摘要


環境脈沖，或生態系統內條件的突然、顯著變化，可以成為許多系統中資源可用性的重要驅動因素。在這項研究中，我們研究了潮汐脈沖對一氧化二氮 (N2O) 通量的影響溫室氣體，來自美國馬薩諸塞州北岸的海洋潮間帶泥灘。沉積物受潮汐暴露的時間越長，這種 N2O 匯就會增加。這些現場測量與實驗室養分添加相結合，表明該通量似乎主要由沉積物反硝化作用驅動。此外，N2O 吸收對溶解的無機氮和磷 (DIN DIP) 最敏感此外，表明 N2O 消耗過程可能受到 P 限制。此外，營養添加實驗表明，異化硝酸鹽還原成銨 (DNRA) 釋放的 N2O 含量最高 硝酸鹽施肥的 ls。我們的研究結果表明，潮灘是 N2O 的重要匯，有可能抵消附近其他生態系統釋放的這種強效溫室氣體。


介紹


生態系統中的脈沖既可以是內部的（例如，捕食者-獵物或食草動物的循環）也可以是外部的（例如潮汐、颶風、洪水；Odum 等人，1995 年）。在基本層面上，這些脈沖決定了資源的可用性（例如，水、養分、碳、氧），以及生態系統結構和功能（Junk 等人 1989、Odum 等人 1995、Kessavalou 等人 1998 年和許多其他人）。在陸地和水生系統中，氣候和/或環境條件通常是資源脈沖的最重要驅動因素（Nowlin 等人，2008 年）。反過來，這些脈沖事件有助于從濕地內部生產力和吸積動態解釋眾多生態系統層面的動態（Odum 等人，1995 年，Hensel等人 1999），到河口和深海生態系統中的沉積物運輸和養分循環（Karl 2002，Davis 等人 2004）。在許多情況下，脈沖事件對研究它們的生態系統產生了長期的影響. 例如，在沙漠草中，Huxman 等人（2004 年）測量了碳積累的增加達 脈沖降雨事件后 15 天（Huxman 等人，2004 年）。此外，Davis 等人（2004 年）發現，兩次風暴事件將每年 60-65% 的河流 N 和 P 輸出輸送到佛羅里達灣東北部（Davis 等人，2004 年）。 2004）。


潮間帶和其他潮間帶沉積物每天都會經歷潮汐周期的脈沖事件。這種外部脈沖，潮汐的退潮和泛濫，是調節這些沉積物中資源可用性的主要驅動力。因此，潮間帶生態系統中的脈沖潮汐動力學可以導致沉積物養分和氣體可用性的快速變化。例如，來潮可能會補充孔隙水養分，而退潮使沉積物暴露在大氣中，并可能增加沉積物氧氣滲透。這些資源可用性的快速變化可能會發揮作用在潮灘生態系統處理養分和交換大氣溫室氣體的方式中發揮著重要作用。


許多研究都集中在脈沖事件對陸地土壤溫室氣體排放的影響上（例如，Scholes 等人 1997、Harper 等人 2005、Kim 等人 2012）。實驗室和實地研究都表明，脈沖潤濕事件，例如干旱后的快速降雨，特別是導致包括一氧化二氮在內的各種溫室氣體的產生顯著增加（N2O；例如，Scholes et al.1997，Martin et al.2003，Butterbach-Bahl et al.2004， Kim et al.2010。N2O 對再潤濕表現出特別顯著的反應，在田間研究中 N2Oflux 率增加了 450% 到 9700% 以上，并且在實驗室操作中增加了 80 000%（Kim et al.2012）。此外，Nobre 等人（2001 年）發現，一次中雨事件可能占熱帶土壤中 N2O 每周總產量的 15-90%（Nobre 等人，2001 年）。這些發現表明，陸地土壤中的脈沖潤濕事件可以導致 N2O 的間歇性產生，從而影響生態系統的凈通量 m 遠遠超出事件的持續時間。


了解來自一系列生態系統的溫室氣體排放很重要，因為這些氣體對全球氣候有重大影響（例如，IPCC 2007）。N2O 是一種強大的、長壽命的溫室氣體，其全球變暖潛能值是碳的近 300 倍二氧化碳，在大氣中的停留時間為 114 年（IPCC 2007）。除了作為溫室氣體的效力外，N2O 還是平流層中最豐富的臭氧消耗物質（IPCC 2007）。人類活動包括農業實踐和化石燃料燃燒造成了超過三分之一的 N2O 排放到大氣中（IPCC 2007）。然而，我們也可能通過向水生系統加載氮來間接影響 N2O 排放（Seitzinger 等人 2000，Kroeze 等人 2005） .


