使用天然丰度和N物种浓度以评估N-Cycling构建沿海湿地和自然

文摘

自然丰富的氮稳定同位素与浓度可能有用的指标结合使用N-cycling湿地。浓度和签名的,和沉积物有机氮(儿子)测量两个影响沿海高尔夫球场保留池塘和两个自然湿地。有限的中检测出自然网站地表水或孔隙水,但同位素签名和浓度的地表水的影响网站显示人为输入。在自然的网站,在深层孔隙水浓度是最大的,至少在表面水,表明扩散主导。自然网站大%的儿子,表明,自然网站也更大从儿子比影响矿化网站公布。在召集系统、浓度和N-cycling天然丰度能够提供信息,虽然过程联系在一起更好的使用浓度和阐明的吗天然丰度。

1。介绍

河口盐沼是重要的环境和经济都在南卡罗来纳海岸环境。这种类型的河口作为幼儿园对许多海洋物种(1其中包括商业重要性[2),抑制了在沿海地区风暴潮的影响(3),并提供营养污染物的去除机制之前,他们到达更大的海洋4]。在南卡罗来纳海岸发展继续增加,重要的是要理解,人为增加营养污染可能影响在河口盐沼的养分循环,从而他们有益的功能。例如,过量的氮污染会导致富营养化和藻类的大量繁殖,包括潜在的有毒物种的花朵。在美国东南部鱼杀死属Pfiesteria在沿海水域富营养化。有害藻华也与其他物种的死亡包括牡蛎和蓝蟹(5]。

含氮的污染可以从河口盐沼删除通过反硝化作用的过程。氮污染也可以维护系统中,各种形式的氮(N)之间的转换过程的异化的硝酸盐还原氨(DNRA)和硝化作用。无机N自然可以被添加到系统通过矿化过程和N固定。含氮的污染进入沿海生态系统的数量和类型可能影响这些不同的分区N-associated过程,进而影响N的浓度和种类。本研究的总体目标是检查N过程构造和沿海自然环境中通过使用氮稳定同位素和N浓度测量实验在实验室的缩影。

有两种方法¹⁵N可以用来跟踪的流程通过系统。第一个方法是¹⁵N示踪法,其中包括添加无机N源的丰富¹⁵N的系统和随后跟踪¹⁵通过N池。示踪剂方法可以昂贵和使用时的劣势原位添加一个以前缺席¹⁵N源的环境。第二种方法是天然丰度(¹⁵N)方法,它依赖于自然变化之间的同位素比例N池追踪来源和可能的转换流程通过系统(6]。天然丰度方法是很困难的,因为它们需要大量同位素签名N池之间的差异来识别可能的来源和遵循N通道。除了混合和分离效果,和N转换,必须清楚识别主要N-cycle过程(7]。尽管存在这些挑战,¹⁵N方法已成功用于硝酸逾十年()N-contaminated环境中源特征包括河流、地下水分水岭,(8- - - - - -12]。

的¹⁵N方法用于这项研究检查潜在N-cycle过程两个构造和两个沿海自然环境在南卡罗来纳,美国。这两个自然采样地点是位于直接在河口盐沼。两个人工取样位置是位于海滨高尔夫球场保留池塘作为最佳管理实践减弱人为N和农药投入,并流入河口盐沼。一个构建网站收到化肥和灌溉废水处理。第二个网站只收到了肥料的应用程序。除了环境测量,实验也进行了测量N-cycle过程,主要是脱氮和DNRA水生沉积物。比较人工和天然沿海系统的能力将N的输入可以提供洞察人为N源N-cycle过程的影响和潜在的N积累在这些不同的系统。

2。实验

2.1。研究地点

这两个构建网站是牡蛎耙池塘和Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场池塘(图1)。牡蛎耙位于Kiawah岛,SC,查尔斯顿南部的一个堰洲岛。牡蛎Rake是浅,淡水,建造蓄水池位于高尔夫球场的绿色。高尔夫球场接收两个氨(NH₃)基于化肥和灌溉废水处理。Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场坐落在波弗特县,SC,也收到肥料而不是处理废水。保留池塘都用作最佳管理实践过程中径流从课程才能进入各自的沼泽。样本收集池塘2米的深度从池塘的边缘< 1 m。

