Benthic pH gradients across a range of shelf sea sediment types linked to sediment characteristics and seasonal variability

底棲生物的pH梯度跨越一系列與沉積物特征和季節(jié)變化有關(guān)的大陸架海洋沉積物類型

來源：Biogeochemistry (2017) 135:69–88

 

論文摘要

本論文摘要指出，大陸架沉積物在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演關(guān)鍵角色，但底棲pH測量的研究相對缺乏。本研究使用微電極在凱爾特海（Celtic Sea）的不同沉積物類型（從粘性到滲透性）中記錄了新鮮沉積物柱的pH剖面，并在2014年和2015年的多次航次中捕捉了空間和時間變異性。同時測量的氧氣微電極剖面和其他沉積參數(shù)為pH數(shù)據(jù)提供了詳細(xì)背景。結(jié)果顯示，沉積物類型、位置和季節(jié)之間存在清晰的pH剖面差異，特別是在表層沉積物（10-20毫米）中觀察到陡峭的pH梯度（降低大于0.5單位）。這些梯度可能由沉積物-水界面附近的好氧有機質(zhì)呼吸或氧化還原物種（如NH??、Mn2?、Fe2?、S?）的氧化引起。統(tǒng)計分析表明，pH最小值深度的空間變異性受氧氣滲透深度控制，而季節(jié)變異性受沉積有機植屑輸入和再礦化影響。pH最小值以下，pH保持穩(wěn)定低位，表明該層內(nèi)缺乏產(chǎn)H?的次氧化過程或平衡去除過程。研究提供了沉積物孔隙水pH的氣候?qū)W基線，有助于理解生物地球化學(xué)過程，特別是在人類活動、海床完整性和氣候變化背景下。

研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化底棲pH梯度：系統(tǒng)測量凱爾特海大陸架不同沉積物類型（如泥質(zhì)、沙質(zhì)）中的pH剖面，建立pH空間分布基線。

識別控制因素：探究沉積物特性（如粒度、有機碳含量）和季節(jié)變化（如春季水華期）對pH梯度的相對影響，特別是與氧氣動力學(xué)（如氧氣滲透深度）的關(guān)聯(lián)。

評估過程機制：驗證假設(shè)——pH梯度主要由表層沉積物的好氧呼吸或氧化還原反應(yīng)驅(qū)動，并評估沉積類型（擴散主導(dǎo) vs 平流主導(dǎo)）如何調(diào)制這些過程。

 

提供建模基礎(chǔ)：為未來氣候情景下底棲響應(yīng)的模型預(yù)測提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如海洋酸化對沉積物生態(tài)系統(tǒng)的影響。

 

研究思路

研究遵循了“多站點采樣-多季節(jié)觀測-多參數(shù)關(guān)聯(lián)”的系統(tǒng)思路：

 

站點選擇與采樣：在凱爾特海選擇了四個代表性過程站點（A、G、H、I），涵蓋從粘性（泥質(zhì)）到滲透性（沙質(zhì)）的沉積物梯度。這些站點在2014年（4月）和2015年（3月、5月、8月）進(jìn)行了四次航次采樣，以捕捉春季水華前、水華期和水華后的季節(jié)變化。同時，在2015年3月的空間調(diào)查中額外采樣39個站點，以覆蓋更廣的沉積物類型范圍。

現(xiàn)場測量與實驗室分析：

 

使用NIOZ箱式取樣器采集原狀沉積物柱，并立即進(jìn)行微電極剖面測量，以最小化樣品退化。

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)同時測量pH和氧氣剖面（垂直分辨率1毫米），確定氧氣滲透深度和pH最小值深度。

 

分析沉積物物理化學(xué)特性：粒度分布（激光衍射和篩分）、孔隙度、有機碳和氮含量（元素分析儀）、損失點火（LOI）等。

 

