Ocean acidification and warming modify stimulatory benthos effects on sediment functioning: An experimental study on two ecosystem engineers  

海洋酸化和變暖改變底棲生物對(duì)沉積物功能的促進(jìn)作用：針對(duì)兩種生態(tài)系統(tǒng)工程師的實(shí)驗(yàn)研究  

來(lái)源：Frontiers in Marine Science,2023

《海洋科學(xué)前沿》，2023年 

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出海洋酸化（pH降低0.3單位）和變暖（升溫3°C）通過改變兩種關(guān)鍵底棲生物（白溝蛤Abra alba和沙管蟲Lanice conchilega）的行為和生理，影響其對(duì)沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)的促進(jìn)作用。在環(huán)境條件下，兩種生物均促進(jìn)沉積物氧消耗和氮循環(huán)（硝化與反硝化）。酸化使沙管蟲對(duì)沉積物代謝和氮循環(huán)的促進(jìn)作用增強(qiáng)8-41%，而變暖對(duì)其無(wú)顯著影響。相反，白溝蛤在酸化或單獨(dú)變暖環(huán)境下失去促進(jìn)作用，但在酸化和變暖共同作用時(shí)恢復(fù)促進(jìn)作用（硝化+61%，反硝化+110%）。白溝蛤在變暖環(huán)境下存活率下降34%，導(dǎo)致其生態(tài)功能隨時(shí)間減弱。  

 

研究目的：  

量化海洋酸化和變暖對(duì)兩種生態(tài)系統(tǒng)工程師（A. alba和L. conchilega）存活及其生態(tài)功能的影響。  

 

揭示氣候改變?nèi)绾瓮ㄟ^生物行為調(diào)控沉積物氮循環(huán)（硝化、反硝化）和氧動(dòng)力學(xué)。  

 

研究思路：  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

采集北海沉積物和生物樣本，實(shí)驗(yàn)室模擬四種場(chǎng)景：對(duì)照組（CTRL，pH 8.1-8.2, 18-19°C）、酸化組（OA，pH降低0.3）、變暖組（OW，升溫3°C）、氣候變化組（CC，pH降低0.3且升溫3°C）。  

 

設(shè)置含生物與無(wú)生物的沉積物微宇宙（各4重復(fù)），暴露6周。  

行為與功能監(jiān)測(cè)：  

 

存活率：每日記錄生物死亡率（圖1）。  

 

 

氧滲透深度（OPD）：使用Unisense OX100微電極（100μm尖端）以250μm步進(jìn)測(cè)量沉積物氧剖面（圖2）。  

 

 

沉積物-水界面通量：黑暗孵育3小時(shí)，測(cè)量沉積物群落氧消耗（SCOC）、硝化與反硝化速率（圖3,4）。  

 

 

 

數(shù)據(jù)分析：線性混合效應(yīng)模型檢驗(yàn)生物存在、pH、溫度和時(shí)間對(duì)功能的交互影響。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

存活率（圖1）：  

 

數(shù)據(jù)：白溝蛤在變暖（OW+CC）下存活率降低34%（CTRL:67% vs OW:50%），沙管蟲存活率無(wú)顯著變化。  

 

意義：表明白溝蛤?qū)ι郎馗舾校N群衰退可能削弱其生態(tài)功能。  

氧滲透深度（OPD）（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：兩種生物在CTRL下增加OPD 27-31%（沙管蟲：+1.32mm）；酸化或變暖單獨(dú)作用降低白溝蛤的OPD促進(jìn)作用。  

 

意義：反映生物灌溉對(duì)沉積物氧化能力的調(diào)控，OPD增加擴(kuò)大微生物活性區(qū)域。  

沉積物代謝與氮循環(huán)（圖3,4）：  

 

SCOC：沙管蟲在酸化下促進(jìn)SCOC +37%（vs CTRL +28%）；白溝蛤在酸化下失去促進(jìn)作用，但在CC場(chǎng)景恢復(fù)。  

 

硝化/反硝化：沙管蟲在酸化下提升硝化+41%、反硝化+25%；白溝蛤在CC場(chǎng)景提升硝化+61%、反硝化+110%。  

 

意義：證實(shí)生物行為改變（如沙管蟲泵水增加）直接增強(qiáng)氮循環(huán)，但白溝蛤的響應(yīng)受氣候因子交互作用調(diào)制。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

丹麥Unisense氧微電極（型號(hào)OX100）在本研究中實(shí)現(xiàn)以下核心價(jià)值：  

毫米級(jí)分辨率驗(yàn)證生物工程機(jī)制：通過垂直剖面測(cè)量（步進(jìn)250μm），量化沙管蟲泵水使沉積物氧滲透深度增加1.32±0.16mm（圖2），直接證實(shí)生物灌溉對(duì)沉積物氧化深度的物理調(diào)控，為硝化作用（需氧）和反硝化（缺氧區(qū)）的空間耦合提供證據(jù)。  

 

揭示氣候脅迫下的穩(wěn)定性：盡管酸化使沙管蟲泵水頻率增加30%（引用Vlaminck et al. 2022a），但OPD在酸化處理中未進(jìn)一步增加（圖2），表明管結(jié)構(gòu)或灌溉效率未受酸化破壞，解釋了其在酸化下維持功能促進(jìn)的原因。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：相比傳統(tǒng)分層采樣，微電極的秒級(jí)時(shí)間分辨率捕捉到生物行為（如泵水事件）引發(fā)的氧濃度瞬態(tài)波動(dòng)，證實(shí)壓力傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)真實(shí)生物物理過程（如單次"活塞泵"引發(fā)深層沉積物瞬時(shí)氧升），為行為-功能關(guān)聯(lián)提供直接證據(jù)。  

 

結(jié)論：  

物種特異性響應(yīng)：  

 

沙管蟲通過增加泵水頻率適應(yīng)酸化，增強(qiáng)沉積物氧化和氮循環(huán)（SCOC +37%，硝化+41%），變暖無(wú)顯著影響。  

 

白溝蛤在酸化或單獨(dú)變暖下失去功能促進(jìn)作用，但在酸化和變暖協(xié)同作用（CC）時(shí)恢復(fù)，源于變暖緩解酸化對(duì)鈣化的抑制（文石飽和度升高，表1）。  

 

生態(tài)功能啟示：  

 

沙管蟲可能緩沖酸化對(duì)沉積物氮循環(huán)的負(fù)面影響，而白溝蛤種群衰退（升溫下存活率降34%）可能削弱碳氮循環(huán)。  

 

生物行為改變（灌溉頻率）通過調(diào)控沉積物氧化還原狀態(tài)，級(jí)聯(lián)影響微生物過程，凸顯"生態(tài)系統(tǒng)工程師"在氣候場(chǎng)景下的關(guān)鍵作用。  

長(zhǎng)期不確定性：白溝蛤在變暖下的高死亡率預(yù)示長(zhǎng)期功能衰減，而沙管蟲的適應(yīng)性行為是否可持續(xù)需進(jìn)一步研究。