土壤和海洋生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽和有機(jī)碳濃度間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系

1、土壤和海洋生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽和有機(jī)碳濃度間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系Philip G.Taylor & Alan R. Townsend自工業(yè)革命以來，世界范圍內(nèi)人工肥料的生產(chǎn)、化石燃料的使用以及農(nóng)業(yè)上豆科作物的種植使自然環(huán)境中活性氮的數(shù)量上升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種對(duì)氮循環(huán)的重組增加了糧食的產(chǎn)量，但是也越來越引起很多的環(huán)境問題。其中一個(gè)問題就是硝酸鹽在淡水和沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中的積累。在這里，我們建立的生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)氮在自然界穩(wěn)定的累積，與土壤毛孔水中可利用的有機(jī)碳成負(fù)的非線性相關(guān)關(guān)系，并通過淡水和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入到開放的外海。這種趨勢也發(fā)生在受到大量人力改變的生態(tài)系統(tǒng)中。通過這一環(huán)境的多樣性，我們發(fā)現(xiàn)

2、的證據(jù)表明，資源計(jì)量（有機(jī)C：NO3-）通過調(diào)節(jié)一系列有機(jī)碳和硝酸鹽雙溶解物循環(huán)的微生物過程強(qiáng)烈影響著硝酸鹽的積累。通過一元分析的幫助，我們表明，異養(yǎng)微生物在有機(jī)碳硝酸鹽：硝酸鹽比例與其代謝的計(jì)量要求相匹配時(shí)維持低濃度。然而，當(dāng)資源的碳：氮的微生物生物量的比例降到最低時(shí)，碳限制開始時(shí)，就引起硝酸鹽的迅速累積，這又可能通過硝化作用進(jìn)一步增強(qiáng)。在低有機(jī)碳：硝酸鹽比例時(shí)，一旦有機(jī)碳和硝酸鹽的可用性程度接近這個(gè)分解過程的計(jì)量要求1:1時(shí)，反硝化似乎制約硝酸鹽的增大積累?？偟膩碚f，這些微生物過程通過約束地方到全球尺度的基本硝酸鹽累積與一個(gè)受限的化學(xué)計(jì)量窗口之間的臨界比率表達(dá)自我。我們的研究結(jié)果表明，生態(tài)

3、化學(xué)計(jì)量學(xué)可以有助于解釋不同環(huán)境中和人為干擾下的硝酸鹽的歸宿。但相比于龐大的惰性氮?dú)獯髿獬?，活性氮是指無機(jī)氮和具有生理學(xué)、光化學(xué)或輻射活性的有機(jī)氮。在沒有人類干擾的情況下，相對(duì)較低的活性氮可利用性制約了生態(tài)系統(tǒng)的一系列結(jié)構(gòu)和功能。然而，工業(yè)革命以來的全球經(jīng)濟(jì)的迅速擴(kuò)張，化石燃料的燃燒，合成肥料的生產(chǎn)，土地類型的大范圍轉(zhuǎn)變和全球貿(mào)易加速，已迅速增加了環(huán)境中的活性氮含量。許多環(huán)境威脅，包括空氣污染、富營養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性的喪失和氣候變化，都是由新生成的活性氮的的各種歸宿引起的。由于氮循環(huán)變化的管理環(huán)境和社會(huì)的重要性，對(duì)于概念和分析模型的需求越來越高，以幫助預(yù)測活性氮在復(fù)雜環(huán)境中的歸宿。一般

4、情況下，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽(NO3-)的輸入和輸出方式的了解側(cè)重于該資源的數(shù)量和質(zhì)量的作用。如同任何生物地球化學(xué)物種一樣，動(dòng)力學(xué)和能量的控制都會(huì)影響NO3-的循環(huán)，植根于米氏吸收動(dòng)力學(xué)原理的模型改善了我們對(duì)河流中NO3-動(dòng)態(tài)的預(yù)測能力。然而，這種努力的一個(gè)挑戰(zhàn)來自于這樣一個(gè)事實(shí)：N不能獨(dú)立于其它元素循環(huán)。相反，環(huán)境中活性氮的轉(zhuǎn)化與其它幾個(gè)主要的生物地球化學(xué)循環(huán)有著密切的聯(lián)系，也許最顯著的就是碳循環(huán)。因此，要了解人類對(duì)N或C循環(huán)的干擾，沒有多元素的透視是不可能的。在這里我們顯示，在從土壤到溪流與湖泊，再到河口和開放外海的水文連續(xù)界面中，NO3-和有機(jī)碳（溶解態(tài)或顆粒態(tài)）之間存在穩(wěn)定的負(fù)的非線性

