新遗迹学实验揭示了海洋生物扰动者在应对逐渐升温与海洋热浪时的关键差异

《Marine Environmental Research》：Neoichnological experiments reveal key differences between marine bioturbator responses to gradual warming compared to marine heat waves

研究通过模拟海洋热浪（MHWs）和渐进式变暖，分析底栖动物（多毛纲和 amphipods）的 burrow 特征变化及其对沉积物地球化学循环的影响，发现不同变暖方式对物种行为存在显著差异，并提出了基于 trace化石重建过去变暖事件的方法。

　　本研究通过模拟海洋热浪（MHW）和逐渐升温两种不同的温度变化模式，探讨了浅海生态系统中底栖生物（如多毛类和端足类）的生物扰动行为及其对海底地质化学循环的影响。研究结果显示，不同温度变化模式对生物扰动行为和生物洞穴特征产生了显著不同的影响，这表明温度变化对底栖生物的影响具有物种特异性，并且与生态位和环境适应性密切相关。研究团队使用了康涅狄格海岸的常见底栖生物，进行了两个不同的实验设置：一个模拟逐渐升温，另一个模拟海洋热浪事件。通过这些实验，他们不仅分析了生物扰动行为的变化，还提出了新的标准，用于从遗迹化石中诊断升温的影响，从而为理解过去升温事件对海底生态系统的影响提供了新的视角。

生物扰动通常指底栖生物通过其活动对沉积物的物理和化学性质产生影响的过程，包括生物灌溉（通过洞穴通风过程影响孔隙水的流动）和生物混合（通过颗粒物的搬运改变沉积物的结构）。在海洋环境中，底栖生物作为生态系统工程师，其活动可以显著改变海底沉积物的性质，进而影响上方海水的生物地球化学循环，例如有机物的分解、营养物质的再生和沉积物的氧化状态。然而，这些生物及其行为同样受到环境因素的强烈影响，如温度、氧气、盐度和营养物质的可用性。因此，理解温度变化如何影响生物扰动行为，不仅对当前的海洋生态系统管理至关重要，也对解读地质历史中类似升温事件的遗迹化石具有重要意义。

随着全球变暖的加剧，海洋热浪事件正变得越来越频繁、严重和持久。这些短期的温度激增可能会对沿海生态系统造成重大影响，因为沿海地区通常是海洋生态和生物地球化学的热点区域，不仅支持关键的海洋经济活动，如渔业、水产养殖和旅游业，还面临其他环境压力，如缺氧和富营养化。然而，目前对这些环境压力如何与升温相互作用，以及它们如何影响整个生态系统的功能，仍缺乏深入理解。因此，研究温度变化模式对生物扰动行为的具体影响，有助于预测未来海洋生态系统的演变趋势。

在本研究中，实验设计采用了两种不同的升温模式：一种是逐渐升温，从20°C持续增加到30°C，每天升温2°C；另一种是模拟海洋热浪的突发升温，从20°C迅速升至30°C，持续6天，随后在3天内恢复至20°C。通过在定制的培养箱中进行实验，研究人员记录了生物扰动特征的变化，包括洞穴面积、最大洞穴深度、分支点数量以及混合层深度。这些数据为理解生物扰动行为与温度变化之间的关系提供了重要的实证依据。

研究发现，不同物种对升温模式的反应存在显著差异。对于属于Nereidinae亚科的多毛类，逐渐升温增加了其洞穴的水平面积和总面积，但对最大洞穴深度的影响不明显。而在模拟海洋热浪的实验中，Nereidinae的洞穴面积没有显著变化，但其最大洞穴深度略有下降。这表明，对于这些多毛类而言，逐渐升温更有利于其生物扰动行为的扩展，而海洋热浪则可能抑制其洞穴的深度发展。另一方面，属于Eunicida目（如Drilonereis和Lumbrineris）的多毛类在逐渐升温条件下，其最大洞穴深度增加，而在海洋热浪条件下，其洞穴面积显著减少。这说明，Eunicida类多毛类对温度变化更为敏感，特别是在面对快速升温时，其生物扰动活动会受到明显抑制。

此外，端足类（如Grandidierella japonica和Gammarus mucronatus）在模拟海洋热浪的实验中表现出不同的行为模式。在高温条件下，它们的洞穴面积和最大洞穴深度均有所增加，这可能反映了它们对高温的适应性策略。值得注意的是，在实验过程中，研究人员还观察到幼年端足类的出现，这些幼体的洞穴结构与成年个体相似，但直径较小，表明温度变化可能影响了它们的生长和活动模式。尽管这些幼体的洞穴面积与温度变化没有显著相关性，但它们的持续生物扰动活动可能在未来的升温环境中起到关键作用。

研究还发现，混合层深度（即沉积物中生物混合活动的深度）在两种升温模式下均有所增加，但在海洋热浪实验中，混合层深度的变化与温度波动之间存在负相关。这表明，当温度变化剧烈时，生物混合活动可能受到抑制，而当温度变化较为平缓时，生物混合活动则会随着温度的升高而增强。此外，混合层深度的增加还可能与生物扰动行为的强度和频率有关，这为理解沉积物混合过程与温度变化之间的关系提供了新的视角。

通过这些实验，研究人员不仅揭示了不同升温模式对生物扰动行为的具体影响，还提出了利用生物扰动特征来解读地质记录中升温事件的新方法。例如，Nereidinae的洞穴面积增加可能与逐渐升温相关，而Eunicida的洞穴面积减少则可能与海洋热浪相关。这些特征可以作为诊断生物扰动活动变化的指标，从而帮助科学家更好地理解过去升温事件对海底生态系统的影响。

本研究的结果强调了生物扰动行为对温度变化的高度敏感性，以及不同升温模式对不同物种的影响差异。对于逐渐升温，某些物种（如Nereidinae）可能表现出更强的适应能力，而对突发升温（如海洋热浪）则可能表现出更强的应激反应。这些发现不仅有助于预测未来升温对沿海生态系统的潜在影响，也为理解地质历史中类似的升温事件提供了重要的实证依据。通过对比现代实验数据与化石记录中的生物扰动特征，研究人员可以更准确地重建过去的生态系统变化，从而为气候变化研究提供新的工具和方法。

综上所述，本研究通过实验证据揭示了温度变化模式对生物扰动行为的影响，特别是在模拟海洋热浪和逐渐升温的条件下。这些发现不仅加深了我们对现代海洋生态系统中生物扰动机制的理解，也为解读地质记录中的生物扰动特征提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨不同升温模式对底栖生物生态功能的长期影响，以及这些影响如何在不同的环境背景下发生变化。此外，随着对生物扰动行为与环境因素之间关系的深入研究，科学家可以更好地预测未来气候变化对海洋生态系统的影响，并为生态保护和管理提供科学依据。