Physical Disturbance by Bottom Trawling Suspends Particulate Matter and Alters Biogeochemical Processes on and Near the Seafloor  

底拖網(wǎng)捕撈的物理擾動(dòng)懸浮顆粒物并改變海底及鄰近區(qū)域的生物地球化學(xué)過(guò)程  

來(lái)源：Frontiers in Marine Science, Volume 8, Article 683331,  2021

《海洋科學(xué)前沿》第8卷，文章編號(hào)683331，2021年

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)量化了小型拖網(wǎng)在波羅的海泥質(zhì)海底單次作業(yè)的物理擾動(dòng)和生物地球化學(xué)影響。多波束測(cè)深顯示拖網(wǎng)形成36米寬的軌跡（含平行溝槽和沉積物堆積），每公里軌跡位移500噸沉積物并懸浮9.5噸沉積物。拖網(wǎng)門(mén)對(duì)沉積物的單位面積擾動(dòng)強(qiáng)度是其他漁具的5倍（位移）和2倍（懸浮）。懸浮沉積物擴(kuò)散至1公里外，形成5-10米厚的渾濁底層水體。拖網(wǎng)后2小時(shí)，距軌跡550米處濁度達(dá)4.3 NTU（7 mgDW/L），溶解態(tài)氮、磷、錳在底層水體中脈沖式釋放，溶解甲烷濃度持續(xù)升高20小時(shí)以上。拖網(wǎng)軌跡區(qū)沉積物生物地球化學(xué)在48小時(shí)后仍受擾動(dòng)，表現(xiàn)為氧滲透深度減小及沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)鹽/氧通量改變。  

 

研究目的

 

1. 量化底拖網(wǎng)對(duì)海底地形和沉積物懸浮的物理擾動(dòng)規(guī)模  

2. 揭示拖網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)沉積物-水界面生物地球化學(xué)過(guò)程的短期影響  

3. 評(píng)估懸浮沉積物擴(kuò)散范圍及其對(duì)水體理化性質(zhì)的改變  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在波羅的海西北部泥質(zhì)海床（水深20-35米）進(jìn)行單次拖網(wǎng)作業(yè)，對(duì)比拖網(wǎng)前、拖網(wǎng)后2小時(shí)至4天的變化  

2. 多尺度觀測(cè)：  

   ? 聲學(xué)測(cè)繪：多波束測(cè)深（圖3）量化海底地形變化  

 

   ? 水體監(jiān)測(cè)：CTD剖面、濁度傳感器（圖6）追蹤懸浮物擴(kuò)散  

 

   ? 沉積物采樣：多管取樣器獲取拖網(wǎng)軌跡內(nèi)外沉積物（圖1）  

 

3. 生物地球化學(xué)分析：  

   ? 溶解氣體（甲烷）與營(yíng)養(yǎng)鹽（圖7-8）  

 

 

   ? 沉積物氧微剖面（圖10）  

 

   ? 孔隙水化學(xué)  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 海底地形變化（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：拖網(wǎng)門(mén)形成深6-16cm溝槽，位移沉積物500噸/公里  

 

   ? 意義：揭示拖網(wǎng)機(jī)械損傷強(qiáng)度，為評(píng)估海底棲息地破壞提供量化依據(jù)  

 

2. 懸浮沉積物濃度（圖6）  

   ? 數(shù)據(jù)：拖網(wǎng)后2小時(shí)濁度峰值4.3 NTU（距軌跡550米），懸浮物擴(kuò)散>1公里  

 

   ? 意義：證實(shí)拖網(wǎng)是海底濁度主要人為源，影響水體透光性及生物行為  

 

3. 溶解物質(zhì)釋放（圖7-8）  

   ? 數(shù)據(jù)：拖網(wǎng)后2小時(shí)溶解NH??/PO?3?/Mn脈沖式升高；溶解甲烷濃度持續(xù)升高20小時(shí)  

 

   ? 意義：揭示擾動(dòng)促進(jìn)沉積物封閉營(yíng)養(yǎng)鹽/還原性物質(zhì)的釋放，可能加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化  

 

4. 沉積物氧動(dòng)力學(xué)（圖10）  

   ? 數(shù)據(jù)：拖網(wǎng)軌跡區(qū)氧滲透深度（5.3±0.2 mm）顯著大于對(duì)照區(qū)（4.3±0.1 mm）  

 

   ? 意義：反映拖網(wǎng)破壞沉積物氧化層，改變微生物呼吸路徑  

 

5. 顆粒物元素組成（表2）  

 

   ? 數(shù)據(jù)：每公里軌跡懸浮9.5噸沉積物，含Al(155g)、Fe(238g)、P(16g)等元素  

 

   ? 意義：量化拖網(wǎng)對(duì)沉積物中污染物（如吸附于顆粒的重金屬）的再懸浮風(fēng)險(xiǎn)  

 

結(jié)論

 

1. 物理擾動(dòng)：?jiǎn)未瓮暇W(wǎng)形成持續(xù)18個(gè)月的可探測(cè)軌跡（圖3），懸浮沉積物擴(kuò)散范圍超1公里（圖6）  

2. 生物地球化學(xué)效應(yīng)：  

   ? 短期（小時(shí)尺度）：溶解營(yíng)養(yǎng)鹽/甲烷釋放（圖7-8），顆粒吸附性元素（Al/Fe/Ti）濃度下降  

 

   ? 中期（天尺度）：沉積物-水界面氧通量降低（圖9），營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)受阻  

 

3. 生態(tài)影響：頻繁拖網(wǎng)可能使沉積物長(zhǎng)期處于“擾動(dòng)-恢復(fù)”循環(huán)，削弱碳封存能力并加劇缺氧  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

使用Unisense OX-50微電極（圖10）實(shí)現(xiàn)：  

1. 毫米級(jí)分辨率監(jiān)測(cè)：以50μm尖端直徑直接插入沉積物剖面，精準(zhǔn)測(cè)定氧滲透深度（OPD），揭示拖網(wǎng)擾動(dòng)使OPD增加23%（5.3mm vs 4.3mm），表明拖網(wǎng)降低沉積物生物活性  

2. 原位通量量化：結(jié)合沉積物-水界面培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（圖9），測(cè)得拖網(wǎng)軌跡區(qū)氧消耗通量顯著低于對(duì)照區(qū)，證實(shí)擾動(dòng)抑制沉積物耗氧代謝  

3. 擾動(dòng)恢復(fù)評(píng)估：拖網(wǎng)后48小時(shí)OPD仍未恢復(fù)（圖10），為評(píng)估沉積物生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力提供關(guān)鍵時(shí)間尺度參數(shù)  

4. 機(jī)制解析：OPD增大與表層有機(jī)質(zhì)移除相關(guān)，直接驗(yàn)證拖網(wǎng)通過(guò)物理剝離富有機(jī)質(zhì)表層改變沉積物氧化還原結(jié)構(gòu)