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了底棲動(dòng)物對沉積物功能的影響：對兩位生態(tài)系統(tǒng)工程師的實(shí)驗(yàn)研究

來源：Front. Mar. Sci. 10:1101972.

 

摘要核心內(nèi)容

 

論文通過實(shí)驗(yàn)室微宇宙實(shí)驗(yàn)研究了海洋酸化和變暖對兩種關(guān)鍵底棲生物（雙殼貝 Abra alba 和多毛類 Lanice conchilega）促進(jìn)沉積物功能（如氮循環(huán)）的影響。主要發(fā)現(xiàn)：

 

物種特異性響應(yīng)：

L. conchilega 在酸化條件下增強(qiáng)了對沉積物氧消耗（SCOC）、硝化和反硝化的促進(jìn)作用（+8-41%）。

A. alba 的促進(jìn)作用在酸化下消失，在變暖下因死亡率升高而減弱。

機(jī)制差異：

L. conchilega 通過增加泵氧頻率適應(yīng)酸化，增強(qiáng)沉積物氧化。

A. alba 因減少攝食和呼吸活動(dòng)，削弱生物擾動(dòng)能力。

復(fù)合效應(yīng)：氣候變暖與酸化共同作用時(shí)，A. alba 的促進(jìn)作用短暫恢復(fù)（因溫度緩解鈣化壓力），但隨死亡率上升而減弱。

 

研究目的

 

評估海洋酸化和變暖對底棲關(guān)鍵物種（生態(tài)系統(tǒng)工程師）生態(tài)功能的調(diào)控作用。

比較兩類生物擾動(dòng)模式（A. alba：隨機(jī)表層擾動(dòng)；L. conchilega：管棲泵氧）對氣候變化的響應(yīng)差異。

揭示氣候壓力下生物行為變化如何級(jí)聯(lián)影響沉積物氮循環(huán)。

 

研究思路

 

graph LR

A[野外采集沉積物與物種] --> B[實(shí)驗(yàn)室微宇宙實(shí)驗(yàn)]

B --> C[四組處理：CTRL/OW/OA/CC]

C --> D[6周培養(yǎng)，監(jiān)測存活率]

D --> E[測量氧滲透深度（OPD）]

E --> F[閉室培養(yǎng)測SCOC與營養(yǎng)鹽通量]

F --> G[計(jì)算硝化/反硝化速率]

G --> H[統(tǒng)計(jì)分析氣候×物種×?xí)r間效應(yīng)]

 

測量數(shù)據(jù)及意義

 

存活率（圖1）

 

數(shù)據(jù)：A. alba 在變暖下存活率↓34%（OW和CC組），L. conchilega 無顯著變化。

意義：反映物種熱敏感性差異，A. alba 的衰退可能削弱其長期生態(tài)功能。

 

氧滲透深度（OPD）（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

L. conchilega 使OPD↑31%（所有處理）。

A. alba 使OPD↑27%（CTRL最強(qiáng)，OA/OW減弱）。

意義：量化生物擾動(dòng)對沉積物氧化的直接影響，為氮循環(huán)提供氧化基質(zhì)。

 

沉積物-水界面通量

SCOC（沉積物群落氧消耗）（圖3, 4）：

 

 

L. conchilega：酸化下促進(jìn)作用↑37%（圖3）。

A. alba：CTRL下↑35%，OA下消失（圖4）。

硝化與反硝化速率（圖3, 4）：

L. conchilega：酸化下硝化↑41%、反硝化↑25%。

A. alba：CC組短暫促進(jìn)（硝化↑61%、反硝化↑110%）。

意義：直接量化物種對氮循環(huán)的貢獻(xiàn)，揭示氣候條件改變生物擾動(dòng)的功能性后果。

 

時(shí)間效應(yīng)（表2, 圖4）

 

數(shù)據(jù)：A. alba 的硝化/反硝化速率在6周后↓22-23%。

意義：表明變暖效應(yīng)隨暴露時(shí)間累積，可能與死亡率上升相關(guān)。

 

結(jié)論

 

酸化增強(qiáng) L. conchilega 的功能：泵氧行為增加沉積物氧化，促進(jìn)耦合的硝化-反硝化。

酸化抑制 A. alba 的功能：攝食與呼吸減少削弱生物擾動(dòng)，導(dǎo)致氮循環(huán)促進(jìn)作用消失。

變暖降低 A. alba 適應(yīng)性：存活率下降進(jìn)一步削弱其長期生態(tài)貢獻(xiàn)。

復(fù)合效應(yīng)復(fù)雜：A. alba 在氣候變暖與酸化共同作用下短暫恢復(fù)功能（溫度緩解鈣化壓力），但隨時(shí)間推移失效。

 

關(guān)鍵啟示：海洋酸化可能改變底棲群落結(jié)構(gòu)（如 L. conchilega 相對優(yōu)勢上升），進(jìn)而重塑沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)路徑。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

測量方法與目的

 

技術(shù)原理：使用Unisense OX100微電極（100μm尖端）垂直插入沉積物，以250μm步長測量氧濃度梯度（圖2）。

校準(zhǔn)：0%（抗壞血酸鈉）和100%（空氣飽和海水）兩點(diǎn)校準(zhǔn)。

關(guān)鍵指標(biāo)：氧滲透深度（OPD）——氧濃度降至0的深度，反映沉積物氧化層厚度。

 

研究意義

 

量化生物擾動(dòng)強(qiáng)度：

L. conchilega 使OPD增加1.32±0.16 mm（圖2），證實(shí)其“活塞泵”行為顯著擴(kuò)大氧化層，為硝化（需氧）和反硝化（需缺氧微環(huán)境）提供空間基礎(chǔ)。

A. alba 的OPD增幅在酸化/變暖下降低，直接關(guān)聯(lián)其行為抑制（如攝食減少）。

 

揭示氣候效應(yīng)的機(jī)制：

L. conchilega 在酸化下OPD不變（圖2），但泵氧頻率↑30%（文獻(xiàn)佐證），說明其功能增強(qiáng)源于單位時(shí)間內(nèi)氧化層利用效率提升，而非氧化深度變化。

A. alba 在變暖下OPD↓19%（OW組），解釋其氮循環(huán)促進(jìn)作用消失的物理機(jī)制。

 

連接行為與生態(tài)系統(tǒng)功能：

OPD數(shù)據(jù)與通量測量結(jié)合，證明物種行為適應(yīng)（如 L. conchilega 泵頻增加）通過改變沉積物氧化還原梯度，直接驅(qū)動(dòng)氮循環(huán)過程響應(yīng)。

 

生態(tài)啟示

 

微電極技術(shù)的價(jià)值：提供高分辨率氧化層數(shù)據(jù)，是鏈接物種行為（生物擾動(dòng)）與生態(tài)系統(tǒng)功能（氮循環(huán)）的關(guān)鍵橋梁。

氣候預(yù)測應(yīng)用：OPD變化可預(yù)測未來海洋酸化/變暖下沉積物碳氮周轉(zhuǎn)潛力的空間重構(gòu)（如氧化層收縮可能抑制硝化）。

 

總結(jié)：Unisense微電極數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了物種行為假說，更從微尺度揭示了氣候變化如何通過生物工程效應(yīng)級(jí)聯(lián)影響生物地球化學(xué)循環(huán)，凸顯其在生態(tài)預(yù)測模型中的不可替代性。