Intertidal microphytobenthic primary production and net metabolism of a tropical estuary

熱帶河口潮間帶小底棲植物初級生產和凈代謝

來源：Marine Environmental Research 202 (2024) 106741

 

1. 摘要核心內容

 

本研究首次量化了哥斯達黎加尼科亞灣（全球高生產力河口之一）潮間帶微型底棲藻類（Microphytobenthos, MPB）的初級生產力和凈代謝。通過沉積物柱采樣、原位氧微電極測量和遙感技術，發現：

 

MPB生物量：葉綠素a（Chla）濃度0.45–7.45 μg cm?2，雨季顯著高于旱季（與降雨正相關）。

初級生產力：凈初級生產（P<sub>N</sub>）達0.8–8.6 mmol O? m?2 h?1，潮位越高生產力越強。

碳貢獻：潮灘MPB日均凈碳固定量（29.4±19.3 mmol C m?2 d?1）相當于Tempisque河輸入的總有機碳量，凸顯其在河口碳循環中的關鍵作用。

環境驅動：降雨和潮位是MPB空間分布和季節動態的主控因子，光照強度則呈負效應。

 

2. 研究目的

 

填補知識空白：熱帶潮灘占全球潮灘55%，但MPB研究集中于溫帶系統，本研究首次量化熱帶河口MPB的生態貢獻。

解析環境調控：揭示降雨、光照、潮位對MPB生物量和生產力的影響機制。

評估碳匯功能：量化MPB碳固定量，對比其與河流輸入及浮游植物的相對貢獻。

 

3. 研究思路

 

采用 “多尺度觀測→環境關聯→碳通量整合” 策略：

 

空間采樣：14個潮灘站點（圖1），覆蓋河口梯度（2013–2014雨季/旱季）。

 

核心測量：

沉積物特性：粒度、有機碳（OC）、總氮（TN）、營養鹽形態（圖2-4，表2）。

 

 

 

 

 

MPB生物量：Chla及脫鎂葉綠素（Pheo）作為生物量指標（圖5）。

 

生產力與代謝：Unisense O?微電極測量凈生產（P<sub>N</sub>）和暗呼吸（R<sub>D</sub>）（圖8）。

 

遙感驗證：Landsat-8 NDVI反演MPB生物量空間格局（圖6-7）。

 

 

模型分析：DistLM解析環境因子（降雨、光照、潮位）對MPB的驅動作用（圖9）。

 

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) MPB生物量時空動態（圖5-7）

 

數據：Chla濃度雨季升高（與30天累計降雨正相關，r=0.399），旱季受強光抑制（與正午輻照負相關，r=-0.318）。

意義：揭示熱帶MPB季節性適應策略，為遙感監測提供校準依據（NDVI-Chla線性模型：R2=0.67）。

 

(2) 初級生產力與環境關聯（圖8-9）

 

數據：

P<sub>N</sub>與潮位（SL）正相關（r=0.586），高潮位延長水下光合時間。

總初級生產（P<sub>G</sub>）與降雨正相關（r=0.42），與月均輻照負相關（r=-0.38）。

意義：推翻“熱帶強光促進MPB”假設，證實降雨通過緩解光抑制和提供營養鹽提升生產力。

 

(3) 沉積物特性與營養鹽形態（圖2-4, 表2）

 

數據：

有機碳（OC）與潮位正相關（r=0.586），陸源輸入主導近岸沉積物。

銨鹽（NH??）以可交換態（EX）為主（64.2%），磷酸鹽（PO?3?）以胞內態（IC）為主（73.9%）。

意義：揭示營養鹽形態分異，EX-NH??指示沉積物吸附緩沖能力，IC-PO?3?反映MPB磷儲存策略。

 

(4) 凈碳通量（計算自P<sub>N</sub>/R<sub>D</sub>）

 

數據：日均凈碳固定29.4±19.3 mmol C m?2 d?1，全河口潮灘年固碳量≈50.1噸C/天。

意義：MPB碳匯相當于Tempisque河輸入量，凸顯潮灘在抵消河口異養代謝中的關鍵作用。

 

5. 核心結論

 

熱帶潮灘是凈自養系統：MPB驅動碳固定，抵消水體異養呼吸，維持河口碳平衡。

環境驅動具熱帶特色：降雨（非溫度）是MPB生物量和生產力主控因子，光照抑制效應強于溫帶。

技術整合價值：微電極+遙感實現多尺度觀測，為全球熱帶河口碳評估提供范式。

管理啟示：保護潮灘對維持河口生產力及碳匯功能至關重要，需關注降雨模式變化的影響。

 

6. 丹麥Unisense微電極的研究意義

(1) 技術原理與優勢

 

電極型號：O?微電極（50 μm尖端，Unisense A/S），搭配SensorTracePro軟件。

原位測量：直接獲取沉積物-水界面O?擴散通量（Fick第一定律），計算P<sub>N</sub>和R<sub>D</sub>（方法2.3）。

空間分辨率：μm級精度捕捉沉積物微尺度化學梯度，避免傳統勻漿法破壞生物地球化學微環境。

 

(2) 關鍵發現（圖8）

 

生產力量化：測得P<sub>N</sub>最高達8.6 mmol O? m?2 h?1（Cocorocas站點），證實熱帶潮灘高生產力。

代謝平衡：所有站點P<sub>N</sub>>R<sub>D</sub>，日均凈碳固定29.4 mmol C m?2 d?1——此為論證“MPB碳匯功能”的核心證據。

 

(3) 研究價值

 

機制解析：揭示光照（非溫度）是熱帶MPB主要限制因子（P<sub>G</sub>與輻照負相關），修正溫帶模型。

技術不可替代性：微電極是唯一能原位測定沉積物-水界面通量的工具，為碳循環模型提供關鍵參數。

應用拓展：方案可推廣至紅樹林、海草床等沉積物系統，推動藍色碳匯精準評估。

 

局限與展望

 

未量化碳轉移途徑：需結合13C標記追蹤MPB碳流向食物網或埋藏。

紅樹林耦合缺失：未來需整合相鄰紅樹林碳通量，完善河口碳預算模型。

電極空間覆蓋有限：需與遙感、原位傳感器網絡結合，實現“微尺度-河口尺度”碳通量集成。