Buffering muds with bivalve shell significantly increases the settlement, growth, survival, and burrowing of the early life stages of the Northern quahog, Mercenaria mercenaria, and other calcifying invertebrates

用雙殼類貝殼緩沖泥質(zhì)沉積物顯著增加北方硬蛤（Mercenaria mercenaria）及其他鈣化無脊椎動(dòng)物早期生活階段的沉降、生長(zhǎng)、存活和潛沙行為

來源: Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 264, 2022, 107686

《河口、海岸與陸架科學(xué)》，第264卷，2022年，文章編號(hào)107686

摘要內(nèi)容:

摘要指出，富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)沉積物中的酸性條件會(huì)損害幼年貝類的生長(zhǎng)和存活。向沉積物中添加碳酸鹽貝殼碎屑是一種潛在的緩解策略。通過實(shí)驗(yàn)室和野外實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了貝殼添加物（碎殼~0.5 cm和牡蠣殼粉cultch~250μm）對(duì)沉積物化學(xué)性質(zhì)（孔隙水pH和文石飽和度Ωaragonite）以及幼年硬蛤（從幼蟲到幼貝階段）的沉降、生長(zhǎng)、存活、潛沙行為的影響。結(jié)果表明，貝殼添加顯著提高了孔隙水pH和Ωaragonite，使剛結(jié)束幼蟲期的幼蛤生長(zhǎng)和存活顯著增加，且沉降階段的幼蛤比剛沉降的幼蛤受益更大。幼蛤（2-5 mm）在緩沖沉積物中的潛沙行為顯著增強(qiáng)。野外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了貝殼緩沖能促進(jìn)幼蛤生長(zhǎng)。此外，本地鈣化底棲生物（寶石蛤Gemma gemma和有孔蟲）更傾向于在緩沖沉積物中沉降。結(jié)論是向泥質(zhì)沉積物添加貝殼是一種簡(jiǎn)單有效的策略，可改善碳酸鹽化學(xué)環(huán)境，促進(jìn)硬蛤和其他鈣化底棲生物的早期生活史表現(xiàn)。

研究目的:

評(píng)估向富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)沉積物中添加貝殼碎屑（作為緩沖劑）是否能改善沉積物孔隙水的碳酸鹽化學(xué)（特別是pH和文石飽和度），并探究這種改善對(duì)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)種北方硬蛤（Mercenaria mercenaria）從幼蟲到幼貝階段（不同規(guī)格）的沉降、生長(zhǎng)、存活和潛沙行為的影響，同時(shí)探索該方法對(duì)其他鈣化底棲生物（如寶石蛤和有孔蟲）招募的潛在益處，為恢復(fù)衰退的貝類種群提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用方法。

研究思路:

理論基礎(chǔ)：沉積物酸化主要由有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)引起，對(duì)幼貝造成溶解壓力和行為抑制。貝殼碎屑溶解可緩沖酸度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：結(jié)合實(shí)驗(yàn)室控制實(shí)驗(yàn)和野外驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)：包括 (1) 2-D pH時(shí)空動(dòng)態(tài)與幼蛤響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（使用光學(xué)位移傳感器監(jiān)測(cè)pH，結(jié)合幼蛤生長(zhǎng)和潛沙觀察）；(2) 幼蛤潛沙行為實(shí)驗(yàn)（不同規(guī)格，5周）；(3) 系列沉降實(shí)驗(yàn)（3次，評(píng)估不同處理對(duì)幼蟲到幼貝階段生長(zhǎng)、存活的影響）。

野外實(shí)驗(yàn)：包括 (1) 幼蛤移植生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)（2018和2019年，評(píng)估緩沖對(duì)生長(zhǎng)存活的影響）；(2) 野外鈣化生物沉降實(shí)驗(yàn)（評(píng)估貝殼添加對(duì)寶石蛤和有孔蟲自然招募的影響）。

