Ocean acidification and warming modify stimulatory benthos effects on sediment functioning: An experimental study on two ecosystem engineers  

海洋酸化和變暖改變底棲生物對沉積物功能的促進作用：針對兩種生態系統工程師的實驗研究  

來源：Frontiers in Marine Science,2023

《海洋科學前沿》，2023年 

 

摘要內容：  

摘要指出海洋酸化（pH降低0.3單位）和變暖（升溫3°C）通過改變兩種關鍵底棲生物（白溝蛤Abra alba和沙管蟲Lanice conchilega）的行為和生理，影響其對沉積物生物地球化學循環的促進作用。在環境條件下，兩種生物均促進沉積物氧消耗和氮循環（硝化與反硝化）。酸化使沙管蟲對沉積物代謝和氮循環的促進作用增強8-41%，而變暖對其無顯著影響。相反，白溝蛤在酸化或單獨變暖環境下失去促進作用，但在酸化和變暖共同作用時恢復促進作用（硝化+61%，反硝化+110%）。白溝蛤在變暖環境下存活率下降34%，導致其生態功能隨時間減弱。  

 

研究目的：  

量化海洋酸化和變暖對兩種生態系統工程師（A. alba和L. conchilega）存活及其生態功能的影響。  

 

揭示氣候改變如何通過生物行為調控沉積物氮循環（硝化、反硝化）和氧動力學。  

 

研究思路：  

實驗設計：  

 

采集北海沉積物和生物樣本，實驗室模擬四種場景：對照組（CTRL，pH 8.1-8.2, 18-19°C）、酸化組（OA，pH降低0.3）、變暖組（OW，升溫3°C）、氣候變化組（CC，pH降低0.3且升溫3°C）。  

 

設置含生物與無生物的沉積物微宇宙（各4重復），暴露6周。  

行為與功能監測：  

 

存活率：每日記錄生物死亡率（圖1）。  

 

 

氧滲透深度（OPD）：使用Unisense OX100微電極（100μm尖端）以250μm步進測量沉積物氧剖面（圖2）。  

 

 

沉積物-水界面通量：黑暗孵育3小時，測量沉積物群落氧消耗（SCOC）、硝化與反硝化速率（圖3,4）。  

 

 

 

數據分析：線性混合效應模型檢驗生物存在、pH、溫度和時間對功能的交互影響。  

 

測量數據及研究意義：  

存活率（圖1）：  

 

數據：白溝蛤在變暖（OW+CC）下存活率降低34%（CTRL:67% vs OW:50%），沙管蟲存活率無顯著變化。  

 

意義：表明白溝蛤對升溫更敏感，種群衰退可能削弱其生態功能。  

氧滲透深度（OPD）（圖2）：  

 

數據：兩種生物在CTRL下增加OPD 27-31%（沙管蟲：+1.32mm）；酸化或變暖單獨作用降低白溝蛤的OPD促進作用。  

 

意義：反映生物灌溉對沉積物氧化能力的調控，OPD增加擴大微生物活性區域。  

沉積物代謝與氮循環（圖3,4）：  

 

SCOC：沙管蟲在酸化下促進SCOC +37%（vs CTRL +28%）；白溝蛤在酸化下失去促進作用，但在CC場景恢復。  

 

硝化/反硝化：沙管蟲在酸化下提升硝化+41%、反硝化+25%；白溝蛤在CC場景提升硝化+61%、反硝化+110%。  

 

意義：證實生物行為改變（如沙管蟲泵水增加）直接增強氮循環，但白溝蛤的響應受氣候因子交互作用調制。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義：  

丹麥Unisense氧微電極（型號OX100）在本研究中實現以下核心價值：  

毫米級分辨率驗證生物工程機制：通過垂直剖面測量（步進250μm），量化沙管蟲泵水使沉積物氧滲透深度增加1.32±0.16mm（圖2），直接證實生物灌溉對沉積物氧化深度的物理調控，為硝化作用（需氧）和反硝化（缺氧區）的空間耦合提供證據。  

 

揭示氣候脅迫下的穩定性：盡管酸化使沙管蟲泵水頻率增加30%（引用Vlaminck et al. 2022a），但OPD在酸化處理中未進一步增加（圖2），表明管結構或灌溉效率未受酸化破壞，解釋了其在酸化下維持功能促進的原因。  

 

技術優勢：相比傳統分層采樣，微電極的秒級時間分辨率捕捉到生物行為（如泵水事件）引發的氧濃度瞬態波動，證實壓力傳感器信號對應真實生物物理過程（如單次"活塞泵"引發深層沉積物瞬時氧升），為行為-功能關聯提供直接證據。  

 

結論：  

物種特異性響應：  

 

沙管蟲通過增加泵水頻率適應酸化，增強沉積物氧化和氮循環（SCOC +37%，硝化+41%），變暖無顯著影響。  

 

白溝蛤在酸化或單獨變暖下失去功能促進作用，但在酸化和變暖協同作用（CC）時恢復，源于變暖緩解酸化對鈣化的抑制（文石飽和度升高，表1）。  

 

生態功能啟示：  

 

沙管蟲可能緩沖酸化對沉積物氮循環的負面影響，而白溝蛤種群衰退（升溫下存活率降34%）可能削弱碳氮循環。  

 

生物行為改變（灌溉頻率）通過調控沉積物氧化還原狀態，級聯影響微生物過程，凸顯"生態系統工程師"在氣候場景下的關鍵作用。  

長期不確定性：白溝蛤在變暖下的高死亡率預示長期功能衰減，而沙管蟲的適應性行為是否可持續需進一步研究。