5、關(guān)系（圖1） 。值得注意的是，即使在人為干擾的溪流和河流中，該模式依然十分穩(wěn)定（圖1C）。該模式在各種環(huán)境和干擾機(jī)制的影響下所表現(xiàn)的一致性表明了其基本控制的潛力。在過去的關(guān)于河流和地下水的研究中，已提出對(duì)這種模式的幾種解釋，最近的一些最近的討論都集中在從生態(tài)系統(tǒng)酸沉降恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)中濾取的溶解態(tài)有機(jī)碳增加。然而，酸沉降無法解釋圖1所示的這種廣泛的一致性，如果僅僅是動(dòng)力學(xué)模型似乎也不能提供一個(gè)好的解釋，因?yàn)榧词乖谟懈叩?fù)載量的流域，其水體中硝酸鹽的含量也一般都比較低（圖1）。 我們在這里開發(fā)和測試了模式（輔助圖 1），它描述了如何通過控制將溶解性C和N循環(huán)耦合在一起的重要微生物過程的相對(duì)速率來轉(zhuǎn)

6、變元素的限制進(jìn)而控制有機(jī)碳硝酸鹽模式。所有生物都需要滿足特征理論配比比率的能量和營養(yǎng)來源，它們以可預(yù)見的方式將全球氮循環(huán)與其它生物地球化學(xué)循環(huán)耦合在一起。生長限制點(diǎn)由于能量或營養(yǎng)源供應(yīng)的不足從一元素轉(zhuǎn)變成另一元素的這一界點(diǎn)被稱為閾值元素比。當(dāng)生物遇到營養(yǎng)資源不平衡的時(shí)候，臨界閾值可以通過循環(huán)維持化學(xué)計(jì)量平衡或避免元素的過量來支撐生態(tài)過程。例如，眾所周知當(dāng)有機(jī)碳與營養(yǎng)鹽的比例低于生物體構(gòu)建設(shè)所需的比率時(shí)，臨界閾值的比率能分別促進(jìn)磷和氮在水和土壤中的累積。 微生物量的碳氮比差異很大，從最低的3到最高的20 (參照 4，18，20)。 另外，由于異養(yǎng)微生物將它們的一些有機(jī)碳資源用于能源生產(chǎn)和建立新的

7、細(xì)胞物質(zhì)，所以關(guān)鍵的供應(yīng)比率比微生物組織的碳氮比大。然而，細(xì)菌的這種生長效率差異很大，往往與生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。在貧營養(yǎng)條件下,隨著高資源碳氮比和碳的不穩(wěn)定性相對(duì)較低,細(xì)菌的成長效率一般介于5%和20%之間(參考22，24)。相比較來說，在營養(yǎng)豐富系統(tǒng)中的細(xì)菌的成長效率價(jià)值高得多，通常介于40%和80%之間(參考22,24）。 此外，細(xì)菌結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的塑性可以修改閾值的比率，因?yàn)樯锪康奶嫉瓤梢耘c資源C:N比率的變化相呼應(yīng)而發(fā)生變化。這種能力可以改變N 相對(duì)于異養(yǎng)需求過量的臨界點(diǎn)。我們注意到，當(dāng)N供應(yīng)相對(duì)C增加時(shí)，微生物的碳氮比趨于下降。這一點(diǎn)同數(shù)據(jù)一起表明，細(xì)菌的生長效率在營

8、養(yǎng)豐富的條件下達(dá)到其峰值，這意味著，決定微生物合成代謝中從N到C的一個(gè)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵比率因?yàn)樵谠擖c(diǎn)的限制硝酸濃度可能會(huì)急劇上升應(yīng)接近該微生物機(jī)體組織中碳氮比的最低端的范圍。因此，細(xì)菌生長效率和組織化學(xué)計(jì)量兩者內(nèi)部的靈活性可能都基于閾值比率的變化。我們最初通過比較微生物硝酸鹽的吸收率和海洋生物群落的顆粒態(tài)有機(jī)碳與硝酸鹽比率來檢測這一概念，因?yàn)橄跛猁}的毛吸收率是使用最為廣泛的。我們使用 POC 作為有機(jī) C 資源，因?yàn)樗热芙鈶B(tài)有機(jī)碳更能夠反映海洋生物的有機(jī)碳庫，通常由更老更頑固的物質(zhì)構(gòu)成。我們在三個(gè)不同的海洋生物群落以及沿海，河口，河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)有機(jī)碳與硝酸鹽的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比率介于4至14

