Rainfall effects on the erodibility of sediment and microphytobenthos in the intertidal flat

降雨對(duì)潮間帶沉積物和微底棲植物侵蝕性的影響

來(lái)源：《Environmental Pollution》（2018年，卷242，頁(yè)2051-2058）

 

論文概述

研究了降雨對(duì)潮間帶沉積物和微底棲生物（Microphytobenthos, MPB）可蝕性的影響。研究通過(guò)野外采樣和室內(nèi)侵蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物分析，量化了不同天氣條件（無(wú)雨、降雨、雨后）下沉積物和MPB的侵蝕響應(yīng)，并比較了鹽沼和混合平坦區(qū)兩種生態(tài)系統(tǒng)的差異。研究使用了丹麥Unisense氧微電極等先進(jìn)技術(shù)，為潮間帶生態(tài)系統(tǒng)管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，潮間帶頻繁降雨事件在低潮期間會(huì)侵蝕和運(yùn)輸表層沉積物和MPB。本研究通過(guò)Gust侵蝕微宇宙系統(tǒng)（GEMS）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，量化了降雨對(duì)鹽沼和混合平坦區(qū)沉積物和MPB可蝕性的影響。結(jié)果表明：

 

沉積物可蝕性：降雨條件下，沉積物可蝕性顯著增加，總侵蝕質(zhì)量比無(wú)雨條件高37-86%，表明降雨擾動(dòng)了表層沉積物。雨后，高可蝕性沉積物被移除，侵蝕質(zhì)量減少。

 

MPB可蝕性：降雨條件下，MPB可蝕性降低，總侵蝕Chl-a減少29%。在混合平坦區(qū)，降雨顯著降低了MPB的生物活性（生物量和初級(jí)生產(chǎn)），表層Chl-a濃度雨后減少73%。在鹽沼區(qū)，MPB生物活性穩(wěn)定，降雨影響較小，可能由于植被冠層保留了侵蝕的MPB。

摘要結(jié)論強(qiáng)調(diào)，降雨對(duì)沉積物和MPB的侵蝕有顯著影響，但效應(yīng)因生態(tài)系統(tǒng)類型而異，植被冠層在鹽沼區(qū)起到緩沖作用。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化降雨效應(yīng)：評(píng)估降雨對(duì)潮間帶沉積物和MPB可蝕性的影響，包括侵蝕質(zhì)量和生物響應(yīng)。

比較生態(tài)系統(tǒng)差異：對(duì)比鹽沼（有植被）和混合平坦區(qū)（無(wú)植被）在降雨條件下的響應(yīng)，揭示植被的作用。

 

機(jī)制闡釋：通過(guò)環(huán)境變量和生物測(cè)量，理解降雨影響侵蝕的物理和生物機(jī)制，為潮間帶保護(hù)提供基礎(chǔ)。

 

3. 研究思路

研究采用了野外采樣與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的綜合 approach：

 

研究區(qū)域與采樣：選擇韓國(guó)慶州灣的鹽沼和混合平坦區(qū)作為研究點(diǎn)（圖1），在三種天氣條件（無(wú)雨、降雨、雨后）下采集表層沉積物樣本。

 

環(huán)境監(jiān)測(cè)：使用自動(dòng)氣象站記錄降雨量、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)（圖2），確保實(shí)驗(yàn)條件代表典型天氣。

 

侵蝕實(shí)驗(yàn)：使用Gust侵蝕微宇宙系統(tǒng)（GEMS）應(yīng)用逐步增加的床面剪切應(yīng)力（τb），測(cè)量懸浮沉積物濃度（SSC）和侵蝕質(zhì)量（圖3）。同時(shí)，收集水樣分析Chl-a濃度。

 

生物測(cè)量：

 

葉綠素a（Chl-a）：作為MPB生物量的指標(biāo)，通過(guò)分光光度法測(cè)量。

初級(jí)生產(chǎn)（PP）：使用丹麥Unisense氧微電極和Clark型氧微傳感器測(cè)量氧通量，計(jì)算MPB的初級(jí)生產(chǎn)率（方法部分描述）。