數(shù)據(jù)分析：通過統(tǒng)計方法（如t檢驗、回歸分析）評估pH梯度與沉積物特性（如粉砂/粘土含量）、氧氣滲透深度和季節(jié)參數(shù)的相關(guān)性。重點比較不同沉積類型（如粘性vs滲透性）和季節(jié)（水華前vs水華期）的剖面形態(tài)。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多個方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表，避免表格形式）：

 

pH和氧氣微電極剖面（揭示沉積物氧化還原過程和梯度）

 

測量指標(biāo)：pH和氧氣的垂直濃度剖面、氧氣滲透深度、pH最小值深度。

研究意義：這些剖面直接反映了沉積物中的生物地球化學(xué)活性。例如，F(xiàn)ig. 3顯示，氧氣消耗通常發(fā)生在沉積物-水界面以下2厘米內(nèi)，而pH在表層1厘米內(nèi)下降可達(dá)0.5單位以上。陡峭的pH梯度表明活躍的有機質(zhì)降解或氧化反應(yīng)（如金屬再氧化），而季節(jié)變化（如夏季pH降低）與有機質(zhì)輸入增加相關(guān)。這些數(shù)據(jù)幫助量化沉積物作為碳和營養(yǎng)鹽循環(huán)的“熱點”。

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 3（a和b子圖）展示了不同季節(jié)的氧氣和pH剖面變化。

 

沉積物物理化學(xué)特性（提供環(huán)境背景和控制因素）

 

測量指標(biāo)：粒度分布（粉砂/粘土含量）、孔隙度、總有機碳、總氮、損失點火。

研究意義：沉積物類型（如粉砂/粘土含量）強烈影響傳輸機制（擴散 vs 平流）。Fig. 5顯示粉砂/粘土含量與孔隙度和有機碳正相關(guān)，表明粘性沉積物具有更高的有機質(zhì)負(fù)載和更淺的氧化層。這解釋了為何粘性沉積物（如站點A）顯示更陡的pH梯度（Fig. 7），而沙質(zhì)沉積物（如站點G）剖面更平緩。

 

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 5展示了粉砂/粘土含量與孔隙度/有機碳的關(guān)系；Table 1提供了各站點的詳細(xì)參數(shù)（但按用戶要求不列表格，可簡述為“文檔中Table 1總結(jié)了站點沉積物特性”）。

 

季節(jié)和空間變異性數(shù)據(jù)（捕捉動態(tài)變化）

 

測量指標(biāo)：不同季節(jié)和站點的pH最小值深度、氧氣滲透深度、表層pH值。

研究意義：Fig. 7和 Fig. 8表明，pH最小值深度與氧氣滲透深度顯著相關(guān)，且季節(jié)變化明顯（水華期梯度更陡）。例如，站點G在3月（水華前）顯示較深氧氣滲透和較高pH，而5月（水華期）梯度變陡，反映有機質(zhì)輸入刺激了微生物呼吸。空間調(diào)查（Fig. 2）證實沉積物類型是pH分異的主要驅(qū)動因子。

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 7顯示氧氣滲透深度和pH最小值深度與粉砂/粘土含量的關(guān)系；Fig. 8用箱形圖展示了不同粉砂/粘土含量類別的參數(shù)范圍。

 

研究結(jié)論

 

沉積物類型主導(dǎo)pH變異性：粘性沉積物（粉砂/粘土含量>10%）顯示更陡的pH梯度和更淺的pH最小值，而滲透性沙質(zhì)沉積物剖面更平緩。這表明沉積物物理特性（如滲透性）通過調(diào)制溶質(zhì)傳輸（擴散 vs 平流）控制生物地球化學(xué)過程。

季節(jié)變化顯著：pH梯度在水華期（5月）最陡， due to 新鮮有機質(zhì)輸入刺激微生物呼吸和氧化反應(yīng)。季節(jié)信號強化了底棲-水柱耦合，例如有機質(zhì)沉降驅(qū)動氧氣消耗和pH下降。