两个天然网站严重的码头沼泽和Chechessee马什(图1)。都位于Okatee河口波弗特县SC。坟墓的码头沼泽是一个完全未开发和潮的影响摘要- - - - - -盐沼主导。旁边的Chechessee沼泽站点位于Chechessee小溪俱乐部沿着Chechessee溪高尔夫球场和接收径流的高尔夫球场。这个网站也是一个摘要主导盐沼。所有样品在这些位置都收集在一个浅的低潮盐沼的小溪。

2.2。抽样程序和准备

沉积物被收集在40厘米丙烯酸气缸(7.5厘米id)。1月份沉积物一个核心,两个核心4月和10月三个核心收集来自坟墓的码头沼泽和Chechessee沼泽。个人核心样本分别进行了分析,结果是报道。沉积物的核心之一是收集在10月份牡蛎耙池塘,和没有沉积物样品收集Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场池塘。密封的核心被保存在冰在运输和分为10厘米部分回到实验室。沉积物的部分与1 M立即提取氯化钾的比率的氯化钾150毫升每40 g(湿重)的沉积物通过将样品在耐尔根瓶250毫升瓶表在室温1小时。提取是透过0.45m选数管膜滤器(Schleicher & Schuell Inc .)、酸化的pH值使用12 N H ~ 2₂所以₄,储存在4°C到分析。

水样本中收集1 l耐尔根瓶子在运输和储存在冰。在回到实验室水样本立即透过0.45m选数管膜滤器(Schleicher & Schuell Inc .)和酸化的pH值使用12 N H ~ 2₂所以₄。水样本存储在4°C到分析。

水中硝酸盐和亚硝酸盐的样品和提取进行了分析(+),使用Lachat 8000系列QuikChem流动注射分析(FIA)使用镉还原(构成方法353.2)和酚盐法(构成方法350.1),分别(检测极限0.01毫克N l⁻¹)[13]。样本保存12 N H₂所以₄和发送到科罗拉多高原稳定同位素实验室(CPSIL)北亚利桑那大学¹⁵N的分析(+),在表面水和孔隙水。扩散方法适应由汗CPSIL et al。14),西格曼等。15),和福尔摩斯et al。16)是用于集中(+),,¹⁵N使用同位素比率质谱测定。至少20 - 40g N是必要的¹⁵N分析。标准差的扩散标准≤±0.35‰为¹⁵N -和≤±0.25‰为¹⁵N -。沉积物在90°C 48小时干和接地研钵和研杵前被送到CPSIL沉积物有机N(儿子)和C的浓度,和¹⁵N和¹³C分析。至少60毫克的N是必要的¹⁵N分析。因为C在土壤中含量高于N,不低于最低的样品¹³C分析。外部精密工作的国家标准与技术研究院(NIST)标准桃叶1547年(NIST)是≤±0.20‰为¹⁵N和≤±0.10‰为¹³C。

2.3。实验室实验设计

水和沉积物样本收集的缩影研究牡蛎耙,用于使用相同的方法¹⁵N分析。乙炔块技术被用来确定潜在的反硝化速率。沉积物泥浆制备使用3:1 sediment-to-site水比例从清廉厘米沉积物的核心部分。大约10 g的沉积物被添加到每个150毫升缩影。微观的子集是热压处理过的,作为非生物控制。1400年解决方案g没有₃- n毫升⁻¹和1000年g NH₄- n毫升⁻¹被使用去离子水和KNO做好准备了吗₃或NH₄分别Cl。非生物控制和1400毫升的修改g没有₃- n毫升⁻¹解决方案(总不₃156年- n浓度克毫升⁻¹,350年g g⁻¹干wt)和2毫升的6 M H₂所以₄高压灭菌法。一组实验缩影和1400毫升的修改g没有₃- n毫升⁻¹网站解决方案和2毫升的水,第二组与1400毫升的修改g没有₃- n毫升⁻¹解决方案(156年的最终浓度克毫升⁻¹和350年g g⁻¹干wt), 1000毫升的g NH₄- n毫升⁻¹解决方案(111年最终浓度克毫升⁻¹和275年g g⁻¹干wt), 1毫升的水。现场控制网站修改了3毫升的水,量化的任何变化和发生在背景浓度。