9、之間（圖2a，見方法）。通常可用的15N - NO3-吸收數(shù)據(jù)與浮游植物和細(xì)菌的氮素吸收并不加以區(qū)分。但是，通過三個(gè)海洋系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，氮的吸收閾值在條件從富營養(yǎng)化到貧營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變時(shí)升高，相伴著細(xì)菌生產(chǎn)出現(xiàn)強(qiáng)勁增長（圖2a;補(bǔ)充圖2和3;補(bǔ)充表3）。與此相反，我們發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)與碳氮比轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本無關(guān)（補(bǔ)充圖2C型，D組;補(bǔ)充表3，補(bǔ)充討論。）。因此，我們認(rèn)為這些模式可能反映當(dāng)代氮循環(huán)的觀點(diǎn)：海洋中的浮游細(xì)菌大大有助于NO3-吸收、 再生和硝化。這種格局表明，只有當(dāng)能源和理論消費(fèi)者的化學(xué)計(jì)量達(dá)到平衡時(shí)，異養(yǎng)生物對(duì)N的高同化作用才能被激活。當(dāng)顆粒態(tài)有機(jī)碳與硝酸鹽比率高于最小比率4時(shí)，營養(yǎng)源中碳氮組成

10、相對(duì)于微生物同化作用的氮吸收化學(xué)計(jì)量趨向于氮貧乏，而且硝酸鹽濃聚物仍保持一貫的低值。最值得注意的是，當(dāng)顆粒態(tài)有機(jī)碳與硝酸鹽的比例4的時(shí)侯，可能代表微生代謝的碳限制的增強(qiáng)，表明異養(yǎng)活動(dòng)的計(jì)量控制調(diào)節(jié)硝酸鹽的累積。當(dāng)然，在這些環(huán)境里NO3-不是微生物活動(dòng)的唯一的潛在N來源。然而，在淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，無機(jī)氮庫傾向于由NO3- (參考 7， 9， 27)控制，通過海洋和溪流的代表性站點(diǎn)的一個(gè)子集，我們發(fā)現(xiàn)，包括銨鹽（NH4+）在內(nèi)都不改變這種逆向關(guān)系(補(bǔ)充圖4a， c補(bǔ)充表4)。相反,溶解態(tài)、顆粒態(tài)有機(jī)氮與他們的有機(jī)碳相對(duì)物顯示正向關(guān)系 (DOC和POC;補(bǔ)充圖4b，d),但這是因?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境中絕大

11、多數(shù)含有碳和氮的有機(jī)物都以相當(dāng)受限的比率存在。 異養(yǎng)吸收的碳限制導(dǎo)致硝化作用增強(qiáng)，從而促進(jìn)NO3-積累。異養(yǎng)生物往往與硝化生物對(duì)NH4+形成外競爭競爭，但當(dāng)?shù)?yīng)限制新陳代謝時(shí)這個(gè)效果會(huì)最強(qiáng)。因此，當(dāng)N同化在低DOC: NO3-比率條件下收到碳限制時(shí)，提高氨氮的供應(yīng)可能促進(jìn)硝化作用。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)，在土地利用及相關(guān)生物群落規(guī)模差異很大的相鄰溪流中，硝化作用的資源控制比基本的濃度依賴吸收動(dòng)力學(xué)復(fù)雜的多（補(bǔ)充圖5e，f和表5）。相反，對(duì)于異養(yǎng)微生物，硝化作用在資源比率低于最低供應(yīng) C:N 比率時(shí)迅速增加（圖 2b）。與異養(yǎng)型的同化和硝化作用一樣(補(bǔ)充圖5a,b、e、f),有機(jī)碳和硝酸鹽的有效性可

12、以調(diào)節(jié)反硝化作用獲得的兩個(gè)有機(jī)C和硝態(tài)氮(如補(bǔ)充圖5c,d所強(qiáng)調(diào)的)。與以上探討的硝酸鹽合成代謝過程不同的是，反硝化是一個(gè)分解的過程，需要有機(jī)碳和硝酸鹽的比率在大約為1:1（生物質(zhì)合成被忽略）。我們的元分析顯示,反硝化活動(dòng)在DOC: NO3-比率在符合化學(xué)計(jì)量要求時(shí)突然作出響應(yīng)上升到125倍 (圖2c)。對(duì)于NO3-在非常低的有機(jī)C：NO3-比率下繼續(xù)積累的系統(tǒng)，其它環(huán)境因素（例如，好氧條件）可能會(huì)限制反硝化活性。總體來說，以上分析表明，氮吸收、硝化作用和反硝化作用可能都有助于維持圖1中模式的相對(duì)穩(wěn)定性。因此, 我們研究每個(gè)指數(shù)模型(表1) 的有機(jī)C：NO3-比率是否在拐點(diǎn)處來確定每個(gè)主要環(huán)境

