综述：实验室条件下生物扰动研究实验设置的指导方针

《Marine Environmental Research》：Guidelines for experimental set-ups in bioturbation studies under laboratory conditions

生物扰动实验室研究标准化需求及实践建议。系统回顾518篇文献624个实验，揭示实验单位类型、描述清晰度和潜在伪影三大问题，提出微/ meso- cosm定义、实验操作清单及环境参数控制指南，强调实验设置需匹配研究目标并确保可重复性。

　　生物扰动（Bioturbation）在水生环境中扮演着关键角色，它直接影响生态系统的过程和功能。由于在自然环境中进行生物扰动研究往往面临诸多挑战，因此在实验室中进行的“体外”实验成为一种重要的补充手段。然而，尽管实验室研究提供了更可控的条件，不同研究者为了回答不同的科学问题，往往采用不同的实验设计和操作方法，导致实验结果难以比较，阻碍了该领域的科学进展。因此，制定统一的概念和实验操作指南，对于提升实验的可比性和可重复性至关重要。

本研究通过系统文献综述，从Scopus和Web of Science两个数据库中筛选出518篇相关文献，共计624项实验。这些文献和实验被分析为三个核心问题：[1] Why（研究动机）；[2] How（实验方法）；以及[3] What（实验效果与改进方向）。研究发现，当前实验设计在实验单元的类型和规模、实验描述的清晰度以及实验可能产生的偏差方面存在不匹配的问题。为了改善这些问题，研究提出了对“微宇宙”（≤20升）和“中宇宙”（>20升）的明确操作定义，并建议建立一套标准化的实验操作指南。这些指南包括一致地报告实验条件、使用符合自然环境的沉积物埋深、水和光照条件、动物密度等，同时还要考虑实验样本的处理和适应时间。避免、减少或识别实验设置中可能产生的偏差，有助于实现生物扰动实验的标准化。虽然没有一种实验方法适用于所有情况，但实验设计必须能够有效地测试研究目标和相关假设，并具备足够的细节和科学依据，以确保实验结果的可重复性和可比性。

生物扰动是指由底栖动物活动引起的沉积物的再分配过程。这一过程在水生环境中具有重要的生态意义，例如影响营养物质和气体在沉积物与水体之间的交换、改变沉积物的物理和化学特性、促进有机物的再分配和矿化、影响化学和有机污染物的迁移和积累、塑造底栖动物群落结构和多样性、影响微生物群落组成、以及影响植被的建立等。由于实验室环境与自然环境存在差异，生物扰动实验可能会对底栖动物的行为产生影响，甚至引发实验偏差。因此，实验设计需要尽可能模拟自然条件，以减少这些偏差的影响。

在实验室中，生物扰动研究通常采用微宇宙、中宇宙和宏宇宙三种实验方式。这些实验方式能够帮助研究人员在更可控的条件下测试不同变量，从而更深入地理解自然系统中发生的机制。然而，目前缺乏统一的术语和方法，导致实验结果难以比较和验证。因此，制定标准化的实验操作指南，对于提高实验的科学性和可靠性具有重要意义。本研究通过对现有文献的系统分析，提出了实验设计和操作方面的最佳实践建议，以期为未来的生物扰动研究提供参考。

为了实现这一目标，研究采用了一种系统性的文献综述方法，即使用PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-analyses）框架。PRISMA方法强调了研究过程的透明性和可重复性，因此在本研究中被调整以适应生物扰动实验的特定需求。具体而言，研究排除了与元分析和研究偏倚风险评估相关的部分，从而专注于实验设计和操作的分析。通过这种方法，研究人员能够全面评估当前生物扰动实验的现状，并提出改进的方向。

从文献分析来看，研究动机（Why）主要集中在生物扰动活动模式、无机和有机污染以及环境条件变化等方面。这些研究涵盖了从基础生态学到全球气候变化的广泛领域。然而，值得注意的是，目前并没有特定的实验设置能够直接回答这些主要研究问题。这表明，实验设计需要根据研究目标进行调整，以确保其科学性和有效性。因此，提出一套统一的实验操作指南，不仅有助于提升实验的可比性，还能够促进对生物扰动机制的深入理解。

实验方法（How）的多样性也是当前研究的一个显著特征。不同的实验设置和操作方式被用于模拟自然环境中的生物扰动过程。例如，一些实验采用了微宇宙方法，即在较小的容器中模拟自然沉积物环境，而另一些实验则使用中宇宙方法，以更大的规模进行研究。此外，还有实验涉及更复杂的生态系统模拟，如宏宇宙实验。然而，这些实验方法在实验单元的类型和规模、实验条件的控制以及实验变量的设置等方面存在不一致，导致实验结果难以直接比较。因此，标准化实验操作指南的制定显得尤为必要。

在实验操作方面，研究指出了一些常见的问题和改进方向。首先，实验单元的类型和规模需要根据研究目标进行明确界定。例如，微宇宙通常用于研究个体或小群体的生物扰动行为，而中宇宙则更适合研究更大规模的生态过程。其次，实验描述的清晰度至关重要。许多研究缺乏详细的实验条件说明，这不仅影响了实验的可重复性，也限制了研究结果的广泛适用性。因此，建议在实验报告中包含完整的实验条件描述，如实验环境的物理和化学参数、动物密度、实验时间等。

此外，实验设置中的潜在偏差也需要引起重视。例如，实验容器的侧壁效应可能会影响底栖动物的行为，从而导致实验结果的偏差。因此，在实验设计中应考虑如何减少这种效应，例如使用更接近自然环境的容器材料或形状。同时，实验规模的限制可能导致研究结果需要进行外推，因此在实验设计时应尽量选择合适的规模，以确保研究结果的准确性和可靠性。模拟自然环境中的潮汐和波浪驱动的水流也是一个重要的挑战，因为这些因素在实验室中难以完全再现。因此，建议在实验设计中采用更先进的水流模拟技术，以尽可能接近自然环境的条件。

实验中还应注意其他可能影响结果的因素，如光照条件、温度、pH值和盐度等。这些环境参数的变化可能会导致底栖动物产生非自然的行为，从而影响实验结果的准确性。因此，在实验设置中应尽量模拟自然环境的这些条件，以确保实验结果的可靠性。同时，实验中的食物供应、种间相互作用、物种密度和性别等因素也需要被考虑，因为这些因素可能会对生物扰动行为产生影响。

为了确保实验的可重复性和可比性，研究还提出了一套实验报告的检查清单。该清单包括实验条件、实验设置、实验变量、实验结果等关键信息。通过遵循这一检查清单，研究人员可以在实验报告中提供足够的细节，以帮助其他研究者理解和重复实验。此外，研究还建议在实验设计中采用最佳实践，例如在实验前对样本进行适当的适应，以确保其在实验环境中的行为与自然环境中的行为一致。

总的来说，本研究通过对现有文献的系统分析，揭示了当前生物扰动实验中存在的主要问题，并提出了改进的方向。尽管没有一种实验方法适用于所有情况，但通过制定统一的概念和实验操作指南，可以显著提高实验的科学性和可靠性。这不仅有助于提升生物扰动研究的可比性，还能够促进对生态系统过程和功能的深入理解，从而为全球生态挑战的解决和相关政策的制定提供科学依据。