Links between sediment structures and ecological processes in the hyporheic zone: ground-penetrating radar as a noninvasive tool to detect subsurface biologically active zones

低流帶沉積物結構與生態過程之間的聯系：探地雷達作為一種非侵入性工具來探測地下生物

來源：Florian Mermillod-Blondin

 

摘要內容

這篇論文探討了探地雷達（GPR）作為一種非侵入性工具，用于探測礫石河床河流沉積物結構及其與地下生物活性區之間聯系的可行性。摘要指出，在地貌單元（如礫石壩）尺度上，河岸帶對河流功能的貢獻取決于地表水與地下水之間的水文交換，這些交換主要受沉積物結構和紋理控制，但傳統方法難以評估。研究通過GPR數據采集和處理，對礫石壩進行三維重建，識別出兩種沉積相：卵石/礫石巖相（“粗顆粒”結構）和沙/礫石巖相（“細顆粒”結構）。沿兩條分別對應不同巖相的縱向剖面安裝測壓計并監測水頭和溫度20天，同時采集水和沉積物樣品，測量水體理化性質、沉積物特性、細菌豐度和活性以及間隙無脊椎動物群落。結果表明，兩條剖面具有不同的水文流速和相關的生物活性。粗顆粒剖面中快速的水流輸送為河岸帶提供了有機質，而細顆粒剖面中的水和有機質供應較低。因此，粗顆粒剖面中較高的有機質供應與較高的微生物活性和無脊椎動物密度及多樣性相關。證明GPR是探測沉積物特征的有效工具，這些特征在河岸帶功能中起關鍵作用。

研究目的

本研究旨在評估GPR這種非破壞性方法探測與河岸帶不同地下生物過程相關的沉積物結構的能力，并驗證這些沉積物結構如何影響水文過程、有機質供應及相關的微生物和動物群落活動。

研究思路

研究采用非侵入性地球物理測量與現場生物地球化學分析相結合的策略：

 

GPR數據采集與處理：在研究礫石壩設置5m x 5m的網格，使用400 MHz和200 MHz天線采集GPR數據，通過距離歸一化、靜態時移、背景去除和Kirchhoff偏移等處理，進行雷達相分析并完成沉積結構的三維重建。

剖面選擇與監測：基于三維GPR解釋，選擇兩條分別位于“粗顆粒”和“細顆粒”沉積結構中的縱向剖面，每條剖面上在距河道1m、15m和35m處設置測壓計。

多參數測量：

 

水文參數：監測水頭和水溫（使用Mini-Diver探頭）20天。

水體與沉積物采樣：在采樣日（2011年6月9日），使用Bou-Rouch方法在每個點位的三個重復點采集間隙水和沉積物混合物。

水體理化分析：測量溫度、pH、電導率、溶解氧（DO）、溶解有機碳（DOC）、硝酸鹽（NO??）、銨鹽（NH??）和磷酸鹽（PO?3?）濃度。

沉積物特性分析：進行粒度分析（激光衍射法）、總有機碳（TOC）和總氮（TN）含量測定。

微生物分析：通過DAPI染色計數細菌豐度；使用熒光素二乙酸酯（FDA）水解測定水解活性；使用呼吸室和氧傳感器（UNISENSE）測量沉積物微生物的呼吸速率（耗氧量）。

 

間隙動物分析：通過浮選法分離間隙無脊椎動物，鑒定并計數。

 

數據分析：使用交叉相關分析計算地表水與間隙水溫度序列的滯后時間（旅行時間）；使用雙因素方差分析（ANOVA）檢驗沉積結構和水流路徑距離對各項測量指標的影響。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

GPR雷達相與沉積結構三維重建：

 

數據內容：識別出四種主要雷達相（R1：水面；R2：沙/礫石，近水平層理；R3a/b：卵石/礫石， oblique-parallel反射器；R4：新老沉積物界限）。據此構建三維模型，界定粗、細顆粒沉積結構的空間分布。

研究意義：非破壞性地揭示了礫石壩內部沉積結構的異質性，為后續按沉積結構布點采樣提供了空間框架。

 

 

數據來源：圖3展示了代表性GPR剖面及解釋；圖4展示了基于GPR剖面解釋的沉積結構三維模型及測壓計位置。

 

水溫動態與旅行時間：

 

數據內容：粗顆粒結構中各點的間隙水日溫度波動與地表水顯著相關（r > 0.75），且旅行時間短（1.33-5.33小時）。細顆粒結構中僅1m處有弱相關，15m和35m處無顯著相關，旅行時間長（16.67和15.00小時）。

研究意義：證實了GPR識別的粗顆粒結構具有更強的水力連通性和更快的交換速率，而細顆粒結構則水力交換遲緩。

 

數據來源：圖5展示了溫度記錄時間序列；表I提供了日溫度振幅、相關系數（r）和旅行時間。

 

水體理化參數：

 

數據內容：粗顆粒結構間隙水中的溶解氧（平均7.61-9.35 mg L?1）和PO?3?濃度顯著高于細顆粒結構（平均6.04-6.73 mg L?1和更低PO?3?）。細顆粒結構中的電導率和NO??濃度顯著更高。

