Benthos response to nutrient enrichment and functional consequences in coastal ecosystems  

海岸帶生態系統中底棲生物對營養鹽富集的響應及功能影響  

來源：Marine Environmental Research, 175 (2022) 105584

《海洋環境研究》，第175卷，2022年，文章編號105584

 

摘要內容  

本研究通過離體實驗探究營養鹽富集對沉積物特性、大型底棲動物群落及底棲通量的影響。結果表明：  

營養鹽富集增加沉積有機質（SOM）和孔隙水營養鹽濃度（NH??、NO?、PO?3?），但未顯著改變大型底棲動物群落結構。  

 

大型底棲動物響應營養鹽富集時穴居深度變淺、通風活動增強，導致營養鹽（尤其是NO?）向水體釋放量增加，加劇富營養化。  

 

海草床（Zostera marina）通過吸收營養鹽和改變沉積環境，顯著緩沖營養鹽富集的負面影響，使營養鹽通量降低30-50%。  

 

研究目的  

量化營養鹽富集對沉積物-水界面生物地球化學過程的影響。  

 

解析大型底棲動物功能響應（生物擾動、通風活動）與營養鹽釋放的關聯機制。  

 

評估海草床在緩解富營養化中的生態功能。  

 

研究思路  

實驗設計：  

 

采集加拿大圣勞倫斯河口沉積物核心（含/不含海草），設置3個營養水平（N0: 背景值；N1: 2倍；N2: 4倍）和2個季節（5月/8月）。  

 

監測30天內沉積物特性、孔隙水化學、大型底棲動物活動及底棲通量變化（圖1）。  

 

多參數測量：  

 

沉積物：有機質（SOM）、葉綠素a（Chl a）、脫鎂葉綠素（Phaeo）（表1）。  

 

孔隙水：NH??、NO?、PO?3?濃度剖面（圖5）。  

 

生物擾動：發光顆粒示蹤法測混合深度（MPD）、生物擴散系數（Db）（圖3）；溴離子示蹤法測孔隙水交換率（Q）。  

 

底棲通量：溶解氧（DOU）、營養鹽通量（圖6）。  

 

溶解氧剖面：Unisense微電極測量氧滲透深度（OPD）（圖4）。  

 

機制驗證：  

 

結合微生物群落分析（PERMANOVA）和功能基因表達，解析營養鹽循環路徑。  

 

測量數據及研究意義  

沉積物特性（SOM、Chl a、Phaeo）：  

 

來源：LOI法、熒光法（表1）。  

 

意義：營養鹽富集使SOM增加40-60%（N2組），Chl a/Phaeo比值下降指示有機質降解加速（圖3），證實富營養化促進沉積物礦化。  

孔隙水營養鹽（NH??、NO?、PO?3?）：  

 

來源：分層離心+離子色譜（圖5）。  

 

意義：N2組NH??濃度較對照組高3倍（0-2cm層），PO?3?在深層（>4cm）釋放，揭示營養鹽在沉積物中累積與擴散潛力。  

生物擾動指標（MPD、Db、Q）：  

 

來源：發光顆粒示蹤（圖3B）、溴離子通量（圖3A）。  

 

意義：營養鹽富集使穴居深度（MPD）減少50%（7.0→3.5cm），孔隙水交換率（Q）增加2倍（圖3A），表明生物活動改變營養鹽運移路徑。  

溶解氧剖面（OPD）：  

 

來源：Unisense微電極（100μm分辨率）（圖4A）。  

 

意義：營養鹽富集使氧化層厚度從8.4mm減至1.4mm（N2組），證實有機質礦化耗氧加劇。  

底棲通量（DOU、NH??、NO?）：  

 

來源：核心培養+在線監測（圖6）。  

 

意義：N2組NO?通量增加8倍（0.1→0.8 mmol m?2 h?1），揭示底棲系統成為營養鹽"源"。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義  

高分辨率氧剖面：  

 

通過微電極（OX-100）以100μm步長測量沉積物氧梯度（圖4A），發現營養鹽富集使氧化層（OPD）從8.4mm（N0）壓縮至1.4mm（N2），直接證明有機質礦化耗氧量增加。  

擴散通量量化：  

 

結合Fick定律計算溶解氧擴散通量（DOU），顯示N2組DOU達1.4 mmol m?2 h?1（對照組0.1），為沉積物呼吸速率提供原位證據（圖4B）。  

生態過程關聯：  

 

OPD縮減與大型底棲動物穴居變淺（MPD下降）同步發生（圖3B），證實生物為避讓缺氧區改變行為，進而通過增強通風（Q上升）加速營養鹽釋放（圖6）。  

 

結論  

營養鹽釋放正反饋：營養鹽富集→沉積有機質增加→大型底棲動物穴居變淺且通風增強→營養鹽（尤其NO?）釋放量提升3-8倍→進一步加劇富營養化。  

 

海草床緩沖機制：海草通過吸收孔隙水NH??（降低30%）和減弱水動力促進沉積，使N2組營養鹽通量比無植被區低50%（圖6）。  

 

季節動態：夏季（8月）生物擾動更強，營養鹽釋放量比春季（5月）高40%，需關注富營養化風險的時間異質性。  

 

管理啟示：保護海草床可有效阻斷"沉積物-水體"營養鹽循環，為海岸帶富營養化治理提供自然解決方案。