Tidal Freshwater Zones as Hotspots for Biogeochemical Cycling: Sediment Organic Matter Decomposition in the Lower Reaches of Two South Texas Rivers  

潮汐淡水區(qū)作為生物地球化學(xué)循環(huán)的熱點(diǎn)：德克薩斯州南部?jī)蓷l河流下游的沉積物有機(jī)質(zhì)分解  

來源：Estuaries and Coasts (2021) 44:722–733

《河口與海岸》 2021年 第44卷 頁碼 722–733

 

摘要  

摘要指出，河流是陸地向河口輸送有機(jī)和無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的重要通道，但潮汐淡水區(qū)（TFZ）的生物地球化學(xué)過程如何修改這些輸入尚不清楚。本研究量化了德克薩斯州南部Mission和Aransas河流下游潮汐淡水區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)分解速率，發(fā)現(xiàn)TFZ沉積物的O2消耗速率與河口相似，但高于上游非潮汐河流站點(diǎn)。夏季和冬季的平均O2消耗速率在Aransas河TFZ分別為385±88和349±87 μmol O2 m?2 h?1，在Mission河TFZ分別為767±153和691±95 μmol O2 m?2 h?1。這些速率主要受沉積物有機(jī)質(zhì)含量和溫度控制。沉積物有機(jī)質(zhì)主要來自原位藻類生產(chǎn)，表明TFZ是藻類生產(chǎn)和沉降的關(guān)鍵區(qū)域，將流域營(yíng)養(yǎng)鹽從水體轉(zhuǎn)移到沉積物中。未來需進(jìn)一步量化分解與營(yíng)養(yǎng)鹽再礦化及反硝化等移除過程的聯(lián)系。

 

研究目的

1. 驗(yàn)證潮汐淡水區(qū)（TFZ）作為生物地球化學(xué)熱點(diǎn)的重要性，特別是沉積物有機(jī)質(zhì)分解過程。  

2. 檢驗(yàn)假設(shè)：TFZ沉積物有機(jī)質(zhì)分解速率受有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量的影響，且TFZ的長(zhǎng)滯留時(shí)間和高沉積速率增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)移除，顯著修改陸地向河口的營(yíng)養(yǎng)鹽輸送。  

3. 比較Mission河和Aransas河TFZ的差異，分析土地利用和人為活動(dòng)對(duì)TFZ功能的影響。

 

研究思路：  

1. 梯度設(shè)計(jì)：在Mission和Aransas河流的潮汐淡水區(qū)（TFZ）和非潮汐站點(diǎn)（各5-6個(gè)站點(diǎn)）進(jìn)行采樣，覆蓋上游至下游梯度（圖1）。

 

2. 季節(jié)采樣：在2015-2017年期間進(jìn)行兩次夏季（6月）和兩次冬季（2月/1月）采樣，聚焦基流條件以反映TFZ典型水文特征。  

3. 數(shù)據(jù)采集：采集沉積物巖芯，測(cè)量沉積物孔隙度、有機(jī)碳（SOC）、氮（SN）、C/N比、δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素；使用Unisense微電極測(cè)量溶解氧（DO）剖面，計(jì)算擴(kuò)散O2消耗速率（DOU）；應(yīng)用擴(kuò)散-反應(yīng)模型估算O2消耗速率。  

4. 統(tǒng)計(jì)分析：使用多元線性回歸分析O2消耗速率與溫度、SOC、C/N、δ13C和δ15N的關(guān)系，評(píng)估各因素相對(duì)貢獻(xiàn)；方差膨脹因子（VIF）檢驗(yàn)變量共線性；t檢驗(yàn)比較河流間和季節(jié)差異。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 沉積物O2消耗速率：通過Unisense微電極測(cè)量DO剖面，計(jì)算擴(kuò)散O2消耗速率（DOU）。數(shù)據(jù)來自表1（TFZ站點(diǎn)）和表2（非潮汐站點(diǎn)），圖2（站點(diǎn)間O2消耗速率分布）和圖3（河流間季節(jié)性比較）。研究意義：作為好氧有機(jī)質(zhì)分解的直接指標(biāo)，量化TFZ沉積物生物地球化學(xué)活性，揭示其與河口系統(tǒng)的相似性及作為陸海界面熱點(diǎn)的作用。  

 

 

  

 

  

 