研究意義：反映了不同沉積結構下水文路徑的差異：粗顆粒結構氧化性強，可能與地表水快速交換有關；細顆粒結構則更封閉，保留了更多地下水溶質。

 

數據來源：表II列出了各點位水體理化參數的平均值。

 

沉積物特性（TOC, TN）：

 

數據內容：粗顆粒結構沉積物中的TOC和TN濃度在1m和15m處顯著高于細顆粒結構對應點。兩種結構的TOC和TN濃度均隨距離河道增加而降低。

研究意義：表明粗顆粒結構由于水力連通性好，能輸送并積累更多來自河道的有機質，為生物活動提供了更多底物。

 

數據來源：圖6展示了TOC和TN的沿程變化。

 

微生物豐度與活性：

 

數據內容：細菌豐度在細顆粒結構中更高。然而，微生物呼吸速率和水解活性在粗顆粒結構中顯著更高（最高可達細顆粒結構的3倍），且隨距離河道增加而降低。

研究意義：表明微生物活性主要受有機質可用性（底物）驅動，而非細菌數量。GPR識別的粗顆粒結構是微生物過程的“熱點”。

 

數據來源：圖6展示了細菌豐度、耗氧速率和水解活性；表III提供了ANOVA結果。

 

間隙無脊椎動物群落：

 

數據內容：無脊椎動物的多樣性和豐度在粗顆粒結構中顯著高于細顆粒結構，并隨距離河道增加而減少。常見地表棲息種類（如Gammarus, Asellus aquaticus）僅在粗顆粒結構中出現。

研究意義：證明了沉積結構通過控制孔隙空間和有機質供應，直接影響河岸帶動物的分布和多樣性。粗顆粒結構提供了更適宜的棲息地。

 

數據來源：圖6展示了多樣性和豐度；表IV列出了各分類群的詳細豐度。

 

結論

 

GPR是一種有效的非侵入性工具，可用于識別河岸帶沉積物的結構異質性，并據此定位生物地球化學活性熱點區。

GPR識別的粗顆粒沉積結構具有更強的地表水-地下水水力連通性，表現為更短的水流旅行時間、更高的溶解氧和有機質輸入。

粗顆粒沉積結構中更高的有機質輸入支持了更強的微生物活性和更豐富多樣的間隙無脊椎動物群落。

 

沉積物結構是控制河岸帶生態功能（如有機質處理、養分循環、生物多樣性）的關鍵因素。GPR的應用有助于理解河流生態系統的空間異質性和功能。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的氧傳感器（型號未明確指定，但根據文獻描述為用于測量溶解氧的電極）測量了沉積物微生物的呼吸速率（耗氧量）。這些數據的研究意義如下：

 

提供微生物代謝活性的直接量化指標：Unisense氧傳感器通過監測呼吸室內水中溶解氧濃度的線性下降，直接計算出沉積物微生物群落的耗氧速率（圖6中的“O2 consumption”）。這個速率是表征沉積物中好氧微生物總代謝活性的一個關鍵且定量的生理指標。它反映了微生物分解有機質、進行有氧呼吸的強度。

驗證GPR預測，區分沉積結構的生態功能：本研究的核心是通過GPR識別不同的沉積結構，并驗證其生態功能的差異。Unisense測量得到的耗氧速率數據提供了確鑿的生物學證據，表明GPR識別的粗顆粒沉積結構中的微生物活性顯著高于細顆粒結構（圖6，表III）。這直接將物理結構（由GPR揭示）與生物學過程（微生物代謝）聯系起來，強有力地支持了“粗顆粒結構是河岸帶生物地球化學熱點”的結論。

闡明有機質驅動微生物活性的機制：研究發現，盡管細顆粒結構中的細菌豐度更高，但其耗氧速率卻更低。Unisense數據揭示的這一矛盾現象表明，微生物活性主要受底物（有機質）可用性的限制，而非單純由微生物數量決定。粗顆粒結構由于水力交換強，輸送了更多新鮮有機質，從而激發了更高的微生物代謝活性。這使得耗氧速率成為比細菌計數更能反映沉積物生態功能狀態的指標。

 

關聯水文過程與生物地球化學循環：耗氧速率數據與水溫監測獲得的水流旅行時間（表I）和沉積物TOC數據（圖6）相結合，構建了一個完整的因果鏈：粗顆粒結構 → 快速水力交換（短旅行時間） → 高有機質輸入（高TOC） → 高微生物代謝（高耗氧速率）。Unisense傳感器提供的數據是這條因果鏈中不可或缺的終端環節，量化了水文過程最終如何轉化為生物地球化學通量。

 

總之，在本研究中，丹麥Unisense氧傳感器提供的耗氧速率測量，不僅是描述微生物活性的工具，更是連接GPR揭示的沉積物物理結構、水文過程與河岸帶生態系統功能之間的關鍵橋梁和驗證證據。其提供的定量數據，使研究者能夠超越推測，確證沉積物異質性對地下生態過程的深刻影響，凸顯了將地球物理工具與生物地球化學測量相結合研究河岸帶生態系統的強大潛力。