13、的碳氮比率是否與圖2中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相匹配。我們專注于海洋之外所有系統(tǒng)中溶解態(tài)有機(jī)碳與硝酸鹽比例頑固碳可以對(duì)這些系統(tǒng)中更高的POC: NO3-比率作出解釋。我們發(fā)現(xiàn),盡管地球生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳和硝酸鹽庫差異很大(圖1),拐點(diǎn)處的平均DOC: NO3-比率都限制在2.2和5.2之間，平均為3.5(表1)。在全球范圍內(nèi)，當(dāng)POC被用于分子（表1）以及幾個(gè)特定系統(tǒng)的情況下時(shí)，湖泊和海洋的閾值比率更大（補(bǔ)充圖6，補(bǔ)充表6）。這些高比率靜止在在NO3-積累的預(yù)計(jì)化學(xué)計(jì)量窗口之內(nèi)，并且可能反映細(xì)菌組成的可塑性和對(duì)有機(jī)碳的生物利用度的增長效率的反應(yīng)（見補(bǔ)充討論）?？傆[所有的系統(tǒng)和觀測規(guī)模，NO3-傾向于在有機(jī)C

14、：NO3-需求介于非自養(yǎng)同化作用和反硝化作用的有機(jī)C：NO3-需求之間時(shí)急劇升高，這種模式可能是由于許多異養(yǎng)生物氮限制的緩和和異硝化率的提高而導(dǎo)致的。最后,我們相信從土壤到海洋的指數(shù)型衰減常數(shù)k的增加揭示了NO3-循環(huán)的能量限制沿水文連續(xù)性而發(fā)生系統(tǒng)性下降(表1)?；瘜W(xué)復(fù)雜、 耐老化的化合物在陸地植物衍生產(chǎn)品在溶解態(tài)有機(jī)碳庫中占主導(dǎo)地位的地方比水生資源占優(yōu)勢的系統(tǒng)中更為普遍。事實(shí)上，受人類干擾的河流和溪流的k，相比于未受人類干擾的河流和溪流的k，更類似于不受干擾的土壤的k（表1），這表明更多的陸地溶解態(tài)有機(jī)碳進(jìn)入到易受人為徑流影響的淡水景觀系統(tǒng)。此外，從土壤到海洋中DOC - NO3-關(guān)系不明

15、原因的同時(shí)減少（表1），可能可以解釋當(dāng)有機(jī)碳供應(yīng)從陸生轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷷r(shí)C質(zhì)量對(duì)資源消費(fèi)者不平衡的影響弱化?？傮w來說，這些趨勢可能預(yù)示著海洋和淡水環(huán)境隨著大量的外來碳源的輸入而發(fā)生純化學(xué)計(jì)量控制越來越多的先進(jìn)改變。在本文中，我們曾試圖將生態(tài)學(xué)的化學(xué)計(jì)量和新陳代謝理論聯(lián)系起來形成一個(gè)新的概念來理解C和NO3-循環(huán)從局域和全球范圍的耦合。我們相信這里提出的框架結(jié)構(gòu)可以對(duì)一系列反應(yīng)性N相關(guān)的控制挑戰(zhàn)有所幫助。例如，從我們的全局分析縮小規(guī)模至一系列表明DOC - NO3-關(guān)系的特定系統(tǒng)情況（補(bǔ)充圖6和表6）。這樣的分析，當(dāng)在管理相關(guān)的規(guī)模做時(shí)，能夠允許聚焦于條件子集的管理策略指導(dǎo)NO3-的命運(yùn)。例如，在NO

16、3-積累很少發(fā)生的地方資源比率可以作為戰(zhàn)略性調(diào)整來優(yōu)化NO3-吸收。這就是說，我們不提倡除動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和質(zhì)量平衡方法以外的化學(xué)計(jì)量角度。事實(shí)上，在有機(jī)碳和硝酸鹽關(guān)系的巨大變化表明了除化學(xué)計(jì)量控制之外環(huán)境因素的重要性。因此，我們認(rèn)為利用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)第一原則建立更好的應(yīng)用程序可以改善一系列水質(zhì)診斷和預(yù)測模型。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要繼續(xù)評(píng)價(jià)的機(jī)制背后逆有機(jī)C- NO3-模式。此外，進(jìn)一步的研究應(yīng)該解決是什么決定C - NO3-閾值的關(guān)鍵不確定性的問題，我們相信對(duì)控制微生物組成的可塑性和增長效率的關(guān)注顯得尤為重要。盡管如此，這里提出的結(jié)果為進(jìn)一步揭開全球生態(tài)系統(tǒng)中硝態(tài)氮積累的控制機(jī)制提供了一個(gè)可測試的框

