Modelling biogeochemical processes in sediments from the north western Adriatic Sea: response to enhanced POC fluxes

模擬亞得里亞海西北部沉積物的生物地球化學(xué)過程

來源：Biogeosciences Discuss.10.5194/bg-2017-206

 

論文摘要

本論文摘要指出，海洋軟沉積物中的擾動(dòng)梯度會(huì)影響物種行為、相互作用及生態(tài)系統(tǒng)功能。本研究結(jié)合了兩種不同類型的生物地球化學(xué)模型與野外采樣工作，旨在探究北大西洋亞得里亞海西北部一個(gè)長繩貽貝養(yǎng)殖場作為局部擾動(dòng)源，對(duì)自然顆粒有機(jī)碳（POC）沉降通量的影響。首先，通過一個(gè)包含沉積物捕集器數(shù)據(jù)的水體POC沉降模型，量化了由養(yǎng)殖場引起的POC通量。然后，通過約束一個(gè)早期成巖模型（該模型與沉積物孔隙水的新數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)），研究了這種通量增加對(duì)沉積物生物灌溉能力和有機(jī)質(zhì)（OM）降解途徑的影響。測量在受養(yǎng)殖場沉積影響區(qū)內(nèi)外站點(diǎn)進(jìn)行。模型預(yù)測的POC通量顯示出顯著的時(shí)空變異性，主要與養(yǎng)殖周期動(dòng)態(tài)相關(guān)。兩個(gè)站點(diǎn)（養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)和區(qū)外）的沉積物捕集器數(shù)據(jù)顯示，背景POC通量平均為20.0-24.2 mmol C m?2 d?1。兩站點(diǎn)間的POC通量差異與模型結(jié)果一致，在3.3至14.2 mmol C m?2 d?1之間，主要與貽貝的生理狀況相關(guān)。盡管POC通量的變化有限，但仍對(duì)沉積物生物地球化學(xué)產(chǎn)生了可見影響。觀測到的氧氣微剖面顯示，在POC通量較高的養(yǎng)殖區(qū)下方站點(diǎn)，氧氣滲透深度（OPD）減少了50%（從2.3毫米降至1.4毫米），同時(shí)O2吸收通量增加（19-31 對(duì)比 10-12 mmol O? m?2 d?1）。溶解無機(jī)碳（DIC）和銨（NH??）濃度有類似變化趨勢(shì)，且在養(yǎng)殖區(qū)下方生物灌溉效應(yīng)更明顯。通過約束早期成巖模型證實(shí)了這一點(diǎn)，模型校準(zhǔn)估算出養(yǎng)殖區(qū)沉積物足跡內(nèi)的生物灌溉率更高（40 年?1 對(duì)比 區(qū)外的20 年?1）且灌溉深度更淺（15厘米 對(duì)比 20厘米）。早期成巖模型結(jié)果表明，貽貝養(yǎng)殖區(qū)下方的有機(jī)質(zhì)礦化總量更大（18.7 對(duì)比 11.1 mmol C m?2 d?1），但兩個(gè)站點(diǎn)的有氧與厭氧降解途徑比例相似，養(yǎng)殖區(qū)下方由OM降解和還原性物質(zhì)再氧化消耗的氧氣絕對(duì)值增加。

研究目的

本研究的主要目的在于：

 

量化局部POC通量：評(píng)估貽貝養(yǎng)殖場作為局部擾動(dòng)源，所引起的POC沉降通量的時(shí)空變異，特別是其與養(yǎng)殖周期（如 stocking, harvest）和環(huán)境因子（水溫、葉綠素a）的關(guān)系。

評(píng)估生物地球化學(xué)響應(yīng)：探究POC通量增加對(duì)下層沉積物生物地球化學(xué)過程的影響，重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)質(zhì)礦化速率、氧化還原條件（特別是氧氣動(dòng)態(tài)）以及營養(yǎng)鹽（DIC, NH??, SO?2?）的再生。

闡明關(guān)鍵機(jī)制：從機(jī)制上理解養(yǎng)殖場影響沉積物功能的途徑，特別是生物灌溉這一關(guān)鍵生物擾動(dòng)過程在調(diào)節(jié)沉積物-水界面交換中的作用，并比較養(yǎng)殖區(qū)與參照區(qū)有氧氧化與厭氧還原（如硫酸鹽還原）等礦化途徑的相對(duì)重要性。

