近日，由新西蘭奧克蘭理工大學主導的科研團隊，借助丹麥KC-Denmark公司生產的多通道柱狀采泥器，在可控實驗條件下模擬中等沉積負荷，系統研究了開放海域網箱養殖有機顆粒物對黏性沉積物氧化狀態的影響，為深海養殖環境評估提供了關鍵科學依據。

研究背景

隨著水產養殖從近海向開闊海域發展，養殖產生的有機顆粒在水流作用下擴散范圍更廣、沉降濃度更低。以往研究多關注高濃度有機沉積導致的海洋底床缺氧問題，但對于中等濃度有機輸入如何影響海底沉積物的氧氣狀況，目前了解仍不充分。黏性沉積物是深海常見的底質類型，其氧氣交換主要依靠分子擴散，而生物擾動作用較弱。在這樣的環境下，中等程度的有機物質沉降是否會明顯改變沉積物的氧氣狀態，是否會促使微生物在表面形成生物膜，進而改變氧氣的傳輸方式，這些關鍵問題尚缺乏系統的模擬實驗和定量研究。

丹麥KC-Denmark公司生產的多通道柱狀采泥器，能夠在不擾動沉積物結構的前提下，一次性采集多個完整、原狀的沉積物柱狀樣品，為開展此類研究提供了可靠的技術手段。

研究過程

研究團隊在新西蘭豪拉基灣，利用多通道柱狀采泥器（圖1）采集了30根直徑為9 cm、長度為30 cm的原狀沉積柱樣。該設備獨特的閉合機構與緩沖設計，能夠最大限度的保留沉積物-水界面，不破壞表層生物膜與氧梯度，在不破壞沉積物結構的前提下同步獲取多個重復樣品，確保后續實驗具有良好的可比性與統計效力。

經適應期后，將樣品隨機分配至對照組、三個中等沉積負荷組及正對照組，連續7天注入魚類廢棄物模擬有機沉降。采用全柱密封培養法測定總氧氣吸收速率，結合氧氣微剖面技術與PROFILE模型計算擴散氧氣吸收速率，并通過圖像分析量化生物膜覆蓋率，揭示沉積物氧氣交換的空間異質性。

圖1 丹麥KC-Denmark公司生產的多通道柱狀采泥器；分別為4通道，6通道，8通道，12通道

研究結果

1. 生物膜形成與沉積負荷響應

當沉積負荷達到2.2 g C·m^-2·d^-1及以上時，沉積物表面出現白色硫氧化細菌生物膜（圖2），覆蓋率為3%至近100%，結構從薄層灰膜到致密纖維狀膜不等。致密膜表面氧氣飽和度低于25%，而薄層膜可達73%左右，氧氣在生物膜內穿透深度最淺僅為0.4 mm，顯示出生物膜對氧氣傳輸的顯著阻礙作用。

圖2 不同沉積負荷組（對照組、低、中、高沉積負荷組及正對照組）沉積物表面的照片，直觀呈現生物膜的形態、覆蓋率和結構差異

2. 氧氣交換機制轉變

在低沉積負荷（1.1 g C·m^-2·d^-1）條件下，擴散氧氣吸收速率與總氧氣吸收速率比值接近1（表1），表明擴散是主導的氧氣交換機制。而在生物膜形成的處理組中，該比值低至0.42，說明生物膜通過“通氣孔”等結構促進了非擴散性氧氣交換，顯著提升了總氧氣吸收速率，可高達對照組的6倍以上。

表1 各處理組總氧氣吸收速率（TOU）、擴散氧氣吸收速率（DOU）、DOU/TOU比值

3. 沉積物氧氣穿透深度變化

未覆蓋區沉積物的氧氣穿透深度隨沉積負荷增加從3.68 mm降至2.16 mm（圖3 B），而生物膜下方沉積物穿透深度最淺僅0.4 mm，相鄰未覆蓋區仍保持約2.5 mm，揭示了有機沉積影響的顯著空間異質性。

4. 有機碳積累與利用

表面沉積物有機碳含量隨沉積負荷增加顯著上升（圖3 A），但總氧氣吸收速率在中高沉積負荷間未呈現線性增長（圖3 C），提示沉積物微生物群落可能存在有機碳利用的“啟動效應”，即新鮮有機質的輸入促進了原有惰性有機碳的礦化。

圖3 （A）不同沉積負荷下表層沉積物有機碳含量的變化；（B）不同沉積負荷下氧氣穿透深度（OPD）的分布與變化趨勢；（C）不同沉積負荷下總氧氣吸收速率（TOU）的變化

研究結論

研究證實，中等有機沉積負荷下黏性沉積物氧化狀態呈斑塊式異質性：生物膜覆蓋區通過非擴散性交換顯著提升總氧氣吸收速率，加速有機碳氧化；未覆蓋區維持較好氧氣穿透能力。

KC-Denmark多通道柱狀采泥器在保持沉積物原狀結構前提下高效獲取高重復性樣品，為精準量化沉積物-水界面物質交換、評估養殖環境影響提供了可靠技術支撐。

參考文獻

1. Simone, M. N., Hibberd, A., Plew, D., & Vopel, K. (2025). Effects of organic particle deposition on porewater oxygenation and oxygen exchange in cohesive sediment. Aquaculture Environment Interactions, 17, 45–57.