Response of benthic nitrogen cycling to estuarine hypoxia  

河口缺氧對(duì)底棲氮循環(huán)的影響  

來(lái)源：Limnol. Oceanogr. 66, 2021, 652–666

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)》第66卷（2021年），第652至666頁(yè)。

 

摘要內(nèi)容

探討了長(zhǎng)江口及鄰近東海區(qū)域底水氧濃度變化對(duì)沉積物氧氣吸收、氧氣滲透深度、硝酸鹽和銨通量、厭氧氨氧化（anammox）、反硝化（denitrification）、硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）、硝化作用（nitrification）和礦化作用（mineralization）的影響。通過(guò)季節(jié)性比較（5月與8月）和人為誘導(dǎo)三種底水氧條件（正常氧、環(huán)境氧、嚴(yán)重缺氧），研究發(fā)現(xiàn)5月至8月底水氧濃度下降50%，導(dǎo)致沉積物氧氣吸收平均降低23%、氧氣滲透深度減少29%。厭氧氨氧化率下降2.5倍，對(duì)總底棲氮損失的貢獻(xiàn)從20%降至7.4%，但反硝化率增加，使總底棲氮損失率維持在0.85 mmol N m?2 d?1。同時(shí)，DNRA對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)增加，促進(jìn)無(wú)機(jī)氮循環(huán)。在嚴(yán)重缺氧條件下，沉積物氧氣吸收和底棲氮損失率分別下降88%和38%。硝酸鹽和銨通量行為復(fù)雜，與底水氧濃度低于9.7μM時(shí)硝化抑制及DNRA增加有關(guān)。總體表明，季節(jié)性缺氧增強(qiáng)有機(jī)和無(wú)機(jī)氮的滯留，加劇氧缺乏問(wèn)題。

 

研究目的

研究長(zhǎng)江口及東海區(qū)域底水氧濃度變化如何影響底棲氮循環(huán)過(guò)程，包括氧氣動(dòng)態(tài)、氮通量轉(zhuǎn)化及微生物過(guò)程，以預(yù)測(cè)富營(yíng)養(yǎng)化和缺氧的反饋機(jī)制，并為全球氮循環(huán)模型提供依據(jù)。

 

研究思路：  

1 在長(zhǎng)江口及鄰近東海選取五個(gè)站點(diǎn)，于2011年5月和8月進(jìn)行兩次巡航采樣。  

2 結(jié)合自然季節(jié)性變化（5月富氧 vs 8月低氧）與人為誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)（在8月巡航中設(shè)置正常氧、環(huán)境氧和嚴(yán)重缺氧三種條件）。  

3 使用多核器（multi-corer）和箱式取樣器（box corer）收集沉積物和水樣。  

4 測(cè)量沉積物氧剖面、營(yíng)養(yǎng)鹽通量，并應(yīng)用15N同位素配對(duì)技術(shù)量化氮轉(zhuǎn)化率（如anammox、denitrification、DNRA）。  

5 通過(guò)完整核心培養(yǎng)（intact core incubations）和泥漿培養(yǎng)（slurry incubations）分析氧吸收、氮通量及微生物過(guò)程。  

6 統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析（如ANOVA和Pearson相關(guān)）評(píng)估環(huán)境參數(shù)與氮循環(huán)的關(guān)系。

 

測(cè)量了哪些方面的數(shù)據(jù)  

1 底水氧濃度和沉積物氧滲透深度：通過(guò)丹麥Unisense微電極（OX-25）測(cè)量，用于計(jì)算氧滲透深度變化（來(lái)自圖2和圖3）。  

 

 

2 沉積物氧氣吸收速率（SOU）：通過(guò)核心培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)量化，單位為mmol O? m?2 d?1（來(lái)自圖5）。  

 

3 硝酸鹽（NO??）和銨（NH??）通量：從培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中獲取凈通量數(shù)據(jù)，包括釋放或吸收趨勢(shì)（來(lái)自圖5）。  

4 厭氧氨氧化（anammox）、反硝化（denitrification）和DNRA率：使用15N同位素技術(shù)測(cè)量，單位為mmol N m?2 d?1（來(lái)自圖6和圖7）。  

 

 

5 耦合硝化氮損失（Pn）和水柱硝酸鹽支持的氮損失（Pw）：從核心培養(yǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算（來(lái)自圖7）。  

