Transient biogeochemistry in intertidal sediments: New insights from tidal pools in Zostera noltei meadows of Arcachon Bay (France)

潮間帶沉積物的瞬態(tài)生物地球化學(xué)來(lái)自阿卡琴灣佐斯特拉諾爾提草甸潮汐池的新見(jiàn)解

來(lái)源：Marine Chemistry 200 (2018) 1–13

 

論文概述

研究聚焦于法國(guó)阿卡雄灣潮間帶鰻草（Zostera noltei）草甸中的圓形潮汐池，旨在揭示這些特殊微環(huán)境在潮汐和晝夜周期內(nèi)沉積物-水界面發(fā)生的快速、瞬態(tài)生物地球化學(xué)過(guò)程。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，盡管已有研究關(guān)注潮汐池水化學(xué)的短期變化，但對(duì)沉積物-水界面生物地球化學(xué)反應(yīng)和通量的響應(yīng)知之甚少。本研究基于原位微剖面測(cè)量和水體采樣，調(diào)查了潮汐池中溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽、硫化物和金屬的動(dòng)態(tài)及其相關(guān)通量。綜合性的研究（涵蓋兩個(gè)不同季節(jié)、多個(gè)潮汐和晝夜周期）表明，水溫和光照是驅(qū)動(dòng)潮汐池生物地球化學(xué)功能的主要因素，它們控制了微底棲生物的光合活性。光照變化引起了沉積物表層O2濃度的晝夜波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致沉積物-水界面O2擴(kuò)散通量和沉積物O2滲透深度的波動(dòng)。漲潮時(shí)，沉積物上方的湍流增強(qiáng)，導(dǎo)致含氧水在沉積物最表層發(fā)生平流，顯著增加了孔隙水O2濃度和O2滲透深度。孔隙水硫化物濃度和出現(xiàn)深度與O2動(dòng)態(tài)在晝夜和潮汐周期上同步變化，表明中間氧化還原成巖過(guò)程在如此短的時(shí)間尺度上受到O2動(dòng)態(tài)的影響。溶解錳在夜間向水體的顯著通量證實(shí)了沉積物柱中氧化還原過(guò)程的快速變化。本研究清晰地表明，潮汐池是瞬態(tài)生物地球化學(xué)過(guò)程的天然孵化器，并對(duì)海灣尺度的營(yíng)養(yǎng)鹽預(yù)算有重要貢獻(xiàn)。

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

表征潮汐池沉積物如何響應(yīng)外部環(huán)境強(qiáng)迫（溫度、光照、水深）在潮汐和晝夜周期內(nèi)的變化。

量化和理解這些變化所驅(qū)動(dòng)的沉積物-水界面的生物地球化學(xué)過(guò)程和通量。

 

評(píng)估潮汐池在阿卡雄灣生物地球化學(xué)功能中的作用，特別是其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)的貢獻(xiàn)。

 

3. 研究思路

研究采用了多季節(jié)、多周期的現(xiàn)場(chǎng)綜合觀(guān)測(cè)思路：

 

選址與現(xiàn)場(chǎng)描述：在阿卡雄灣的潮間帶鰻草草甸中選擇典型的圓形潮汐池作為研究對(duì)象（圖1），并估算其覆蓋面積。

 

連續(xù)原位監(jiān)測(cè)：使用自主傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)池水溫度、鹽度、溶解氧（O2）、光合有效輻射（PAR）和水深（圖2）。

 

高分辨率原位微剖面測(cè)量：使用丹麥Unisense公司的MP6微型剖面系統(tǒng)，在沉積物-水界面進(jìn)行O2、H2S、pH和溫度的垂直剖面測(cè)量（圖4）和固定深度的時(shí)序測(cè)量（圖5），分辨率達(dá)到亞毫米級(jí)。

 

 

水體化學(xué)分析：在潮汐池與海灣水體隔離期間，高頻采集水樣，分析營(yíng)養(yǎng)鹽（NO3-, NH4+, PO43-, Sid）、溶解金屬（Mn, Fe）和總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)碳（tCO2）的濃度變化（圖2, 圖3）。

 

通量計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析：基于水體濃度隨時(shí)間的變化計(jì)算總通量（表1）；基于O2微剖面梯度計(jì)算擴(kuò)散通量；使用距離線(xiàn)性模型（DistLM）統(tǒng)計(jì)分析環(huán)境因子對(duì)生物地球化學(xué)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)作用（附錄表A1, A2）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及其研究意義