處理因素：主要對(duì)比貝殼緩沖處理（碎殼Shell hash 或 牡蠣殼粉Cultch）與未緩沖對(duì)照（純泥Mixed Control）以及沙泥混合（Sandy Mud）對(duì)照。

測(cè)量指標(biāo)：孔隙水pH、文石飽和度(Ωaragonite)、幼蛤生長(zhǎng)率、存活率/招募數(shù)量、潛沙百分比；野外實(shí)驗(yàn)增加鈣化底棲生物密度。

數(shù)據(jù)分析：統(tǒng)計(jì)比較處理間差異（ANOVA, Tukey檢驗(yàn)等）。

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義:

1. 孔隙水pH值：使用多種方法測(cè)量，包括Unisense微電極（2-D實(shí)驗(yàn)?zāi)┒恕撋硨?shí)驗(yàn)）、Orion電極（多數(shù)實(shí)驗(yàn)）、光學(xué)位移傳感器（2-D實(shí)驗(yàn)時(shí)空動(dòng)態(tài)）。意義：直接量化沉積物，尤其是表層1-2 cm（幼貝棲息區(qū)）的酸度狀況。貝殼添加顯著提高了pH（如：2-D實(shí)驗(yàn)?zāi)琧ultch處理pH=7.39 vs 對(duì)照6.89, Δ+0.5；潛沙實(shí)驗(yàn)5mm蛤，cultch pH=7.61 vs 對(duì)照6.98, Δ+0.63；見Fig. 3B, Fig. 4A,D）。這表明貝殼有效中和了沉積物酸度。

2.  文石飽和度狀態(tài)(Ωaragonite)：通過測(cè)量的pH和堿度（或DIC），結(jié)合溫度、鹽度，使用CO2Calc軟件計(jì)算。意義：Ωaragonite<1表示文石溶解傾向，對(duì)幼蛤殼形成威脅。貝殼添加顯著提高了Ωaragonite（如：2-D實(shí)驗(yàn)?zāi)琧ultch處理Ω=1.56 vs 對(duì)照0.30, Δ+1.26；潛沙實(shí)驗(yàn)5mm蛤，cultch Ω=0.66 vs 對(duì)照0.19, Δ+0.47；見Fig. 3C, Fig. 4B,E）。這表明緩沖顯著降低了幼蛤面臨的溶解壓力。

3.  幼蛤存活率/招募數(shù)量：實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)活體數(shù)量或沉降數(shù)量。意義：評(píng)估緩沖對(duì)幼蛤渡過關(guān)鍵早期階段的影響。貝殼緩沖顯著提高了某些實(shí)驗(yàn)中剛沉降或即將沉降幼蟲的存活（如：實(shí)驗(yàn)室沉降實(shí)驗(yàn)2，cultch存活92% vs 對(duì)照59%*；見Fig. 6C）。這表明緩沖對(duì)最脆弱的早期階段至關(guān)重要。

4.  幼蛤生長(zhǎng)率(μm/day)：測(cè)量初始和結(jié)束時(shí)的殼長(zhǎng)計(jì)算日生長(zhǎng)率。意義：反映緩沖對(duì)幼蛤能量狀況和發(fā)育速度的影響。快速生長(zhǎng)有助于更快達(dá)到避免溶解和捕食的尺寸閾值。貝殼緩沖在幾乎所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)中均顯著提高了生長(zhǎng)率（如：實(shí)驗(yàn)室沉降實(shí)驗(yàn)2，cultch生長(zhǎng)15.2 μm/day vs 對(duì)照9.5 μm/day；2019野外實(shí)驗(yàn)，碎殼生長(zhǎng)16.9 μm/day vs 對(duì)照5.5 μm/day；見Fig. 6D, Fig. 9D）。這表明緩沖緩解了酸度脅迫，促進(jìn)能量投入生長(zhǎng)。

