Worms and submersed macrophytes reduce methane release and increase nutrient removal in organic sediments  

蠕蟲與沉水植被降低有機沉積物甲烷釋放并增強營養鹽去除  

來源：Limnology and Oceanography Letters, 6, 2021, 329–338

《湖沼學與海洋學通訊》，第6卷 2021年 頁碼329–338

 

摘要內容：  

摘要指出，有機沉積物是溫室氣體（如甲烷CH4）和營養鹽的釋放熱點。通過實驗室微宇宙實驗，研究發現沉水植被（Vallisneria spiralis）和寡毛類蠕蟲（Sparganophilus tamesis）的共存可顯著降低甲烷排放并增強營養鹽去除。在12天的實驗中，與裸露沉積物相比，植被單獨使甲烷冒泡排放減少67%，蠕蟲單獨減少88%，二者共存減少97%。蠕蟲促進脫氮作用（增加200 mmol N m?2）和硝酸鹽消耗，而植被減少氮損失約65 mmol N m?2。所有處理均表現為磷酸鹽匯。  

 

研究目的：  

1. 驗證沉水植被和底棲宏動物對有機沉積物甲烷排放的抑制作用。  

2. 量化植被與蠕蟲協同作用對營養鹽（氮、磷）遷移轉化的影響。  

3. 為農業渠系生態管理（如保留植被和底棲生物）提供科學依據，以提升水質和降低溫室氣體排放。  

 

研究思路：  

1. 實驗設計：構建四組微宇宙處理——裸露沉積物（S）、沉積物+蠕蟲（SO）、沉積物+沉水植被（SV）、沉積物+蠕蟲+植被（SOV），每組6重復（圖1a）。  

 

2. 環境模擬：25°C恒溫，光照周期14.5h:9.5h，添加魚飼料（5g/L）模擬有機質輸入。  

3. 測量方法：  

   ? 甲烷冒泡通量：透明漏斗收集氣泡（圖1b），氣相色譜分析CH4濃度（圖2）。  

 

   ? 溶解氣體/營養鹽通量：2小時批次培養（圖1c），Unisense微電極（OX-50）測溶解氧（DO），質譜儀（MIMS）測N2，分光光度法測NO3?和PO43?（圖4）。  

 

4. 統計分析：廣義加性混合模型（GAMM）分析甲烷排放時序變化（圖2b），混合效應模型檢驗處理間差異（表1）。  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 甲烷冒泡通量（圖2a, 圖3）：  

 

   ? 數據：裸露沉積物（S）累計排放470±22 mmol CH4 m?2；植被（SV）減少67%，蠕蟲（SO）減少88%，協同處理（SOV）減少97%。  

 

   ? 意義：首次量化植被與蠕蟲協同對甲烷的抑制效果，為渠系管理提供減排依據。  

 

2. 溶解氧通量（圖4a）：  

   ? 數據：所有處理凈耗氧（-41至-146 mmol O2 m?2 d?1），蠕蟲處理（SO/SOV）耗氧量高于植被處理（SV）。  

 

   ? 意義：Unisense電極證實蠕蟲生物擾動促進耗氧，揭示其增強氧化層厚度的機制。  

 

3. 氮轉化通量（圖4c-d）：  

   ? 數據：蠕蟲使凈N2產量增加~200 mmol N m?2（脫氮增強）；植被使NO3?吸收減少65 mmol N m?2（競爭抑制）。  

 

   ? 意義：證明蠕蟲通過生物灌溉促進脫氮，而植被通過根系吸收減少氮損失。  

 

4. 磷酸鹽通量（圖4e）：  

   ? 數據：所有處理表現為磷匯（PO43?吸收：-1.62至-8.37 mmol P m?2）。  

 

   ? 意義：植被根系鐵氧化物沉淀（圖1d）是固磷主因，支持植被恢復的控磷效益。  

 

結論：  

1. 甲烷減排：植被根系氧泄漏（ROL）抑制產甲烷菌，蠕蟲生物灌溉促進甲烷氧化，二者協同減少97%冒泡排放。  

2. 氮循環調控：蠕蟲通過生物擾動促進脫氮，但植被競爭吸收硝酸鹽，二者共存時脫氮仍凈增200 mmol N m?2。  

3. 磷固定：植被誘導的鐵氧化物沉淀使沉積物成為磷匯（最高吸收8.37 mmol P m?2）。  

4. 管理啟示：保留渠系植被和底棲動物可協同實現溫室氣體減排（CH4）與水質改善（N/P去除）。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense OX-50微電極原位測量沉積物-水界面溶解氧（DO）通量（圖4a），其價值在于：  

1. 高分辨率動態監測：微電極直接獲取毫米尺度DO通量（-146 mmol O2 m?2 d?1），避免傳統采樣氧化干擾，精準量化植被根系氧泄漏（ROL）和蠕蟲生物擾動的耗氧強度。  

2. 機制解析：證實蠕蟲處理（SO/SOV）耗氧量高于植被處理（SV），揭示生物擾動通過增強沉積物氧化層抑制甲烷生成的物理機制（氧消耗與甲烷氧化正相關）。  

3. 生態關聯：DO數據與植被根系鐵膜現象（圖1d）相互印證，支撐“根系氧泄漏→鐵氧化物沉淀→磷固定”的結論鏈，凸顯電極數據在生物地球化學耦合研究中的紐帶作用。