Dynamics of dissolved nutrients among different macrophyte stands in a shallow lake

淺湖中不同大型植物間溶解養分的動態變化

來源：Limnology (2015) 16:31–39

 

摘要內容

這篇論文指出，季節性變化的機制影響著溶解性無機氮和可溶性反應磷的濃度，這些濃度在富營養化湖泊中不同大型植物生活型（沉水植物、浮葉植物）的群落和開闊水域之間存在差異。大型植物在生長過程中吸收營養鹽，同時通過庇護沉積物減少再懸浮（使營養鹽返回水體）以及影響反硝化作用（將氮從水生生態系統中移除）來影響營養鹽循環。本研究觀測了從4月到11月開放水域期間營養鹽濃度的變化，并在開放水域季節的不同階段測量了反硝化速率。研究表明，沉水植物（Myriophyllum verticillatum L.）群落中的硝酸鹽耗盡速度比浮葉植物（Nuphar lutea L.）群落或開闊水域更快。硝酸鹽濃度的夏季下降非常顯著，以至于影響了水中的總氮濃度。反硝化作用在浮葉植物群落的沉積物中最高，在沉水植物群落的沉積物中最低，后者受低硝酸鹽可用性的限制。

研究目的

本研究旨在闡明在淺水富營養化湖泊（Kirkkoj?rvi湖）中，不同生活型的大型植物群落（沉水植物 vs. 浮葉植物）如何影響水體中溶解性營養鹽（特別是溶解無機氮）的動態變化和可用性，并重點探究反硝化作用這一氮去除過程在不同生境下的速率及其限制因素。

研究思路

研究采用空間對比與時間序列監測相結合的策略：

 

站點選擇：在Kirkkoj?rvi湖設置三個具有對比性的站點：沉水植物（SUB）群落、浮葉植物（FLOAT）群落和開闊水域（OPEN）。

時間序列采樣：在2010年4月至11月的開放水域期間，以約2周為間隔進行采樣。

多參數測量：

 

生物量監測：測量各站點大型植物的百分比體積侵占度（PVI），以量化其季節性生長。

水體環境參數：測量水溫、pH、溶解氧（O?）、葉綠素a濃度。

營養鹽濃度：分析水體中的硝酸鹽/亞硝酸鹽氮（NO??-N）、銨態氮（NH??-N）、可溶性反應磷（SRP）、總氮（TN）和總磷（TP）的濃度。

 

沉積物過程：在4月、6月、8月、11月四個關鍵時期，使用同位素配對技術（1?NO??）測量沉積物的反硝化速率。同時測量表層沉積物的有機質含量（LOI，灼燒失重）以及使用丹麥Unisense氧微電極測量沉積物中的氧氣滲透深度。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

大型植物生物量（PVI）：

 

數據內容：記錄了沉水植物和浮葉植物從春季開始生長，到夏季（7月末-8月末）達到生物量峰值（浮葉植物PVI約43%，沉水植物PVI約75%），然后下降的季節動態。

研究意義：量化了不同生活型植物群落的發育階段，為解釋營養鹽消耗和競爭的時間變化提供了生物學背景。

 

數據來源：表1提供了各站點在不同日期的PVI值。

 

水體營養鹽濃度（NO??-N, NH??-N, TN, SRP, TP）：

 

數據內容：NO??-N濃度在春季較高，但在所有站點于7-8月耗盡。沉水植物站點的NO??-N耗盡發生得更早（5月），且秋季恢復濃度更低。NH??-N濃度波動較小，但在8月于沉水植物站點出現峰值。SRP濃度在沉水植物站點通常較低，而TP濃度在該站點有時較高。

研究意義：揭示了不同生境下氮、磷形態的時空分異。沉水植物站點更早、更徹底的NO??-N消耗表明其對硝酸鹽的強烈吸收和競爭。SRP濃度差異反映了植物吸收和再懸浮抑制的不同影響。TP濃度變化則與沉積物再懸浮程度相關。

 

 

數據來源：圖3展示了NO??-N, NH??-N, TN的濃度變化；圖4展示了SRP和TP的濃度變化。

 

沉積物反硝化速率：

 

數據內容：浮葉植物站點和開闊水域的反硝化速率平均值（約4.3和4.2 mg N m?2 d?1）顯著高于沉水植物站點（約1.5 mg N m?2 d?1）。最高速率出現在6月的開闊水域。

