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變化有關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循環中扮演關鍵角色，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為pH數據提供了詳細背景。結果顯示，沉積物類型、位置和季節之間存在清晰的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呼吸或氧化還原物種（如NH??、Mn2?、Fe2?、S?）的氧化引起。統計分析表明，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保持穩定低位，表明該層內缺乏產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的氣候學基線，有助于理解生物地球化學過程，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：系統測量凱爾特海大陸架不同沉積物類型（如泥質、沙質）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（如氧氣滲透深度）的關聯。

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

 

提供建模基礎：為未來氣候情景下底棲響應的模型預測提供關鍵數據，例如海洋酸化對沉積物生態系統的影響。

 

研究思路

研究遵循了“多站點采樣-多季節觀測-多參數關聯”的系統思路：

 

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）到滲透性（沙質）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變化。同時，在2015年3月的空間調查中額外采樣39個站點，以覆蓋更廣的沉積物類型范圍。

現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。

 

數據分析：通過統計方法（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參數的相關性。重點比較不同沉積類型（如粘性vs滲透性）和季節（水華前vs水華期）的剖面形態。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下（數據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：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活性。例如，Fig. 3顯示，氧氣消耗通常發生在沉積物-水界面以下2厘米內，而pH在表層1厘米內下降可達0.5單位以上。陡峭的pH梯度表明活躍的有機質降解或氧化反應（如金屬再氧化），而季節變化（如夏季pH降低）與有機質輸入增加相關。這些數據幫助量化沉積物作為碳和營養鹽循環的“熱點”。

 

數據來源：Fig. 3（a和b子圖）展示了不同季節的氧氣和pH剖面變化。

 

沉積物物理化學特性（提供環境背景和控制因素）

 

測量指標：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，表明粘性沉積物具有更高的有機質負載和更淺的氧化層。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），而沙質沉積物（如站點G）剖面更平緩。

 

 

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

 

季節和空間變異性數據（捕捉動態變化）

 

測量指標：不同季節和站點的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，且季節變化明顯（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，反映有機質輸入刺激了微生物呼吸。空間調查（Fig. 2）證實沉積物類型是pH分異的主要驅動因子。

 

 

 

數據來源：Fig. 7顯示氧氣滲透深度和pH最小值深度與粉砂/粘土含量的關系；Fig. 8用箱形圖展示了不同粉砂/粘土含量類別的參數范圍。

 

研究結論

 

沉積物類型主導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）通過調制溶質傳輸（擴散 vs 平流）控制生物地球化學過程。

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

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

 

基線數據對氣候研究的意義：研究提供了大陸架沉積物pH的詳細氣候學，顯示自然變異性遠大于水柱（變化可達0.86單位）。這暗示底棲生物可能已適應高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電極測量數據的研究意義

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

 

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），這是傳統取樣方法無法實現的。這種精度允許識別表層沉積物中的陡峭梯度（如pH在1厘米內下降>0.5單位），直接證明了生物地球化學過程的“微觀熱點”，例如好氧呼吸或金屬氧化在氧化-缺氧界面產生的H?通量。

量化氧化還原驅動機制：通過同步測量氧氣剖面（如Fig. 3a），研究人員能夠將pH最小值深度與氧氣滲透深度精確關聯（Fig. 7）。這提供了關鍵證據：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。電極數據證實，粘性沉積物中更淺的氧氣滲透深度對應更陡的pH下降，突出了氧化還原耦合的重要性。

區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，沙質站點G的剖面更平緩（Fig. 3b），反映了平流主導的傳輸如何“緩沖”pH變化，而粘性站點A的陡峭梯度表明擴散主導下的局部反應積累。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。

支持季節動態解讀：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輸入引發的快速響應，強調了季節脈沖對底棲代謝的影響。這為理解氣候變化下碳循環反饋提供了機制見解。

 

方法學優勢與基線價值：與傳統培養實驗相比，Unisense微電極提供了“近原位”數據（采樣后快速測量），最小化了擾動誤差。研究生成的pH氣候學（如Fig. 8）是未來建模的關鍵輸入，尤其用于評估海洋酸化對沉積物生態系統的影響——電極數據表明，底棲生物已暴露于高自然變異性中，可能比預期更具韌性。

 

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過程的橋梁。它提供的髙分辨率數據使得首次在如此廣泛的沉積物類型和季節尺度上量化pH梯度成為可能，深化了對大陸架碳循環的理解，并為預測環境變化下的底棲響應奠定了堅實基礎。