 

開發(fā)與驗(yàn)證模型方法：通過耦合水體沉積模型（模擬POC來源與運(yùn)輸）和早期成巖模型（模擬沉積物內(nèi)部反應(yīng)），并利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)（沉積物捕集器、孔隙水化學(xué)、氧氣微剖面）進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，建立一個(gè)能夠定量評(píng)估局部擾動(dòng)對(duì)海岸帶沉積物生物地球化學(xué)影響的綜合方法框架。

 

研究思路

本研究采用了“模型預(yù)測 - 現(xiàn)場觀測 - 模型驗(yàn)證與機(jī)理解析”的綜合研究思路：

 

水體過程模擬與通量預(yù)測：首先，建立一個(gè)貽貝種群動(dòng)態(tài)與POC沉積模型。該模型結(jié)合了貽貝個(gè)體生理模型（模擬生長、糞便和假糞產(chǎn)生）和拉格朗日粒子追蹤模型，利用長期環(huán)境數(shù)據(jù)（水溫、葉綠素a、海流）作為驅(qū)動(dòng)，預(yù)測養(yǎng)殖場產(chǎn)生的POC在海底的沉降通量及其空間分布（沉積足跡）和時(shí)間變化。

現(xiàn)場觀測與數(shù)據(jù)收集：在模型預(yù)測的高沉積通量區(qū)（IN1站）和背景參照區(qū)（EST1站）進(jìn)行同步野外采樣。采集的數(shù)據(jù)包括：

 

沉降通量：使用沉積物捕集器在養(yǎng)殖周期初期和末期測量實(shí)際的POC沉降通量，用于驗(yàn)證模型預(yù)測結(jié)果。

沉積物孔隙水化學(xué)：采集沉積柱樣，分析孔隙水中的溶解氧（O?）、溶解無機(jī)碳（DIC）、銨（NH??）和硫酸鹽（SO?2?）的垂直剖面。

沉積物物理特性：測量沉積物的孔隙度。

 

高分辨率原位化學(xué)測量：使用丹麥Unisense微電極測量沉積物-水界面附近的溶解氧（O?）微剖面，以高空間分辨率確定氧氣滲透深度和梯度。

 

早期成巖模型校準(zhǔn)與機(jī)理分析：使用早期成巖模型（EDM）來模擬沉積物中的生物地球化學(xué)過程。模型使用現(xiàn)場觀測的孔隙水化學(xué)剖面（O?, DIC, NH??, SO?2?）進(jìn)行校準(zhǔn)，通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)（如有機(jī)質(zhì)輸入通量、生物灌溉速率和深度），使模型模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合。通過比較養(yǎng)殖站（IN1）和參照站（EST1）的模型校準(zhǔn)結(jié)果，定量揭示POC通量增加對(duì)沉積物代謝（總礦化率）、生物灌溉強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)降解途徑的影響。

 

數(shù)據(jù)整合與結(jié)論推導(dǎo)：將模型預(yù)測的通量、現(xiàn)場測量的通量和孔隙水化學(xué)、以及模型反演的參數(shù)（如生物灌溉率）進(jìn)行整合對(duì)比，綜合評(píng)估貽貝養(yǎng)殖對(duì)沉積物生物地球化學(xué)過程的整體影響，并闡明其內(nèi)在機(jī)制。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表和文本描述）：

 

模型預(yù)測的POC沉降通量（量化養(yǎng)殖場的擾動(dòng)強(qiáng)度）

 

測量/預(yù)測指標(biāo)：通過貽貝種群動(dòng)態(tài)與沉積模型預(yù)測的有機(jī)碳（POC）在海底的沉降通量空間分布圖和時(shí)間序列。

