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摘要
環(huán)境脈沖，或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)條件的突然、顯著變化，可以成為許多系統(tǒng)中資源可用性的重要驅(qū)動(dòng)因素。在這項(xiàng)研究中，我們研究了潮汐脈沖對(duì)一氧化二氮 (N2O) 通量的影響溫室氣體，來(lái)自美國(guó)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(shí)間越長(zhǎng)，這種 N2O 匯就會(huì)增加。這些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)分添加相結(jié)合，表明該通量似乎主要由沉積物反硝化作用驅(qū)動(dòng)。此外，N2O 吸收對(duì)溶解的無(wú)機(jī)氮和磷 (DIN DIP) 最敏感此外，表明 N2O 消耗過(guò)程可能受到 P 限制。此外，營(yíng)養(yǎng)添加實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明，潮灘是 N2O 的重要匯，有可能抵消附近其他生態(tài)系統(tǒng)釋放的這種強(qiáng)效溫室氣體。
介紹
生態(tài)系統(tǒng)中的脈沖既可以是內(nèi)部的（例如，捕食者-獵物或食草動(dòng)物的循環(huán)）也可以是外部的（例如潮汐、颶風(fēng)、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(yǎng)分、碳、氧），以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)中，氣候和/或環(huán)境條件通常是資源脈沖的最重要驅(qū)動(dòng)因素（Nowlin 等人，2008 年）。反過(guò)來(lái)，這些脈沖事件有助于從濕地內(nèi)部生產(chǎn)力和吸積動(dòng)態(tài)解釋眾多生態(tài)系統(tǒng)層面的動(dòng)態(tài)（Odum 等人，1995 年，Hensel等人 1999），到河口和深海生態(tài)系統(tǒng)中的沉積物運(yùn)輸和養(yǎng)分循環(huán)（Karl 2002，Davis 等人 2004）。在許多情況下，脈沖事件對(duì)研究它們的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了長(zhǎng)期的影響. 例如，在沙漠草中，Huxman 等人（2004 年）測(cè)量了碳積累的增加達(dá) 脈沖降雨事件后 15 天（Huxman 等人，2004 年）。此外，Davis 等人（2004 年）發(fā)現(xiàn)，兩次風(fēng)暴事件將每年 60-65% 的河流 N 和 P 輸出輸送到佛羅里達(dá)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(huì)經(jīng)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(diào)節(jié)這些沉積物中資源可用性的主要驅(qū)動(dòng)力。因此，潮間帶生態(tài)系統(tǒng)中的脈沖潮汐動(dòng)力學(xué)可以導(dǎo)致沉積物養(yǎng)分和氣體可用性的快速變化。例如，來(lái)潮可能會(huì)補(bǔ)充孔隙水養(yǎng)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(huì)發(fā)揮作用在潮灘生態(tài)系統(tǒng)處理養(yǎng)分和交換大氣溫室氣體的方式中發(fā)揮著重要作用。
許多研究都集中在脈沖事件對(duì)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(shí)驗(yàn)室和實(shí)地研究都表明，脈沖潤(rùn)濕事件，例如干旱后的快速降雨，特別是導(dǎo)致包括一氧化二氮在內(nèi)的各種溫室氣體的產(chǎn)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(duì)再潤(rùn)濕表現(xiàn)出特別顯著的反應(yīng)，在田間研究中 N2Oflux 率增加了 450% 到 9700% 以上，并且在實(shí)驗(yàn)室操作中增加了 80 000%（Kim et al.2012）。此外，Nobre 等人（2001 年）發(fā)現(xiàn)，一次中雨事件可能占熱帶土壤中 N2O 每周總產(chǎn)量的 15-90%（Nobre 等人，2001 年）。這些發(fā)現(xiàn)表明，陸地土壤中的脈沖潤(rùn)濕事件可以導(dǎo)致 N2O 的間歇性產(chǎn)生，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的凈通量 m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出事件的持續(xù)時(shí)間。
了解來(lái)自一系列生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放很重要，因?yàn)檫@些氣體對(duì)全球氣候有重大影響（例如，IPCC 2007）。N2O 是一種強(qiáng)大的、長(zhǎng)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(shí)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(zhì)（IPCC 2007）。人類(lèi)活動(dòng)包括農(nóng)業(yè)實(shí)踐和化石燃料燃燒造成了超過(guò)三分之一的 N2O 排放到大氣中（IPCC 2007）。然而，我們也可能通過(guò)向水生系統(tǒng)加載氮來(lái)間接影響 N2O 排放（Seitzinger 等人 2000，Kroeze 等人 2005） .
