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Influence of settling organic matter quantity and quality on benthic nitrogen cycling
沉降有機物數量和質量對底棲氮循環的影響
來源：Limnol. Oceanogr. 66, 2021, 1882–1895
《湖沼學與海洋學》第66卷，2021年，第1882至1895頁
摘要內容
摘要探討了沉降有機物（OM）的數量和質量如何調控底棲氮循環。通過模擬波羅的海沉積物中春季（C:N 10.9）和夏季（C:N 5.6）浮游生物群落的沉降，研究發現：
1. OM質量（C:N比）主導氮的命運，夏季富氮浮游生物導致反硝化效率（40-56%）顯著低于貧氮春季浮游生物（88-115%）；
2. OM數量與礦化活性正相關，但不直接影響氮通量或反硝化速率，凸顯OM數量與質量的復雜交互作用；
3. C:N比可作為預測底棲-水體耦合變化對沉積物-水界面氮收支影響的簡單指標。
研究目的
1. 測試不同OM數量和質量對軟沉積物中營養鹽通量及氮循環過程（如反硝化、DNRA）的影響；
2. 驗證兩個假設：（a）OM輸入增加會通過促進礦化抑制反硝化；（b）春季浮游生物（高質量OM）比夏季浮游生物（低質量OM）更顯著加劇此效應。
研究思路
1. 實驗設計：
? 采集波羅的海斯德哥爾摩群島50個未擾動沉積物巖心；
? 添加高/低量春季（C:N 10.9）和夏季（C:N 5.6）浮游生物材料（模擬沉降事件）；
? 設置對照組（無OM添加），共5處理組（Ctr, H_Spr, L_Spr, H_Sum, L_Sum），每組8重復。
2. 監測參數：持續10天測量：
? 氧氣消耗（TOU）、營養鹽通量（NH??、NO??、PO?3?、H?SiO?）；
? 硝酸鹽還原速率（反硝化、DNRA），使用1?N同位素配對技術；
? 沉積物氧滲透深度（Unisense微電極）；
? 反硝化效率（N?損失占再礦化無機氮比例）。
測量數據及研究意義
1. 氧氣剖面（Fig.3）：
? 使用Unisense OX-50微電極（分辨率100μm）測量沉積物孔隙水氧濃度。
? 意義：量化OM沉降后氧化層厚度變化。高OM處理氧滲透深度降至3.4mm（對照6.7mm），證實OM數量增加加劇沉積物缺氧。
2. 營養鹽通量（Fig.4a,b）：
? NH??和NO??通量：夏季OM處理NH??釋放顯著升高（H_Sum達1464 μmol m?2 d?1），春季OM抑制NO??通量。
? 意義：OM質量（C:N比）主導氮釋放形式——低C:N（夏季）促進NH??再生，高C:N（春季）促進氮固定。
3. 硝酸鹽還原速率（Fig.4c,d）：
? 反硝化速率：夏季OM處理（273-936 μmol m?2 d?1）高于春季（39-583 μmol m?2 d?1）；
? DNRA速率：受OM數量和質量交互影響（高夏季處理短期升高）。
? 意義：反硝化為主路徑（DNRA的10倍），但OM質量調控其強度。
4. 反硝化效率（Fig.6）：
? 夏季OM處理效率僅40-56%，春季達88-115%（對照69%）。
? 意義：C:N比直接決定氮歸宿——低C:N（夏季）促進氮循環而非損失。
結論
1. OM質量（C:N比）是氮循環主導因素：低C:N（夏季浮游生物）促進NH??再生，降低反硝化效率；高C:N（春季）增強氮固定與反硝化。
2. OM數量僅影響礦化活性（TOU升高），不直接調控氮通量或反硝化速率。
3. C:N比可預測底棲-水體耦合變化對氮收支的影響，未來氣候驅動浮游群落變化可能通過改變沉降OM質量影響氮循環。
Unisense電極測量數據的研究意義
丹麥Unisense微電極（OX-50型號）測量的氧滲透深度數據（Fig.3）具有以下核心科學價值：
1. 高分辨率氧化狀態映射：以100μm深度間隔精準量化沉積物氧化層厚度，揭示OM輸入后氧消耗的微尺度變化（如高OM處理氧滲透深度降至3.4mm）。
2. 耦合過程機制解析：結合TOU數據，證實OM數量增加通過增強微生物呼吸導致氧化層收縮，但此變化未直接轉化為氮循環速率改變（如反硝化受OM質量主導），突顯氧化還原條件與生物地球化學過程的非線性關系。
3. 管理應用支撐：明確沉積物缺氧風險閾值（氧滲透深度<4mm），為評估富營養化或氣候變暖下底棲棲息地退化提供關鍵指標。