研究意義：圖4展示了模型預(yù)測的POC通量在養(yǎng)殖周期內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的空間分布。結(jié)果顯示，養(yǎng)殖場下游形成了一個(gè)清晰的“沉積足跡”，通量顯著高于背景值，并且通量隨貽貝生長（時(shí)間）而增加。這直接量化了養(yǎng)殖場作為局部POC“點(diǎn)源”的強(qiáng)度、范圍及其時(shí)間動(dòng)態(tài)，為后續(xù)研究沉積物響應(yīng)提供了定量的驅(qū)動(dòng)因子。模型結(jié)果與沉積物捕集器數(shù)據(jù)（見下）的吻合，增強(qiáng)了預(yù)測的可靠性。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4及正文中關(guān)于模型模擬結(jié)果的描述。

 

沉積物捕集器測量的POC通量（驗(yàn)證模型并提供地面實(shí)況）

 

測量指標(biāo)：在養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)（IN1, IN2）和參照區(qū)（EST1, EST2）站點(diǎn)，通過沉積物捕集器測量的總懸浮顆粒物（TSS）通量、有機(jī)碳含量（Corg%）和POC通量。

研究意義：正文中表1的數(shù)據(jù)顯示，在養(yǎng)殖周期末期（2014年8月），養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的POC通量（IN1: 34.2 mmol C m?2 d?1）顯著高于參照區(qū)（EST1: 20.0 mmol C m?2 d?1），差異達(dá)14.2 mmol C m?2 d?1。而在周期初期（2015年9月），差異不顯著（3.3 mmol C m?2 d?1）。這獨(dú)立地驗(yàn)證了模型關(guān)于養(yǎng)殖場增強(qiáng)POC沉降的預(yù)測，并證實(shí)了這種增強(qiáng)效應(yīng)具有季節(jié)性，與養(yǎng)殖活動(dòng)周期一致。這些實(shí)測數(shù)據(jù)是校準(zhǔn)和驗(yàn)證水體沉積模型的關(guān)鍵。

 

數(shù)據(jù)來源：正文中 “Sediment traps measurements”部分及 Table 1。

 

孔隙水化學(xué)剖面（揭示沉積物內(nèi)部反應(yīng)過程）

 

測量指標(biāo)：通過沉積柱采樣和孔隙水提取獲得的溶解無機(jī)碳（DIC）、銨（NH??）、硫酸鹽（SO?2?）隨沉積物深度的濃度變化剖面。

研究意義：圖5c-e展示了DIC、NH??和SO?2?的剖面。數(shù)據(jù)顯示，在養(yǎng)殖區(qū)站點(diǎn)（IN1），DIC和NH??在表層沉積物中的濃度梯度變化與參照站（EST1）有所不同，特別是在上部10厘米內(nèi)，IN1站點(diǎn)的濃度增加相對(duì)平緩，表明生物灌溉作用更強(qiáng)烈，將富含DIC和NH??的孔隙水與上覆水混合稀釋。SO?2?剖面在IN1站點(diǎn)下部顯示出更明顯的消耗，暗示了更強(qiáng)的硫酸鹽還原活動(dòng)。這些剖面為早期成巖模型提供了關(guān)鍵的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用以量化礦化速率和途徑。

 

數(shù)據(jù)來源：圖5c, d, e。

 

沉積物物理特性（提供反應(yīng)傳輸?shù)谋尘皡?shù)）

 

測量指標(biāo)：沉積物的孔隙度隨深度的變化。

研究意義：圖5a顯示了兩站點(diǎn)的孔隙度剖面。孔隙度是計(jì)算溶質(zhì)在沉積物中擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響模型中對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散通量的模擬精度。站點(diǎn)間孔隙度的差異可能反映沉積物組成對(duì)養(yǎng)殖沉積的響應(yīng)，是模型設(shè)置中重要的物理輸入?yún)?shù)。

 

數(shù)據(jù)來源：圖5a。

 

早期成巖模型校準(zhǔn)結(jié)果（定量揭示生物地球化學(xué)參數(shù)）

 

測量/推算指標(biāo)：通過校準(zhǔn)早期成巖模型，得到的生物灌溉速率（α?）、灌溉深度（x???）、總有機(jī)質(zhì)礦化速率以及不同電子受體（O?, NO??, SO?2?）在礦化中的相對(duì)貢獻(xiàn)。

