贻贝水产养殖对底栖营养循环的情境依赖性影响

《Marine Environmental Research》：Context-dependent influence of mussel aquaculture on benthic nutrient cycling

氮循环与底栖生态功能 beneath 新西兰 mussel 农场的季节性变化及环境驱动因素分析。通过比较 two mussel 农场周边的沉积物氧消耗、营养释放及氮去除效率，发现 mussel 底部沉积物有机质富集显著增加 oxygen 消耗和 inorganic 营养释放，但氮去除率（denitrification）受环境条件（如 mussel 密度、沉积物特性）调控，呈现 context-dependent 特性。研究证实 mussel 农场 bottom biodiversity 增加，但 mussel 密度与 denitrification 效率呈负相关，未发现 mussel 底部对富营养化有显著调控作用。建议考虑 farm 位置、年龄及底质有机质积累对生态效应的影响。

　　这项研究探讨了贻贝养殖对沿海生态环境的影响，尤其是对底栖氮循环和生态系统功能的作用。贻贝养殖作为一种全球范围广泛开展的水产养殖形式，被认为是在可持续水产养殖中占据重要地位。尽管它能够提供诸如生物过滤和栖息地形成等有益的生态系统服务，但也可能对周边的沿海环境产生显著影响。研究的重点在于评估贻贝养殖对底栖氮循环的影响，特别是那些从养殖线掉落的底栖贻贝是否能够增强无机氮去除的生态系统服务。

研究团队在新西兰的两个贻贝养殖场及其周边区域进行了测量，评估了季节性（春季与秋季）变化以及环境驱动因素对底栖氮循环的影响，包括底栖贻贝的密度和生物量。研究结果表明，含有底栖贻贝的养殖区域的沉积物表现出更高的氧气消耗和营养物质释放速率，但氮去除速率则表现出较大的变异性，并且受环境条件的影响较大。此外，研究还提供了证据表明，贻贝养殖场可能提高底栖生物多样性，即宏体无脊椎动物的种类数量。

尽管研究发现底栖贻贝在一定程度上能够影响氮循环，但它们并不是氮去除的主要驱动因素，且贻贝数量与反硝化效率之间存在负相关关系。研究未发现底栖贻贝在该研究区域对富营养化控制有任何贡献。因此，研究建议在进行贝类养殖许可和环境监测时，应充分认识到正负生态效应的依赖性，并考虑养殖位置和年龄，以及时间推移过程中底栖沉积物上物质积累的影响。

贻贝养殖作为全球重要的水产养殖产业，被认为是一种提高世界粮食安全的手段，其产量占全球水产养殖的至少20%。贝类养殖的核心目的仍然是食物供给，但同时也能够提供其他生态系统服务，如水质过滤和栖息地形成。在海洋中养殖贝类被认为是可持续食品生产的一种形式，因为它不依赖人工投喂，而是依靠自然浮游植物的生产力。因此，贝类养殖被推广为一种减轻富营养化的方法，例如通过减少浮游植物生物量和提供水质过滤的生态系统服务。

然而，贝类养殖对海底可能产生的负面影响，如有机物过量富集和生物地球化学变化，可能会削弱甚至完全抵消这些益处。目前我们对贻贝养殖对底栖过程的影响及其如何受环境条件影响的理解仍然不够深入。特别是，从养殖结构上掉落的贻贝在海底的存在可能对生态系统功能产生重要影响，但这种影响的程度和方式仍需进一步研究。

长期线贻贝养殖对养殖区域及其周边的底栖环境产生显著变化。贻贝的生物沉积作用导致沉积物增加和有机物向海底的输送增加。随着时间推移，海底可能被贝壳材料（完整贝壳和碎片）以及细粒有机物丰富的沉积物所占据。贻贝养殖引起的沉积物有机物富集可能提高沉积物的氧气需求，并增加海底水体缺氧的可能性，这一效应在气候相关的海洋变暖背景下可能会更加严重。然而，养殖相关的沉积物有机物富集也可能提高沉积物去除氮的能力，因为一些沉积物相关的微生物介导过程如反硝化作用发生在缺氧条件下，并需要有机碳作为其反应的底物。

底栖过程的影响程度可能依赖于特定的环境条件，尤其是水动力学因素，这些因素影响水流和有机物富集的空间分布。从贻贝养殖线释放的物质已被证明会导致底栖-浮游耦合和底栖代谢的显著变化，包括氮的输送速率和氧气消耗的增加，这些变化可能在养殖建立后的1.5年内就发生。除了改变海底的物理和化学特性外，贻贝养殖还可能对底栖生物群落产生重要影响，进而影响局部的生物地球化学过程。此外，养殖区域的底栖代谢变化还可能增强温室气体的产生和排放。

