Whole-stream metabolism in nutrient-poor calcareous streams on Oland, Sweden

瑞典厄蘭島營養貧乏鈣質溪流中的全溪流代謝

來源：Aquatic Sciences, Volume 77, 2015, Pages 207-219

《水生科學》，第77卷，2015年，第207-219頁

 

摘要：

論文摘要闡述了在瑞典厄蘭島三個非森林化源頭溪流段進行全溪流代謝研究，以表征這種特殊生態系統的代謝特征，并與歐洲西北部其他溪流生態系統比較。總初級生產（GPP）通常較低（<4 g O2 m-2 d-1），最低值出現在最上游的淺層溪流段，該段排水自石灰巖Alvar平原的薄層土壤，在基流條件下，完全淹沒的陸生植物可能貢獻全部初級生產。生態系統呼吸（ER）隨農業影響增加數倍，導致下游溪流條件異養化，光合作用需要更高光照以抵消呼吸。在兩個最營養貧乏地點發現日GPP與ER之間存在強關系。溫度校正的瞬時ER速率在夜間開始時最高，但在夜間結束時下降，表明暗呼吸消耗了光合產物并受有機底物限制。歐洲西北部開闊溪流的廣泛比較顯示春夏期間（4-8月）GPP與ER呈1:1關系，但冬季不成立。本研究將GPP和ER測量范圍擴展至包括營養貧乏的歐洲西北部溪流，增加了這一高度農業影響區域的溪流代謝知識，并證明了春夏期間從極營養貧乏到中等營養豐富條件下溪流中GPP與ER的強關系。

 

研究目的：

研究目的是表征厄蘭島營養貧乏鈣質溪流的全溪流代謝特征，比較不同營養狀態和土地利用下的代謝速率，評估GPP與ER的耦合關系，并擴展對歐洲西北部溪流代謝的理解，特別是在營養貧乏條件下。

 

研究思路：

研究思路包括選擇厄蘭島三個溪流段（I、II、III），代表從自然Alvar平原到農業影響的下游梯度。通過測量溪流物理條件（如流速、深度）、水化學（營養鹽、pH）和生物參數（葉綠素a、植被覆蓋），使用上游-下游兩站氧變化技術測量全溪流代謝（GPP和ER）。數據收集于2010年5月、2011年5月和10月，確保所有溪流段有水。使用YSI探頭連續監測溶解氧、pH和溫度，表面輻照度用LiCor傳感器測量。再曝氣速率用室法測量。代謝計算基于Bott（2006）方法，包括校正溫度影響。此外，進行光合作用實驗，使用Unisense電極測量植物和藻類的光合和呼吸速率。數據用于比較不同溪流段和季節的代謝，并與歐洲西北部其他溪流數據比較。

 

測量的數據及研究意義：

1 GPP和ER的日值數據，來自Fig.1。研究意義在于量化溪流代謝速率，顯示從上游營養貧乏段到下游農業影響段GPP和ER的增加，揭示土地利用對代謝的影響，為生態系統健康評估提供基準。

 

2 NEP（凈生態系統生產）與表面輻照度的關系數據，來自Fig.2。研究意義在于展示光合作用對光照的響應，表明營養貧乏溪流需要更高輻照度達到光飽和，突出營養限制對初級生產的影響。

 

3 夜間呼吸速率數據，溫度校正后，來自Fig.3。研究意義在于揭示呼吸在夜間逐漸下降，表明有機底物消耗和GPP與ER的緊密耦合，特別是在營養貧乏段。

 

4 水化學數據，如NO3-、NH4+、SRP濃度，來自Table 2。研究意義在于確認溪流營養貧乏狀態（如上游NO3-低于檢測限），解釋代謝差異的主要驅動因素。

 

5 沉積物和植被數據，如葉綠素a和有機物質含量，來自Table 3。研究意義在于關聯生物量與代謝速率，顯示植被覆蓋對GPP的貢獻，特別是在間歇性溪流段。

 

6 植物光合和呼吸速率數據，來自Table 4（使用Unisense電極測量）。研究意義在于評估陸生植物和藻類對全溪流代謝的潛在貢獻，表明在營養貧乏條件下植物可能主導初級生產。

 

 

結論：

1 營養貧乏溪流段（如上游段I）的GPP和ER速率較低，且GPP與ER緊密耦合，表明低外源有機質輸入和高效的生產-分解平衡。

2 農業影響下游段（如段III）ER顯著增加，導致強異養化，GPP/ER比下降，反映外源有機質輸入和潛流帶呼吸貢獻。

3 夜間呼吸下降現象在營養貧乏段普遍，支持GPP驅動呼吸的假設，強調底物限制在代謝調控中的作用。

4 歐洲西北部溪流比較顯示春夏期間GPP與ER呈1:1關系，但營養貧乏溪流擴展了代謝范圍，突顯環境梯度對代謝的影響。

5 溪流代謝受光照、營養可用性和水文控制，在營養貧乏系統中陸生植物可能起關鍵作用，尤其在間歇性溪流段。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（如OX500型號）在光合作用實驗中測量氧氣濃度，提供高精度、實時光合和呼吸速率數據。研究意義在于：電極允許在受控條件下（如15°C恒溫、450 μmol m-2 s-1光照）精確量化植物和藻類的代謝速率，如Table 4所示的Pambient和R值；這些數據用于計算 habitat-weighted GPP和R24，評估陸生植物和藻類對全溪流代謝的貢獻，顯示在營養貧乏段I植物可能貢獻全部GPP；Unisense電極的高靈敏度和校準可靠性（通過0%和100%氧飽和校準）確保數據準確性，支持結論認為在低營養條件下，植物代謝可能主導溪流能量流動；此外，電極使用最小化實驗誤差，為理解間歇性溪流生態功能提供關鍵實驗證據，強調在類似生態系統中生物非傳統方法的重要性。