氧氣滲透深度是關(guān)鍵關(guān)聯(lián)因子：pH最小值深度與氧氣滲透深度顯著相關(guān)（Fig. 7），證實氧化還原界面是pH變化的“熱點”。pH最小值以下穩(wěn)定低位表明，次氧化過程（如鐵錳還原）在測量深度內(nèi)未產(chǎn)生顯著堿度。

 

基線數(shù)據(jù)對氣候研究的意義：研究提供了大陸架沉積物pH的詳細(xì)氣候?qū)W，顯示自然變異性遠(yuǎn)大于水柱（變化可達(dá)0.86單位）。這暗示底棲生物可能已適應(yīng)高pH變異性，未來海洋酸化的影響需在沉積物特定背景下評估。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在研究中，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)被用于高分辨率測量沉積物中的pH和氧氣剖面。其研究意義至關(guān)重要，體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

高分辨率揭示微觀過程：Unisense微電極能以毫米級分辨率測量pH和氧氣的垂直分布（如Fig. 3所示），這是傳統(tǒng)取樣方法無法實現(xiàn)的。這種精度允許識別表層沉積物中的陡峭梯度（如pH在1厘米內(nèi)下降>0.5單位），直接證明了生物地球化學(xué)過程的“微觀熱點”，例如好氧呼吸或金屬氧化在氧化-缺氧界面產(chǎn)生的H?通量。

量化氧化還原驅(qū)動機制：通過同步測量氧氣剖面（如Fig. 3a），研究人員能夠?qū)H最小值深度與氧氣滲透深度精確關(guān)聯(lián)（Fig. 7）。這提供了關(guān)鍵證據(jù)：pH梯度主要受氧化過程（如有機物降解或還原物種再氧化）控制，而非擴散限制。電極數(shù)據(jù)證實，粘性沉積物中更淺的氧氣滲透深度對應(yīng)更陡的pH下降，突出了氧化還原耦合的重要性。

區(qū)分沉積物類型的影響：微電極剖面清晰顯示了沉積物傳輸機制（擴散 vs 平流）的差異。例如，沙質(zhì)站點G的剖面更平緩（Fig. 3b），反映了平流主導(dǎo)的傳輸如何“緩沖”pH變化，而粘性站點A的陡峭梯度表明擴散主導(dǎo)下的局部反應(yīng)積累。這種對比幫助驗證了沉積物滲透性作為pH變異性主要控制因素的假設(shè)。

支持季節(jié)動態(tài)解讀：長期觀測（四次航次）顯示，站點G在3月（水華前）的pH剖面較穩(wěn)定，而5月（水華期）梯度變陡（Fig. 3b）。微電極的高時間分辨率捕捉了有機質(zhì)輸入引發(fā)的快速響應(yīng)，強調(diào)了季節(jié)脈沖對底棲代謝的影響。這為理解氣候變化下碳循環(huán)反饋提供了機制見解。

 

方法學(xué)優(yōu)勢與基線價值：與傳統(tǒng)培養(yǎng)實驗相比，Unisense微電極提供了“近原位”數(shù)據(jù)（采樣后快速測量），最小化了擾動誤差。研究生成的pH氣候?qū)W（如Fig. 8）是未來建模的關(guān)鍵輸入，尤其用于評估海洋酸化對沉積物生態(tài)系統(tǒng)的影響——電極數(shù)據(jù)表明，底棲生物已暴露于高自然變異性中，可能比預(yù)期更具韌性。

 

總之，Unisense微電極在本研究中不僅是測量工具，更是連接沉積物物理特性與生物地球化學(xué)過程的橋梁。它提供的髙分辨率數(shù)據(jù)使得首次在如此廣泛的沉積物類型和季節(jié)尺度上量化pH梯度成為可能，深化了對大陸架碳循環(huán)的理解，并為預(yù)測環(huán)境變化下的底棲響應(yīng)奠定了堅實基礎(chǔ)。