Oxyrase (Oxyrase Inc .)(0.5毫升)被添加到所有微观去除氧的泥浆和每个缩影氦得脸都红了2分钟把氧气从顶部空间。微观都包着mininert阀门允许气体采样,同时保持厌氧条件。15毫升的顶部空间被从每个缩影,取而代之的是15毫升的乙炔(13,17]。

顶部空间从三个微观从每个生活治疗是采样N₂18 O在乘以0,12日,24日,30日,36岁,48和72小时。非生物治疗是每24小时采样一式三份。一氧化二氮(N₂O)分析了使用瓦里安3700气相色谱仪(GC)配备电子捕获检测器(ECD)。烤箱温度等温在80°C,注入器和检测器温度是200和300°C,分别。N₂O溶解在液体缩影占使用亨利常数调整温度和盐度。顶部空间和溶解N₂总N O浓度总结来确定₂O。为了分析(+),在每个实验,和两个附加的微观治疗狼狈地在每个时间点取样的2毫升的6 M H₂所以₄随后提取1 M氯化钾。

2.4。统计分析

使用SPSS统计软件进行统计分析(18]。模型1方差分析是用来比较N物种浓度和同位素值之间的两个月,在数月内沉积物/水分数之间。随机完整块(RCB)方差分析设计中使用情况的影响阻碍因素采样时间被认为是不重要的,这个因素的影响被测试本身占为了避免因素之间的交互作用。RCB方差分析也用于比较的变化浓度之间的36 - 72小时后在实验室实验治疗。Bonferroni测试是用来确定哪些月或分数有显著不同浓度或同位素值和治疗有明显不同的变化浓度。一个配对以及是用来比较的儿子同位素值与对应的沉积物孔隙水同位素值。脱氮率计算任何明显的迟滞期后,使用最小二乘线性回归的N₂O和时间在每个治疗使用最少4个时间点。的Mann-Whitney以及用于治疗之间的脱氮率进行比较。显著性水平是α= 0.05的比较。

3所示。结果与讨论

3.1。构建网站

实验室实验使用沉积物和网站从牡蛎耙高尔夫球场保留池塘表示,当提供的外部来源,沉积物微生物迅速转换两个N₂O和在厌氧条件下,反硝化和DNRA功能(图2)。从N平均脱氮率计算₂4.84生产啊,g N₂设计g干重⁻¹(其中= 1.50,)和5.13g N₂设计g干重⁻¹(其中= 0.58,)和+分别修改没有显著不同(,)。之间无显著差异观察意味着增加浓度之间的治疗,+、现场控制和非生物治疗控制,但更多进化在第一组比第二组()建议DNRA发生的生活缩影输入(图3)。最终的平均浓度控制和非生物生活控制治疗后72小时是25.2g g⁻¹干重()和13.0g g⁻¹干重(),分别(数据没有显示)。

地表水在牡蛎耙更高浓度(4.6毫克L⁻¹比孔隙水浓度),高于任何浓度的地表水的其他网站。浓度较低的沉积物孔隙水收集在深处的牡蛎耙高尔夫球场保留池塘。地表水有一个¹⁵N值为3.65‰。所有其他的浓度太低来衡量¹⁵N的值。浓度是一种相反的趋势;他们在地表水和最低最高沉积物孔隙水。地表水浓度过低¹⁵N,但 ¹⁵N表面沉积物孔隙水的价值是4.93‰和¹⁵N值为20 - 30厘米沉积物孔隙水是1.7‰(表1)。%的儿子牡蛎耙是低反映填充材料用于构造这些人造池塘。的¹⁵N的儿子重表面沉积物比深层沉积物(表2),类似的结果¹⁵N在孔隙水。

添加完全删除后短时间在实验室实验和原位孔隙水在牡蛎Rake - n浓度较低,这表明沉积物微生物过程有效地消耗在孔隙水。先前的研究已经表明,同样影响沉积物中有更大的潜在的脱氮率比自然系统(17,19]。出现驱动反应,增加和在实验室微观既不刺激也不抑制生产的N₂O和而增加一个人。硝化作用的转换来,不可能发生在实验室实验,因为系统厌氧,虽然硝化作用可能发生在有氧网站地表水。

