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Faunal and environmental drivers of carbon and nitrogen cycling along a permeability gradient in shallow North Sea sediments
淺海北海沉積物滲透率梯度下動物區系和環境因素對碳氮循環的驅動作用
來源：Science of the Total Environment, volume 767, 2021, Article 144994
《總環境科學》第767卷，2021年，文章編號144994
摘要內容
研究聚焦比利時北海區域（BPNS）沉積物的有機質礦化過程，沿沉積物滲透率梯度（從泥質到高滲透性砂質）分析了動物活動（生物擾動、灌溉）與環境因素（滲透率、有機質含量等）對碳氮循環的驅動作用。通過結合沉積物特性、底棲動物群落和生物地球化學速率測量，發現：
1. 氧化過程（如好氧礦化、硝化）主要受動物活動調控（生物擾動潛力BPc是關鍵預測因子）；
2. 厭氧過程（如厭氧礦化）主要由沉積特性（尤其是滲透率和總有機質TOM）驅動；
3. 反硝化受生物與非生物因素共同影響，而硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）在灌溉活躍的沉積物中占比更高。
研究目的
1. 區分生物（動物活動）與非生物（沉積特性）因素對礦化過程的相對貢獻；
2. 評估功能指數（BPc和IPc）預測特定生物地球化學過程的能力；
3. 量化人類活動（如海上風電、采砂）對沉積物功能的影響。
研究思路
1. 梯度設計：在北海選取12個站點（2016年5站，2017年7站），覆蓋泥質（低滲透率）到砂質（高滲透率）梯度；
2. 數據采集：
? 環境參數：沉積物滲透率、粒度（中值粒徑MGS）、總有機碳（TOC）、總有機質（TOM）、葉綠素a（Chl a）（表1）；
? 生物參數：大型底棲動物豐度/生物量、生物擾動潛力（BPc）、灌溉潛力（IPc）、實測灌溉率（表2）；
? 生物地球化學：培養實驗測量溶質通量（O?、DIC、NH??、NO??），結合質量平衡模型計算礦化速率（圖3、4）；
3. 統計分析：
? 多元因子分析（MFA）揭示環境-動物-過程的關聯；
? 方差分解量化生物/非生物因素對礦化過程的解釋率；
? 回歸模型預測關鍵過程（如SCOC、反硝化）的驅動因子。
測量數據及其研究意義
1. 沉積物特性（表1）：
? 滲透率（10?12 m2）、粒度（粉砂/細砂比例）、TOM（%）、Chl a（μg g?1）。
? 意義：量化沉積物傳輸能力與有機質可利用性，揭示滲透率是厭氧礦化的主要預測因子（解釋84%變異）。
2. 動物群落功能指數（表2）：
? BPc（生物擾動潛力）、IPc（灌溉潛力）、實測灌溉率（L m?2 d?1）。
? 意義：BPc是氧化過程（如硝化）的關鍵預測指標，IPc與硝化正相關但預測力較弱，反映生物活動的時間動態未充分納入指數。
3. 礦化過程速率（圖3、4）：
? 碳循環：總礦化、好氧礦化、厭氧礦化、反硝化（mmol C m?2 d?1）；
? 氮循環：硝化、反硝化、DNRA（mmol N m?2 d?1）；
? 意義：好氧礦化與BPc正相關（動物活動促進氧化），厭氧礦化與TOM正相關且與滲透率負相關（高滲透沉積物限制厭氧反應）。
結論
1. 主導驅動因素：
? 好氧礦化、硝化、SCOC主要受動物活動（BPc）調控；
? 厭氧礦化由沉積特性（滲透率、TOM）主導；
? 反硝化受二者共同影響（TOM促進，灌溉抑制）。
2. 功能指數局限性：IPc未充分捕捉灌溉的瞬時效應，BPc更能穩定預測氧化過程。
3. 人類活動影響：沉積物細化（如風電樁周邊）通過改變滲透率和動物群落，間接增強礦化速率。
Unisense電極測量數據的意義
在2016年實驗中，使用Unisense 100μm尖端氧微電極測定培養體系溶解氧濃度：
1. 高分辨率監測：微電極實現非破壞性原位O?測量，避免探頭擾動引起的通量誤差（對比2017年Firesting探頭）；
2. 精準量化SCOC：通過線性擬合O?下降斜率，校正水置換影響，準確計算沉積物群落耗氧率（圖3B）；
3. 支撐模型關鍵輸入：O?通量數據是質量平衡模型的核心輸入，用于區分好氧礦化與再氧化過程的耗氧貢獻，直接驗證"動物活動主導氧化過程"的結論。