一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是 N2O 源還是匯在很大程度上取決于微生物 N2O 生產(chǎn)和消耗的平衡。 N2O 的通量主要由三個(gè)氮循環(huán)過(guò)程介導(dǎo)：硝化、異化硝酸鹽還原成氨 (DNRA) 和反硝化。是一個(gè)兩步、化學(xué)自養(yǎng)的微生物過(guò)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(gè)硝化步驟是由氨氧化細(xì)菌 (AOB) 進(jìn)行的) 和古細(xì)菌 (AOA)，并且需要分子氧（Ward 等人，1982 年，Beman 和 Francis 2006 年）。AOB 和 AOA 都會(huì)產(chǎn)生 N2O 作為副產(chǎn)品（例如，F(xiàn)rame 和 Casciotti 2010，Santoro 等人，2011 年）。此外，硝化可以通過(guò)稱(chēng)為硝化器反硝化的過(guò)程產(chǎn)生 N2O，其中氨 (NH3+) 被氧化為 NO2-，然后通過(guò) NO 和 N2O 將其還原為二氮（Wrage 等人，2001 年）。DNRA 是一種微生物介導(dǎo)的途徑，通過(guò) 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(chǎn)生 N2O 作為副產(chǎn)品（de Wilde 和 de Bie 2000）。相反，反硝化作用是一種厭氧、異養(yǎng)過(guò)程，其中有機(jī)碳被氧化通過(guò)將 NO3 還原為二氮 (N2) 氣體（Burgin 和 Hamilton 2007）。在這個(gè)多步驟的途徑中，N2O 可以作為中間體產(chǎn)生?；蛘?，當(dāng)硝酸鹽濃度非常低時(shí)，反硝化細(xì)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(jù)環(huán)境條件產(chǎn)生或消耗 N2O（Culbertson 等人 1981，Kieskamp 等人 1991）。主要控制是否結(jié)束。反硝化的產(chǎn)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(jī)物物質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量（King 和 Nedwell 1987）。硝態(tài)氮的平衡 DNRA 和反硝化在很大程度上決定了系統(tǒng)是作為 N2O 向大氣的凈源還是匯。
一般來(lái)說(shuō)，陸地土壤和水生生態(tài)系統(tǒng)都被認(rèn)為是環(huán)境中 N2O 的來(lái)源（Seitzinger 等人，2000 年，Chapuis-Lardy 等人，2007 年）。尤其是沿海海洋系統(tǒng)，已被發(fā)現(xiàn)在任何地方都有影響這種強(qiáng)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(tài)系統(tǒng)特別容易受到影響人為擾動(dòng)，包括海平面上升（IPCC 2007）和營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷增加（Nixon et al.1995，Kroeze et al.2005）。正如已經(jīng)證明的那樣，增加氮（N）負(fù)荷對(duì)于沿海系統(tǒng)中的 N2O 動(dòng)態(tài)尤其重要N 負(fù)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(fù)荷的持續(xù)增加使沿海海洋系統(tǒng)面臨風(fēng)險(xiǎn)成為更大的 N2O 來(lái)源 (Kroeze et al.2005)。
一些沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中的 N2O 動(dòng)力學(xué)比其他海洋生態(tài)系統(tǒng)中的 N2O 動(dòng)態(tài)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(jié)和鹽度而變化，但總體而言，河口已被證明是大氣中 N2O 的來(lái)源（例如，Binnerup 等人 1992，de Wilde 和 de Bie 2000）。然而，已經(jīng)報(bào)道了沉積物 N2O 吸收的發(fā)生率（Dong 等人 2002，LaMontagne 等人 2003）。相比之下，其他沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中的 N2O 動(dòng)態(tài)這種和鹽沼（例如，Lindau 和 DeLaune 1991，Wang 等人，2007 年，Moseman-Valtierra 等人，2011 年，F(xiàn)ord 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(méi)有得到很好的研究。此外，數(shù)據(jù)的可變性更大，研究之間關(guān)于這些系統(tǒng)是否一致 作為 N2O 的源或匯。例如，Wang 等（2007）發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口邊緣的潮灘在夏季是 N2O 的匯（Wang 等，2007），而 Adams 等（2012）發(fā)現(xiàn)英國(guó)黑水河口的潮汐泥灘是每年 N2O 的來(lái)源（Adams 等人，2012 年）?？傮w而言，潮間它們的 N2O 動(dòng)力學(xué)值得進(jìn)一步研究。
盡管之前已經(jīng)對(duì)潮間帶沉積物中的 N2Oflux 進(jìn)行了測(cè)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(jié)果不一致，據(jù)我們所知，潮汐脈沖對(duì) N2O 動(dòng)力學(xué)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(tài)系統(tǒng)的數(shù)量級(jí)相同（Wang 等人，2007 年，Adams 等人，2012 年），并且與河口通量相當(dāng)，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(tǒng)中的 N2O 通量，并了解 N2O 對(duì)潮間帶環(huán)境的脈沖營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)對(duì)于我們了解沿海海洋 N2O 通量至關(guān)重要，并預(yù)測(cè)它們可能會(huì)如何隨著人類(lèi)的進(jìn)一步改變而表現(xiàn)。本研究的目的是檢查潮汐脈沖，特別是沉積物對(duì)大氣的潮汐暴露，對(duì)潮汐平 N2Ofluxes 的影響。我們假設(shè)沉積物養(yǎng)分和氧氣的變化退潮期間的可用性將對(duì)氮循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重大影響，因此，該潮灘生態(tài)系統(tǒng)中的 N2O 動(dòng)態(tài)。
潮汐脈沖對(duì)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(duì)于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——方法、數(shù)據(jù)分析
潮汐脈沖對(duì)于溫和潮間帶泥灘中一氧化二氮通量改變的研究——結(jié)果
