Factors Controlling Benthic Biogeochemistry in Urbanized Coastal Systems: an Example from Venice (Italy)

城市化沿海系統(tǒng)（威尼斯沿海系統(tǒng)）中的城市化因素控制地球化學(xué)中的底棲生物

來源：Estuaries and Coasts, 2015, 381016–1031

 

論文摘要

摘要指出，在威尼斯高度人工改造的瀉湖生態(tài)系統(tǒng)中，研究團(tuán)隊分析了兩條城市運河的底棲生物地球化學(xué)過程，以評估不同潮汐條件（大潮與小潮）和季節(jié)（冬末與夏季）對有機質(zhì)處理的影響。研究發(fā)現(xiàn)，沉積物中有機質(zhì)高度富集，處于強還原狀態(tài)。有機質(zhì)礦化主要由細(xì)菌硫酸鹽還原驅(qū)動，而反硝化作用則受到硝酸鹽可用性以及與異化硝酸鹽還原為銨的競爭限制。研究表明，小潮期間，溶解無機碳產(chǎn)量增加高達(dá)三倍，孔隙水中硫化物濃度升高，反硝化效率降低，氮循環(huán)與流失的比例增加約70%。人類活動導(dǎo)致的每半月一次的潮汐沖刷減少，會顯著影響底棲過程，損害沉積物功能和水質(zhì)。

研究目的

本研究旨在探究季節(jié)（溫度、有機負(fù)荷）和潮汐條件（大潮與小潮的水流沖刷強度）如何共同調(diào)控高度有機富集的威尼斯城市運河沉積物中的代謝途徑、養(yǎng)分循環(huán)和硫化物毒性。

研究思路

研究采用現(xiàn)場采樣與室內(nèi)培養(yǎng)相結(jié)合的方法：

 

選擇研究地點：在威尼斯城市區(qū)域選擇兩條具有代表性的運河（Rio della Guerra 和 Rio del Piombo），以捕捉空間異質(zhì)性。

多時空尺度采樣：在冬末（3月）和夏季（7月）的大潮和小潮期間，分別采集沉積物柱樣和水樣。

多參數(shù)測量：對沉積物進(jìn)行地球化學(xué)分析（有機質(zhì)、硫化物、鐵等），并測量關(guān)鍵生物地球化學(xué)速率，包括沉積物耗氧量、細(xì)菌硫酸鹽還原速率、反硝化速率、異化硝酸鹽還原為銨速率，以及沉積物-水界面的溶解無機碳和營養(yǎng)鹽通量。

 

統(tǒng)計分析：使用三因素方差分析評估潮汐、季節(jié)和地點對上述測量的影響，并運用相關(guān)性分析探討過程間的聯(lián)系。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（附圖表來源）

 

孔隙水硫化物濃度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：使用丹麥Unisense微電極測量沉積物表層0-10毫米的溶解硫化物垂直剖面。

研究意義：直接反映沉積物的還原程度和硫酸鹽還原菌的活動強度。硫化物積累是沉積物“緩沖能力”飽和的標(biāo)志，對底棲生物有毒性，并可能抑制硝化等需氧過程。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖2展示了不同季節(jié)和潮汐下的硫化物微剖面；表1提供了表層10毫米的平均溶解硫化物濃度。

 

沉積物耗氧量與溶解無機碳通量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過黑暗培養(yǎng)完整沉積物柱樣，測量氧氣消耗和溶解無機碳的釋放通量。

研究意義：表征整個底棲系統(tǒng)的總代謝強度。沉積物耗氧量反映了好氧呼吸的強度，而溶解無機碳通量是總有機質(zhì)礦化的綜合指標(biāo)。二者的比值（呼吸商）可指示主導(dǎo)的礦化路徑。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3顯示了各站點在不同條件下的沉積物耗氧量和溶解無機碳通量。

 

營養(yǎng)鹽通量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：測量銨鹽、硝酸鹽/亞硝酸鹽、可溶性活性磷在沉積物-水界面的交換通量。

研究意義：揭示沉積物是作為營養(yǎng)鹽的“匯”還是“源”。高銨鹽和磷的釋放通量會加劇上覆水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4展示了溶解無機氮、硝酸鹽、銨鹽和可溶性活性磷的通量。

 

微生物過程速率：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：使用放射性同位素（3?S）測量細(xì)菌硫酸鹽還原速率；使用同位素配對技術(shù)測量反硝化速率和異化硝酸鹽還原為銨速率。

研究意義：量化有機質(zhì)礦化的關(guān)鍵途徑（硫酸鹽還原）和氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵過程（反硝化導(dǎo)致氮流失，異化硝酸鹽還原為銨導(dǎo)致氮循環(huán)）。二者之間的平衡決定了生態(tài)系統(tǒng)是去除氮還是保留氮。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖5展示了細(xì)菌硫酸鹽還原、反硝化和異化硝酸鹽還原為銨的速率；表3提供了異化硝酸鹽還原為銨對總硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)比例和反硝化效率。

