水生涡动系统量化布雷斯特湾沿海生物群落的底栖代谢

研究简介:沿海软底基质代表生物地球化学循环的活性位点，其中底栖微生物和动物群落深刻影响沉积有机物的命运。沉积物耗氧量，通过总耗氧量的测量来评估穿过沉积物-水界面的流入量，提供了总碳周转率的总体估计。在渗透性沉积物中，物理过程（例如由水流和波浪作用驱动的平流孔隙水输送）强烈影响底栖生物氧气交换。涡流协方差测量可以考虑生物扰动活动和大型移动底栖动物群的呼吸，并总体上整合了复杂的沿海底栖系统的强烈空间异质性。迄今为止，这种新的替代技术已用于评估各种水生软底栖息地的底栖代谢，即来自湖泊的底栖代谢、沙底河流和海洋沉积物、植被和浅沙海沉积物等。EC 技术的使用特别适合硬底基质，例如珊瑚礁、Maerl 床、大型藻礁和贻贝礁和岩石海湾。

Unisense涡动系统的应用

涡动系统（Unisense A/S）的不同组件安装在定制的不锈钢三脚架上，该框架专门设计用于尽可能避免传感器周围的水动力扰动，但能够承受自然水动力在海湾。电流速度由声多普勒测速仪（带有固定探头的 ADV，Nortek 矢量）在位于三个传感器底座下方 157 mm 的圆柱形测量体积（14 mm 高和 14 mm 直径）中测量。氧气浓度通过 Unisense 的 Clark 型微电极（尖端直径小于25um）测量。使用的微电极传感器 90% 的响应时间低于 0.3 秒，搅拌灵敏度接近 2%。Unisense涡动系统控制器单元记录原位涡流放大器和 Nortek 矢量生成的信号。EC 控制器单元允许部署编程、存储（8 GB 数据容量）、电源（内部锂离子电池，25°C 下可自主运行约 34 小时）和其他单元接口连接。水流速度和浓度测量在基材表面上方 40 cm 处以连续模式、64 Hz 进行。

实验结果：本研究对海底生物进行了测量通过水生 EC 和 BC 技术在对比沿海生境中进行交换：布雷斯特湾（法***）的非粘性 Maerl 基质与粘性裸露泥质沉积物。使用这两种技术，并根据具体的冬季测量，发现了相反的生态功能，因为马尔河床群落和泥质沉积物普遍释放和消耗。本研究强调通量变化及其控制因素可以通过 EC 技术在可比较的空间和时间尺度上捕获。它显示了 EC 技术在底栖生物中的真正潜力。在大空间和时间尺度的真实原位条件下进行通量评估。然而由于通量控制因素及其相互作用的复杂性，对通量动力学的了解仍然有限。为了进***步理解控制底栖生物的因素，显然有必要采取多学科方法方法（同时部署 EC 和 BC）。这些方法将有助于在更大范围内了解沿海沉积区的生态和生物地球化学功能，这些沉积区是特别复杂且高度异质性的系统。

图1 、水生涡动(EC)系统的组成图像。(A) 框架承载的 EC 系统和相关传感器：(1) EC 系统控制器单元。(B) 主要 EC 传感器；(2) 声学多普勒测速仪 ADV 和 (3) 氧气和带有原位涡流放大器的微电极（克拉克型）。ADV传感器（黑环代表水流 x方向）。其他相关传感器是 (4)光极直接连接到 EC 系统控制器单元，(5)光极自主部署，(6) STPS 传感器用于温度、盐度和压力测量，(7) SPAR 传感器用于光合有效辐射 PAR 测量。

图2、水生涡流协方差Maerl 海床站的通量和相关环境参数（2013 年 2 月 20 日，11:30 至 17:30）。突发 1 (11:37:30) 的平均 EC 数据对应于 11:30:00 和 11:45:00 之间 15 分钟内平均的 EC 原始数据（64 Hz）。(A) 光合有效辐射（PAR，mol m ?2 s ?1 ) 和水位高度 (H, 米), (B) 水温 (T,C) 和盐度，(C) 平均水流速度 (cm s -1 )，(D)氧气浓度 （mol L -1 ) 通过微电极和SDOT光极测量以及 (E) 沉积物/水通过EC测量的通量(EC FO 2 , mmol m -2 d -1 )。添加了通过BC测量的平均FO 2 (BC FO 2 , mmol m -2 d -1 )。正负 FO 2值代表生产（从 Maerl 海床到水）和分别吸收（通过 Maerl 床）。

图3、水生涡流协方差。裸露泥泞站的通量和相关环境参数(2013 年 2 月 21 日，11:30 至 18:30)。PAR 值在整个部署期间都很低，从17umol m ?2 s ?1在部署开始时 (11:30) 至之后2umol m ?2 s ?1 (图3A )。水温和盐度稳定，平均值为 9.6±0.1℃和33.5±0.1℃（N=28）。EC 微电极和 SDOT 光极记录的氧气浓度显示出从 239 到265umol L?1和平均值 248 ± 5umol L?1 。

图4、水生涡流协方差和底栖室Maerl 床 (A) 和裸泥质沉积物 (B) 站的通量比较。EC通量（标准偏差）在每个相应的 BC 孵育小时内进行平均，以便进行比较；用于计算的 EC 值数量在 Maerl 床处分别为 0、4 和 4，在裸露泥质沉积物站处分别为 2、3 和 3。

图5、 底栖生物通过 EC 测量的 Maerl 床站通量，绘制为光合有效辐射 (PAR) 和水高 (H) 的函数。A) FO2 0.6 ± 0.1PAR – 13.2 ± 6.5 (R.76, p0.0001，n17）。(二) FO254.1 ± 8.1H – 291.4 ± 47.4（R.75, p0.0001，n17）。

总结：在大空间和时间尺度上确定其真实的原位动力学的复杂性，对沿海沉积区域的底栖代谢的理解仍然有限。因此需要采取多学科方法来增强我们对控制底栖过程和通量的因素的理解。2013 年冬季，在布雷斯特湾的 Maerl 河床和裸露的泥滩内同时部署了水生涡流协方差 (EC) 系统和底栖室 (BC)，以进行量化和比较沉积物-水界面处的氧交换。另外监测环境非生物参数（即光、温度、盐度、流速和水深），以更好地了解驱动底栖动物的机制交换。在这两个地点，EC 测量显示底栖生物的短期变化（即 15 分钟）根据环境条件的通量。涡度协方差和底栖室测量显示相似的时间模式两个地点的通量发生变化。然而在马尔站，BC 可能低估了群落呼吸作用。这可能是由于 EC 足迹相对较大（与 BC 相比），考虑到了中尺度空间异质性（例如可能包括裸露沉积物斑块的贡献）。假设与 EC 相比，BC 并未完全捕获大型移动底栖动物群引起的生物扰动对沉积物耗氧量的影响。本研究的结果强调了考虑沉积物空间宏观异质性和环境参数短期变化的具体方法限制的重要性，以准确评估底栖生物沿海地区各种底栖生态系统的交换。

(文章来源于仪器网)