5.  幼蛤潛沙百分比(%)：記錄未埋入沉積物表面的個(gè)體比例。意義：未埋藏個(gè)體易被捕食或沖走。高潛沙率表明生境適宜性和降低被捕食風(fēng)險(xiǎn)。貝殼緩沖顯著提高了幼蛤的潛沙比例（如：2-D實(shí)驗(yàn)，cultch潛沙84% vs 對(duì)照71%；潛沙實(shí)驗(yàn)2mm蛤，cultch潛沙76% vs 對(duì)照62%；見Fig. 3D, Fig. 4C）。這表明緩沖改善了沉積物環(huán)境，使幼蛤更愿意并能夠埋藏。

6.  鈣化底棲生物密度（野外實(shí)驗(yàn)）：計(jì)數(shù)核心樣品中的寶石蛤(Gemma gemma)和有孔蟲數(shù)量。意義：評(píng)估貝殼緩沖對(duì)底棲群落中其他鈣化生物的潛在益處，顯示方法的生態(tài)價(jià)值。在較泥濘的Tiana灣站點(diǎn)，貝殼處理顯示出寶石蛤密度增加趨勢(shì)（9960 vs 3960 ind. m?2, p=0.06）和有孔蟲密度增加（16.6 vs 9.14 x 10? ind. m?2）（見Fig. 10B, C）。這表明緩沖效應(yīng)可能惠及更廣泛的鈣化生物群。

5.  結(jié)論:

向有機(jī)質(zhì)豐富的泥質(zhì)沉積物中添加貝殼碎屑（碎殼或殼粉）能有效提高孔隙水pH和文石飽和度(Ωaragonite)，緩解沉積物酸化。

這種碳酸鹽化學(xué)環(huán)境的改善對(duì)北方硬蛤(Mercenaria mercenaria)的早期生活史階段（從幼蟲到幼貝）產(chǎn)生了顯著的積極影響：

顯著提高了剛結(jié)束幼蟲期或即將沉降的幼蛤的存活率。

顯著提高了所有受測(cè)幼蛤規(guī)格（幼蟲、剛沉降幼蛤、2-3mm, 5-6mm, 7-9mm幼蛤）的生長(zhǎng)速率。

顯著提高了幼蛤（2mm和5mm）的潛沙行為比例。

細(xì)顆粒的牡蠣殼粉(cultch, ~250μm)通常比粗顆粒碎殼(~0.5 cm)表現(xiàn)出更一致的緩沖效果，可能與更大的比表面積有關(guān)。

野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，貝殼緩沖顯著促進(jìn)了移植幼蛤的生長(zhǎng)。

貝殼緩沖還可能增加其他鈣化底棲生物（如寶石蛤和有孔蟲）在泥質(zhì)區(qū)域的招募密度，有益于底棲生物多樣性。

總體而言，向泥質(zhì)沉積物添加廢棄貝殼是一種簡(jiǎn)單、有效的生境修復(fù)策略，可通過改善碳酸鹽化學(xué)條件，促進(jìn)硬蛤等具有重要生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的鈣化底棲生物的定居、生長(zhǎng)和存活，有助于恢復(fù)衰退的貝類種群。

6.  Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀與研究意義:

本研究在2-D pH時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)（第2.2節(jié)）和實(shí)驗(yàn)室潛沙行為實(shí)驗(yàn)（第2.3節(jié)）中使用了丹麥Unisense微電極（具體型號(hào)：Unisense Field Microsensor Multimeter配合pH微電極）。

測(cè)量?jī)?nèi)容與精度：Unisense微電極用于直接插入沉積物（約1.5 cm深度）進(jìn)行高精度、高空間分辨率的pH測(cè)量（Fig. 3B， Fig. 4A,D）。它通過NIST標(biāo)準(zhǔn)緩沖液校準(zhǔn)，提供可靠的絕對(duì)pH值。在2-D實(shí)驗(yàn)中，其測(cè)量結(jié)果用于驗(yàn)證和補(bǔ)充光學(xué)位移傳感器（Optode）獲取的二維pH分布數(shù)據(jù)。

