The influence of shellfish farming on sedimentary organic carbon mineralization: A case study in a coastal scallop farming area of Yantai, China  

貝類養(yǎng)殖對(duì)沉積有機(jī)碳礦化的影響：以中國(guó)煙臺(tái)扇貝養(yǎng)殖區(qū)為例  

來(lái)源：Marine Pollution Bulletin, 182 (2022) 113941

《海洋污染通報(bào)》，第182卷，2022年，文章編號(hào)：113941

 

摘要內(nèi)容  

摘要研究了煙臺(tái)扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積有機(jī)碳（OC）礦化的速率和途徑，發(fā)現(xiàn)筏式養(yǎng)殖設(shè)施導(dǎo)致OC和活性Fe(III)積累增加，促進(jìn)了好氧礦化、鐵還原，并競(jìng)爭(zhēng)性抑制硫酸鹽還原。在扇貝養(yǎng)殖區(qū)（SFA），O?還原、異化鐵還原和硫酸鹽還原分別貢獻(xiàn)總OC礦化的32.17%、27.77%和30.18%，分別為非養(yǎng)殖區(qū)（NFA）的1.6倍、1.2倍和0.6倍。扇貝收獲和水流再懸浮會(huì)短期增加水體溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）累積風(fēng)險(xiǎn)。碳收支表明該區(qū)域OC礦化強(qiáng)于埋藏，僅5.0-7.2%的凈沉降OC被永久埋藏。  

 

研究目的  

量化煙臺(tái)沿海扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積有機(jī)碳礦化的速率與路徑貢獻(xiàn)，闡明貝類養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)沉積環(huán)境碳循環(huán)的影響機(jī)制。  

 

研究思路  

采樣設(shè)計(jì)：在扇貝養(yǎng)殖區(qū)（SFA1、SFA2）和非養(yǎng)殖區(qū)（NFA）采集未擾動(dòng)沉積物巖芯（圖1）。  

 

 

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極測(cè)定沉積物-水界面的O?剖面（圖4）。  

 

實(shí)驗(yàn)室分析：  

 

剖面分層：測(cè)定孔隙度、干密度、固體相TOC、TN、Fe、Mn(IV)（圖3）及孔隙水DIC、ΣH?S、Mn2?、Fe2?、NH??、NO??、SO?2?（圖2）。  

 

 

 

厭氧培養(yǎng)：分層混合沉積物進(jìn)行31天厭氧培養(yǎng)，監(jiān)測(cè)DIC、Ca2?、Mn2?、SO?2?和固體Fe(II)的動(dòng)態(tài)變化（圖5）。  

 

速率計(jì)算：  

 

好氧呼吸：基于O?消耗剖面計(jì)算擴(kuò)散O?吸收速率（DOU）（表2）。  

 

厭氧路徑：通過(guò)線性回歸分析培養(yǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算硫酸鹽還原率（SRR）、異化鐵還原率（DFeRR）和錳還原率（MnRR）（表3）。  

 

碳收支模型：整合初級(jí)生產(chǎn)力、陸源輸入、水體礦化、沉積物礦化和埋藏通量（圖7，表5）。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

O?微剖面數(shù)據(jù)（圖4，表2）  

 

數(shù)據(jù)：使用Unisense電極測(cè)量溶解O?濃度剖面，計(jì)算DOU和O?消耗速率。  

 

意義：直接量化好氧呼吸對(duì)OC礦化的貢獻(xiàn)（SFA占比>30%），揭示養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物因OC積累導(dǎo)致O?快速消耗。  

孔隙水地球化學(xué)數(shù)據(jù)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：DIC、ΣH?S、Mn2?、Fe2?、NH??、NO??、SO?2?的深度分布。  

 

意義：反映氧化還原分帶特征（如ΣH?S峰值深度指示硫酸鹽還原活躍區(qū)），為厭氧路徑提供環(huán)境背景。  

固體相參數(shù)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：TOC、TN、草酸提取Fe(II)/Fe(III)、Mn(IV)含量。  

 

意義：高TOC和Fe(III)證實(shí)養(yǎng)殖促進(jìn)有機(jī)質(zhì)和活性鐵積累，競(jìng)爭(zhēng)性抑制硫酸鹽還原（SFA硫酸鹽還原貢獻(xiàn)僅30%，NFA達(dá)48.5%）。  

厭氧培養(yǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（圖5，表3）  

 

數(shù)據(jù)：DIC、Ca2?、Mn2?、SO?2?、Fe(II)隨時(shí)間變化。  

 

意義：  

 

DIC累積速率計(jì)算厭氧礦化速率（表4）。  

 

SO?2?下降斜率計(jì)算SRR，F(xiàn)e(II)上升斜率計(jì)算DFeRR（表3），揭示鐵還原在SFA主導(dǎo)中層沉積物礦化（貢獻(xiàn)>56%）。  

碳收支參數(shù)（表5）  

 

數(shù)據(jù)：干密度、孔隙度、沉積速率、TOC，結(jié)合礦化速率計(jì)算埋藏通量。  

 

意義：量化養(yǎng)殖區(qū)碳?xì)w宿（僅7.2%凈沉降OC被埋藏），凸顯礦化主導(dǎo)的碳循環(huán)特征。  

 

結(jié)論  

扇貝養(yǎng)殖促進(jìn)沉積物OC積累和活性Fe(III)增加，導(dǎo)致好氧礦化速率升高（SFA的DOU達(dá)10.26–12.62 mmol O? m?2 d?1，NFA為6.8 mmol O? m?2 d?1）。  

 

高Fe(III)含量使異化鐵還原成為關(guān)鍵礦化路徑（SFA貢獻(xiàn)27.77%），競(jìng)爭(zhēng)性抑制硫酸鹽還原（SFA貢獻(xiàn)30.18%，NFA為48.53%）。  

 

碳收支顯示煙臺(tái)沿岸OC礦化強(qiáng)于埋藏（埋藏效率僅5.0–7.2%），扇貝收獲可能短期增加DIC釋放風(fēng)險(xiǎn)。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用丹麥Unisense O?微電極（檢測(cè)限0.3 μM）測(cè)量沉積物O?剖面（圖4），通過(guò)擬合消耗速率曲線劃分三層：  

表層（0–1 cm）：O?快速消耗反映好氧呼吸和還原性無(wú)機(jī)物（如H?S、Fe2?）再氧化。  

 

意義：  

 

直接量化養(yǎng)殖區(qū)因OC富集導(dǎo)致的好氧呼吸增強(qiáng)（SFA貢獻(xiàn)32.17%，NFA為20.21%）。  

 

確定O?滲透深度（SFA僅2.5–2.7 mm，NFA為4.4 mm），揭示養(yǎng)殖活動(dòng)加劇沉積物表層缺氧。  

 

支持DOU計(jì)算（表2），為碳收支模型提供關(guān)鍵好氧礦化通量參數(shù)。