Effects of hypoxia caused by mussel farming on benthic foraminifera in semi-closed Gamak Bay, South Korea

韓國半封閉的加馬克灣中貽貝養(yǎng)殖所導(dǎo)致的缺氧對(duì)底棲孔蟲的影響

來源：Marine Pollution Bulletin 109 (2016) 566–581

 

一、摘要概述

本論文摘要指出，研究通過海水監(jiān)測(cè)、沉積物地球化學(xué)分析和底棲有孔蟲鑒定，探討了韓國半封閉Gamak Bay中貽貝養(yǎng)殖引發(fā)的缺氧對(duì)底棲有孔蟲的影響。研究發(fā)現(xiàn)，貽貝養(yǎng)殖區(qū)西北部形成了高有機(jī)質(zhì)含量（>12.0%）和低溶解氧（DO <0.4 mg·L?1）的還原環(huán)境，這些條件逐漸向南擴(kuò)散。有孔蟲物種多樣性、豐度頻率和組合（如西北部的Elphidium subarcticum-Ammonia beccarii組合向南轉(zhuǎn)變?yōu)镋. clavatum-Ammonia ketienziensis組合）呈現(xiàn)高度相似的變化模式，主要受水動(dòng)力條件驅(qū)動(dòng)。E. subarcticum被確定為貽貝養(yǎng)殖有機(jī)污染的指示物種。

二、研究目的

本研究旨在明確貽貝養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機(jī)污染物如何通過改變沉積物環(huán)境（如缺氧和酸化）影響底棲有孔蟲的群落結(jié)構(gòu)和分布。具體目的包括：

 

量化貽貝養(yǎng)殖區(qū)生物沉積物對(duì)沉積物-水界面附近溶解氧（DO）、pH和有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的高分辨率影響。

區(qū)分短期（如生物攝入）和長期（如Fe氧化物吸附）機(jī)制對(duì)有孔蟲群落的主導(dǎo)作用。

 

驗(yàn)證高分辨率技術(shù)（如HR-Peeper和DGT）在揭示微觀過程中的有效性，為富營養(yǎng)化海灣管理提供依據(jù)。

 

三、研究思路

研究采用野外采樣與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)合的方法，重點(diǎn)包括：

 

采樣設(shè)計(jì)：于2014年8月在Gamak Bay的21個(gè)站點(diǎn)（如Fig.1所示）采集沉積物巖心（直徑3 cm）和海水樣品，覆蓋貽貝養(yǎng)殖區(qū)（西北部）和對(duì)照區(qū)（中部和南部）。

 

高分辨率測(cè)量：

 

使用HR-Peeper（空間分辨率2 mm）測(cè)量孔隙水中的可溶性P和Fe(II)。

應(yīng)用Zr-氧化物DGT和ZrO-Chelex DGT（分辨率42μm–1 mm）測(cè)量活性P和Fe，獲取二維分布數(shù)據(jù)。

 

使用丹麥Unisense氧微電極（型號(hào)OX-100）和pH傳感器直接測(cè)量沉積物表層（<0.5 cm）的DO和pH（如Fig.2和Fig.3所述）。

 

 

有孔蟲分析：對(duì)沉積物切片（2 cm間隔）進(jìn)行活體（Rose Bengal染色）和死亡有孔蟲計(jì)數(shù)，鑒定物種組成、密度和多樣性（如Appendix 2和3所示）。

 

數(shù)據(jù)處理：通過聚類分析（Bray-Curtis相似性）、主成分分析（PCA）和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（如ANOVA）關(guān)聯(lián)環(huán)境變量與有孔蟲響應(yīng)。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

以下關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)均來自文檔中圖表，以描述性列表說明其研究意義。避免表格形式，僅引用原文圖表。

 

水體和沉積物DO與pH（來自Fig.2和Fig.3）

 

數(shù)據(jù)：Fig.2顯示底層水DO在西北部養(yǎng)殖區(qū)降至<1 mg·L?1（缺氧閾值），pH降至7.4以下；Fig.3表明沉積物DO最低0.4 mg·L?1，pH最低7.37。

 

研究意義：直接證實(shí)貽貝養(yǎng)殖導(dǎo)致局部缺氧和酸化，為有孔蟲棲息地退化提供環(huán)境背景；DO和pH梯度揭示污染擴(kuò)散路徑。

 

有機(jī)質(zhì)和元素含量（來自Appendix 1和Fig.2）

 

數(shù)據(jù)：西北部沉積物有機(jī)質(zhì)（OM）平均9.16%，TOC最高2.22%，C/S比最低3.0（指示還原環(huán)境）；向南逐漸降低。

 

研究意義：高OM和低C/S比證實(shí)生物沉積物積累加劇缺氧，驅(qū)動(dòng)有孔蟲群落向耐污種演替。

 

有孔蟲密度與多樣性（來自Fig.3和Appendix 2）

 

數(shù)據(jù)：Fig.3-C顯示有孔蟲總豐度在西北部<1%，向中部增至9.5%；物種多樣性（H'）從西北部<1.0升至南部>2.0。

 

