氮释放原始和排干泥炭概要针对水位波动:Mesocosm实验

文摘

在北半球,水文条件的变化提出增加由于气候变暖,这可能会导致干旱面积比以前更长。预计主要由于缺氧条件下,泥炭地应对水文条件的变化,如连续干燥和再湿润期。泥炭地富含有机质,水位的任何重大变化都可能影响它的分解。水文条件也可能影响释放营养物质从泥炭剖面以及影响其运输到下游生态系统。在我们mesocosm实验、人工水位波动引起的原始泥炭剖面增加溶解有机氮(唐)和铵浓度,而没有发现反应在干燥泥炭概要文件,尽管来自相同的泥炭地复杂。

1。介绍

高纬度地区预计将经历相当大的气候变暖在21世纪(1]。应对气候变化,水位的位置在北方和亚北极泥炭地将被修改2极端降水事件,和湿天数预计将增加在北欧3]。欧洲北部的气候变化预测,专门为芬兰,表明降水的增加5 - 40%和空气温度的2 - 7摄氏度(°C)到2080年代,根据气候模型和场景使用4]。

水文过程在时间和空间的变化导致养分运输的变化从陆地表层水(5]。建模研究预测,合理的高气候变化情景将增加年度N通量小,在芬兰森林流域。增加30年溶解无机氮可以高达25%6]。Holmberg et al。7)预测,40年来总氮负荷的增加26%。

研究关于水位波动的影响N化合物及其在泥炭地土壤水分含量很少。虽然厌氧细菌参与各生态系统的氮循环(8),N矿化在泥炭地通常是更有效地有氧无氧条件,尤其是在沼泽(9]。

因此,干燥后再湿润时期带来了一个有趣的方面理解营养动态适应变化的气候。高纬度地区,年降雨量预计增加,可能会有强降雨事件遵循特别干燥的季节。例如,在芬兰在夏季(6)2006年,每月平均降雨量为75%或更少比夏季平均降雨量1961 - 2006,但在2006年10月降雨量甚至平均10月雨量的250%在1971 - 2000年的比较(芬兰气象研究所)。

即使降低水位可能会加速氮循环,它是什么,但是,很难预测某些氮的化合物浓度的变化由于N周期的不同进程同时运行。此外,氧化还原条件变化复杂的预测。因此,这是不奇怪的结果对各种环境变化对N化合物的影响在泥炭地土壤水分可以相互矛盾的10- - - - - -12]。

流域层面的知识元素通量从陆地地区的通量是至关重要的营养物质在湖泊和河流,最终在海洋和海洋。尤为重要的是,要研究这在北方地区预期的气候的变化是相当大的。需要更详细的信息从不同的生态系统以达到全面了解营养动力学在流域范围内。

例如,在芬兰29%的土地面积是泥炭地,和53%的芬兰泥炭地是排水13]。因此,重要的是要比较营养动力学的北方原始和排干泥炭地。我们进行人工水位操纵mesocosm研究这些泥炭和泥炭剖面原始类型。我们研究氮释放不同的分数,也就是说,溶解有机氮(唐),ammonium-nitrogen和亚硝酸盐+锰浸种,从原始和排干泥炭概要文件。我们假设后再湿润干旱时期释放营养物质进入土壤水分和养分释放的水位波动的响应是在原始泥炭类型,因为利率缓慢的有氧过程的前提。因此,在原始泥炭有机氮更多,可以释放出也可以是矿化和释放到土壤水分作为无机化合物。

2。材料和方法

2.1。网站描述

mesocosm实验的原始和排干泥炭配置文件收集从泥炭地复杂,Laaviosuo,芬兰南部。的泥炭地类型的面积(61°01 48′′′N, 25°01 38′′′E, 151 a.s.l)被列为贫瘠苔藓vaginatum松沼泽根据Eurola et al。14]。主要由泥炭苔属植物分解率的H4根据冯波斯特规模(15在30厘米和50厘米深度。有10个级别(H1-H10)波斯特泥炭分解尺度,H10最分解。H4泥炭释放的水,但泥炭并不通过手指挤压。那块挤压后的泥炭地保持其形状。泥炭的核心实验收集6月2日,2009年,从荒芜低草丛的地方,占主导地位的Vaccinium oxycoccos,苔藓vaginatum,苔属植物lasiocarpa。

