东南极维斯菲尔德山海洋软沉积物中生物多样性与群落结构的环境驱动因素研究

本研究针对南极沿海软沉积物生态系统环境驱动因素认知不足的问题，系统分析了东南极维斯菲尔德山47个点位（2010–2021年）的宏底栖生物群落。通过结合历史数据（1978–1982年），研究人员发现沉积物粒度是影响群落结构和生物多样性的主要因素，其中甲壳动物（如端足类、介形虫和原足类）在各点位均占主导地位。研究揭示了沉积物类型（泥、极细砂、细砂和中粗砂）与有机质含量（1%–15%）、海冰持续时间等因素对生物分布的复合影响，并识别出两个具有高生物多样性和生态系统工程师（如海鳃和海鞘）的特殊区域。该成果为南极海洋保护区的划定提供了科学依据，对预测气候变化下的极地海岸生态系统演变具有重要意义。

　　

南极洲的海洋软沉积物覆盖了地球表面的55%–65%，是全球最大的栖息地之一，这些沉积物中的宏底栖动物群落通过生物扰动、营养循环和碳封存等过程维持着生态系统的功能。然而，相对于其他地区，人们对南极软沉积物群落的组成、结构及其驱动机制的了解仍较为有限。南极海岸生态系统位于海洋和冰盖变化的交汇处，对气候变化极为敏感，但由于缺乏数据，预测气候变化对其影响的努力仍面临高度不确定性。此外，南极沿海栖息地表现出高度的生境异质性，沉积物类型从泥到粗砂不等，有机质含量变化显著，再加上海冰动力学等极地特有因素，使得理解这些系统的复杂性成为一项紧迫的科学挑战。

针对这些知识空白，Jonathan S. Stark等人领导的研究团队在《Antarctic Science》上发表了一项综合研究，他们整合了历史数据（1978–1982年）和近期调查（2010–2021年），对东南极维斯菲尔德山附近47个地点的海洋软沉积物宏底栖生物群落进行了深入分析。研究旨在测试环境变量（如沉积物粒度、有机质含量、海冰持续时间和深度）如何影响生物多样性、群落结构和空间变异，并评估与历史数据的比较以探测时间变化。

研究人员采用多种技术方法开展研究。基于多年度野外采样（2010年、2019–2021年），通过潜水员采集沉积物岩芯和箱式采样器获取样品，采样面积达2.91 m2。宏底栖动物（>1 mm）使用0.5 mm筛网进行分离，并保存于7%福尔马林中。环境变量分析包括沉积物粒度（采用激光衍射法）、总有机质（TOM，通过灼烧损失法测定）和元素浓度（使用1 M HCl提取并结合ICP-MS分析）。海冰持续时间根据海底光数据分为三类：暴露（开放水域≥2个月）、中等（1-2个月）和受保护（≤4周）。数据分析涉及多样性指数（α、β、γ多样性）、多元统计（包括非度量多维标度nMDS、主坐标分析PCO）、基于距离的线性模型（DISTLM）和相似性百分比分析（SIMPER），使用PRIMER v7.0.23与PERMANOVA+扩展完成。

沉积物特性

研究发现维斯菲尔德山附近的海洋沉积物粒度范围从粉砂质泥到中粗砂，有机质含量在<1%至15%之间变化。通过聚类分析，沉积物被分为四组：泥（<63 μm）、极细砂（63–125 μm）、细砂（125–250 μm）和中粗砂（250 μm–1 mm）。沉积物粒度分布表现出高度的空间变异，其中泥和极细砂组具有较高的有机碳含量（与<63 μm比例呈正相关，R=0.88），而中粗砂组的有机质含量较低。元素分析显示，磷（P）和氮（N）的浓度在不同地点间差异显著，某些靠近戴维斯站废水排放口的地点表现出铜、铅、砷、锌和锡等元素的富集。

