动态底栖氧通量缓解开放大陆架缺氧效应的机制研究

这篇综述通过评估俄勒冈-华盛顿大陆架中部的底栖大型动物群落、原位涡度协方差测量和离体沉积物培养，揭示了物理动态环境（如湍流和平流增强的氧通量）如何通过内部波和波浪-海流边界层等机制缓解低氧（DO≤62.5 μmol L?1）对底栖生物的压力。研究发现，尽管底层水溶解氧（DO）浓度低至17-75 μmol L?1，底栖群落仍保持11-28种/0.1 m2的丰富度，且氧通量（-3.5至-23 mmol m?2 d?1）显著高于静态培养结果，凸显物理过程在维持底栖生态系统中的关键作用。

　　

Abstract

研究基于“物理动态环境中的生物更耐受低氧”假说，通过夏季俄勒冈-华盛顿大陆架5个站点的底栖大型动物群落、涡度协方差测量和沉积物培养，发现尽管底层水溶解氧（DO）低至17-75 μmol L^?1，底栖无脊椎动物仍维持11-28种/0.1 m²的丰富度，且物种丰度与流速变化正相关。涡度协方差数据显示，内部波周期性到达增强氧通量，每日平均沉积物氧消耗达-3.5至-23 mmol m^?2 d^?1，是静态培养的2-5倍。流速剖面表明波浪-海流边界层受海洋涌浪调制，证实自然物理过程可缓解低氧胁迫。

材料与方法

底栖特征与采样

研究区域沉积物以细砂为主，夏季生物扰动显著。通过0.1 m²箱式取样和视频摄像记录，量化了11-28种/0.1 m²的底栖群落，包括关键物种如穴居虾（Neotrypaea gigas）和多毛类（如Spiophanes norrisi）。

涡度协方差测量

使用Nortek Vector声学多普勒流速仪（ADV）和Pyroscience光纤氧传感器（OXB430）在30 cm高度测量流速与DO，数据以15分钟为间隔处理，通过协方差计算氧通量。摩擦速度（u_*）和湍流耗散率（ε）等参数用于分析流动影响。

流速剖面

Nortek Aquadopp HR剖面仪测量0.3-2.5 m高度流速，结合对数律模型评估粗糙度长度（z_o），显示波浪主导的近底流动特征。

结果

底栖群落

尽管DO处于低氧阈值（≤62.5 μmol L^?1），底栖群落仍保持高多样性，如NKW1站点观测到25.57只/0.1 m²的螺类Kurtiella tumida。穴居虾N. gigas的密度达150 m^?2，其灌溉行为显著影响沉积物氧动态。

氧通量动态

涡度协方差显示，内部波事件伴随DO突增（如NKW1站点DO从63升至85 μmol L^?1），氧通量与湍流强度（如u_*和ε）显著相关（r=0.73-0.83）。NEH2站点因高流速（平均13.2 mmol m^?2 d^?1）表现出最强氧消耗。

流速剖面

对数律拟合显示粗糙度长度z_o为0.1-2.0 cm，与生物扰动形成的微地形一致。NEH1站点的波浪高度（H_s=1.1 m）和摩擦速度（0.57 cm s^?1）最高，反映强动力环境。

讨论

研究强调物理动态（如湍流、内部波）通过增强氧通量和沉积物渗透性，维持了开放大陆架底栖群落的缺氧耐受性。与封闭海盆（如Saanich Inlet）相比，动态环境下的氧通量（-23 mmol m^?2 d^?1）显著更高，且核心培养低估真实通量2-5倍。生物扰动（如N. gigas）和流动驱动的颗粒输运进一步调控氧利用效率。未来研究需关注氧供给动态而非单纯DO浓度，以更准确预测低氧对海岸带生态的影响。

作者贡献

Clare Reimers主导数据分析和论文撰写，Sarah Henkel负责底栖群落分析，团队共同完成野外工作。研究获美国国家科学基金会（NSF OCE-2126112）支持。