Ocean deoxygenation caused non-linear responses in the structure and functioning of benthic ecosystems  

海洋脱氧引起底栖生态系统结构和功能的非线性响应  

来源：Global Change Biology WILEY  

《全球变化生物学》（威利出版社）

 

摘要内容：  

摘要指出全球海洋氧气含量因人类活动和气候变暖持续下降，但长期脱氧对底栖生物群落、沉积物生物地球化学及其相互反馈的影响尚不明确。研究以加拿大圣劳伦斯湾和河口（EGSL）的底部溶解氧梯度为对象，发现当氧气浓度低于约63μM时，大型底栖动物群落组成和生物扰动率（如生物扩散系数和生物灌溉系数）呈现非线性下降，导致沉积物中有机质代谢的电子受体序列向表层压缩，还原化合物积累于更接近沉积物-水界面处（0.5-2.5 cm）。这表明底栖生物通过生物扰动缓冲低氧对生物地球化学的影响，但低于阈值时功能丧失，为预测未来海洋脱氧的影响提供依据。

 

研究目的：  

探究长期脱氧对底栖生物群落结构、生物扰动活动和沉积物生物地球化学功能的影响，识别关键氧气阈值，阐明脱氧对生态系统功能的非线性响应机制。

 

研究思路：  

利用EGSL底部水体天然存在的持久性氧气浓度梯度（从相对富氧的湾部到严重缺氧的河口头部），采用“空间换时间”范式，沿梯度采集沉积物和底栖生物样本，结合现场观测与实验室分析，测量沉积物氧动力学、孔隙水化学、生物扰动参数及底栖群落结构，揭示氧气浓度变化对生态系统结构和功能的影响。

 

测量的数据及意义（数据来源）：  

溶解氧浓度与氧渗透深度（OPD）  

 

使用丹麦Unisense微电极测量沉积物中的氧微剖面，计算扩散氧通量（DOU）和OPD。  

 

数据来源：图3b（DOU）、图3c（OPD）、图3e-f（氧气浓度与DOU/OPD关系）。  

 

 

 

意义：揭示氧气可用性对沉积物氧化还原过程的影响，OPD缩短表明低氧条件下氧化层压缩，促进还原反应。

孔隙水营养盐（NOx、NH4+、SRP）  

 

通过孔隙水采样和分光光度法分析。  

 

数据来源：图3d（NOx、NH4+、SRP剖面）。  

 

意义：显示脱氧导致氮循环受限（硝酸盐峰值降低）和磷释放增强（孔隙水SRP积累），可能加剧富营养化。

底栖生物群落结构  

 

采集底栖生物样本，统计密度、分类单元数和功能丰富度（FRic）。  

 

数据来源：表1（群落参数）、图4（群落聚类与功能性状）。  

 

 

 

意义：揭示低氧导致物种多样性下降，功能群从滤食者/生物扰动者向耐受型转变，阈值约63μM。

生物扰动参数  

 

使用发光颗粒示踪法测生物扩散系数（Db）和最大渗透深度（MPD），溴离子示踪法测非局部生物灌溉系数（α）。  

 

数据来源：图5a-g（Db、MPD、α与氧气浓度关系）。  

 

 

意义：Db和α在氧气低于80μM时骤降，表明生物混合与灌溉能力非线性丧失，影响沉积物氧化还原屏障。

总氧摄取量（TOU）  

 

通过密闭培养法测定沉积物-水界面氧消耗。  

 

数据来源：图6（TOU与DOU对比）。  

 

 

 

意义：TOU随氧气降低而减少，缺氧区DOU占比升高（40%-100%），反映底栖生物呼吸和灌溉贡献减弱。

 

结论：  

氧气阈值（约63μM）以下，底栖群落组成和生物扰动功能发生非线性转变。  

 

生物扰动活动在高于阈值时可缓冲脱氧影响，维持沉积物氧化还原平衡；低于阈值时功能崩溃，导致还原化合物（如NH4+、Fe²⁺）上涌风险增加。  

 

底栖生物通过降低代谢率适应慢性低氧，但生态功能（如碳矿化、营养盐循环）显著受损。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义：  

Unisense微电极的高空间分辨率（100 μm步长）能够精确测定沉积物表层毫米级的氧梯度，揭示低氧导致氧化层压缩至<1 mm（图3c），直接影响有机质降解路径（从有氧转向厌氧）。DOU的计算（图3b）表明，缺氧区沉积物氧需求主要来自还原化合物的氧化（如Fe²⁺、S²⁻），而非直接有机质矿化。这种高精度数据验证了沉积物氧化还原模型的假设（如铁-硫循环耦合），并为阈值识别（63μM）提供了关键证据。