浓度的地表水Chechessee溪高尔夫球场俱乐部保留池塘在每个月采样检测,并低于牡蛎耙高尔夫球场保留池塘。的¹⁵N保留池塘表面的水范围从一个高为5.0‰对应于1月高浓度,低点-1.17‰对应于10月低浓度。浓度低于没有检测到的浓度测量在1月和浓度的L ~ 0.1毫克⁻¹以4月和10月。的¹⁵N Chechessee高尔夫球场保留池塘表面的水比4月10月更丰富,更充实吗¹⁵N的(表1)。Chechessee池塘小溪俱乐部保留沉积物和孔隙水没有收集和¹⁵分析N的儿子。

一个可能的来源牡蛎Rake是地表水的处理过的废水结合使用井水灌溉的高尔夫球场。废水收集处理后的污水处理设施进行所有的治疗程序。浓度测量3.15毫克L⁻¹与一个¹⁵N为4.93‰,浓度测量1.74毫克L⁻¹与一个¹⁵N为26.37‰(表1)。这么高的¹⁵N值的废水与那些由其他研究人员报道是一致的(20.]。灌溉用水的N浓度到达高尔夫球场全年可能不同与废水混合处理井水的比例随需求的地盘在高尔夫球场上。在灌溉用水可以进入牡蛎耙直接通过风暴排水在高尔夫球场上,管到池塘或灌溉用水可能会渗入土壤,使其营养池塘为浅层地下水的一部分。先前水文评估Kiawah岛上发现地下水之间的营养交换和蓄水池可以通过波动发生垂直地下水运动和横向运动(21]。此外,地下水浓度的增加而沿着道路流量浓度减少在保留池塘水系研究领域之一21]。硝化作用可能的第二来源进入牡蛎耙。相对高的不₃在牡蛎耙地表水- n浓度(4.6毫克L⁻¹)和贫¹⁵N值相比,灌溉用水可能没有的组合的结果₃从灌溉用水和- n₃通过硝化- n生成。

Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场保留池塘并不与废水灌溉,但从高尔夫球场影响肥料进入通过事件或浅层地下水地表水径流在下雨。样品的四个肥料用于Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场进行了分析¹⁵护士:绿色和t恤(1.46‰),绿色(0.13级‰(1.47),t形时间‰奇迹(2.50)和工厂‰)。大部分的肥料是尿基,但工厂没有奇迹由13%₃- n和是一个可能的来源保留池塘。预计将更容易运输通过与水流沉积物比N ammonia-based尿素肥料。植物的奇迹¹⁵N值比测量值Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场保持池水在1月和4月,10月和重比测量。的浓缩同位素值在1月和4月建议保留池塘像脱氮微生物过程的发生或同化,优先使用较轻的同位素,从而丰富池。10月的同位素特征是非常不同的,这表明是一个产品,而不是一个反应物的反应。硝化作用的地表水可能的来源吗低,这是支持的浓度和高 ¹⁵N的值比在其他10月份地表水采样时间。的浓度的地表水牡蛎耙高于测量在任何时候在Chechessee小溪俱乐部保留池塘,表明污水灌溉和肥料处理的组合对地表水的影响更大浓度和氮污染的肥料。

基于实验,儿子可能是一个小的矿化过程中牡蛎耙高尔夫球场保留池塘,而不是造成N表面或孔隙水浓度。如果发生矿化,N,的形式,预计将增加在实验缩影。72小时后,质量平衡计算治疗只有,+发现平均N恢复初始的106%和117%,分别。相比之下,马和Aelion [13]描述类似的实验室实验清廉厘米沉积物从坟墓里的码头和Chechessee沼泽网站N复苏的~ 150%的初始数量相似的时期和后添加。低%儿子条件下存在牡蛎耙由于删除本地土壤在高尔夫球场的建设,这可能限制矿化。另外,有限的浓度测量可能表明较高的微生物同化掩蔽儿子矿化的影响。

