Influence of settling organic matter quantity and quality on benthic nitrogen cycling  

沉降有機(jī)物數(shù)量和質(zhì)量對(duì)底棲氮循環(huán)的影響  

來源：Limnol. Oceanogr. 66, 2021, 1882–1895

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)》第66卷，2021年，第1882至1895頁

 

摘要內(nèi)容

 

摘要探討了沉降有機(jī)物（OM）的數(shù)量和質(zhì)量如何調(diào)控底棲氮循環(huán)。通過模擬波羅的海沉積物中春季（C:N 10.9）和夏季（C:N 5.6）浮游生物群落的沉降，研究發(fā)現(xiàn)：  

1. OM質(zhì)量（C:N比）主導(dǎo)氮的命運(yùn)，夏季富氮浮游生物導(dǎo)致反硝化效率（40-56%）顯著低于貧氮春季浮游生物（88-115%）；  

2. OM數(shù)量與礦化活性正相關(guān)，但不直接影響氮通量或反硝化速率，凸顯OM數(shù)量與質(zhì)量的復(fù)雜交互作用；  

3. C:N比可作為預(yù)測底棲-水體耦合變化對(duì)沉積物-水界面氮收支影響的簡單指標(biāo)。  

 

研究目的

 

1. 測試不同OM數(shù)量和質(zhì)量對(duì)軟沉積物中營養(yǎng)鹽通量及氮循環(huán)過程（如反硝化、DNRA）的影響；  

2. 驗(yàn)證兩個(gè)假設(shè)：（a）OM輸入增加會(huì)通過促進(jìn)礦化抑制反硝化；（b）春季浮游生物（高質(zhì)量OM）比夏季浮游生物（低質(zhì)量OM）更顯著加劇此效應(yīng)。  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

   ? 采集波羅的海斯德哥爾摩群島50個(gè)未擾動(dòng)沉積物巖心；  

 

   ? 添加高/低量春季（C:N 10.9）和夏季（C:N 5.6）浮游生物材料（模擬沉降事件）；  

 

   ? 設(shè)置對(duì)照組（無OM添加），共5處理組（Ctr, H_Spr, L_Spr, H_Sum, L_Sum），每組8重復(fù)。  

 

2. 監(jiān)測參數(shù)：持續(xù)10天測量：  

   ? 氧氣消耗（TOU）、營養(yǎng)鹽通量（NH??、NO??、PO?3?、H?SiO?）；  

 

   ? 硝酸鹽還原速率（反硝化、DNRA），使用1?N同位素配對(duì)技術(shù)；  

 

   ? 沉積物氧滲透深度（Unisense微電極）；  

 

   ? 反硝化效率（N?損失占再礦化無機(jī)氮比例）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 氧氣剖面（Fig.3）：  

 

   ? 使用Unisense OX-50微電極（分辨率100μm）測量沉積物孔隙水氧濃度。  

 

   ? 意義：量化OM沉降后氧化層厚度變化。高OM處理氧滲透深度降至3.4mm（對(duì)照6.7mm），證實(shí)OM數(shù)量增加加劇沉積物缺氧。  

 

2. 營養(yǎng)鹽通量（Fig.4a,b）：  

 

   ? NH??和NO??通量：夏季OM處理NH??釋放顯著升高（H_Sum達(dá)1464 μmol m?2 d?1），春季OM抑制NO??通量。  

 

   ? 意義：OM質(zhì)量（C:N比）主導(dǎo)氮釋放形式——低C:N（夏季）促進(jìn)NH??再生，高C:N（春季）促進(jìn)氮固定。  

 

  

 

3. 硝酸鹽還原速率（Fig.4c,d）：  

   ? 反硝化速率：夏季OM處理（273-936 μmol m?2 d?1）高于春季（39-583 μmol m?2 d?1）；  

 

   ? DNRA速率：受OM數(shù)量和質(zhì)量交互影響（高夏季處理短期升高）。  

 

   ? 意義：反硝化為主路徑（DNRA的10倍），但OM質(zhì)量調(diào)控其強(qiáng)度。  

 

4. 反硝化效率（Fig.6）：  

 

   ? 夏季OM處理效率僅40-56%，春季達(dá)88-115%（對(duì)照69%）。  

 

   ? 意義：C:N比直接決定氮?dú)w宿——低C:N（夏季）促進(jìn)氮循環(huán)而非損失。  

 

  

 

結(jié)論

 

1. OM質(zhì)量（C:N比）是氮循環(huán)主導(dǎo)因素：低C:N（夏季浮游生物）促進(jìn)NH??再生，降低反硝化效率；高C:N（春季）增強(qiáng)氮固定與反硝化。  

2. OM數(shù)量僅影響礦化活性（TOU升高），不直接調(diào)控氮通量或反硝化速率。  

3. C:N比可預(yù)測底棲-水體耦合變化對(duì)氮收支的影響，未來氣候驅(qū)動(dòng)浮游群落變化可能通過改變沉降OM質(zhì)量影響氮循環(huán)。  

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

丹麥Unisense微電極（OX-50型號(hào)）測量的氧滲透深度數(shù)據(jù)（Fig.3）具有以下核心科學(xué)價(jià)值：  

1. 高分辨率氧化狀態(tài)映射：以100μm深度間隔精準(zhǔn)量化沉積物氧化層厚度，揭示OM輸入后氧消耗的微尺度變化（如高OM處理氧滲透深度降至3.4mm）。  

2. 耦合過程機(jī)制解析：結(jié)合TOU數(shù)據(jù)，證實(shí)OM數(shù)量增加通過增強(qiáng)微生物呼吸導(dǎo)致氧化層收縮，但此變化未直接轉(zhuǎn)化為氮循環(huán)速率改變（如反硝化受OM質(zhì)量主導(dǎo)），突顯氧化還原條件與生物地球化學(xué)過程的非線性關(guān)系。  

3. 管理應(yīng)用支撐：明確沉積物缺氧風(fēng)險(xiǎn)閾值（氧滲透深度<4mm），為評(píng)估富營養(yǎng)化或氣候變暖下底棲棲息地退化提供關(guān)鍵指標(biāo)。