 

結(jié)論

 

高效代謝與富營養(yǎng)化風(fēng)險：威尼斯運河沉積物表現(xiàn)出極高的代謝速率，類似于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)下方的沉積物，是一個“營養(yǎng)失調(diào)”系統(tǒng)。沉積物成為溶解無機氮和磷的強大源，反饋并加劇水體富營養(yǎng)化。

潮汐的關(guān)鍵調(diào)控作用：小潮期間緩慢的水體交換導(dǎo)致：(a) 溶解無機碳通量增加；(b) 孔隙水硫化物顯著積累，表明沉積物解毒（緩沖）能力下降；(c) 反硝化效率急劇降低，而異化硝酸鹽還原為銨作用增強，導(dǎo)致氮在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)而非被去除。

季節(jié)影響：夏季高溫和高有機負(fù)荷進(jìn)一步加劇了上述趨勢，但潮汐的影響在季節(jié)內(nèi)表現(xiàn)出顯著的變異性。

 

管理啟示：為保護(hù)威尼斯等沿海城市生態(tài)系統(tǒng)，在建設(shè)防洪閘、堤壩等可能減弱潮汐沖刷的基礎(chǔ)設(shè)施時，必須充分考慮其對底棲生物地球化學(xué)過程的負(fù)面影響，以及由此引發(fā)的水質(zhì)惡化風(fēng)險。

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀及其研究意義

本研究中使用丹麥Unisense的硫化氫微電極（H?S微傳感器）獲得了高分辨率的沉積物硫化物微剖面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有重要的研究意義：

 

提供高分辨率的地球化學(xué)證據(jù)：Unisense微電極的尖端直徑極小（50μm），能夠以毫米級的垂直步長（圖2中為0.1毫米）精確測量硫化物從沉積物表面向下的濃度變化。這種高分辨率使得研究者能夠準(zhǔn)確定位硫酸鹽還原活躍區(qū)（通常在表面以下幾毫米處），并清晰展示硫化物濃度的梯度變化。例如，圖2清晰地顯示，在小潮期間，硫化物在更淺的深度出現(xiàn)并達(dá)到更高峰值（如7月小潮時站點P在10毫米深度處達(dá)6.4 mM），這為大潮/小潮對氧化還原條件的強烈影響提供了直觀、可靠的證據(jù)。

直接指示微生物活動與沉積物健康狀況：硫化物是硫酸鹽還原菌代謝的直接產(chǎn)物。Unisense電極測得的硫化物濃度和剖面形態(tài)直接反映了硫酸鹽還原過程的強度。濃度越高，說明厭氧礦化作用越旺盛，沉積物還原性越強。這些數(shù)據(jù)是判斷沉積物是否處于“硫化”或“缺氧”危險狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，對于評估底棲生境的質(zhì)量至關(guān)重要。

揭示系統(tǒng)的“緩沖能力”極限：沉積物中的活性鐵可以與硫化物反應(yīng)形成不溶性的鐵硫化物（如AVS和CRS，見表1），從而“緩沖”或清除毒性硫化物。Unisense數(shù)據(jù)表明，盡管沉積物中存在大量的AVS和CRS（表1），小潮期間孔隙水中仍積累了高濃度的溶解硫化物。這證明在有機質(zhì)高度富集的情況下，鐵的緩沖能力已達(dá)到飽和，無法有效遏制硫化物的產(chǎn)生，系統(tǒng)失去了重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，面臨硫化物毒性擴散的風(fēng)險。

 

關(guān)聯(lián)并解釋其他生物地球化學(xué)過程：高分辨率的硫化物數(shù)據(jù)為理解氮循環(huán)的變化提供了關(guān)鍵線索。研究發(fā)現(xiàn)，異化硝酸鹽還原為銨對總硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)與硫化物濃度和硫酸鹽還原速率呈顯著正相關(guān)（圖6）。這表明，強還原和硫化的環(huán)境會抑制反硝化，轉(zhuǎn)而促進(jìn)異化硝酸鹽還原為銨，從而導(dǎo)致氮保留而非去除。Unisense電極的數(shù)據(jù)是建立這一因果關(guān)系的重要環(huán)節(jié)。

 

總之，Unisense電極提供的硫化物微剖面數(shù)據(jù)，不僅是描述沉積物地球化學(xué)狀態(tài)的核心參數(shù)，更是連接物理（潮汐沖刷）、化學(xué)（氧化還原條件）和生物（微生物過程）過程的橋梁，對于深刻理解城市化沿海生態(tài)系統(tǒng)中底棲過濾器的效率和適應(yīng)性具有不可替代的研究意義。