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(lái)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(duì)分析了兩條城市運(yùn)河的底棲生物地球化學(xué)過(guò)程，以評(píng)估不同潮汐條件（大潮與小潮）和季節(jié)（冬末與夏季）對(duì)有機(jī)質(zhì)處理的影響。研究發(fā)現(xiàn)，沉積物中有機(jī)質(zhì)高度富集，處于強(qiáng)還原狀態(tài)。有機(jī)質(zhì)礦化主要由細(xì)菌硫酸鹽還原驅(qū)動(dòng)，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(jìng)爭(zhēng)限制。研究表明，小潮期間，溶解無(wú)機(jī)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(dòng)導(dǎo)致的每半月一次的潮汐沖刷減少，會(huì)顯著影響底棲過(guò)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(jī)負(fù)荷）和潮汐條件（大潮與小潮的水流沖刷強(qiáng)度）如何共同調(diào)控高度有機(jī)富集的威尼斯城市運(yùn)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(chǎng)采樣與室內(nèi)培養(yǎng)相結(jié)合的方法：

 

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

多時(shí)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(cè)量：對(duì)沉積物進(jìn)行地球化學(xué)分析（有機(jī)質(zhì)、硫化物、鐵等），并測(cè)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(wú)機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽通量。

 

統(tǒng)計(jì)分析：使用三因素方差分析評(píng)估潮汐、季節(jié)和地點(diǎn)對(duì)上述測(cè)量的影響，并運(yùn)用相關(guān)性分析探討過(guò)程間的聯(lián)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（附圖表來(lái)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(cè)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(dòng)強(qiáng)度。硫化物積累是沉積物“緩沖能力”飽和的標(biāo)志，對(duì)底棲生物有毒性，并可能抑制硝化等需氧過(guò)程。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)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(wú)機(jī)碳通量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過(guò)黑暗培養(yǎng)完整沉積物柱樣，測(cè)量氧氣消耗和溶解無(wú)機(jī)碳的釋放通量。

研究意義：表征整個(gè)底棲系統(tǒng)的總代謝強(qiáng)度。沉積物耗氧量反映了好氧呼吸的強(qiáng)度，而溶解無(wú)機(jī)碳通量是總有機(jī)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(lái)源：圖3顯示了各站點(diǎn)在不同條件下的沉積物耗氧量和溶解無(wú)機(jī)碳通量。

 

營(yíng)養(yǎng)鹽通量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：測(cè)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(yíng)養(yǎng)鹽的“匯”還是“源”。高銨鹽和磷的釋放通量會(huì)加劇上覆水體的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4展示了溶解無(wú)機(jī)氮、硝酸鹽、銨鹽和可溶性活性磷的通量。

 

微生物過(guò)程速率：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：使用放射性同位素（3?S）測(cè)量細(xì)菌硫酸鹽還原速率；使用同位素配對(duì)技術(shù)測(cè)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(jī)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(guò)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(lái)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(duì)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(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)：威尼斯運(yùn)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(gè)“營(yíng)養(yǎng)失調(diào)”系統(tǒng)。沉積物成為溶解無(wú)機(jī)氮和磷的強(qiáng)大源，反饋并加劇水體富營(yíng)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(wú)機(jī)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(qiáng)，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(jī)負(fù)荷進(jìn)一步加劇了上述趨勢(shì)，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(shí)，必須充分考慮其對(duì)底棲生物地球化學(xué)過(guò)程的負(fù)面影響，以及由此引發(fā)的水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)。

 

Unisense電極測(cè)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(jí)的垂直步長(zhǎng)（圖2中為0.1毫米）精確測(cè)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(shí)站點(diǎn)P在10毫米深度處達(dá)6.4 mM），這為大潮/小潮對(duì)氧化還原條件的強(qiáng)烈影響提供了直觀、可靠的證據(jù)。

直接指示微生物活動(dòng)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(cè)得的硫化物濃度和剖面形態(tài)直接反映了硫酸鹽還原過(guò)程的強(qiáng)度。濃度越高，說(shuō)明厭氧礦化作用越旺盛，沉積物還原性越強(qiáng)。這些數(shù)據(jù)是判斷沉積物是否處于“硫化”或“缺氧”危險(xiǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于評(píng)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(jiàn)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(jī)質(zhì)高度富集的情況下，鐵的緩沖能力已達(dá)到飽和，無(wú)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(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

 

關(guān)聯(lián)并解釋其他生物地球化學(xué)過(guò)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(duì)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(qiáng)還原和硫化的環(huán)境會(huì)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(guò)程）過(guò)程的橋梁，對(duì)于深刻理解城市化沿海生態(tài)系統(tǒng)中底棲過(guò)濾器的效率和適應(yīng)性具有不可替代的研究意義。