研究意義：

1.  高分辨率與準(zhǔn)確性：Unisense微電極提供了沉積物特定深度點(diǎn)（如關(guān)鍵的幼貝棲息層~1.5 cm）的精確pH值。這對(duì)于驗(yàn)證光學(xué)位移傳感器（可能存在檢測(cè)下限~6.4的限制）在酸度較高區(qū)域的測(cè)量準(zhǔn)確性至關(guān)重要（如Fig. 3B顯示對(duì)照區(qū)平均pH=6.89，Optode圖像顯示部分區(qū)域<6.4）。其測(cè)量結(jié)果是計(jì)算文石飽和度(Ωaragonite)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)（Fig. 3C）。

2.  量化緩沖效應(yīng)強(qiáng)度：在潛沙實(shí)驗(yàn)（Fig. 4A,D）和2-D實(shí)驗(yàn)（Fig. 3B）中，Unisense電極清晰量化了貝殼添加（尤其是cultch）對(duì)沉積物酸度的緩沖強(qiáng)度。例如，潛沙實(shí)驗(yàn)中5mm幼蛤組，cultch處理pH=7.61顯著高于對(duì)照6.98（ΔpH +0.63），直接證明了貝殼溶解的中和能力。這種點(diǎn)位的精確測(cè)量是得出“貝殼緩沖顯著改善沉積物化學(xué)”這一核心結(jié)論的基石數(shù)據(jù)之一。

3.  關(guān)聯(lián)生物響應(yīng)：通過將Unisense測(cè)得的精確pH（及由此計(jì)算的Ω）與同一實(shí)驗(yàn)單元（如潛沙實(shí)驗(yàn)容器、2D實(shí)驗(yàn)的Optocosm）中觀察到的幼蛤生長(zhǎng)、存活和潛沙行為數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究能夠建立沉積物酸度（pH/Ω）與幼蛤生理（生長(zhǎng)、存活）和行為（潛沙）之間的直接因果關(guān)系。例如，測(cè)得pH/Ω高的組，幼蛤生長(zhǎng)更快、埋藏更多。

4.  時(shí)間序列監(jiān)測(cè)（潛沙實(shí)驗(yàn)）：在為期5周的潛沙實(shí)驗(yàn)中，Unisense電極在每次更換沉積物/水后（但放回幼蛤前）進(jìn)行測(cè)量（Fig. 4A,D）。這提供了時(shí)間序列數(shù)據(jù)，證明了貝殼緩沖效果在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的持續(xù)性，而非僅僅是終點(diǎn)效應(yīng)。

5.  方法互補(bǔ)：在2-D實(shí)驗(yàn)中，Unisense電極提供了關(guān)鍵深度的精確“點(diǎn)”數(shù)據(jù)，而光學(xué)位移傳感器提供了“面”（二維空間分布）數(shù)據(jù)，兩者結(jié)合全面刻畫了貝殼緩沖對(duì)沉積物pH三維結(jié)構(gòu)的影響（Fig. 1, Fig. 2），揭示了cultch處理能消除近界面pH最小值并降低垂直變異的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)：丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了提供高精度、高空間分辨率（點(diǎn)位）pH測(cè)量的關(guān)鍵角色。其數(shù)據(jù)直接、準(zhǔn)確地量化了貝殼緩沖對(duì)沉積物酸度的改善程度（ΔpH, ΔΩ），并作為核心環(huán)境參數(shù)，與幼蛤的生物學(xué)響應(yīng)指標(biāo)（生長(zhǎng)、存活、行為）建立了可靠的因果關(guān)系，是論證貝殼緩沖策略有效性的核心技術(shù)支撐之一。其在高酸度區(qū)域的精確測(cè)量能力補(bǔ)充了光學(xué)位移傳感器的潛在局限，其時(shí)間序列測(cè)量證實(shí)了緩沖效果的持續(xù)性。