原位的浓度地表水的人造系统牡蛎耙和Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场保留池塘很高相比自然网站虽然可能是有效孔隙水的消耗。这些结果表明,虽然在牡蛎耙沉积物可能发生反硝化作用,人为输入的除可能超过容量的地表水和有可能产生负面影响的水质保持池塘。的浓度在牡蛎耙地表水和Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场保留池塘地表水在1月和4月超过推荐的N,以避免在河口赤潮(1毫克L⁻¹)[22]。

浓度在构建网站被人为输入比影响较小浓度和往往都是低于自然景点。牡蛎耙有更高在孔隙水浓度比地表水,牡蛎耙的反面结果。从我们的实验室实验,基于数据¹⁵N表面沉积物孔隙水的价值(4.9‰儿子(2.8)相比‰),低%的儿子(0.01%)的牡蛎耙表面沉积物,儿子不太可能表面沉积矿化是一个重要的贡献者。处理的污水用于灌溉的形式进入沉积物浅层地下水是一个沉重的表面沉积物的可能来源,然而, ¹⁵经过处理的废水为26.4 N‰相比,相当丰富 ¹⁵表面沉积物(4.9 N‰)。另一个可能的表面沉积物的来源是在浅层地下水(可能来自处理的污水用于灌溉)被转换为通过DNRA的过程。我们实验室的实验发现重要的利率DNRA在厌氧牡蛎耙沉积物是可能的。此外,¹⁵N表面沉积物的价值是一样的吗¹⁵N值测量废水处理。在灌溉用水更可能影响保留池塘比因为在浓度高于在灌溉用水,移动的环境比吗,的浓度可能会增加地下水的流动由于硝化作用[21]。

3.2。自然的网站

浓度低于检出限在坟墓的码头网站在所有采样事件表面水和沉积物孔隙水。浓度明显最大最深的沉积物分数(30 - 40厘米)孔隙水,减少向上表面沉积物孔隙水(清廉厘米),并明显最低地表水()所有抽样事件。地表水反常地耗尽了10月收集¹⁵N的值‰相对于平均 ¹⁵3.21 N的值‰(其中。= 0.56,)(不含‰)其他孔隙水和地表水 ¹⁵N样本。在孔隙水没有显著差异 ¹⁵N值被发现沉积物之间的分数()(表1)。

土壤中N的比例大约是0.2在沉积物深处所有月在坟墓的码头。儿子¹⁵N值明显更大(比1月和4月10月,大大增强()在深海沉积物表面沉积物。测量的儿子¹⁵N值明显丰富而孔隙水 ¹⁵N值(所有样本组合(表)2)。

类似于自然坟墓码头网站,自然Chechessee沼泽河口网站中不含检测三个月的地表水或沉积物孔隙水。只是以地表水的浓度低于1月和沉积物孔隙水。在沉积物孔隙水在浓度显著更大更深的深度(30 - 40厘米)比浅深度(清廉厘米)(),而不是不同的月采样()。测量无显著差异¹⁵N的孔隙水在深度(),但值有一个更大的范围(1.9 - 6.0‰)比来自坟墓的停靠站点(表1)。

N在土壤相似的百分比在Chechessee沼泽沉积物深度和跨月网站平均为0.14%(其中。= 0.03,)所有沉积物数据的总和。没有显著差异¹⁵N沉积物之间的儿子是测量深度()(表2)。测量¹⁵n值没有显著不同于孔隙水¹⁵N -值()所有Chechessee高尔夫球场数据的总和。

没有发现任何严重的码头或Chechessee湿地地表水或沉积物孔隙水样品反射更少输入相比,我们人为的网站或交替、快速微生物利用。实验由马和Aelion [13]发现坟墓的码头和Chechessee沼泽沉积物有潜在的脱氮率高和潜在DNRA,过程可以快速删除从沉积物系统。