研究意義：模型校準(zhǔn)結(jié)果（總結(jié)于正文的 Table 2）表明，養(yǎng)殖區(qū)站點(diǎn)（IN1）的生物灌溉速率（40 年?1）遠(yuǎn)高于參照站（EST1, 20 年?1），且灌溉深度更淺（15厘米 vs 20厘米）。同時(shí)，IN1站點(diǎn)的總礦化速率更高（18.7 vs 11.1 mmol C m?2 d?1）。盡管兩站點(diǎn)有氧氧化和硫酸鹽還原的比例相似（~30% vs ~68%），但I(xiàn)N1的絕對(duì)值更大。這些結(jié)果定量地證實(shí)了POC輸入增加刺激了底棲生物活動(dòng)（生物灌溉），并整體上加速了沉積物的代謝活動(dòng)。

 

數(shù)據(jù)來源：正文中 “Early diagenesis model calibration”部分及總結(jié)性的 Table 2。

 

研究結(jié)論

 

貽貝養(yǎng)殖顯著增強(qiáng)局部POC通量：模型和沉積物捕集器數(shù)據(jù)均證實(shí)，貽貝養(yǎng)殖場導(dǎo)致其下游一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)（約距養(yǎng)殖場邊緣50-200米）的POC沉降通量顯著增加（最高可達(dá)背景值的2倍），且此通量具有明顯的季節(jié)和年際變化，與貽貝生理活動(dòng)及環(huán)境條件緊密相關(guān)。

POC通量增加改變沉積物氧化還原狀態(tài)：Unisense微電極測量的氧氣剖面（圖5b）直接證明，POC通量較高的養(yǎng)殖區(qū)站點(diǎn)（IN1）其氧氣滲透深度（OPD）顯著變淺（減少50%），而氧氣消耗通量幾乎翻倍。這表明增加的有機(jī)質(zhì)輸入加劇了沉積物表層的耗氧過程，使氧化層變薄。

生物灌溉是關(guān)鍵的響應(yīng)機(jī)制：早期成巖模型校準(zhǔn)結(jié)果（Table 2）揭示，養(yǎng)殖區(qū)下方的沉積物具有更強(qiáng)（速率翻倍）且更淺的生物灌溉活動(dòng)。這得到了獨(dú)立的大型底棲動(dòng)物群落調(diào)查數(shù)據(jù)的支持（IN1站多樣性、豐度和個(gè)體體型均更高）。強(qiáng)烈的生物灌溉活動(dòng)有助于將氧氣泵入沉積物，同時(shí)將代謝產(chǎn)物（如DIC、NH??）交換出來，從而顯著改變孔隙水的化學(xué)組成和梯度（圖5c-e），并影響整體的礦化路徑。

總代謝增強(qiáng)但礦化途徑比例相對(duì)穩(wěn)定：盡管養(yǎng)殖區(qū)下方的總有機(jī)質(zhì)礦化速率提高了約68%，但有氧氧化和硫酸鹽還原等主要礦化途徑的相對(duì)比例在兩個(gè)站點(diǎn)間相似。這意味著有機(jī)質(zhì)輸入的增加主要是在量級(jí)上全面激活了沉積物的代謝能力，而非質(zhì)上改變其優(yōu)勢(shì)降解途徑。然而，由于通量基數(shù)大，養(yǎng)殖區(qū)由還原性物質(zhì)（如硫化氫）再氧化所消耗的氧氣絕對(duì)值也更高。

 

模型耦合方法的有效性：本研究成功演示了耦合水體生物地球化學(xué)模型與沉積早期成巖模型的方法，能夠定量解析局部擾動(dòng)（如養(yǎng)殖活動(dòng)）對(duì)海岸帶沉積物生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，為海洋空間管理和生態(tài)系統(tǒng)影響評(píng)估提供了有力的工具。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極是直接、原位、高分辨率地揭示沉積物對(duì)有機(jī)質(zhì)輸入響應(yīng)機(jī)制不可或缺的關(guān)鍵工具，其研究意義至關(guān)重要：

 

提供了氧化還原狀態(tài)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”測量：Unisense微電極能夠以亞毫米級(jí)的分辨率（尖端直徑100μm）直接測量沉積物-水界面附近的溶解氧濃度剖面（圖5b）。這種原位測量方式最大限度地減少了對(duì)沉積物結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，提供了關(guān)于沉積物表層氧化還原邊界位置和形狀的最真實(shí)信息。這是通過鉆探取芯后分層提取孔隙水進(jìn)行測量所無法比擬的。

