Worms and submersed macrophytes reduce methane release and increase nutrient removal in organic sediments  

蠕蟲與沉水植被降低有機沉積物甲烷釋放并增強營養(yǎng)鹽去除  

來源：Limnology and Oceanography Letters, 6, 2021, 329–338

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)通訊》，第6卷 2021年 頁碼329–338

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出，有機沉積物是溫室氣體（如甲烷CH4）和營養(yǎng)鹽的釋放熱點。通過實驗室微宇宙實驗，研究發(fā)現(xiàn)沉水植被（Vallisneria spiralis）和寡毛類蠕蟲（Sparganophilus tamesis）的共存可顯著降低甲烷排放并增強營養(yǎng)鹽去除。在12天的實驗中，與裸露沉積物相比，植被單獨使甲烷冒泡排放減少67%，蠕蟲單獨減少88%，二者共存減少97%。蠕蟲促進脫氮作用（增加200 mmol N m?2）和硝酸鹽消耗，而植被減少氮損失約65 mmol N m?2。所有處理均表現(xiàn)為磷酸鹽匯。  

 

研究目的：  

1. 驗證沉水植被和底棲宏動物對有機沉積物甲烷排放的抑制作用。  

2. 量化植被與蠕蟲協(xié)同作用對營養(yǎng)鹽（氮、磷）遷移轉(zhuǎn)化的影響。  

3. 為農(nóng)業(yè)渠系生態(tài)管理（如保留植被和底棲生物）提供科學(xué)依據(jù)，以提升水質(zhì)和降低溫室氣體排放。  

 

研究思路：  

1. 實驗設(shè)計：構(gòu)建四組微宇宙處理——裸露沉積物（S）、沉積物+蠕蟲（SO）、沉積物+沉水植被（SV）、沉積物+蠕蟲+植被（SOV），每組6重復(fù)（圖1a）。  

 

2. 環(huán)境模擬：25°C恒溫，光照周期14.5h:9.5h，添加魚飼料（5g/L）模擬有機質(zhì)輸入。  

3. 測量方法：  

   ? 甲烷冒泡通量：透明漏斗收集氣泡（圖1b），氣相色譜分析CH4濃度（圖2）。  

 

   ? 溶解氣體/營養(yǎng)鹽通量：2小時批次培養(yǎng)（圖1c），Unisense微電極（OX-50）測溶解氧（DO），質(zhì)譜儀（MIMS）測N2，分光光度法測NO3?和PO43?（圖4）。  

 

4. 統(tǒng)計分析：廣義加性混合模型（GAMM）分析甲烷排放時序變化（圖2b），混合效應(yīng)模型檢驗處理間差異（表1）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 甲烷冒泡通量（圖2a, 圖3）：  

 

   ? 數(shù)據(jù)：裸露沉積物（S）累計排放470±22 mmol CH4 m?2；植被（SV）減少67%，蠕蟲（SO）減少88%，協(xié)同處理（SOV）減少97%。  

 

   ? 意義：首次量化植被與蠕蟲協(xié)同對甲烷的抑制效果，為渠系管理提供減排依據(jù)。  

 

2. 溶解氧通量（圖4a）：  

   ? 數(shù)據(jù)：所有處理凈耗氧（-41至-146 mmol O2 m?2 d?1），蠕蟲處理（SO/SOV）耗氧量高于植被處理（SV）。  

 

   ? 意義：Unisense電極證實蠕蟲生物擾動促進耗氧，揭示其增強氧化層厚度的機制。  

 

3. 氮轉(zhuǎn)化通量（圖4c-d）：  

   ? 數(shù)據(jù)：蠕蟲使凈N2產(chǎn)量增加~200 mmol N m?2（脫氮增強）；植被使NO3?吸收減少65 mmol N m?2（競爭抑制）。  

 

   ? 意義：證明蠕蟲通過生物灌溉促進脫氮，而植被通過根系吸收減少氮損失。  

 

4. 磷酸鹽通量（圖4e）：  

   ? 數(shù)據(jù)：所有處理表現(xiàn)為磷匯（PO43?吸收：-1.62至-8.37 mmol P m?2）。  

 

   ? 意義：植被根系鐵氧化物沉淀（圖1d）是固磷主因，支持植被恢復(fù)的控磷效益。  

 

結(jié)論：  

1. 甲烷減排：植被根系氧泄漏（ROL）抑制產(chǎn)甲烷菌，蠕蟲生物灌溉促進甲烷氧化，二者協(xié)同減少97%冒泡排放。  

2. 氮循環(huán)調(diào)控：蠕蟲通過生物擾動促進脫氮，但植被競爭吸收硝酸鹽，二者共存時脫氮仍凈增200 mmol N m?2。  

3. 磷固定：植被誘導(dǎo)的鐵氧化物沉淀使沉積物成為磷匯（最高吸收8.37 mmol P m?2）。  

4. 管理啟示：保留渠系植被和底棲動物可協(xié)同實現(xiàn)溫室氣體減排（CH4）與水質(zhì)改善（N/P去除）。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense OX-50微電極原位測量沉積物-水界面溶解氧（DO）通量（圖4a），其價值在于：  

1. 高分辨率動態(tài)監(jiān)測：微電極直接獲取毫米尺度DO通量（-146 mmol O2 m?2 d?1），避免傳統(tǒng)采樣氧化干擾，精準量化植被根系氧泄漏（ROL）和蠕蟲生物擾動的耗氧強度。  

2. 機制解析：證實蠕蟲處理（SO/SOV）耗氧量高于植被處理（SV），揭示生物擾動通過增強沉積物氧化層抑制甲烷生成的物理機制（氧消耗與甲烷氧化正相關(guān)）。  

3. 生態(tài)關(guān)聯(lián)：DO數(shù)據(jù)與植被根系鐵膜現(xiàn)象（圖1d）相互印證，支撐“根系氧泄漏→鐵氧化物沉淀→磷固定”的結(jié)論鏈，凸顯電極數(shù)據(jù)在生物地球化學(xué)耦合研究中的紐帶作用。