另一部分的复杂(61°02′5′′N, 25°00 37′′′E, 149 a.s.l)。在1978年被排干,和这部分的类型分为泥炭矮灌木希思(14]。目前被苏格兰5 - 10米高的松树覆盖面积(抗旱性),主要由泥炭泥炭藓分解率的H5 (15]在30到50厘米深度,而更多的分解层出席20厘米的深度。H5泥炭版本非常黑暗的水和一点点的泥炭通过手指挤压。挤压后的泥炭留在手不能很好地保持其形状。泥炭核心收集6月2 - 3,2009年,从没有树木草丛由较低的地方苔藓vaginatum和苔藓植物苔藓。在干旱的夏天几乎没有任何表面外流在实验领域,地下水位是几十厘米土壤表面以下。相反,表面流出多雨时期表明地下水表面土壤表面或非常接近它。

实验表示极端但仍现实的沉淀条件。降水数据是由芬兰气象研究所提供。测量站(Hameenlinna Pappila),每小时的数据记录,位于Lammi生物站(磅)。磅数据显示月平均降水(不含1992年10月降雪)0.8 - -3.3毫米的d⁻¹。每月在1989 - 1998年十月间最大值(没有降雪)8.5 - -21.5毫米⁻¹。昌盛待解冻在整个实验中,尽管第一个小时的秋天温度在零摄氏度下,发生在2009年9月29日。

2.2。Mesocosm设置

20塑料圆柱体直径24厘米,高60厘米被用于建立泥炭概要文件。每个容器的外表面涂成白色,以防止气候变暖是由于直接的太阳辐射。为了取水样,容器小孔堵塞了橡胶插头深度为-10厘米,-20厘米,-30厘米,-50厘米从上到下(图1)。此外,一个透明塑料管(Ø10厘米)从下到上安装了与每个容器的外壁水位。

对于每个mesocosm,一大块泥炭从泥炭地挖(挖两部分),然后雕刻小装进一个集装箱。由于块放置到容器,因为它在泥炭地垂直,泥炭剖面mesocosm成立。地上植被完好,所以植被出现挖和雕刻泥炭块顶部的昌盛在整个实验是自然泥炭地。在实验的开始,最主要的泥炭层在容器的水平边缘,但后来在泥炭从半到5厘米,除了一种mesocosm (DrFluc,见下),在泥炭下降8厘米。昌盛都放入一个温室在伦敦商学院接近Laaviosuo没有暖气。

昌盛被随机分成两个治疗,控制(Ctrl)和水位波动(美国人),不同temporal-magnitude水位的变化。总共有四个mesocosm组:原始泥炭剖面控制条件(PrCtrl),原始泥炭剖面与水位波动(PrFluc),排干泥炭概要文件与控制条件(DrCtrl)和排干泥炭概要水位波动(DrFluc)。泥炭地坑槽的水位测量后第二天挖泥炭芯,它被视为一个控制水文条件。在原始泥炭地控制水位在泥炭的水平表面,而在排干泥炭地地下水位在-20厘米深度。第一次(6月3 - 10,2009)的水位调整所有昌盛(图的控制水平1),控制地下水位一直在通过实验的初始水平。为了达到这个目标,我们定期添加水昌盛。添加水是取自地下水春(Loytynlahde 61°02′53′′N, 24°58 32′′′E)接近Laaviosuo。泉水被使用由于其稳定的化学成分,但也因为自然泥炭地获得地下水。

2.3。操作和树苗

连续两个水位操作进行美国昌盛表明低和高水位。第一时期(2009年9月11日6月20日)只有少量的水被添加到昌盛为了保持活着的植物。初这段时间(2009年6月11日6月26日)发布了500毫升水的最低的洞排水昌盛的原始昌盛和400毫升。此外,水被蒸发蒸腾之后,在失去了树苗。2009年10月21日9月30日,第二期。一开始,每周两公升的水被添加三次,直到美国昌盛与水饱和(见图1)。一旦达到所需的水位、水添加偶尔保持这个水平。五天没有加水之前所有水采样,以避免干扰。级的水除了估计降水数据的基础上,由芬兰气象研究所提供。意识到水的测量量增加报道之前和在高水位期间,成交量也转换为相应的降水(毫米)(表1)。泥炭的物理结构不同于原始和排水的概要文件和我们想要保持概要文件尽可能自然没有任何均质化,他们的水保持能力是不同的。如表定义了水土壤好氧/厌氧条件,我们选择使用目标水位而不是标准水量增加昌盛,作为一个结果,水添加量昌盛(表之间的不同1)。