測(cè)量的數(shù)據(jù)類(lèi)型與意義

 

池水物理化學(xué)參數(shù)（來(lái)自 圖2）

 

數(shù)據(jù)：溫度、鹽度、溶解氧（O2）、光合有效輻射（PAR）、水深。

 

研究意義：明確了潮汐池環(huán)境的極端可變性。數(shù)據(jù)顯示O2在白天顯著過(guò)飽和（最高達(dá)210%），夜間則消耗嚴(yán)重，直接證明了池內(nèi)初級(jí)生產(chǎn)（光合作用）和呼吸作用的強(qiáng)烈晝夜交替，且池水體積小放大了這種效應(yīng)。

 

池水化學(xué)組成（來(lái)自 圖2, 圖3 和 表1）

 

數(shù)據(jù)：營(yíng)養(yǎng)鹽（NO3-, NH4+, PO43-）、溶解硅（Sid）、溶解錳（Mnd）、總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)碳（tCO2）。

 

研究意義：tCO2與O2呈現(xiàn)相反的晝夜趨勢(shì)，印證了光合/呼吸作用。營(yíng)養(yǎng)鹽濃度普遍較低，但計(jì)算出的通量表明沉積物是NH4+、PO43-和Sid的源。夜間Mnd通量比白天高一個(gè)數(shù)量級(jí)，是沉積物氧化還原狀態(tài)快速變化的直接證據(jù)。Sid通量與溫度正相關(guān)，暗示了硅質(zhì)顆粒溶解的溫度依賴(lài)性。

 

沉積物微環(huán)境參數(shù)（來(lái)自 圖4 和 圖5）

 

數(shù)據(jù)：使用Unisense微型傳感器獲得的O2、H2S、pH和溫度的垂直分布及時(shí)序變化。

 

研究意義：這是論文最核心的發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示沉積物最表層的O2濃度和滲透深度（O2 penetration depth）在分鐘尺度上劇烈變化，受光照（微底棲生物光合作用）和潮汐（水體擾動(dòng)引起孔隙水平流）共同控制。H2S的出現(xiàn)深度和濃度與O2動(dòng)態(tài)緊密耦合，O2滲透深度增加時(shí)，H2S被壓制到更深處。這揭示了沉積物最活躍的氧化還原層對(duì)環(huán)境變化的極高敏感性和快速響應(yīng)能力。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

潮汐池是動(dòng)態(tài)的天然孵化器：其小體積特性放大了光照和溫度的變化，使其成為研究沉積物-水界面瞬態(tài)生物地球化學(xué)過(guò)程的理想場(chǎng)所。

O2動(dòng)態(tài)是核心驅(qū)動(dòng)力：微底棲生物的光合作用和水體擾動(dòng)引起的平流共同控制著沉積物表層的O2濃度和滲透深度，其變化發(fā)生在分鐘尺度。

氧化還原過(guò)程快速響應(yīng)：硫化物（H2S）和錳（Mn）等還原性物質(zhì)的分布和通量緊密跟隨O2動(dòng)態(tài)變化，表明沉積物中的氧化還原鏈反應(yīng)在小時(shí)尺度上即可發(fā)生顯著調(diào)整。

營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)的時(shí)間尺度差異：氮、磷的再生與有機(jī)質(zhì)礦化相關(guān)，其動(dòng)態(tài)未表現(xiàn)出與O2相同的快速晝夜節(jié)律，可能受更長(zhǎng)周期（如有機(jī)質(zhì)輸入）控制。硅的釋放主要受溫度驅(qū)動(dòng)的溶解作用影響。

 

海灣尺度的重要性：粗略估算表明，潮汐池對(duì)阿卡雄灣的營(yíng)養(yǎng)鹽（如PO43-、NH4+）輸入有顯著貢獻(xiàn)，在進(jìn)行海灣營(yíng)養(yǎng)鹽收支計(jì)算時(shí)不容忽視。

 

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

論文中使用丹麥Unisense公司的MP6微型剖面系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵的原位測(cè)量，其獲得的數(shù)據(jù)具有非常重要的研究意義。

測(cè)量數(shù)據(jù)：該系統(tǒng)提供了沉積物-水界面處溶解氧（O2）、硫化氫（H2S）、pH和溫度的高分辨率（毫米級(jí)）垂直剖面（圖4）和高頻率（每5秒）時(shí)序數(shù)據(jù)（圖5）。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