17、架。方法綜述上文中所有提及的NO3-以及所有的分析，指的是硝酸鹽氮原子部分，有機(jī)C：NO3-比率指的是兩種成分的分子量比。資料庫通過網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫和出版文獻(xiàn)資料可得（見補(bǔ)充說明）。在圖 1 中使用的數(shù)據(jù)集的顏色區(qū)別在補(bǔ)充表 1 中列出。海洋數(shù)據(jù)庫從生物和化學(xué)海洋學(xué)數(shù)據(jù)管理辦公室下載（我們使用的是Woods Hole海洋機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)門戶，/pag.do?pid57140）。使用數(shù)據(jù)來源：CARIACO，EDDIES，阿拉伯海，赤道太平洋，海洋邊緣，北大西洋布盧姆實(shí)驗(yàn)，南大洋，百慕大大西洋時(shí)間序列研究和夏威夷海洋時(shí)間序列項(xiàng)目。美國環(huán)境保護(hù)署的監(jiān)測和評(píng)估方案（http:/

18、/emap/）提供的河口，濕地，包括從切薩皮克灣，大西洋中部進(jìn)行綜合評(píng)估，調(diào)查數(shù)據(jù)西部湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)湖泊和溪流，東部湖泊調(diào)查，湖泊和小溪的電子地圖的調(diào)查與國家地表水調(diào)查。美國環(huán)保署監(jiān)測和評(píng)估程序 (/emap/) 提供河口、 濕地、湖泊和溪流系統(tǒng)，包括從切薩皮克灣、 中大西洋綜合評(píng)價(jià)、 西部湖泊調(diào)查、 東西湖調(diào)查、 EMAP 湖和流調(diào)查和全國表面水調(diào)查得到的數(shù)據(jù)。美國國家科學(xué)基金會(huì)資助的長期生態(tài)研究計(jì)劃數(shù)據(jù)網(wǎng)（/knb/）也作為數(shù)據(jù)來源提供了佛羅里達(dá)大沼澤地沿海河口、梅花島生態(tài)系統(tǒng)、北溫帶湖

19、泊、Niwot山脈、博南扎河、盧科依羅、Coweeta、安德魯斯、弗吉尼亞海岸保護(hù)區(qū)和哈伯德布魯克長期生態(tài)研究的湖泊、土壤溶液和溪流的化學(xué)過程的數(shù)據(jù)。歐洲環(huán)境局（http:/dataservice。eea.europa.eu / DataService的/）作為溪流、河流和湖泊水質(zhì)的數(shù)據(jù)源。額外的溪流化學(xué)數(shù)據(jù)通過養(yǎng)分、有機(jī)物質(zhì)、懸浮沉積物環(huán)北極河流運(yùn)輸計(jì)劃（/partners/data.html），Woods Hole生態(tài)系統(tǒng)中心(http:/ecosystems. /brazilstreams/)的巴西流控制項(xiàng)目，以及CAMREX

20、（/cgi-bin/dsviewer.pl?ds_id5904 ）的大規(guī)模和長期的亞馬遜河治理工程而得到。在補(bǔ)充注釋中，參考文獻(xiàn)31-58用來編譯圖 2和補(bǔ)充圖4和5。圖 2中a和b的數(shù)據(jù)來補(bǔ)充來自美國全球海洋通量聯(lián)合中北大西洋、赤道太平洋和南大洋的數(shù)據(jù)庫。58-83用來補(bǔ)充參考圖 1。圖1| NO3-濃度與地球主要生態(tài)系統(tǒng)中DOC或POC濃度的關(guān)系。數(shù)據(jù)來自熱帶，溫帶，寒溫帶和北極地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)，包括流域，區(qū)域，國家和全球范圍內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)集。a，土壤。 b，地下水、溪流和河流。c，人為干擾的溪流和河流都是美國主要受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響的水道。d，湖泊，池塘和濕地。e，河口，海灣和沿海邊緣。f，海洋：樣品的分離反映在獨(dú)特的海洋省中C豐富度的生物地球化學(xué)差異。見表1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，補(bǔ)充表1供參考使用。為了最佳的數(shù)據(jù)觀察坐標(biāo)軸被