水样本取自Ctrl和美国昌盛一旦第一期结束时,也就是说,最后低水位(阶段0)9月11日,2009年,在第二个时期,竞争和四次,在高水位于10月2日,16日,23日和30日2009(阶段1、2、3、4),采集标本的容器使用0.15孔μ米多孔浓度计(Eijkelkamp Agrisearch设备192121年Rhizon土壤水分取样器,类型的妈妈)。pH值样本被注射器,留下样品过滤。在DrCtrl昌盛取样深度是-20厘米,-30厘米,-50厘米(图1)。在所有其他昌盛采样深度是-10厘米,-30厘米,-50厘米。水从三个深度对复合样品池。在0阶段所有水分析的样本体积还不够。

2.4。实验室分析

堂,,过滤的过滤样品的浓度和pH值样本使用标准方法测量Ctrl和美国昌盛磅实验室协议。并分析了QuickChem方法10 - 107 - 04 - 1 - i(检测极限40μg L⁻¹),QuickChem方法10 - 107 - 06 - 1 - f(检出限5μg L⁻¹),QuickChem方法10 - 107 - 04 - 1 b(检出限5μg L⁻¹8000)Lachat QuickChem FIA营养分析仪。上面所有这些浓度样本检测极限。水pH值与猎户座酸度计测定。泉水的化学分析了在2009年和2011年。

2.5。统计分析

实验组差异(PrCtrl, PrFluc DrCtrl, DrFluc)和之间的阶段和它们之间的相互作用,,利用SAS 9.2进行了测试。/Proc mixed with repeated statement method [16]。不同的模型有不同的协方差结构中使用的程序,并选择最适当的协方差结构,AIC值不同的模型比较和选择最低的AIC结构。选择协方差结构托普利兹在分析,非结构化,异构自回归。实验组效果显著,对比实验组(PrCtrl与DrCtrl;PrFluc与DrFluc;PrCtrl与PrFluc, DrCtrl和DrFluc)进行了测试。0的结果并不包括在任何阶段的统计测试。

3所示。结果

并在DrCtrl浓度高于PrCtrl PrFluc的和更高的比PrCtrl(表2和3;图2(一个))。也不不同实验的不同阶段(表之间2)主要是因为第一阶段后浓度的下降。在干旱时期,我们没有从昌盛分析并得到足够的水。之间没有交互实验团体和氮的实验阶段在任何分数。

结束时的低水位(0)阶段,平均浓度高出1.5倍PrFluc比PrCtrl(图2 (b))。开始第二期,也就是说,高水位(第一阶段,11天后开始大量浇水),平均浓度在PrFluc 2.3倍在0在同一阶段昌盛,也就是说,在PrFluc(图2 (b))。在没有相反,在PrCtrl浓度高于DrCtrl(表2和3;图2 (b)),等于没有,在比PrCtrl PrFluc更高。在DrFluc PrFluc的浓度也高于。在美国昌盛Ctrl昌盛相比于原始高3.7倍,3.0倍在泥炭昌盛阶段1(见图2 (b))。阶段之间没有显著差异(表(1 - 4)2)。

浓度实验没有差异之间的组或阶段(1 - 4)(表2)。相当大的差异浓度被发现之间的复制。最小和最大复制的浓度在阶段1 - 4 6和171μg L⁻¹在PrCtrl, 10日和29日μg L⁻¹在DrCtrl 6和182年μg L⁻¹PrFluc, 7和283μg L⁻¹在DrFluc。

堂,,浓度的泉水和min-max浓度在昌盛阶段0 - 4展示在表4。引人注目,并在mesocosm样品浓度高于泉水除了两个mesocosm样本,mesocosm水出现三个数量级的提高浓度相比,泉水。浓度昌盛保持低于泉水。水pH值变化在3.7和4.4之间的原始泥炭昌盛和排干泥炭昌盛在3.1和3.7之间。

4所示。讨论

我们观察到的增加溶解有机氮(唐)浓度在原始泥炭再湿润昌盛,这是与我们的假设一致。然而,没有观察到类似现象,排干泥炭昌盛。较高的浓度不排水控制比原始控制昌盛表明有整体分解在排水条件比原始泥炭地,这意味着有机氮的形式主要是大分子在原始泥炭。我们因此建议,排干泥炭地,分解一直是有效的在有氧条件下很长一段时间。这是符合常识的泥炭地形成的基本机制,泥炭积累,因为生产超过分解(17),增加分解的相干结果当曝气的泥炭增加(18]。我们建议不增加原始昌盛(PrCtrl与PrFluc;阶段1)是由于加速有机大分子分解成更小的单位在改善有氧条件下,即在低水位,这被视为在泥炭水更高的浓度不高水位。值得注意的是第一阶段的浓度不PrFluc大约在同一水平比DrCtrl和DrFluc昌盛,有氧条件更好的前提。

