Benthic oxygen dynamics and implication for the maintenance of chronic hypoxia and ecosystem degradation in the Berre lagoon(France)  

貝赫瀉湖(法國(guó))底棲氧動(dòng)力學(xué)及其對(duì)慢性缺氧維持和生態(tài)系統(tǒng)退化的影響  

來源：Estuarine, Coastal and Shelf Science Volume 258, 2021, 107437

《河口、海岸與大陸架科學(xué)》第258卷，2021年，文章編號(hào)107437

 

摘要內(nèi)容

 

研究探討了底棲氧需求(BOD)如何隨季節(jié)性和長(zhǎng)期（數(shù)十年）缺氧變化，發(fā)現(xiàn)缺氧后沉積物中還原性化學(xué)物質(zhì)的積累會(huì)導(dǎo)致BOD顯著升高。長(zhǎng)期缺氧區(qū)因有機(jī)物和還原性物質(zhì)積累導(dǎo)致高BOD，而常氧區(qū)因新鮮有機(jī)物和生物擾動(dòng)型底棲動(dòng)物群落也呈現(xiàn)高BOD。低BOD出現(xiàn)在季節(jié)性缺氧區(qū)，與底棲群落退化和還原性物質(zhì)積累較少相關(guān)。通過量化BOD與水柱再氧化動(dòng)力學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，證實(shí)貝赫瀉湖慢性缺氧事件由BOD和水體分層共同驅(qū)動(dòng)。

 

研究目的

 

1. 揭示季節(jié)性/長(zhǎng)期缺氧對(duì)沉積物-水界面氧交換的驅(qū)動(dòng)機(jī)制  

2. 評(píng)估BOD是否足以引發(fā)瀉湖缺氧事件  

 

研究思路

 

1. 空間梯度設(shè)計(jì)：選取PO（常氧）、PI（季節(jié)性缺氧）、PA（永久缺氧）三站點(diǎn)（圖1）  

 

2. 時(shí)序觀測(cè)：在PI站進(jìn)行2015-2016年四季采樣（圖3）  

 

3. 多參數(shù)同步測(cè)量：  

   ? 水柱溶解氧連續(xù)監(jiān)測(cè)（圖3）  

 

   ? Unisense微電極剖面儀原位測(cè)量氧滲透深度與擴(kuò)散通量（圖6）  

 

   ? 底棲培養(yǎng)室測(cè)定總氧通量（圖7）  

 

   ? 沉積物有機(jī)質(zhì)/色素分析（圖4）  

 

   ? 底棲生物群落與生境質(zhì)量評(píng)估（圖5）  

 

4. 模型構(gòu)建：建立BOD動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)缺氧發(fā)生條件（圖9）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 溶解氧時(shí)空分布（圖3）  

   ? 意義：量化不同站點(diǎn)缺氧頻率（PA站46%時(shí)間缺氧），確立環(huán)境基準(zhǔn)狀態(tài)  

 

2. 氧滲透深度(zo2)（圖6）  

   ? 意義：反映沉積物氧化還原狀態(tài)（PA站zo2<0.1mm），指示化學(xué)物質(zhì)積累程度  

 

3. 擴(kuò)散通量(Jdif)與總通量(Jtot)（圖7）  

   ? 意義：揭示生物擾動(dòng)貢獻(xiàn)（PO站Jtot/Jdif>1），證實(shí)底棲動(dòng)物對(duì)氧傳輸?shù)脑鰪?qiáng)作用  

 

4. 沉積物特性（圖4）  

   ? TOC（PA站4.0%最高）與色素比值：反映有機(jī)物積累與新鮮度，解釋BOD差異來源  

 

5. 底棲群落結(jié)構(gòu)（圖5）  

   ? 物種豐富度（PO站9種 vs PA站0種）：直接關(guān)聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)退化程度  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量意義

 

使用Unisense MP6微剖面系統(tǒng)（圖2b）實(shí)現(xiàn)：  

 

1. 毫米級(jí)分辨率：以0.1mm步長(zhǎng)獲取氧滲透深度（圖6），精準(zhǔn)捕捉沉積物-水界面氧化梯度  

2. 原位真實(shí)性：避免采樣擾動(dòng)，測(cè)得PA站擴(kuò)散通量趨近零（缺氧區(qū)無氧消耗），驗(yàn)證理論模型  

3. 動(dòng)態(tài)過程解析：發(fā)現(xiàn)生物擾動(dòng)形成的"氧管"（PI站1.7cm深氧峰，圖6），揭示底棲動(dòng)物對(duì)氧輸運(yùn)的關(guān)鍵作用  

4. 通量計(jì)算基礎(chǔ)：結(jié)合Fick定律計(jì)算Jdif，為BOD量化提供核心參數(shù)  

 

結(jié)論

 

1. BOD驅(qū)動(dòng)機(jī)制：  

   ? 缺氧后還原物質(zhì)氧化是BOD主要驅(qū)動(dòng)力（PI站夏季Jdif達(dá)30 mmol·m?2·d?1）  

 

   ? 常氧區(qū)高BOD由新鮮有機(jī)物和生物擾動(dòng)維持（PO站Jtot/Jdif=2.5）  

 

2. 生態(tài)系統(tǒng)反饋：  

   ? 長(zhǎng)期缺氧導(dǎo)致底棲群落滅絕（PA站），喪失生物擾動(dòng)功能  

 

   ? 季節(jié)性缺氧引發(fā)群落更替，改變BOD模式（圖8）  

 

3. 缺氧預(yù)測(cè)模型：  

   ? BOD動(dòng)力學(xué)常數(shù)(ko2)與風(fēng)速再氧化競(jìng)爭(zhēng)可預(yù)測(cè)缺氧（圖9），實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)吻合度>80%  

 

4. 管理啟示：  

   ? 需同步控制富營(yíng)養(yǎng)化（降低BOD）和水體分層（增強(qiáng)混合）以修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)