人们普遍认为,扩散过程中溶质运移的主要形式河口系统与生物扰动作用发挥作用在湿地附近。在未开发的网站,浓度总是最深的沉积物层孔隙水含量最高,其次是浅沉积物孔隙水、地表水和最低,符合扩散的浓度梯度。在孔隙水没有显著差异 ¹⁵N之间发现了沉积物深处,结果也符合扩散。孔隙水的范围 ¹⁵在坟墓的码头是类似于N值的范围的儿子¹⁵N值表明成矿深层沉积物层中的孔隙水的主要来源。一个反常的结果是¹⁵N值以地表水在坟墓的码头网站10月,耗尽相比沉积物孔隙水的同位素值。枯竭的值表明这地表水是如硝化反应的产物,不同的,未知的,消息来源在沉积物孔隙水。

在Chechessee沼泽,沉积物孔隙水浓度低,¹⁵N值比在坟墓的码头当变量的模式与扩散浓度一致,同位素数据表明一个更复杂的系统和浅层地下水的潜在贡献。摩尔et al。23)使用镭同位素估算海底地下水排泄(SGD)到Okatee河口在我们的研究区域,并认为SGD系统是一个重要的营养来源。韦斯顿et al。24)使用孔隙水平衡采样的库存孔隙水营养Okatee系统从多个网站和类似河口附近,虽然扩散决心成为主流,有一些样品中平流的证据。变量孔隙水¹⁵马什在Chechessee N值可能是地下水的的结果相互作用通过矿化产生的沉积物。地下水的影响在孔隙水 ¹⁵N值可能更明显比坟墓Chechessee沼泽的码头,因为总体较低浓度在Chechessee沼泽。Chechessee沼泽沉积物有机质有更高的C: N % N比率和低于沉积物有机质从坟墓的码头也可能导致更少的N发布通过矿化和低沉积物孔隙水的浓度。

4所示。结论

原位N物种¹⁵N浓度数据和实验室研究提供洞察主导N-cycle过程发生在构造和自然沿海系统。在构造系统,可测的浓度在场原位。尽管沉积物微生物有效消耗补充道在实验室实验中通过反硝化作用和DNRA衡量通过N₂O和分别生产,从灌溉用水和/或N的肥料可以进入系统的速度比它可以删除不管沉积物反硝化潜力和DNRA,并且有可能影响地表水质量。特别高的浓度在牡蛎耙地表水,其相似¹⁵N的签名¹⁵N的在处理废水,表明从废水灌溉对水质有较大的影响比高尔夫球场化肥,仅发生在Chechessee小溪俱乐部高尔夫球场。在自然系统中,没有中检测出表面水和孔隙水的样本,发现符合低输入相比,我们构建的网站,和/或快速微生物利用输入到系统。因此并没有主导unimpacted地区。

原位 在表面水浓度一般较低,孔隙水浓度大于那些地表水的网站。在构建基于实验和网站¹⁵N数据看来,灌溉用水可能进入保留池塘通过浅层地下水排放和增加是人为来源。小牡蛎耙沙矿化的证据,也可以添加N孔隙水,在实验室实验中发现,可能是由于低浓度的儿子建造高尔夫球场保留池塘。的来源根据同位素签名unimpacted网站似乎沉积物有机质的矿化。此外,的范围¹⁵N数据,特别是在Chechessee沼泽unimpacted网站表明,浅层沉积物microbially-active大于沉积物越深,这增强了微生物活动除了土壤矿化,可能会有重大影响N unimpacted沼泽的可用性。占主导地位的N-cycle过程自然网站似乎microbially-released扩散从深层沉积物(通过矿化)地表水。

N浓度和同位素特征用于识别不同N源和潜在N-cycling过程发生在构造和unimpacted网站。从生态的角度,在受影响的地区的人为来源,在unimpacted自然来源的网站主导的N的地区,分别。增强微生物活动无法弥补人为N构造地区之外,建议最佳管理实践需要保护这些表层海水从养分退化。

确认

这项研究是由国家海洋和大气管理局的资助,海洋研究项目办公室(NA160A1427),由美国国家海洋和大气管理局赞助沿海海洋研究中心/沿海海洋项目,在南卡罗来纳海格兰特财团没有依照国家海洋和大气奖。NA960PO113,南卡罗来纳大学环境研究委员会倡议。作者感谢规范谢伊访问研究网站,理查德Doucett同位素分析,抽样和弗兰克Nemeth援助。

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