大幅增加浓度在原始泥炭昌盛再湿润也表明加速矿化由于前干燥条件。这是不符合增加,这表明有更多的矿化在有机分子足够小在PrFluc PrCtrl昌盛。在泥炭昌盛无论是在也还是没有改变由于浓度实验表明水位波动容易N的存储的分解者很小,这被视为一个低浓度比原始泥炭。

除了增加分解机制的有机大分子在有氧条件下,解释了在前面的段落,也有解释改变也和其他可能的机制浓度波动水位之下。克诺尔和Blodau10报道的增加和浓度在孔隙水在干旱期间泥炭昌盛受到干燥和再湿润。这支持了我们的发现,有机质的矿化加速在低水位,造成增加集中在原始泥炭。相反,我们的结果和克诺尔和Blodau10),Dowrick et al。19]报道减少生物浓度严重干旱后暗示负责分解对土壤水分敏感。克诺尔和Blodau10)发现,然而,和泥炭再湿润后浓度降低,但结果Kieckbusch和Schrautzer20.支持我们再湿润增加相关的结果在原始泥炭浓度。他们观察到高铵放电在秋季暴雨后从富营养的沼泽,前农业用地。与之平行Arvola et al。21)表明,夏季和秋季营养负荷(包括总氮,,)与Loytynoja流域降水,我们研究的泥炭地区域所属。

有趣的是,越来越多的也可能影响浓度,因为它已经被建议的释放也从原始和退化的泥炭地依赖于土壤无机氮,而非有机质含量。这种现象背后的机制,无机N化合物增加微生物动员这些氨基酸(22]。这是不符合我们的研究集中在原始泥炭同时增加浓度。分别在没有再润湿效果在泥炭也,没有影响被发现。不要和也可能已经从原始简单地释放到水容易从泥炭固体材料。径流大小被报告为一个重要的增加因素并释放在秋季(23]。

的增加和初PrFluc昌盛的高水位期确认他们的增加/释放大量显然超过了一个潜在的稀释和泉水。尽管不重要的统计结果,重要的是要注意的意思浓度高DrFluc DrCtrl相比。相对于浓度控制,水位波动的响应(Ctrl第一阶段与美国第1阶段)在原始仅略强于排水昌盛。比PrCtrl更高浓度不DrCtrl,以及较低的浓度比PrCtrl DrCtrl,表明,泥炭类型不同的前提。高浓度PrFluc DrFluc昌盛相比高出部分的结果最初铵浓度和部分原因是应对再湿润原始泥炭略强。

一般来说,的浓度相比很低,和水位波动没有显著影响浓度。这些结果发散的Glatzel et al。24]。他们观察到,恢复排干沼泽,夏天异常炎热和干燥引起的浓度上升,成为一个主要的无机氮。不断上升的由于干燥和浓度再湿润也报道了Reiche et al。11]。的高可变性浓度在两种泥炭类型的研究,至少在一定程度上,是由于相对大量的添加含有更高浓度的泉水而土壤水分的昌盛。这也可能使均匀的结果实验浓度组和可能带来的不利影响,干燥和再湿润变得不显明的。

我们的研究结果表明,再湿润事件连续干旱可能释放大量的溶解有机氮和铵为土壤水分的原始北方泥炭地。相反,排干泥炭地释放氮的化合物更均匀尽管水位波动。北方泥炭地覆盖大量的地区格局,尤其是在芬兰有oligo-ombrotrophic大灌木或751 000公顷苔藓vaginatum主导泥炭地(13]。因此,我们假设相似的水文条件的变化,当我们测试在我们的研究中,可能会导致重大变化氮交通大面积的河流和湖泊。

确认

这项研究由芬兰科学院(项目“北方集雨过程控制DOC-fluxes”和“硝化过程和生物”),Onni ja Hilja Tuovinen基金会和芬兰的文化基础,Paijat-Hame区域基金。特别感谢助理马尔贾Kosme和Saara Rinne,实验室工作人员Jaakko Vainionpaa和Riitta Ilola,和研究技术人员Marja-Leena Vitie和Jussi Vilen Lammi生物站。

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