2. 沉積物特性：包括孔隙度、有機(jī)碳（SOC）、氮（SN）含量、C/N比、δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素。數(shù)據(jù)來自表1（TFZ季節(jié)性數(shù)據(jù)）和表2（TFZ與非潮汐站點(diǎn)對(duì)比），圖4（SOC含量）。研究意義：SOC反映有機(jī)質(zhì)數(shù)量，δ13C和C/N比指示有機(jī)質(zhì)來源（藻類vs.陸源），孔隙度關(guān)聯(lián)沉積物粒度，共同解釋O2消耗速率變異；證明TFZ有機(jī)質(zhì)以原位藻類生產(chǎn)為主。  

  

 

3. 環(huán)境參數(shù)：水溫（夏季25.5±0.3°C，冬季19.3±2.3°C）。數(shù)據(jù)來自方法部分和表4（回歸分析）。研究意義：溫度影響微生物活性，與SOC共同驅(qū)動(dòng)O2消耗；解釋季節(jié)性差異較小（因冬季溫和）。  

 

結(jié)論：  

1. TFZ沉積物O2消耗速率（Mission河：691–767 μmol O2 m?2 h?1；Aransas河：349–385 μmol O2 m?2 h?1）與河口相似，但顯著高于非潮汐河流站點(diǎn)（如Mission非潮汐站點(diǎn)：120±38 μmol O2 m?2 h?1），證實(shí)TFZ是生物地球化學(xué)熱點(diǎn)。  

2. 沉積物有機(jī)碳（SOC）含量是O2消耗的主要驅(qū)動(dòng)因素（解釋48.7%變異），孔隙度與SOC正相關(guān)，反映細(xì)顆粒沉積物對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用；溫度影響次要（僅7%變異）。  

3. 沉積物有機(jī)質(zhì)主要源自原位藻類生產(chǎn)（δ13C和C/N比指示），而非陸源輸入；藻類沉降將流域營(yíng)養(yǎng)鹽從水體轉(zhuǎn)移至沉積物，修改了向河口的輸送形式。  

4. 土地利用差異（Aransas河更多農(nóng)業(yè)）影響沉積物特性（如孔隙度和SOC），但不改變TFZ作為分解熱點(diǎn)的核心功能；基流條件下長(zhǎng)滯留時(shí)間促進(jìn)OM循環(huán)，但風(fēng)暴事件可能沖刷沉積物，需未來研究整合水文動(dòng)態(tài)。  

 

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

使用丹麥Unisense OX-50微電極（Clark型）測(cè)量沉積物溶解氧（DO）剖面，具體方法為：在完整沉積物巖芯中，以250μm深度間隔從富氧上覆水層至缺氧沉積層垂直測(cè)量DO濃度，結(jié)合擴(kuò)散-反應(yīng)模型（基于Fick定律和Monod動(dòng)力學(xué)）計(jì)算擴(kuò)散O2消耗速率（DOU）。研究意義包括：  

? 高分辨率與準(zhǔn)確性：微電極提供毫米級(jí)垂直分辨率，避免傳統(tǒng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的擾動(dòng)，直接原位模擬DO擴(kuò)散過程，準(zhǔn)確量化好氧微生物呼吸速率，作為有機(jī)質(zhì)分解的可靠代理（對(duì)比總O2吸收法TOU可能受生物灌溉干擾）。  

 

? 支持熱點(diǎn)假說：測(cè)得TFZ DOU速率（最高1589 μmol O2 m?2 h?1）與全球河口數(shù)據(jù)（277–527 μmol O2 m?2 h?1）可比，首次證明TFZ沉積物分解活性與河口相當(dāng)，填補(bǔ)河流系統(tǒng)此類數(shù)據(jù)的空白。  

 

? 機(jī)制解析：DOU數(shù)據(jù)與SOC回歸分析（圖5）直接驗(yàn)證SOC是主要驅(qū)動(dòng)因素（斜率321，p<0.01），排除OM質(zhì)量（δ13C/C/N）的顯著影響，強(qiáng)化了藻類衍生OM主導(dǎo)分解的結(jié)論。  

 

  

? 應(yīng)用價(jià)值：為后續(xù)研究提供標(biāo)準(zhǔn)方法，如量化反硝化或厭氧過程時(shí)，DOU可作為基線參數(shù)，幫助評(píng)估TFZ在碳氮循環(huán)中的整體作用（如本研究推算Aransas河TFZ年礦化4.0×10^6 mol C）。