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殖所導致的缺氧對底棲孔蟲的影響

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

 

一、摘要概述

本論文摘要指出，研究通過海水監測、沉積物地球化學分析和底棲有孔蟲鑒定，探討了韓國半封閉Gamak Bay中貽貝養殖引發的缺氧對底棲有孔蟲的影響。研究發現，貽貝養殖區西北部形成了高有機質含量（>12.0%）和低溶解氧（DO <0.4 mg·L?1）的還原環境，這些條件逐漸向南擴散。有孔蟲物種多樣性、豐度頻率和組合（如西北部的Elphidium subarcticum-Ammonia beccarii組合向南轉變為E. clavatum-Ammonia ketienziensis組合）呈現高度相似的變化模式，主要受水動力條件驅動。E. subarcticum被確定為貽貝養殖有機污染的指示物種。

二、研究目的

本研究旨在明確貽貝養殖產生的有機污染物如何通過改變沉積物環境（如缺氧和酸化）影響底棲有孔蟲的群落結構和分布。具體目的包括：

 

量化貽貝養殖區生物沉積物對沉積物-水界面附近溶解氧（DO）、pH和有機質動態的高分辨率影響。

區分短期（如生物攝入）和長期（如Fe氧化物吸附）機制對有孔蟲群落的主導作用。

 

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

 

三、研究思路

研究采用野外采樣與實驗室分析結合的方法，重點包括：

 

采樣設計：于2014年8月在Gamak Bay的21個站點（如Fig.1所示）采集沉積物巖心（直徑3 cm）和海水樣品，覆蓋貽貝養殖區（西北部）和對照區（中部和南部）。

 

高分辨率測量：

 

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

應用Zr-氧化物DGT和ZrO-Chelex DGT（分辨率42μm–1 mm）測量活性P和Fe，獲取二維分布數據。

 

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

 

 

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

 

數據處理：通過聚類分析（Bray-Curtis相似性）、主成分分析（PCA）和統計檢驗（如ANOVA）關聯環境變量與有孔蟲響應。

 

四、測量數據及研究意義

以下關鍵測量數據均來自文檔中圖表，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）

 

數據：Fig.2顯示底層水DO在西北部養殖區降至<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：直接證實貽貝養殖導致局部缺氧和酸化，為有孔蟲棲息地退化提供環境背景；DO和pH梯度揭示污染擴散路徑。

 

有機質和元素含量（來自Appendix 1和Fig.2）

 

數據：西北部沉積物有機質（OM）平均9.16%，TOC最高2.22%，C/S比最低3.0（指示還原環境）；向南逐漸降低。

 

研究意義：高OM和低C/S比證實生物沉積物積累加劇缺氧，驅動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）

 

數據：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（西北部）指示缺氧壓力，E. subarcticum占主導（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）

 

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

 

研究意義：組合變化映射環境梯度，西北部缺氧區機會種增多，南部正常氧條件支持多樣性。

 

五、結論

本研究主要結論包括：

 

缺氧驅動群落變化：貽貝養殖通過生物沉積物增加有機負荷，導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：污染效應從西北部養殖區向南擴散，有孔蟲多樣性隨DO和pH升高而增加，證實水動力（如反時針環流）影響污染物分布。

指示種應用：E. subarcticum作為有機污染的生物指示劑，其高豐度（>69%）直接關聯缺氧環境。

 

管理啟示：需控制養殖密度和優化布局，以減輕缺氧對底棲生態系統的破壞。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

丹麥Unisense微電極系統（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境數據，其研究意義體現在技術優勢、機制解析和生態應用層面：

1. 技術原理與創新性

 

原理：Unisense電極基于安培法（氧電極）和電位法（pH傳感器），尖端精度達微米級，可直接插入沉積物表層（<0.5 cm）實時測量DO和pH。系統集成微操縱器，實現垂直剖面測量（分辨率0.1 mm），避免傳統宏觀采樣的平均化誤差。

 

創新性：提供亞毫米級空間分辨率數據（如Fig.3中DO和pH剖面），精準量化氧滲透深度（如西北部氧滲透僅數毫米）和酸化程度，為微環境異質性研究設立新標準。

 

2. 在缺氧機制驗證中的關鍵作用

 

直接證據獲取：Unisense數據顯示西北部沉積物DO低至0.4 mg·L?1（Fig.3-A），pH降至7.37（Fig.3-B），直接證實貽貝養殖導致局部缺氧和酸化。這些數據與有孔蟲群落變化（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）。

 

動態過程解析：高分辨率DO剖面揭示氧消耗主要發生在沉積物最表層（0–0.5 cm），指示有機質快速降解主導氧需求；pH下降關聯H?S生成，印證硫酸鹽還原過程。這些細節支撐了“生物沉積物→微生物降解→缺氧→有孔蟲響應”的因果鏈。

 

3. 對生態模型的意義

 

參數化基礎：Unisense測量的DO和pH梯度為有孔蟲棲息地模型提供關鍵邊界條件（如氧化層厚度），驗證物種分布與氧濃度的定量關系（如E. subarcticum在DO <1 mg·L?1時豐度激增）。

 

時間序列推演：結合21?Pb測年（Table 1），Unisense數據幫助重建歷史缺氧事件（如1980s養殖擴張后缺氧加劇），提升對長期生態影響的預測能力。

 

4. 局限性與應用拓展

 

局限性：單點測量（n=1）可能低估空間異質性；未覆蓋晝夜或季節波動。

 

未來方向：Unisense技術可結合多傳感器（如H?S、NO??）同步監測，揭示多因子交互作用；推廣至實時原位監測，為養殖區管理提供動態預警。

 

總之，Unisense電極數據通過高精度環境測量，架起了貽貝養殖活動與底棲生態響應的橋梁，凸顯其作為缺氧研究“金標準”工具的價值。