一個生態系統是 N2O 源還是匯在很大程度上取決于微生物 N2O 生產和消耗的平衡。 N2O 的通量主要由三個氮循環過程介導：硝化、異化硝酸鹽還原成氨 (DNRA) 和反硝化。是一個兩步、化學自養的微生物過程，其中氨 (NH4t) 被氧化為亞硝酸鹽 (NO2-)，隨后被氧化為硝酸鹽 (NO3-)。第一個硝化步驟是由氨氧化細菌 (AOB) 進行的) 和古細菌 (AOA)，并且需要分子氧（Ward 等人，1982 年，Beman 和 Francis 2006 年）。AOB 和 AOA 都會產生 N2O 作為副產品（例如，Frame 和 Casciotti 2010，Santoro 等人，2011 年）。此外，硝化可以通過稱為硝化器反硝化的過程產生 N2O，其中氨 (NH3+) 被氧化為 NO2-，然后通過 NO 和 N2O 將其還原為二氮（Wrage 等人，2001 年）。DNRA 是一種微生物介導的途徑，通過 NO2 將 NO3 還原為 NH4+（Brunet 和 GarciaGil 1996， An and Gardner 2002，Burgin 和 Hamilton 2007），與硝化作用一樣，DNRA 可以產生 N2O 作為副產品（de Wilde 和 de Bie 2000）。相反，反硝化作用是一種厭氧、異養過程，其中有機碳被氧化通過將 NO3 還原為二氮 (N2) 氣體（Burgin 和 Hamilton 2007）。在這個多步驟的途徑中，N2O 可以作為中間體產生?；蛘?，當硝酸鹽濃度非常低時，反硝化細菌可以使用 N2O 作為中間體。末端電子受體，將其還原為 N2（Miller 等人，1986 年）。因此，反硝化可以根據環境條件產生或消耗 N2O（Culbertson 等人 1981，Kieskamp 等人 1991）。主要控制是否結束。反硝化的產物是 N2 或 N2O，包括氧濃度（Betlach 和 Tiedje 1981，Jorgensen 等人 1984）、硫化氫的存在（Sorensen 等人 1980）、NO3 濃度（King 和 Nedwell 1987）和有機物物質的質量和數量（King 和 Nedwell 1987）。硝態氮的平衡 DNRA 和反硝化在很大程度上決定了系統是作為 N2O 向大氣的凈源還是匯。


一般來說，陸地土壤和水生生態系統都被認為是環境中 N2O 的來源（Seitzinger 等人，2000 年，Chapuis-Lardy 等人，2007 年）。尤其是沿海海洋系統，已被發現在任何地方都有影響這種強效溫室氣體占全球海洋總排放量的 7% 至 61%（Bange 等人 1996、Nevison 等人 2004、Kroeze 等人 2005 年）。由于它們靠近人口，這些生態系統特別容易受到影響人為擾動，包括海平面上升（IPCC 2007）和營養負荷增加（Nixon et al.1995，Kroeze et al.2005）。正如已經證明的那樣，增加氮（N）負荷對于沿海系統中的 N2O 動態尤其重要N 負荷的增加有可能增加沿海沉積物的 N2O 排放（Seitzinger 和 Nixon 1985，Mose-man-Valtierra 等人 2011）。因此，全球沿海 N 負荷的持續增加使沿海海洋系統面臨風險成為更大的 N2O 來源 (Kroeze et al.2005)。


一些沿海海洋生態系統中的 N2O 動力學比其他海洋生態系統中的 N2O 動態受到更好的約束。例如，河口 N2O 通量已得到很好的研究（例如，Seitzinger 和 Nixon 1985、Binnerup 等人 1992、Bange 等人 1996、Robinson 等人。 1998，de Wilde 和 de Bie 2000，Dong 等人，2002 年，LaMontagne 等人，2003 年。盡管河口 N2O 通量的大小隨季節和鹽度而變化，但總體而言，河口已被證明是大氣中 N2O 的來源（例如，Binnerup 等人 1992，de Wilde 和 de Bie 2000）。然而，已經報道了沉積物 N2O 吸收的發生率（Dong 等人 2002，LaMontagne 等人 2003）。相比之下，其他沿海海洋生態系統中的 N2O 動態這種和鹽沼（例如，Lindau 和 DeLaune 1991，Wang 等人，2007 年，Moseman-Valtierra 等人，2011 年，Ford 等人，2012 年）和潮灘（例如，Kieskamp 等人，1991 年，Middelburg 等人，1995 年，Wang） et al.2007,Adams et al.2012) 沒有得到很好的研究。此外，數據的可變性更大，研究之間關于這些系統是否一致 作為 N2O 的源或匯。例如，Wang 等（2007）發現長江口邊緣的潮灘在夏季是 N2O 的匯（Wang 等，2007），而 Adams 等（2012）發現英國黑水河口的潮汐泥灘是每年 N2O 的來源（Adams 等人，2012 年）?？傮w而言，潮間它們的 N2O 動力學值得進一步研究。


盡管之前已經對潮間帶沉積物中的 N2Oflux 進行了測量（例如，Miller 等人 1986、Kieskamp 等人 1991、Middelburg 等人 1995、Wang 等人 2007、Adams 等人 2012），但他們的結果不一致，據我們所知，潮汐脈沖對 N2O 動力學的影響尚未得到解決。


然而，先前的工作表明，潮灘既可以是 N2O 的源也可以是 N2O 的匯，與一些鹽沼生態系統的數量級相同（Wang 等人，2007 年，Adams 等人，2012 年），并且與河口通量相當，如果不大于（例如，Seitzinger 和 Nixon 1985，LaMontagne 等人，2003）。因此，更好地限制這些系統中的 N2O 通量，并了解 N2O 對潮間帶環境的脈沖營養動態的響應對于我們了解沿海海洋 N2O 通量至關重要，并預測它們可能會如何隨著人類的進一步改變而表現。本研究的目的是檢查潮汐脈沖，特別是沉積物對大氣的潮汐暴露，對潮汐平 N2Ofluxes 的影響。我們假設沉積物養分和氧氣的變化退潮期間的可用性將對氮循環過程產生重大影響，因此，該潮灘生態系統中的 N2O 動態。


潮汐脈沖對于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——摘要、介紹

潮汐脈沖對于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——方法、數據分析

潮汐脈沖對于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——結果

潮汐脈沖對于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——討論

潮汐脈沖對于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——結論、致謝！