精準(zhǔn)量化了關(guān)鍵功能參數(shù)：氧氣滲透深度（OPD）和耗氧率：通過分析氧氣微剖面（圖5b），研究者可以精確確定氧氣滲透深度（OPD），即氧氣濃度降至零的深度。本研究中最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)之一——養(yǎng)殖區(qū)站點(diǎn)（IN1）的OPD（1.4 mm）比參照站（EST1）的OPD（2.3 mm）減少了約50%——完全依賴于Unisense電極的高分辨率數(shù)據(jù)。此外，利用菲克第一定律，根據(jù)界面附近的氧氣梯度可以計(jì)算出擴(kuò)散性氧氣吸收速率（DOU）。數(shù)據(jù)顯示IN1站的DOU（19-31 mmol O? m?2 d?1）顯著高于EST1站（10-12 mmol O? m?2 d?1），直接證明了有機(jī)質(zhì)輸入增加導(dǎo)致沉積物耗氧加劇。

為模型校準(zhǔn)提供了不可替代的約束條件：早期成巖模型（EDM）的可靠性嚴(yán)重依賴于高質(zhì)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。Unisense電極測量的氧氣剖面是校準(zhǔn)模型中最敏感、最重要的數(shù)據(jù)集之一。模型需要準(zhǔn)確地模擬出觀測到的OPD和界面氧氣梯度。圖6中模型模擬與實(shí)測氧氣剖面的良好吻合，證明了模型參數(shù)化（如有機(jī)質(zhì)降解速率常數(shù)、生物灌溉參數(shù)）的合理性。沒有Unisense電極提供的精確OPD和梯度數(shù)據(jù)，模型的校準(zhǔn)將存在很大不確定性，其關(guān)于生物灌溉和礦化途徑的結(jié)論說服力也會(huì)大打折扣。

揭示了物理-生物-化學(xué)過程的耦合關(guān)系：OPD的變淺和DOU的增加，是POC輸入增加導(dǎo)致微生物和化學(xué)耗氧加劇的直接證據(jù)。這一簡單的物理化學(xué)測量結(jié)果，卻綜合反映了有機(jī)質(zhì)礦化這一核心生物地球化學(xué)過程的強(qiáng)度。將Unisense的數(shù)據(jù)與孔隙水DIC、NH??剖面（圖5c,d）結(jié)合，可以清晰地勾勒出這樣一個(gè)圖像：更多POC輸入 → 更強(qiáng)烈的礦化（耗氧增加） → 更淺的氧化層（OPD變淺）。Unisense電極在此起到了連接“因”（POC輸入）和“果”（孔隙水化學(xué)變化）的橋梁作用。

 

支持了“生物灌溉作用增強(qiáng)”的推論：雖然Unisense直接測量的是氧氣，但其結(jié)果間接支持了關(guān)于生物灌溉的結(jié)論。養(yǎng)殖區(qū)站點(diǎn)（IN1）在OPD顯著變淺（意味著化學(xué)耗氧極強(qiáng)）的情況下，依然維持了較高的氧氣通量，這暗示存在非擴(kuò)散性的氧氣輸送途徑，即生物灌溉。動(dòng)物通過建造和沖洗洞穴，將含氧水帶入沉積物深處，從而在局部創(chuàng)造氧化微環(huán)境，并總體上增加沉積物的總耗氧量。Unisense數(shù)據(jù)是推斷這一重要生物過程存在的起點(diǎn)和重要佐證。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極在本研究中扮演了“沉積物新陳代謝聽診器”的角色。它提供的高分辨率氧氣數(shù)據(jù)，使研究者能夠“看透”沉積物-水界面，直接監(jiān)測到沉積物“呼吸”的強(qiáng)度和深度。沒有這項(xiàng)技術(shù)，關(guān)于貽貝養(yǎng)殖影響沉積物氧化狀態(tài)和早期成巖過程的結(jié)論將缺乏最直接、最令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此，該技術(shù)的應(yīng)用是成功實(shí)現(xiàn)從“通量測量”到“機(jī)制闡明”這一跨越的核心環(huán)節(jié)。