 

其他參數(shù)：沉積物含水量、粒度分布等（表2）。

 

數(shù)據(jù)分析：比較不同天氣條件下的侵蝕數(shù)據(jù)、生物數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（如ANOVA），以評(píng)估降雨效應(yīng)。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及其研究意義

本研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其來(lái)源和意義如下：

 

侵蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖4和 圖5）：

 

 

數(shù)據(jù)：總侵蝕質(zhì)量（g m?2）和總侵蝕Chl-a（μg m?2），在不同τb下測(cè)量。

 

研究意義：直接量化降雨對(duì)沉積物和MPB可蝕性的影響。數(shù)據(jù)顯示降雨增加沉積物侵蝕但減少M(fèi)PB侵蝕，揭示降雨的物理擾動(dòng)和生物響應(yīng)差異。例如，圖4顯示降雨條件下侵蝕質(zhì)量增加37-86%，圖5顯示侵蝕Chl-a在降雨條件下減少。

 

生物特性數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖6和 表2）：

 

 

數(shù)據(jù)：表層Chl-a濃度（mg m?2）和初級(jí)生產(chǎn)（PP, mmol O? m?2 h?1）。

 

研究意義：反映MPB的生物活性和代謝狀態(tài)。在混合平坦區(qū)，降雨后Chl-a和PP顯著降低，表明降雨減少了MPB生物量和生產(chǎn)；在鹽沼區(qū)，變化不顯著，表明植被有保護(hù)作用。圖6直觀顯示了這種差異。

 

環(huán)境數(shù)據(jù)（來(lái)自 圖2和 表1）：

 

數(shù)據(jù)：降雨強(qiáng)度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等氣象參數(shù)。

 

研究意義：提供實(shí)驗(yàn)背景條件，幫助解釋侵蝕響應(yīng)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素。例如，降雨強(qiáng)度影響雨滴動(dòng)能，太陽(yáng)輻射影響MPB遷移行為。

 

沉積物物理數(shù)據(jù)（來(lái)自 表2）：

 

數(shù)據(jù)：沉積物含水量、平均粒度、粘土含量等。

 

研究意義：影響沉積物侵蝕抗性，與生物參數(shù)結(jié)合揭示綜合機(jī)制。

 

5. 數(shù)據(jù)研究意義

這些數(shù)據(jù)的綜合分析揭示了以下科學(xué)意義：

 

降雨的物理效應(yīng)：降雨通過(guò)雨滴沖擊和片流增加沉積物侵蝕，但減少M(fèi)PB侵蝕，可能由于MPB的垂直遷移或EPS溶解。

生態(tài)系統(tǒng)差異：鹽沼區(qū)的植被冠層緩沖了降雨影響，保留了MPB，而混合平坦區(qū)更易受擾動(dòng)，強(qiáng)調(diào)了植被在潮間帶穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用。

生物地球化學(xué)循環(huán)：降雨改變MPB生物量和生產(chǎn)，影響碳和營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)，對(duì)于理解潮間帶生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)有重要意義。

 

管理應(yīng)用：研究結(jié)果可用于預(yù)測(cè)氣候變化下降雨事件增加對(duì)潮間帶侵蝕和生態(tài)功能的影響，指導(dǎo)海岸帶保護(hù)和恢復(fù)策略。

 

6. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

降雨增加沉積物可蝕性：降雨條件下，侵蝕質(zhì)量顯著增加（37-86%）， due to物理擾動(dòng)。

降雨減少M(fèi)PB可蝕性：侵蝕Chl-a減少29%，表明MPB可能通過(guò)遷移或生物機(jī)制避免侵蝕。

生態(tài)系統(tǒng)特異性：在混合平坦區(qū)，降雨顯著降低MPB生物量和生產(chǎn)（Chl-a減少73%）；在鹽沼區(qū)，變化不顯著，植被冠層保留MPB。