研究意義：直接證明了反硝化作用的空間變異性。沉水植物站點的低反硝化速率并非缺乏潛力（春季有活動），而是由于夏季硝酸鹽被植物快速吸收殆盡，導致底物限制。

 

數據來源：表3提供了各站點在不同月份的反硝化速率。

 

沉積物特性（LOI）與氧氣滲透深度：

 

數據內容：沉水植物站點的沉積物有機質含量（LOI: 26-31%）最高，開闊水域最低（9-12%）。8月測得的所有站點氧氣滲透深度均較淺（沉水/浮葉植物站點約1.2 mm，開闊水域約2.3 mm），11月有所增加。

研究意義：高LOI表明沉水植物區沉積物有機質負荷大，可能耗氧更快。氧氣滲透深度淺限制了需要氧氣的硝化作用（產生硝酸鹽），從而間接影響依賴硝酸鹽的反硝化作用。

 

數據來源：表3提供了LOI和氧氣滲透深度的數據。

 

結論

 

營養鹽消耗差異：沉水植物（Myriophyllum verticillatum）通過直接吸收，能更快地消耗水體中的硝酸鹽，導致其濃度在時間和空間上均低于浮葉植物群落和開闊水域。

反硝化作用受限：沉水植物群落的反硝化作用速率最低，主要受限于夏季硝酸鹽的可用性，而非溫度或有機碳源。

機制主導不同：浮葉植物群落主要通過減少磷的再懸浮來影響磷循環，而對氮循環的影響相對較弱。沉水植物群落則對氮循環（吸收和抑制反硝化）和磷循環（吸收和抑制再懸浮）均有顯著影響。

 

生態意義：大型植物群落的組成結構對淺水湖泊的營養鹽循環，特別是氮的去除途徑（植物吸收 vs. 微生物反硝化）具有重要影響。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的氧微電極（型號OX100）測量了沉積物中的氧氣滲透深度。這些數據的研究意義如下：

 

提供關鍵的氧化還原微環境證據：Unisense氧微電極能夠以200微米的高垂直分辨率精確測量氧氣在沉積物表層消耗的深度（表3）。這些數據直接量化了沉積物-水界面的氧化層厚度，這是控制沉積物中好氧與厭氧過程（如硝化與反硝化）空間耦合的關鍵物理化學參數。

揭示植物群落對沉積物環境的影響：測量結果顯示，在生長旺季（8月），沉水植物和浮葉植物站點的氧氣滲透深度（約1.2 mm）顯著淺于開闊水域站點（約2.3 mm）（表3）。這結合沉水植物站點更高的沉積物有機質含量（LOI），表明茂密的水下植物群落雖然可能通過根系釋放氧氣，但其產生的有機碎屑沉降和積累導致沉積物耗氧量增加，最終使得氧化層變薄。這為理解植物群落如何通過改變沉積物特性來影響微生物過程提供了直接證據。

支持反硝化作用限制機制的推斷：淺的氧氣滲透深度意味著硝化細菌活躍的區域非常有限。硝化作用是將銨態氮轉化為硝酸鹽的關鍵步驟，而硝酸鹽是反硝化作用的底物。因此，Unisense電極測得的淺層氧化區間接解釋了為什么沉水植物站點的反硝化作用會受到硝酸鹽限制：一方面，沉水植物自身吸收了大量的硝酸鹽；另一方面，薄氧化層限制了硝化作用的強度，減少了硝酸鹽的“現場供應”。這使得反硝化菌在夏季面臨“無米之炊”的困境。

 

顯示季節動態：數據還顯示，到了11月，所有站點的氧氣滲透深度都有所增加（表3）。這反映了隨著溫度下降和生物活動減弱，沉積物耗氧速率降低，氧化層隨之加深。這與秋季硝酸鹽濃度回升的現象相吻合，表明環境條件的季節性變化深刻影響著沉積物的生物地球化學過程。

 

總之，Unisense氧微電極提供的高分辨率氧氣滲透深度數據，是連接宏觀植物群落特征（如類型、生物量）、沉積物特性（如有機質含量）與微觀微生物過程（如硝化、反硝化）之間因果關系的重要橋梁。它將觀察到的現象（如反硝化速率差異）與內在的機理（氧化還原條件及底物供應）有力地聯系起來，極大地增強了對大型植物在淺水湖泊營養循環中復雜作用的深層理解。