研究简介:本研究探讨了黄海永三河口大型人工堤防对沉积物地球化学、硫酸盐还原率（SRRs）、沉积物耗氧需求（SOD）以及底栖营养物通量（BNF）对初级生产潜在贡献的环境影响。文章指出，在21世纪，随着人口增长和工农业活动增加，全球河流系统建造了大量水坝和堤坝以解决水资源短缺问题。然而这些结构在大潮差河口环境中可能引发与沿海生态系统中生物地球化学和生态过程相关的严重问题。例如堤坝附近的水流速度降低，导致有机质丰富的细颗粒大量沉积，改变了水柱和沉积物的物理化学性质。此外，淡水排放物中可能含有大量的颗粒和溶解有机物及无机营养物质，可能引发富营养化和浮游植物大量繁殖，最终改变沿海生态系统中的营养结构和生物地球化学过程。本研究的主要目标是阐明人工堤坝对沉积物地球化学、沉积物耗氧需求和通过硫酸盐还原的厌氧有机碳氧化的影响，以及评估底栖营养物通量通过底-远洋耦合在大潮差荣山江河口水柱初级生产中的潜力。


Unisense微电极系统的应用


使用孵化室分别采集未受扰动的沉积物样品，以测量沉积物氧需求（SOD）和底栖营养盐通量（BNF）。取回后立即将孵化室运送到实验室，并在采样后6小时内在原位温度和小心密封以排除气泡的情况下开始孵化。上覆水通过齿轮泵连续均质化。DO浓度随时间的下降在8小时内通过插入核心顶部的小口中的Clark型氧微传感器（Unisense，OX-50）测量。使用底水已知氧浓度的信号与沉积物厌氧区的零氧线性关系对氧微传感器进行校准。在孵化期间，每0.5-1小时手动记录DO浓度的变化。


实验结果


黄海永三河口的大型人工堤防对沉积物地球化学、硫酸盐还原率（SRRs）、沉积物耗氧需求（SOD）以及底栖营养物通量（BNF）产生了显著影响。研究发现，堤坝附近的沉积物具有高有机碳含量，导致极高的SOD和SRRs，其中硫酸盐还原占有机碳氧化的73%，显著增加了孔隙水中的NH4+、PO43-和HS-浓度。此外堤坝附近的BNF对水柱初级生产所需的N和P贡献高达200%，表明人工堤坝的建设可能对沿海生态系统的生物地球化学和生态过程产生深远影响。

图1、荣山江河口的采样站点及各站点沉积物颜色的图片

图2、孔隙水中NH4+、NOx、PO43-、HS-和SO42-的垂直分布以及沉积物中的硫酸盐还原速率（SRR）

图3、2011年YE1和YE3底栖室内氧气和营养物质浓度随时间的变化

图4、在各种海洋环境中测量的颗粒有机碳（POC）与沉积物氧需求（SOD）之间的关系

图5、初级生产（PP）的营养需求、底栖营养物质通量（BNF）及其对富含有机质的沿海沉积物中PP的贡献。


结论与展望


本研究聚焦于黄海荣山江河口，旨在探究大型人工堤坝对沉积物地球化学特性、硫酸盐还原率（SRRs）、沉积物耗氧需求（SOD）以及底栖营养物通量（BNF）对初级生产力的潜在影响。研究发现，堤坝附近的沉积物（YE1）有机碳含量超过4%（干重），并表现出极高的SOD（327 mmol/m²/d）和SRRs（91-140 mmol/m²/d）。硫酸盐还原在有机碳氧化中占比高达73%，导致孔隙水中的NH4+、PO43-和HS-浓度显著升高。YE1站的BNF对水柱初级生产所需的氮（N）和磷（P）贡献超过200%。这些发现揭示了人工堤坝建设可能对沿海生态系统的生物地球化学循环和生态过程产生显著的长期影响。研究结果强调，人工堤坝的建设可能会深刻改变沿海生态系统的生物地球化学和生态过程，尤其是在堤坝附近，高BNF可能通过底-远洋耦合机制影响水柱的初级生产。


Unisense微电极系统为沉积物-水界面的化学特性提供了详尽的数据，帮助评估人工堤坝对沉积物地球化学及生物地球化学循环的影响，从而更深入地理解人工堤坝对沿海生态系统的潜在影响。这些发现突出了人工堤坝在改变沉积物特性和加强底-远洋耦合中的潜在作用，可能对水柱中的初级生产力和营养循环产生影响。因此本研究凸显了在河口生态系统管理中考虑人工堤坝影响的必要性，并为水资源管理和生态保护提供了科学依据。