Benthic oxygen dynamics and implication for the maintenance of chronic hypoxia and ecosystem degradation in the Berre lagoon(France)  

貝赫瀉湖(法國)底棲氧動力學及其對慢性缺氧維持和生態系統退化的影響  

來源：Estuarine, Coastal and Shelf Science Volume 258, 2021, 107437

《河口、海岸與大陸架科學》第258卷，2021年，文章編號107437

 

摘要內容

 

研究探討了底棲氧需求(BOD)如何隨季節性和長期（數十年）缺氧變化，發現缺氧后沉積物中還原性化學物質的積累會導致BOD顯著升高。長期缺氧區因有機物和還原性物質積累導致高BOD，而常氧區因新鮮有機物和生物擾動型底棲動物群落也呈現高BOD。低BOD出現在季節性缺氧區，與底棲群落退化和還原性物質積累較少相關。通過量化BOD與水柱再氧化動力學的競爭關系，證實貝赫瀉湖慢性缺氧事件由BOD和水體分層共同驅動。

 

研究目的

 

1. 揭示季節性/長期缺氧對沉積物-水界面氧交換的驅動機制  

2. 評估BOD是否足以引發瀉湖缺氧事件  

 

研究思路

 

1. 空間梯度設計：選取PO（常氧）、PI（季節性缺氧）、PA（永久缺氧）三站點（圖1）  

 

2. 時序觀測：在PI站進行2015-2016年四季采樣（圖3）  

 

3. 多參數同步測量：  

   ? 水柱溶解氧連續監測（圖3）  

 

   ? Unisense微電極剖面儀原位測量氧滲透深度與擴散通量（圖6）  

 

   ? 底棲培養室測定總氧通量（圖7）  

 

   ? 沉積物有機質/色素分析（圖4）  

 

   ? 底棲生物群落與生境質量評估（圖5）  

 

4. 模型構建：建立BOD動力學模型預測缺氧發生條件（圖9）  

 

測量數據及其研究意義

 

1. 溶解氧時空分布（圖3）  

   ? 意義：量化不同站點缺氧頻率（PA站46%時間缺氧），確立環境基準狀態  

 

2. 氧滲透深度(zo2)（圖6）  

   ? 意義：反映沉積物氧化還原狀態（PA站zo2<0.1mm），指示化學物質積累程度  

 

3. 擴散通量(Jdif)與總通量(Jtot)（圖7）  

   ? 意義：揭示生物擾動貢獻（PO站Jtot/Jdif>1），證實底棲動物對氧傳輸的增強作用  

 

4. 沉積物特性（圖4）  

   ? TOC（PA站4.0%最高）與色素比值：反映有機物積累與新鮮度，解釋BOD差異來源  

 

5. 底棲群落結構（圖5）  

   ? 物種豐富度（PO站9種 vs PA站0種）：直接關聯生態系統退化程度  

 

丹麥Unisense電極測量意義

 

使用Unisense MP6微剖面系統（圖2b）實現：  

 

1. 毫米級分辨率：以0.1mm步長獲取氧滲透深度（圖6），精準捕捉沉積物-水界面氧化梯度  

2. 原位真實性：避免采樣擾動，測得PA站擴散通量趨近零（缺氧區無氧消耗），驗證理論模型  

3. 動態過程解析：發現生物擾動形成的"氧管"（PI站1.7cm深氧峰，圖6），揭示底棲動物對氧輸運的關鍵作用  

4. 通量計算基礎：結合Fick定律計算Jdif，為BOD量化提供核心參數  

 

結論

 

1. BOD驅動機制：  

   ? 缺氧后還原物質氧化是BOD主要驅動力（PI站夏季Jdif達30 mmol·m?2·d?1）  

 

   ? 常氧區高BOD由新鮮有機物和生物擾動維持（PO站Jtot/Jdif=2.5）  

 

2. 生態系統反饋：  

   ? 長期缺氧導致底棲群落滅絕（PA站），喪失生物擾動功能  

 

   ? 季節性缺氧引發群落更替，改變BOD模式（圖8）  

 

3. 缺氧預測模型：  

   ? BOD動力學常數(ko2)與風速再氧化競爭可預測缺氧（圖9），實測與預測吻合度>80%  

 

4. 管理啟示：  

   ? 需同步控制富營養化（降低BOD）和水體分層（增強混合）以修復生態系統