Benthic oxygen dynamics and implication for the maintenance of chronic hypoxia and ecosystem degradation in the Berre lagoon(France)  

貝赫瀉湖(法國)底棲氧動力學(xué)及其對慢性缺氧維持和生態(tài)系統(tǒng)退化的影響  

來源：Estuarine, Coastal and Shelf Science Volume 258, 2021, 107437

《河口、海岸與大陸架科學(xué)》第258卷，2021年，文章編號107437

 

摘要內(nèi)容

 

研究探討了底棲氧需求(BOD)如何隨季節(jié)性和長期（數(shù)十年）缺氧變化，發(fā)現(xiàn)缺氧后沉積物中還原性化學(xué)物質(zhì)的積累會導(dǎo)致BOD顯著升高。長期缺氧區(qū)因有機(jī)物和還原性物質(zhì)積累導(dǎo)致高BOD，而常氧區(qū)因新鮮有機(jī)物和生物擾動型底棲動物群落也呈現(xiàn)高BOD。低BOD出現(xiàn)在季節(jié)性缺氧區(qū)，與底棲群落退化和還原性物質(zhì)積累較少相關(guān)。通過量化BOD與水柱再氧化動力學(xué)的競爭關(guān)系，證實(shí)貝赫瀉湖慢性缺氧事件由BOD和水體分層共同驅(qū)動。

 

研究目的

 

1. 揭示季節(jié)性/長期缺氧對沉積物-水界面氧交換的驅(qū)動機(jī)制  

2. 評估BOD是否足以引發(fā)瀉湖缺氧事件  

 

研究思路

 

1. 空間梯度設(shè)計：選取PO（常氧）、PI（季節(jié)性缺氧）、PA（永久缺氧）三站點(diǎn)（圖1）  

 

2. 時序觀測：在PI站進(jìn)行2015-2016年四季采樣（圖3）  

 

3. 多參數(shù)同步測量：  

   ? 水柱溶解氧連續(xù)監(jiān)測（圖3）  

 

   ? Unisense微電極剖面儀原位測量氧滲透深度與擴(kuò)散通量（圖6）  

 

   ? 底棲培養(yǎng)室測定總氧通量（圖7）  

 

   ? 沉積物有機(jī)質(zhì)/色素分析（圖4）  

 

   ? 底棲生物群落與生境質(zhì)量評估（圖5）  

 

4. 模型構(gòu)建：建立BOD動力學(xué)模型預(yù)測缺氧發(fā)生條件（圖9）  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 溶解氧時空分布（圖3）  

   ? 意義：量化不同站點(diǎn)缺氧頻率（PA站46%時間缺氧），確立環(huán)境基準(zhǔn)狀態(tài)  

 

2. 氧滲透深度(zo2)（圖6）  

   ? 意義：反映沉積物氧化還原狀態(tài)（PA站zo2<0.1mm），指示化學(xué)物質(zhì)積累程度  

 

3. 擴(kuò)散通量(Jdif)與總通量(Jtot)（圖7）  

   ? 意義：揭示生物擾動貢獻(xiàn)（PO站Jtot/Jdif>1），證實(shí)底棲動物對氧傳輸?shù)脑鰪?qiáng)作用  

 

4. 沉積物特性（圖4）  

   ? TOC（PA站4.0%最高）與色素比值：反映有機(jī)物積累與新鮮度，解釋BOD差異來源  

 

5. 底棲群落結(jié)構(gòu)（圖5）  

   ? 物種豐富度（PO站9種 vs PA站0種）：直接關(guān)聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)退化程度  

 

丹麥Unisense電極測量意義

 

使用Unisense MP6微剖面系統(tǒng)（圖2b）實(shí)現(xiàn)：  

 

1. 毫米級分辨率：以0.1mm步長獲取氧滲透深度（圖6），精準(zhǔn)捕捉沉積物-水界面氧化梯度  

2. 原位真實(shí)性：避免采樣擾動，測得PA站擴(kuò)散通量趨近零（缺氧區(qū)無氧消耗），驗(yàn)證理論模型  

3. 動態(tài)過程解析：發(fā)現(xiàn)生物擾動形成的"氧管"（PI站1.7cm深氧峰，圖6），揭示底棲動物對氧輸運(yùn)的關(guān)鍵作用  

4. 通量計算基礎(chǔ)：結(jié)合Fick定律計算Jdif，為BOD量化提供核心參數(shù)  

 

結(jié)論

 

1. BOD驅(qū)動機(jī)制：  

   ? 缺氧后還原物質(zhì)氧化是BOD主要驅(qū)動力（PI站夏季Jdif達(dá)30 mmol·m?2·d?1）  

 

   ? 常氧區(qū)高BOD由新鮮有機(jī)物和生物擾動維持（PO站Jtot/Jdif=2.5）  

 

2. 生態(tài)系統(tǒng)反饋：  

   ? 長期缺氧導(dǎo)致底棲群落滅絕（PA站），喪失生物擾動功能  

 

   ? 季節(jié)性缺氧引發(fā)群落更替，改變BOD模式（圖8）  

 

3. 缺氧預(yù)測模型：  

   ? BOD動力學(xué)常數(shù)(ko2)與風(fēng)速再氧化競爭可預(yù)測缺氧（圖9），實(shí)測與預(yù)測吻合度>80%  

 

4. 管理啟示：  

   ? 需同步控制富營養(yǎng)化（降低BOD）和水體分層（增強(qiáng)混合）以修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)