雨后恢復(fù)：雨后侵蝕質(zhì)量減少，表明高可蝕性沉積物被移除，系統(tǒng)部分恢復(fù)。

 

整體意義：降雨是潮間帶侵蝕的重要驅(qū)動(dòng)因子，但效應(yīng)受沉積物類型和植被覆蓋調(diào)節(jié)，需在生態(tài)系統(tǒng)管理中考慮。

 

7. 詳細(xì)解讀：使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的氧微電極被用于測(cè)量微底棲生物（MPB）的初級(jí)生產(chǎn)（PP），這是研究的核心生物參數(shù)之一。

測(cè)量數(shù)據(jù)：Unisense氧微電極（Clark型）以高分辨率測(cè)量沉積物-水界面的氧濃度剖面，用于計(jì)算MPB的氧通量和初級(jí)生產(chǎn)率（方法部分描述）。數(shù)據(jù)體現(xiàn)在MPB的PP值中（圖6b和 表2），單位為mmol O? m?2 h?1。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供高精度代謝活性數(shù)據(jù)：Unisense氧微電極能夠原位、實(shí)時(shí)測(cè)量氧濃度變化，以毫米級(jí)分辨率捕捉MPB的光合作用活性。這提供了直接、定量的PP數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)方法可能帶來(lái)的擾動(dòng)或誤差。數(shù)據(jù)顯示，在混合平坦區(qū)，降雨后PP顯著降低（從12.3降至0.8 mmol O? m?2 h?1），表明降雨抑制了MPB的代謝活性。

揭示降雨對(duì)MPB生理的影響：PP測(cè)量結(jié)合Chl-a數(shù)據(jù)，表明降雨不僅減少M(fèi)PB生物量，還降低其光合作用能力。這可能是由于降雨導(dǎo)致MPB遷移到更深沉積層或EPS溶解，減少了光可用性和代謝效率。Unisense電極的高靈敏度使這種細(xì)微變化被檢測(cè)到，強(qiáng)調(diào)了降雨的生物學(xué)效應(yīng)。

區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)：在鹽沼區(qū)，PP變化不顯著（如PP值在2-3 mmol O? m?2 h?1之間），Unisense數(shù)據(jù)支持植被冠層的保護(hù)作用：植被減少了降雨沖擊，維持了MPB代謝穩(wěn)定性。在混合平坦區(qū)，PP大幅下降，顯示無(wú)植被區(qū)域的脆弱性。這種對(duì)比突出了植被在調(diào)節(jié)潮間帶代謝功能中的關(guān)鍵角色。

支持機(jī)制闡釋：Unisense電極數(shù)據(jù)與侵蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)合，幫助建立“降雨→物理擾動(dòng)→MPB遷移/代謝改變→侵蝕響應(yīng)”的因果鏈。例如，PP降低可能與MPB向下遷移以避免侵蝕相關(guān)，這解釋了為什么侵蝕Chl-a減少但生物量降低。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值：Unisense氧微電極的原位測(cè)量能力提供了真實(shí)環(huán)境下的代謝數(shù)據(jù)，避免了采樣 artifacts。這使其成為研究潮間帶生物地球化學(xué)過(guò)程的黃金標(biāo)準(zhǔn)工具。本研究展示了其在評(píng)估環(huán)境 stressors（如降雨）對(duì)微生物代謝影響中的強(qiáng)大能力，為未來(lái)研究提供了方法學(xué)參考。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中扮演了 “代謝活動(dòng)監(jiān)測(cè)器”的角色。其提供的高精度PP數(shù)據(jù)不僅是描述性參數(shù)，更是揭示降雨生物學(xué)效應(yīng)、量化MPB代謝響應(yīng)、并鏈接物理與生物過(guò)程的核心證據(jù)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，降雨對(duì)MPB生理的影響無(wú)法被直接量化，研究結(jié)論的深度和可靠性將大打折扣。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)傳感技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的重要性，尤其是在理解氣候變化下潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)。