揭示了分鐘尺度的瞬態(tài)生物地球化學(xué)過(guò)程：傳統(tǒng)采樣方法（如采集孔隙水芯）無(wú)法捕捉到如此快速的變化。Unisense電極的實(shí)時(shí)原位測(cè)量顯示，沉積物表層的O2濃度可以在幾分鐘內(nèi)發(fā)生數(shù)十μM的波動(dòng)。這直接證明了潮間帶沉積物的生物地球化學(xué)狀態(tài)并非穩(wěn)態(tài)，而是高度動(dòng)態(tài)的，對(duì)潮汐（水動(dòng)力）和晝夜（光照）周期做出即時(shí)響應(yīng)。

闡明了O2動(dòng)態(tài)的雙重控制機(jī)制：

 

生物控制（光合作用）：數(shù)據(jù)顯示，在白天退潮池水隔離時(shí)，盡管上覆水很淺，沉積物表層的O2濃度可高達(dá)600 μM，遠(yuǎn)超過(guò)上覆水。這強(qiáng)有力地證明了微底棲生物的光合產(chǎn)氧是O2的主要來(lái)源，并且其活性在沉積物最表層極其旺盛。

 

物理控制（孔隙水平流）：數(shù)據(jù)清晰地顯示，在漲潮時(shí)，即使是在夜間（無(wú)光合作用），沉積物表層的O2濃度也會(huì)立即升高。這證明了水體加深和波動(dòng)引起的壓力變化，能將上覆的含氧水“推入”沉積物最表層數(shù)毫米，形成一種平流輸送。這種過(guò)程在傳統(tǒng)的擴(kuò)散模型中被忽略，但對(duì)氧化層的維持至關(guān)重要。

 

提供了氧化還原耦合的直接證據(jù)：O2和H2S的剖面同時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，H2S的出現(xiàn)深度（ZH2S）總是比O2的滲透深度（ZO2）深約9±4 mm。這個(gè)“氧化還原過(guò)渡區(qū)”的存在，以及H2S濃度和出現(xiàn)深度與O2動(dòng)態(tài)的同步變化（O2升高，H2S被壓制；O2降低，H2S上涌），直觀(guān)地展示了沉積物中氧化還原過(guò)程的緊密耦合。O2的動(dòng)態(tài)直接調(diào)控著下部還原性物質(zhì)（如H2S）向上遷移的“邊界”。

將沉積物過(guò)程與水體通量聯(lián)系起來(lái)：時(shí)序測(cè)量顯示，夜間沉積物表層O2耗盡的同時(shí)，水體中溶解錳（Mnd）濃度開(kāi)始顯著上升（圖3）。這建立了完整的因果鏈：夜間O2滲透深度變淺 -> 錳氧化物還原層更接近界面 -> 產(chǎn)生的溶解錳更容易擴(kuò)散至上覆水。Unisense的O2數(shù)據(jù)為解釋水體Mn通量的晝夜差異提供了沉積物內(nèi)部的機(jī)制證明。

 

驗(yàn)證了潮汐池作為“天然實(shí)驗(yàn)室”的價(jià)值：在開(kāi)闊的潮下帶環(huán)境中，很難將水動(dòng)力效應(yīng)（如平流）與生物效應(yīng)（如光合作用）分離開(kāi)來(lái)。而在潮汐池退潮隔離期間，水動(dòng)力近乎靜止，此時(shí)觀(guān)測(cè)到的O2升高純粹由光合作用引起。在漲潮時(shí)，則可以觀(guān)察到純粹的水動(dòng)力效應(yīng)。Unisense電極的高分辨率數(shù)據(jù)使得在這種“天然實(shí)驗(yàn)”中分離不同控制因子成為可能。

 

綜上所述，Unisense微型電極的應(yīng)用，使得研究者能夠“窺視”到沉積物-水界面這個(gè)“黑箱”內(nèi)部正在發(fā)生的、快速的、動(dòng)態(tài)的變化。它提供的數(shù)據(jù)不僅是描述性的，更是機(jī)制性的，將物理（潮汐、平流）、化學(xué)（氧化還原）和生物（微底棲生物）過(guò)程在毫米尺度和分鐘尺度上聯(lián)系起來(lái)，極大地深化了對(duì)潮間帶生態(tài)系統(tǒng)瞬時(shí)生物地球化學(xué)循環(huán)的理解。