6 硝化作用和礦化作用率：基于通量和模型估計(jì)（來(lái)自圖5）。  

7 環(huán)境參數(shù)：如溫度、鹽度、總有機(jī)碳（TOC）、底水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度（來(lái)自表1）。

 

這些數(shù)據(jù)的研究意義  

1 氧滲透深度和SOU數(shù)據(jù)（圖3）揭示缺氧降低沉積物氧化層厚度，直接抑制好氧過(guò)程（如硝化），影響氮損失效率，為預(yù)測(cè)缺氧區(qū)擴(kuò)展提供關(guān)鍵指標(biāo)。  

2 氮通量數(shù)據(jù)（圖5）顯示缺氧時(shí)銨釋放增加和硝酸鹽吸收增強(qiáng)，表明氮滯留機(jī)制加強(qiáng)，這對(duì)評(píng)估富營(yíng)養(yǎng)化反饋至關(guān)重要。  

3 anammox和denitrification率變化（圖7）證明缺氧降低氮損失效率，而DNRA率上升（圖6）突顯氮循環(huán)向保留方向轉(zhuǎn)變，幫助解釋為何缺氧加劇富營(yíng)養(yǎng)化。  

4 硝化閾值數(shù)據(jù)（圖8）識(shí)別氧濃度低于117μM時(shí)硝化線性下降，低于9.7μM時(shí)完全抑制，為模型設(shè)置氧依賴參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。  

 

5 相關(guān)性分析（表2）顯示SOU與氮損失正相關(guān)，DNRA與銨釋放正相關(guān)，證實(shí)過(guò)程耦合性，支持全球氮循環(huán)模型的改進(jìn)。

 

 

結(jié)論：  

1 季節(jié)性缺氧（5月 vs 8月）導(dǎo)致沉積物氧吸收平均下降23%和氧滲透深度減少29%，anammox貢獻(xiàn)降至7.4%，但反硝化增加維持總氮損失率0.85 mmol N m?2 d?1。  

2 嚴(yán)重缺氧（人為誘導(dǎo)）使沉積物氧吸收和總氮損失率分別驟降88%和38%，同時(shí)DNRA貢獻(xiàn)上升（如站點(diǎn)C1從5%到30%），增強(qiáng)無(wú)機(jī)氮循環(huán)。  

3 底水氧濃度低于9.7μM完全抑制硝化，導(dǎo)致硝酸鹽僅來(lái)自水柱，而銨釋放顯著增加（所有站點(diǎn)0.4-0.8 mmol N m?2 d?1）。  

4 缺氧改變氮分配：促進(jìn)DNRA和銨保留，抑制耦合硝化-反硝化，形成“缺氧增強(qiáng)氮滯留”的正反饋循環(huán)，加劇富營(yíng)養(yǎng)化和氧缺乏。  

5 長(zhǎng)江口數(shù)據(jù)可外推至全球，表明不同缺氧系統(tǒng)（如常年缺氧 vs 季節(jié)性缺氧）氮響應(yīng)模式相似，但氧閾值（如117μM硝化下降點(diǎn)）需因地制宜。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

Unisense微電極（OX-25）用于高分辨率（100μm）測(cè)量沉積物氧剖面和底水氧濃度（方法部分）。其意義在于：1 提供氧滲透深度的精確數(shù)據(jù)（圖2），直接計(jì)算氧化層厚度變化，這是量化缺氧對(duì)好氧微生物過(guò)程（如硝化）抑制的關(guān)鍵，因?yàn)檠鯘B透深度下降（如從4.3mm降至3.0mm）減少硝化反應(yīng)區(qū)，降低硝酸鹽供應(yīng)。2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧濃度用于人為誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)（如嚴(yán)重缺氧條件平均16μM），確保實(shí)驗(yàn)條件可控，驗(yàn)證氧閾值效應(yīng)（如9.7μM硝化完全抑制）。3 結(jié)合氧吸收速率計(jì)算（圖5），揭示沉積物呼吸效率與氮循環(huán)的耦合性（討論中指出SOU與氮損失正相關(guān)），為全球缺氧區(qū)模型提供高精度參數(shù)。4 相比傳統(tǒng)方法，微電極數(shù)據(jù)減少誤差（如擴(kuò)散模型偏差），支持結(jié)論可靠性，尤其在識(shí)別氧對(duì)氮路徑分配（如DNRA vs denitrification）的影響時(shí)不可或缺。總體而言，這些數(shù)據(jù)是理解缺氧驅(qū)動(dòng)氮保留機(jī)制的核心證據(jù)。