Temporal and spatial variations in benthic nitrogen cycling in a temperate macro-tidal coastal ecosystem: Observation and modeling  

溫帶大型潮汐海岸生態(tài)系統(tǒng)中底棲氮循環(huán)的時空變化：觀測與模擬  

來源：Continental Shelf Research, 235 (2022) 104649

《大陸架研究》第235卷，2022年，文章編號104649

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過現(xiàn)場觀測、實驗室測量和反應輸運模型（RTM），探究了法國富營養(yǎng)化溫帶大型潮汐海灣——Vilaine灣（VB）底棲氮（N）循環(huán)的時空變化。基于2015年單站時間序列（6次）和2016年多站空間調(diào)查的數(shù)據(jù)分析表明：  

底棲銨（NH??）通量在春季（硅藻水華后）達50 μmol m?2 h?1，夏季降至<10 μmol m?2 h?1；溶解有機氮（DON）通量變化趨勢類似（春季100 μmol m?2 h?1，夏季近零）。  

 

沉積物-水界面（SWI）的有機質(zhì)（OM）礦化以好氧途徑為主（占總礦化率75%），硅藻水華沉降的易分解有機質(zhì)（OM1）主導銨和DON釋放。  

 

硝酸鹽（NO??）通量受上覆水濃度和硝化作用調(diào)控，2016年夏季水華伴隨底層水缺氧（最低96 μM），此時OM礦化轉(zhuǎn)向硫酸鹽還原途徑。  

 

RTM模型成功模擬了溶解無機氮（DIN）通量時空變化，證實沉積物貢獻了河流輸入15-30%的DIN，加劇海灣富營養(yǎng)化風險。  

 

研究目的

 

闡明Vilaine灣底棲氮循環(huán)的時空動態(tài)機制，量化沉積物對水體營養(yǎng)鹽再生的貢獻，為預測水華誘導的底層水缺氧提供理論依據(jù)。  

 

研究思路

時空觀測設(shè)計：  

 

時間序列（2015年4-9月）：Nord Dumet（ND）站每月采集沉積物柱樣（圖1），測定孔隙水DIN/DON剖面（圖4）、底棲通量（圖5）及硝化/反硝化速率。  

 

 

 

空間調(diào)查（2016年7月）：4個站點（圖1）同步測定底棲通量，結(jié)合表層沉積物有機碳（Corg）、總氮（TN）等空間分布。  

多參數(shù)監(jiān)測：  

 

水體：溫度、鹽度、溶解氧（O?）、營養(yǎng)鹽、葉綠素a（Chl a）（圖2）。  

 

沉積物：粒度、孔隙度、Corg、TN、生物硅（BSi）、Chl a含量（圖3）。  

 

模型模擬：  

 

建立反應輸運模型（RTM），模擬OM礦化路徑（表1）及N轉(zhuǎn)化過程（表2），擬合實測通量（圖5）與孔隙水剖面（圖4）。  

 

 

敏感性分析評估關(guān)鍵參數(shù)對通量的影響（圖7,8）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

底棲通量（圖5）：  

 

NH??通量與沉積物表層Chl a顯著正相關(guān)（r=0.82, p<0.05），證實硅藻水華驅(qū)動銨釋放（圖6a）。  

 

DON通量占溶解氮通量50%，與NH??通量協(xié)同變化（r=0.82, p<0.05）（圖6b），揭示OM降解中DON釋放的重要性。  

 

NO??通量方向（向沉積物或水體）受上覆水NO??濃度和硝化作用調(diào)控，空間差異反映局部水動力與生物地球化學過程耦合。  

 

   意義：首次量化VB灣DON通量貢獻，闡明水華事件對底棲氮形態(tài)輸出的差異化影響。  

孔隙水剖面（圖4）：  

 

O?在沉積物表層2 mm內(nèi)耗竭（圖4a），指示好氧礦化集中在SWI。  

 

NH??在0-5 cm呈正梯度（圖4b），深層濃度穩(wěn)定（~300 μM），反映OM礦化深度分布。  

 

NO??在春季呈負梯度（向沉積物遷移），夏季表層出現(xiàn)峰值（12 μM），與硝化活動匹配。  

 

   意義：揭示氧化層厚度及氮遷移路徑，為模型參數(shù)化提供關(guān)鍵約束。  

沉積物特性（圖3）：  

 

Corg（1.6% DW）和TN（0.2% DW）無顯著時空變化，但BSi和表層Chl a空間異質(zhì)性高，指向西北部為硅藻沉積熱點。  

 

   意義：空間分布關(guān)聯(lián)水華沉降模式，解釋底棲通量區(qū)域差異。  

硝化/反硝化速率（表2）：  

 

潛在硝化速率與實測NH??通量同步變化（6月峰值28.0 μmol N m?2 h?1），受OM礦化驅(qū)動。  

 

反硝化速率受NO??供應限制，與硝化作用耦合。  

 

   意義：驗證好氧過程主導氮轉(zhuǎn)化，為模型預測DNRA貢獻率（5%）提供依據(jù)。  

 

結(jié)論

硅藻水華驅(qū)動通量變化：沉降的OM1在SWI快速好氧礦化，釋放大量NH??和DON（春季通量最高），夏季水華可誘發(fā)底層水缺氧。  

 

DON的重要性：占溶解氮通量50%，與NH??協(xié)同釋放，但當前RTM未整合DON循環(huán)。  

 

沉積物對富營養(yǎng)化的貢獻：底棲DIN通量相當于河流輸入量的15-30%，加劇水體營養(yǎng)鹽負荷。  

 

模型預測能力：RTM成功模擬時空通量變化，識別OM輸入量為關(guān)鍵控制因子（圖7），為生態(tài)模型提供參數(shù)化方案。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX500傳感器 + PA2000皮安計 + MM33微操縱器）測量沉積物O?微剖面（圖4a）的核心價值包括：  

毫米級分辨率界定氧化層：  

 

實測O?在0-2 mm深度內(nèi)急劇降至檢測限以下（圖4a），精確量化SWI好氧區(qū)厚度（<2 mm），指示OM好氧礦化空間范圍。  

 

技術(shù)優(yōu)勢：非破壞性原位測量避免沉積物擾動，分辨率達亞毫米級，傳統(tǒng)采樣法無法實現(xiàn)。  

實時監(jiān)測培養(yǎng)過程：  

 

在底棲通量培養(yǎng)實驗中，持續(xù)監(jiān)測上覆水O?濃度，確保其不低于初始值80%，防止實驗缺氧偏離現(xiàn)場條件。  

校準SWI位置：  

 

通過O?濃度梯度突變點（圖4a虛線）視覺判定沉積物-水界面，提高孔隙水采樣深度準確性。  

缺氧事件診斷：  

 

2016年7月St. B站底層水O?最低值（96 μM）的測量，直接證實硅藻水華降解誘發(fā)季節(jié)性缺氧，為模型模擬提供關(guān)鍵邊界條件。  

 

總結(jié)：該研究通過多尺度數(shù)據(jù)闡明硅藻水華沉降對底棲氮循環(huán)的調(diào)控機制，強調(diào)整合沉積物-水界面過程對預測海岸帶缺氧事件的重要性。