Is Oxygenation Related to the Decomposition of Organic Matter in Cryoconite Holes?  

氧合作用與冰塵孔中有機質(zhì)分解有關(guān)嗎？  

來源：Ecosystems (2022) 25: 1510–1521

《生態(tài)系統(tǒng)》，第25卷 2022年，頁碼 1510–1521

 

摘要內(nèi)容

摘要探討了冰川表面沉積物（cryoconite）中氧合作用對有機質(zhì)分解的影響。通過采集北極和歐洲大陸五個冰川的樣品，實驗?zāi)M了靜置（stagnant）和機械混合（mechanically mixed）條件（模仿融水攪動），測量了氧垂直分布和有機質(zhì)含量變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：  

光照下所有樣品均出現(xiàn)厭氧區(qū)，深度因冰川來源而異（北極冰川3100μm vs. 阿爾卑斯冰川1500μm）；  

 

有機質(zhì)含量在冰川間差異顯著（6.11%-16.36%）；  

 

機械混合對有機質(zhì)分解的影響因地而異（Forni冰川顯著降低，Longyearbreen趨勢類似但不顯著，Ebenferner無差異）。  

 

研究目的

 

探究冰塵孔沉積物中氧合作用（模擬冰川融水攪動）是否促進有機質(zhì)分解，并分析厭氧區(qū)形成機制及其對冰川生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。  

 

研究思路

雙實驗設(shè)計：  

 

光照實驗：對比四冰川樣品在光照/黑暗下的氧剖面（圖2、3）和光養(yǎng)生物量（表1）。  

 

 

 

機械擾動實驗：三冰川樣品分混合組（每日攪動+通氣）和靜置組，培養(yǎng)8周后比較有機質(zhì)變化（圖4）。  

 

多指標關(guān)聯(lián)：結(jié)合氧分布深度、有機質(zhì)含量、顆粒大小（表1）和微生物群落組成，分析區(qū)域差異的驅(qū)動因素。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

氧垂直剖面（圖2, 3, 4）：  

 

數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微電極（精度200μm）測量沉積物不同深度氧濃度（μmol L?1），計算總氧量和厭氧區(qū)深度。  

 

意義：揭示毫米尺度氧化還原分層，證明厭氧區(qū)普遍存在且深度與冰川類型相關(guān)（北極>阿爾卑斯），為微生物空間分異（光養(yǎng)/異養(yǎng)）提供直接證據(jù)。  

有機質(zhì)含量（圖4, 表1）：  

 

數(shù)據(jù)：燃燒法測定初始與實驗后有機質(zhì)百分比變化。  

 

意義：驗證氧合作用對分解的影響具地域依賴性（如Forni冰川混合組分解顯著增強），表明有機質(zhì)化學(xué)組成或微生物群落調(diào)控分解效率。  

顆粒尺寸與光養(yǎng)生物量（表1）：  

 

數(shù)據(jù)：顯微測量顆粒直徑，生物量基于優(yōu)勢種細胞體積計算。  

 

意義：解釋氧剖面差異（如Longyearbreen大顆粒導(dǎo)致深層厭氧），關(guān)聯(lián)微生物功能（如GrIS高生物量支撐強氧消耗）。  

 

結(jié)論

厭氧區(qū)普遍性：所有冰川光照樣品均形成厭氧層（深度1500–3100μm），印證冰塵孔是氧化還原微環(huán)境熱點。  

 

氧合作用效應(yīng)地域化：機械混合僅顯著促進Forni冰川有機質(zhì)分解，說明氧氣可利用性受沉積物特性（如顆粒結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)組分）和微生物適應(yīng)力調(diào)控。  

 

微生物適應(yīng)性：混合組氧總量未顯著升高（圖4），表明微生物能快速響應(yīng)擾動，支持"冰川群落具代謝可塑性"假說。  

 

系統(tǒng)復(fù)雜性：冰塵孔作為"簡單模型系統(tǒng)"，實際包含多因素互作（圖5），未來需結(jié)合水文與微生物功能深化碳循環(huán)認知。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

丹麥Unisense微電極（Clark型）的高分辨率測量（200μm間距）實現(xiàn)了三項突破：  

量化毫米級生物地球化學(xué)梯度：首次精確刻畫冰塵孔沉積物中氧的垂直分布（圖2），證明光照下光合產(chǎn)氧與呼吸耗氧的平衡深度因冰川而異，為理解微生物生態(tài)位分異（如藍藻表棲/異養(yǎng)菌深棲）提供實證。  

 

揭示擾動響應(yīng)的瞬時性：機械擾動實驗（圖4）中，混合組未顯著提升氧總量，結(jié)合厭氧區(qū)快速形成（Poniecka et al. 2018文獻佐證），表明微生物能迅速重建氧化還原平衡，突顯其對動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)策略。  

 

支撐區(qū)域差異機制解析：氧剖面深度與顆粒尺寸（表1）、光養(yǎng)生物量呈負相關(guān)（如北極冰川大顆粒導(dǎo)致深厭氧區(qū)），直接關(guān)聯(lián)物理結(jié)構(gòu)-微生物活動-元素循環(huán)，深化"冰川特征調(diào)控分解效率"的認識（圖5）。