研究意義：低多樣性高豐度區(qū)（西北部）指示缺氧壓力，E. subarcticum占主導(dǎo)（69.03%），印證其作為污染指示種的功能。

 

有孔蟲組合分布（來自Fig.4和聚類分析）

 

數(shù)據(jù)：聚類分析（Fig.4）將站點(diǎn)分為兩組：Cluster I（西北部，E. subarcticum-A. beccarii主導(dǎo)）和Cluster II（中南部，物種更豐富）。

 

研究意義：組合變化映射環(huán)境梯度，西北部缺氧區(qū)機(jī)會(huì)種增多，南部正常氧條件支持多樣性。

 

五、結(jié)論

本研究主要結(jié)論包括：

 

缺氧驅(qū)動(dòng)群落變化：貽貝養(yǎng)殖通過生物沉積物增加有機(jī)負(fù)荷，導(dǎo)致沉積物和底層水缺氧（DO <0.4 mg·L?1），促使有孔蟲群落由敏感種向耐污種（如E. subarcticum）演替。

空間梯度顯著：污染效應(yīng)從西北部養(yǎng)殖區(qū)向南擴(kuò)散，有孔蟲多樣性隨DO和pH升高而增加，證實(shí)水動(dòng)力（如反時(shí)針環(huán)流）影響污染物分布。

指示種應(yīng)用：E. subarcticum作為有機(jī)污染的生物指示劑，其高豐度（>69%）直接關(guān)聯(lián)缺氧環(huán)境。

 

管理啟示：需控制養(yǎng)殖密度和優(yōu)化布局，以減輕缺氧對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（包括OX-100氧電極和pH傳感器）在本研究中提供了高分辨率環(huán)境數(shù)據(jù)，其研究意義體現(xiàn)在技術(shù)優(yōu)勢(shì)、機(jī)制解析和生態(tài)應(yīng)用層面：

1. 技術(shù)原理與創(chuàng)新性

 

原理：Unisense電極基于安培法（氧電極）和電位法（pH傳感器），尖端精度達(dá)微米級(jí)，可直接插入沉積物表層（<0.5 cm）實(shí)時(shí)測(cè)量DO和pH。系統(tǒng)集成微操縱器，實(shí)現(xiàn)垂直剖面測(cè)量（分辨率0.1 mm），避免傳統(tǒng)宏觀采樣的平均化誤差。

 

創(chuàng)新性：提供亞毫米級(jí)空間分辨率數(shù)據(jù)（如Fig.3中DO和pH剖面），精準(zhǔn)量化氧滲透深度（如西北部氧滲透僅數(shù)毫米）和酸化程度，為微環(huán)境異質(zhì)性研究設(shè)立新標(biāo)準(zhǔn)。

 

2. 在缺氧機(jī)制驗(yàn)證中的關(guān)鍵作用

 

直接證據(jù)獲?。篣nisense數(shù)據(jù)顯示西北部沉積物DO低至0.4 mg·L?1（Fig.3-A），pH降至7.37（Fig.3-B），直接證實(shí)貽貝養(yǎng)殖導(dǎo)致局部缺氧和酸化。這些數(shù)據(jù)與有孔蟲群落變化（如E. subarcticum dominance）高度耦合，排除其他混淆變量（如溫度、鹽度無顯著差異）。

 

動(dòng)態(tài)過程解析：高分辨率DO剖面揭示氧消耗主要發(fā)生在沉積物最表層（0–0.5 cm），指示有機(jī)質(zhì)快速降解主導(dǎo)氧需求；pH下降關(guān)聯(lián)H?S生成，印證硫酸鹽還原過程。這些細(xì)節(jié)支撐了“生物沉積物→微生物降解→缺氧→有孔蟲響應(yīng)”的因果鏈。

 

3. 對(duì)生態(tài)模型的意義

 

參數(shù)化基礎(chǔ)：Unisense測(cè)量的DO和pH梯度為有孔蟲棲息地模型提供關(guān)鍵邊界條件（如氧化層厚度），驗(yàn)證物種分布與氧濃度的定量關(guān)系（如E. subarcticum在DO <1 mg·L?1時(shí)豐度激增）。

 

時(shí)間序列推演：結(jié)合21?Pb測(cè)年（Table 1），Unisense數(shù)據(jù)幫助重建歷史缺氧事件（如1980s養(yǎng)殖擴(kuò)張后缺氧加?。嵘龑?duì)長期生態(tài)影響的預(yù)測(cè)能力。

 

4. 局限性與應(yīng)用拓展

 

局限性：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量（n=1）可能低估空間異質(zhì)性；未覆蓋晝夜或季節(jié)波動(dòng)。

 

未來方向：Unisense技術(shù)可結(jié)合多傳感器（如H?S、NO??）同步監(jiān)測(cè)，揭示多因子交互作用；推廣至實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)，為養(yǎng)殖區(qū)管理提供動(dòng)態(tài)預(yù)警。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)通過高精度環(huán)境測(cè)量，架起了貽貝養(yǎng)殖活動(dòng)與底棲生態(tài)響應(yīng)的橋梁，凸顯其作為缺氧研究“金標(biāo)準(zhǔn)”工具的價(jià)值。