贝类养殖对底栖生态系统功能的影响，尤其是氮循环，是一个复杂的过程，许多问题仍然存在。然而，为了做出有关氮预算、养殖实践以及养殖管理或生产区域选址的明智决策，必须取得进展。反硝化作用是沿海海洋生态系统中的一个关键过程，据报告，它在河口生态系统中能够去除高达50%的生物可利用氮。一些研究表明，贝类养殖结构下方的底栖反硝化速率可能有所提高，这将是贝类养殖提供的有益生态系统服务之一。然而，贝类养殖对海底的生物地球化学影响（无论是正面还是负面）都依赖于多种环境条件，并且难以进行一般性的概括。

目前，支持较高氮去除速率或控制其环境条件的实证研究仍然有限。反硝化作用和其他底栖氮转化过程在时间和空间上都表现出高度的变异性，并且受到本地因素的影响，包括沉积物颗粒大小、水体和沉积物孔隙水中的营养物质浓度、沉积物有机物的可利用性，以及控制沉积物氧气浓度的因素，特别是底栖宏体无脊椎动物群落。贝类养殖和自然贝类床的恢复可能被用作管理营养物质、减少环境退化和恢复生态系统服务的工具。在许多贝类养殖区域，底栖贝类曾经是生态系统的重要组成部分，包括在新西兰的泰姆斯湾地区。因此，可以认为贝类养殖正在替代这一已经消失的生态系统组成部分。

研究发现，新西兰恢复的软沉积物贝类床在某些地点显著改变了碳和氮的输送，包括提高了反硝化速率。由于贝类从养殖线掉落，海底往往存在活体贻贝。因此，贻贝养殖线在某些地区被成功安装和使用，以恢复软沉积物环境中的贝类床。与贝类养殖相关的底栖贻贝可能增强氮去除的生态系统服务，类似于恢复的贝类床，从而抵消养殖的一些负面影响。贻贝养殖已被证明能够增强氮循环，但其影响依赖于具体的环境条件。

关于底栖贻贝在贝类养殖结构下方的角色及其对生态系统功能的影响，目前的信息仍然不足，且尚未完成与自然或恢复的底栖贝类床的比较。在新西兰的沿海地区，贝类养殖是一项被广泛认可的大规模活动，而在泰姆斯湾，贝类养殖预计会对这一富营养化敏感系统产生影响。因此，本研究旨在评估和比较贻贝养殖在养殖线下方和相邻区域对氮去除（反硝化作用）的生态系统服务的影响。特别关注的是，活体底栖贻贝是否能够像恢复或历史（消失）的海底贝类床一样，在生态系统中发挥类似的作用。研究预期，底栖贻贝会对海底的氮循环产生影响，特别是更高的反硝化速率可能与更高的底栖贻贝密度相关。

为了评估这些影响，研究团队在两个季节（早秋和晚春）分别在新西兰东北部的科罗曼德尔半岛西侧的曼纳亚港的两个地点进行了数据收集。地点1位于曼纳亚港最外侧的贻贝养殖场，水深为10米；地点2位于最内侧的贻贝养殖场，水深为7米。研究涵盖了环境条件的梯度变化，包括水动力学因素对水流和有机物富集的空间分布的影响。通过分析这些数据，研究团队希望揭示贻贝养殖对底栖氮循环的具体影响，以及这些影响如何受到环境条件的制约。

研究结果显示，含有底栖贻贝的养殖区域的沉积物表现出更高的氧气消耗和营养物质释放速率，但氮去除速率则表现出较大的变异性，并且受环境条件的影响较大。此外，研究还提供了证据表明，贻贝养殖场可能提高底栖生物多样性，即宏体无脊椎动物的种类数量。然而，研究发现底栖贻贝并不是氮去除的主要驱动因素，且贻贝数量与反硝化效率之间存在负相关关系。因此，研究建议在进行贝类养殖许可和环境监测时，应充分认识到正负生态效应的依赖性，并考虑养殖位置和年龄，以及时间推移过程中底栖沉积物上物质积累的影响。

研究团队在数据收集过程中，特别关注了季节性变化对底栖环境的影响。早秋和晚春的采样时间分别是在2024年3月14-15日和2024年11月7-8日。地点1位于曼纳亚港最外侧的贻贝养殖场，水深为10米，而地点2位于最内侧的贻贝养殖场，水深为7米。这两个地点的环境条件存在一定的梯度变化，包括水动力学、沉积物类型和有机物含量等方面。通过比较这两个地点的数据，研究团队希望揭示贻贝养殖对底栖氮循环的具体影响。

在地点1的养殖区域下方，海底由一层厚达50厘米的贻贝壳碎片组成，伴有细粒沉积物，每平方米有5至10只活体贻贝。而地点1的养殖区域外侧，海底则由非常柔软的沉积物构成，伴有起伏的土丘和超过10厘米的细粒沉积层。地点2的养殖区域下方，海底由一层20厘米深的贻贝壳碎片层组成，伴有泥质沉积物。这些数据表明，不同环境条件下，贻贝养殖对底栖生态系统的结构和功能产生不同的影响。研究团队还发现，贻贝养殖可能改变沉积物的物理和化学特性，如沉积物颗粒大小、有机物含量和营养物质浓度等。