沉积物宏底栖动物群落

多样性和丰度

研究共鉴定出147个宏底栖动物分类单元，包括节肢动物（66个 taxa）、环节动物（44个，主要为多毛类）、软体动物（19个）和棘皮动物（10个）等。多样性分析表明，泥沉积组具有最高的平均α多样性（每样本物种数）和γ多样性（总物种数），而中粗砂组的多样性最低。宏底栖动物丰度在泥和极细砂中最高（例如地点9的丰度为65,721 individuals m^–2），在中粗砂中显著下降（如地点13B的丰度为2,497 individuals m^–2）。β多样性（Whittaker's β_W和多元离散度）在泥组中最高，表明这些地点具有更高的群落变异性和物种周转。

粒度对多样性的影响

沉积物粒度对群落结构和丰度有显著影响。甲壳动物（尤其是端足类、介形虫和原足类）在所有地点均占主导地位，其丰度在细粒沉积物中较高。例如，端足类Orchomenella franklini和Heterophoxus videns在泥和极细砂中丰度最高，而介形虫Scleroconcha gallordoi则在较粗沉积物中更丰富。多毛类在泥沉积中较为常见，但某些地点完全缺失。研究还发现，拥有大型固着表栖动物（如海鞘和海鳃）的地点（如地点15C和9）表现出更高的生物多样性，这些生物可能作为生态系统工程师增强栖息地复杂性。

群落模式

多元分析（nMDS、PCO和CAP）显示，沉积物粒度组间的群落结构存在显著差异，但组内（尤其是泥和极细砂组）也存在较大变异。基于距离的线性建模（DISTLM）表明，环境变量（如<63 μm比例、深度、海冰和>1 mm比例）共同解释了群落变异的31%，其余变异可能由随机过程（如生态漂变和历史偶然事件）驱动。空间尺度分析表明，地点间差异解释了57%的群落变异，而地点内（样方间）变异仅占12%。

历史比较

与历史数据（1977年和1982年）的比较显示，早期调查记录了额外的50个物种（如端足类、等足类和腹足类），这些物种在近期调查中未被发现。这种差异可能源于采样方法的差异（早期仅记录存在与否）、时间变异或局部灭绝事件，突显了长期监测的必要性。

讨论与结论

本研究揭示了维斯菲尔德山海岸海洋软沉积物宏底栖群落的高度多样性和空间异质性，沉积物粒度是主要的环境驱动因素，但海冰持续时间、深度和元素浓度也扮演重要角色。研究发现，泥沉积物支持最高的生物多样性和丰度，这与高有机质含量和食物供应相关。甲壳动物（特别是端足类）在群落中占主导地位，其中O. franklini表现出广泛的生态可塑性，使其能够适应多种环境条件。

研究还强调了生态系统工程师（如海鞘和海鳃）在促进生物多样性方面的潜在作用，地点15C和9的高多样性与这些大型固着生物的存在相关。这些发现对南极海洋保护具有直接意义，建议将这些区域纳入保护区网络以维护其生态功能。

与其他南极站点（如Casey站和Rothera站）相比，维斯菲尔德山表现出更高的物种丰富度，这可能与该地区较高的初级生产力和有机质输入有关。然而，研究也指出，跨研究比较需谨慎，因采样方法（如筛网尺寸）和时空变异可能影响结果。

尽管环境变量解释了部分群落变异，但大部分变异（约69%）仍未被量化，这可能源于未测量的因素（如水文动力学和干扰 regime）或随机过程。这与南极半岛的研究一致，表明随机性在极地软沉积物群落组装中可能起主导作用。

最后，作者呼吁加强南极沿海生态系统的生物多样性研究，特别是应用现代技术（如DNA条形码和环境DNA）以弥补形态学鉴定的局限。这项研究不仅提供了宝贵的基线数据，还为预测气候变化下南极海岸生态系统的响应提供了框架，支持了南极条约环境保护议定书的管理目标。