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

瑞典厄蘭島營(yíng)養(yǎng)貧乏鈣質(zhì)溪流中的全溪流代謝

來(lái)源：Aquatic Sciences, Volume 77, 2015, Pages 207-219

《水生科學(xué)》，第77卷，2015年，第207-219頁(yè)

 

摘要：

論文摘要闡述了在瑞典厄蘭島三個(gè)非森林化源頭溪流段進(jìn)行全溪流代謝研究，以表征這種特殊生態(tài)系統(tǒng)的代謝特征，并與歐洲西北部其他溪流生態(tài)系統(tǒng)比較。總初級(jí)生產(chǎn)（GPP）通常較低（<4 g O2 m-2 d-1），最低值出現(xiàn)在最上游的淺層溪流段，該段排水自石灰?guī)rAlvar平原的薄層土壤，在基流條件下，完全淹沒(méi)的陸生植物可能貢獻(xiàn)全部初級(jí)生產(chǎn)。生態(tài)系統(tǒng)呼吸（ER）隨農(nóng)業(yè)影響增加數(shù)倍，導(dǎo)致下游溪流條件異養(yǎng)化，光合作用需要更高光照以抵消呼吸。在兩個(gè)最營(yíng)養(yǎng)貧乏地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)日GPP與ER之間存在強(qiáng)關(guān)系。溫度校正的瞬時(shí)ER速率在夜間開(kāi)始時(shí)最高，但在夜間結(jié)束時(shí)下降，表明暗呼吸消耗了光合產(chǎn)物并受有機(jī)底物限制。歐洲西北部開(kāi)闊溪流的廣泛比較顯示春夏期間（4-8月）GPP與ER呈1:1關(guān)系，但冬季不成立。本研究將GPP和ER測(cè)量范圍擴(kuò)展至包括營(yíng)養(yǎng)貧乏的歐洲西北部溪流，增加了這一高度農(nóng)業(yè)影響區(qū)域的溪流代謝知識(shí)，并證明了春夏期間從極營(yíng)養(yǎng)貧乏到中等營(yíng)養(yǎng)豐富條件下溪流中GPP與ER的強(qiáng)關(guān)系。

 

研究目的：

研究目的是表征厄蘭島營(yíng)養(yǎng)貧乏鈣質(zhì)溪流的全溪流代謝特征，比較不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和土地利用下的代謝速率，評(píng)估GPP與ER的耦合關(guān)系，并擴(kuò)展對(duì)歐洲西北部溪流代謝的理解，特別是在營(yíng)養(yǎng)貧乏條件下。

 

研究思路：

研究思路包括選擇厄蘭島三個(gè)溪流段（I、II、III），代表從自然Alvar平原到農(nóng)業(yè)影響的下游梯度。通過(guò)測(cè)量溪流物理?xiàng)l件（如流速、深度）、水化學(xué)（營(yíng)養(yǎng)鹽、pH）和生物參數(shù)（葉綠素a、植被覆蓋），使用上游-下游兩站氧變化技術(shù)測(cè)量全溪流代謝（GPP和ER）。數(shù)據(jù)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(xù)監(jiān)測(cè)溶解氧、pH和溫度，表面輻照度用LiCor傳感器測(cè)量。再曝氣速率用室法測(cè)量。代謝計(jì)算基于Bott（2006）方法，包括校正溫度影響。此外，進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)，使用Unisense電極測(cè)量植物和藻類的光合和呼吸速率。數(shù)據(jù)用于比較不同溪流段和季節(jié)的代謝，并與歐洲西北部其他溪流數(shù)據(jù)比較。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 GPP和ER的日值數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.1。研究意義在于量化溪流代謝速率，顯示從上游營(yíng)養(yǎng)貧乏段到下游農(nóng)業(yè)影響段GPP和ER的增加，揭示土地利用對(duì)代謝的影響，為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估提供基準(zhǔn)。

 

2 NEP（凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)）與表面輻照度的關(guān)系數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.2。研究意義在于展示光合作用對(duì)光照的響應(yīng)，表明營(yíng)養(yǎng)貧乏溪流需要更高輻照度達(dá)到光飽和，突出營(yíng)養(yǎng)限制對(duì)初級(jí)生產(chǎn)的影響。

 

3 夜間呼吸速率數(shù)據(jù)，溫度校正后，來(lái)自Fig.3。研究意義在于揭示呼吸在夜間逐漸下降，表明有機(jī)底物消耗和GPP與ER的緊密耦合，特別是在營(yíng)養(yǎng)貧乏段。

 

4 水化學(xué)數(shù)據(jù)，如NO3-、NH4+、SRP濃度，來(lái)自Table 2。研究意義在于確認(rèn)溪流營(yíng)養(yǎng)貧乏狀態(tài)（如上游NO3-低于檢測(cè)限），解釋代謝差異的主要驅(qū)動(dòng)因素。

 

5 沉積物和植被數(shù)據(jù)，如葉綠素a和有機(jī)物質(zhì)含量，來(lái)自Table 3。研究意義在于關(guān)聯(lián)生物量與代謝速率，顯示植被覆蓋對(duì)GPP的貢獻(xiàn)，特別是在間歇性溪流段。

 

6 植物光合和呼吸速率數(shù)據(jù)，來(lái)自Table 4（使用Unisense電極測(cè)量）。研究意義在于評(píng)估陸生植物和藻類對(duì)全溪流代謝的潛在貢獻(xiàn)，表明在營(yíng)養(yǎng)貧乏條件下植物可能主導(dǎo)初級(jí)生產(chǎn)。

 

 

結(jié)論：

1 營(yíng)養(yǎng)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(jī)質(zhì)輸入和高效的生產(chǎn)-分解平衡。

2 農(nóng)業(yè)影響下游段（如段III）ER顯著增加，導(dǎo)致強(qiáng)異養(yǎng)化，GPP/ER比下降，反映外源有機(jī)質(zhì)輸入和潛流帶呼吸貢獻(xiàn)。

3 夜間呼吸下降現(xiàn)象在營(yíng)養(yǎng)貧乏段普遍，支持GPP驅(qū)動(dòng)呼吸的假設(shè)，強(qiáng)調(diào)底物限制在代謝調(diào)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(guān)系，但營(yíng)養(yǎng)貧乏溪流擴(kuò)展了代謝范圍，突顯環(huán)境梯度對(duì)代謝的影響。

5 溪流代謝受光照、營(yíng)養(yǎng)可用性和水文控制，在營(yíng)養(yǎng)貧乏系統(tǒng)中陸生植物可能起關(guān)鍵作用，尤其在間歇性溪流段。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（如OX500型號(hào)）在光合作用實(shí)驗(yàn)中測(cè)量氧氣濃度，提供高精度、實(shí)時(shí)光合和呼吸速率數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)用于計(jì)算 habitat-weighted GPP和R24，評(píng)估陸生植物和藻類對(duì)全溪流代謝的貢獻(xiàn)，顯示在營(yíng)養(yǎng)貧乏段I植物可能貢獻(xiàn)全部GPP；Unisense電極的高靈敏度和校準(zhǔn)可靠性（通過(guò)0%和100%氧飽和校準(zhǔn)）確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，支持結(jié)論認(rèn)為在低營(yíng)養(yǎng)條件下，植物代謝可能主導(dǎo)溪流能量流動(dòng)；此外，電極使用最小化實(shí)驗(yàn)誤差，為理解間歇性溪流生態(tài)功能提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，強(qiáng)調(diào)在類似生態(tài)系統(tǒng)中生物非傳統(tǒng)方法的重要性。