此外，研究还探讨了贻贝养殖对底栖生物群落的影响。在地点1的养殖区域下方，宏体无脊椎动物的密度和多样性较高，而在养殖区域外侧，宏体无脊椎动物的密度和多样性较低。这些变化可能与贻贝养殖引起的沉积物结构变化有关。研究团队还发现，贻贝养殖可能对局部的生物地球化学过程产生影响，包括反硝化作用和其他氮转化过程。这些过程的速率和效率受到多种环境因素的影响，如沉积物颗粒大小、营养物质浓度、有机物含量和氧气浓度等。

研究还发现，贻贝养殖可能对温室气体的产生和排放产生影响。在某些情况下，贻贝养殖可能增强温室气体的产生，这可能是由于底栖代谢的变化所导致的。因此，研究建议在进行贝类养殖管理时，应充分考虑其对温室气体排放的潜在影响。同时，研究团队还发现，贻贝养殖可能对底栖环境的稳定性产生影响，例如通过提供异质的栖息地和增加沉积物的稳定性，从而对生态系统功能产生正面影响。

总体而言，研究发现贻贝养殖对底栖氮循环的影响是复杂的，并且受多种环境因素的影响。因此，在进行贝类养殖管理时，应充分考虑其对环境的正负影响，并采取相应的措施以减少其可能的负面影响。研究团队还建议，未来的贝类养殖研究应更加关注底栖贻贝在不同环境条件下的作用，以及它们如何影响氮循环和生态系统功能。通过进一步的研究和监测，可以更好地评估贝类养殖对环境的影响，并为制定更加科学的养殖管理政策提供依据。

研究团队在进行数据收集和分析时，特别关注了贻贝养殖对底栖环境的具体影响。在曼纳亚港的两个地点，研究团队分别在早秋和晚春进行了采样。地点1的水深为10米，而地点2的水深为7米。这两个地点的环境条件存在一定的差异，包括水动力学、沉积物类型和有机物含量等方面。通过比较这两个地点的数据，研究团队希望揭示贻贝养殖对底栖氮循环的具体影响。

在地点1的养殖区域下方，海底由一层厚达50厘米的贻贝壳碎片组成，伴有细粒沉积物，每平方米有5至10只活体贻贝。而在养殖区域外侧，海底则由非常柔软的沉积物构成，伴有起伏的土丘和超过10厘米的细粒沉积层。地点2的养殖区域下方，海底由一层20厘米深的贻贝壳碎片层组成，伴有泥质沉积物。这些数据表明，不同环境条件下，贻贝养殖对底栖生态系统的结构和功能产生不同的影响。研究团队还发现，贻贝养殖可能改变沉积物的物理和化学特性，如沉积物颗粒大小、有机物含量和营养物质浓度等。

此外，研究还探讨了贻贝养殖对底栖生物群落的影响。在地点1的养殖区域下方，宏体无脊椎动物的密度和多样性较高，而在养殖区域外侧，宏体无脊椎动物的密度和多样性较低。这些变化可能与贻贝养殖引起的沉积物结构变化有关。研究团队还发现，贻贝养殖可能对局部的生物地球化学过程产生影响，包括反硝化作用和其他氮转化过程。这些过程的速率和效率受到多种环境因素的影响，如沉积物颗粒大小、营养物质浓度、有机物含量和氧气浓度等。

研究还发现，贻贝养殖可能对温室气体的产生和排放产生影响。在某些情况下，贻贝养殖可能增强温室气体的产生，这可能是由于底栖代谢的变化所导致的。因此，研究建议在进行贝类养殖管理时，应充分考虑其对环境的正负影响，并采取相应的措施以减少其可能的负面影响。研究团队还建议，未来的贝类养殖研究应更加关注底栖贻贝在不同环境条件下的作用，以及它们如何影响氮循环和生态系统功能。通过进一步的研究和监测，可以更好地评估贝类养殖对环境的影响，并为制定更加科学的养殖管理政策提供依据。

总体而言，研究发现贻贝养殖对底栖氮循环的影响是复杂的，并且受多种环境因素的影响。因此，在进行贝类养殖管理时，应充分考虑其对环境的正负影响，并采取相应的措施以减少其可能的负面影响。研究团队还建议，未来的贝类养殖研究应更加关注底栖贻贝在不同环境条件下的作用，以及它们如何影响氮循环和生态系统功能。通过进一步的研究和监测，可以更好地评估贝类养殖对环境的影响，并为制定更加科学的养殖管理政策提供依据。