Response of benthic nitrogen cycling to estuarine hypoxia  

河口缺氧對底棲氮循環的影響  

來源：Limnol. Oceanogr. 66, 2021, 652–666

《湖沼學與海洋學》第66卷（2021年），第652至666頁。

 

摘要內容

探討了長江口及鄰近東海區域底水氧濃度變化對沉積物氧氣吸收、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。通過季節性比較（5月與8月）和人為誘導三種底水氧條件（正常氧、環境氧、嚴重缺氧），研究發現5月至8月底水氧濃度下降50%，導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，對總底棲氮損失的貢獻從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，DNRA對硝酸鹽還原的貢獻增加，促進無機氮循環。在嚴重缺氧條件下，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雜，與底水氧濃度低于9.7μM時硝化抑制及DNRA增加有關。總體表明，季節性缺氧增強有機和無機氮的滯留，加劇氧缺乏問題。

 

研究目的

研究長江口及東海區域底水氧濃度變化如何影響底棲氮循環過程，包括氧氣動態、氮通量轉化及微生物過程，以預測富營養化和缺氧的反饋機制，并為全球氮循環模型提供依據。

 

研究思路：  

1 在長江口及鄰近東海選取五個站點，于2011年5月和8月進行兩次巡航采樣。  

2 結合自然季節性變化（5月富氧 vs 8月低氧）與人為誘導實驗（在8月巡航中設置正常氧、環境氧和嚴重缺氧三種條件）。  

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 測量沉積物氧剖面、營養鹽通量，并應用15N同位素配對技術量化氮轉化率（如anammox、denitrification、DNRA）。  

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

6 統計相關性分析（如ANOVA和Pearson相關）評估環境參數與氮循環的關系。

 

測量了哪些方面的數據  

1 底水氧濃度和沉積物氧滲透深度：通過丹麥Unisense微電極（OX-25）測量，用于計算氧滲透深度變化（來自圖2和圖3）。  

 

 

2 沉積物氧氣吸收速率（SOU）：通過核心培養實驗量化，單位為mmol O? m?2 d?1（來自圖5）。  

 

3 硝酸鹽（NO??）和銨（NH??）通量：從培養實驗中獲取凈通量數據，包括釋放或吸收趨勢（來自圖5）。  

4 厭氧氨氧化（anammox）、反硝化（denitrification）和DNRA率：使用15N同位素技術測量，單位為mmol N m?2 d?1（來自圖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）：從核心培養數據計算（來自圖7）。  

6 硝化作用和礦化作用率：基于通量和模型估計（來自圖5）。  

7 環境參數：如溫度、鹽度、總有機碳（TOC）、底水營養鹽濃度（來自表1）。

 

這些數據的研究意義  

1 氧滲透深度和SOU數據（圖3）揭示缺氧降低沉積物氧化層厚度，直接抑制好氧過程（如硝化），影響氮損失效率，為預測缺氧區擴展提供關鍵指標。  

2 氮通量數據（圖5）顯示缺氧時銨釋放增加和硝酸鹽吸收增強，表明氮滯留機制加強，這對評估富營養化反饋至關重要。  

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）突顯氮循環向保留方向轉變，幫助解釋為何缺氧加劇富營養化。  

4 硝化閾值數據（圖8）識別氧濃度低于117μM時硝化線性下降，低于9.7μM時完全抑制，為模型設置氧依賴參數提供實驗依據。  

 

5 相關性分析（表2）顯示SOU與氮損失正相關，DNRA與銨釋放正相關，證實過程耦合性，支持全球氮循環模型的改進。

 

 

結論：  

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

2 嚴重缺氧（人為誘導）使沉積物氧吸收和總氮損失率分別驟降88%和38%，同時DNRA貢獻上升（如站點C1從5%到30%），增強無機氮循環。  

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

4 缺氧改變氮分配：促進DNRA和銨保留，抑制耦合硝化-反硝化，形成“缺氧增強氮滯留”的正反饋循環，加劇富營養化和氧缺乏。  

5 長江口數據可外推至全球，表明不同缺氧系統（如常年缺氧 vs 季節性缺氧）氮響應模式相似，但氧閾值（如117μM硝化下降點）需因地制宜。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

Unisense微電極（OX-25）用于高分辨率（100μm）測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據（圖2），直接計算氧化層厚度變化，這是量化缺氧對好氧微生物過程（如硝化）抑制的關鍵，因為氧滲透深度下降（如從4.3mm降至3.0mm）減少硝化反應區，降低硝酸鹽供應。2 實時監測氧濃度用于人為誘導實驗（如嚴重缺氧條件平均16μM），確保實驗條件可控，驗證氧閾值效應（如9.7μM硝化完全抑制）。3 結合氧吸收速率計算（圖5），揭示沉積物呼吸效率與氮循環的耦合性（討論中指出SOU與氮損失正相關），為全球缺氧區模型提供高精度參數。4 相比傳統方法，微電極數據減少誤差（如擴散模型偏差），支持結論可靠性，尤其在識別氧對氮路徑分配（如DNRA vs denitrification）的影響時不可或缺。總體而言，這些數據是理解缺氧驅動氮保留機制的核心證據。