礦化與再氧化過程的耗氧貢獻，直接驗證"動物活動主導(dǎo)氧化過程"的結(jié)論。