土壤和海洋生态系统中硝酸盐和有机碳浓度间的化学计量关系VIP免费

土壤和海洋生态系统中硝酸盐和有机碳浓度间的化学计量关系PhilipG.Taylor&AlanR.Townsend自工业革命以来，世界范围内人工肥料的生产、化石燃料的使用以及农业上豆科作物的种植使自然环境中活性氮的数量上升了一个数量级。这种对氮循环的重组增加了粮食的产量，但是也越来越引起很多的环境问题。其中一个问题就是硝酸盐在淡水和沿海海洋生态系统中的积累。在这里，我们建立的生态系统中有机氮在自然界稳定的累积，与土壤毛孔水中可利用的有机碳成负的非线性相关关系，并通过淡水和海岸带生态系统进入到开放的外海。这种趋势也发生在受到大量人力改变的生态系统中。通过这一环境的多样性，我们发现的证据表明，资源计量（有机C：NO3-）通过调节一系列有机碳和硝酸盐双溶解物循环的微生物过程强烈影响着硝酸盐的积累。通过一元分析的帮助，我们表明，异养微生物在有机碳硝酸盐：硝酸盐比例与其代谢的计量要求相匹配时维持低浓度。然而，当资源的碳：氮的微生物生物量的比例降到最低时，碳限制开始时，就引起硝酸盐的迅速累积，这又可能通过硝化作用进一步增强。在低有机碳：硝酸盐比例时，一旦有机碳和硝酸盐的可用性程度接近这个分解过程的计量要求1:1时，反硝化似乎制约硝酸盐的增大积累。总的来说，这些微生物过程通过约束地方到全球尺度的基本硝酸盐累积与一个受限的化学计量窗口之间的临界比率表达自我。我们的研究结果表明，生态化学计量学可以有助于解释不同环境中和人为干扰下的硝酸盐的归宿。但相比于庞大的惰性氮气大气池，活性氮是指无机氮和具有生理学、光化学或辐射活性的有机氮。在没有人类干扰的情况下，相对较低的活性氮可利用性制约了生态系统的一系列结构和功能。然而，工业革命以来的全球经济的迅速扩张，化石燃料的燃烧，合成肥料的生产，土地类型的大范围转变和全球贸易加速，已迅速增加了环境中的活性氮含量。许多环境威胁，包括空气污染、富营养化、土壤酸化、生物多样性的丧失和气候变化，都是由新生成的活性氮的的各种归宿引起的。由于氮循环变化的管理环境和社会的重要性，对于概念和分析模型的需求越来越高，以帮助预测活性氮在复杂环境中的归宿。一般情况下，对于生态系统中硝酸盐(NO3-)的输入和输出方式的了解侧重于该资源的数量和质量的作用。如同任何生物地球化学物种一样，动力学和能量的控制都会影响NO3-的循环，植根于米氏吸收动力学原理的模型改善了我们对河流中NO3-动态的预测能力。然而，这种努力的一个挑战来自于这样一个事实：N不能独立于其它元素循环。相反，环境中活性氮的转化与其它几个主要的生物地球化学循环有着密切的联系，也许最显着的就是碳循环。因此，要了解人类对N或C循环的干扰，没有多元素的透视是不可能的。在这里我们显示，在从土壤到溪流与湖泊，再到河口和开放外海的水文连续界面中，NO3-和有机碳（溶解态或颗粒态）之间存在稳定的负的非线性关系（图1）。值得注意的是，即使在人为干扰的溪流和河流中，该模式依然十分稳定（图1C）。该模式在各种环境和干扰机制的影响下所表现的一致性表明了其基本控制的潜力。在过去的关于河流和地下水的研究中，已提出对这种模式的几种解释，最近的一些最近的讨论都集中在从生态系统酸沉降恢复的生态系统中滤取的溶解态有机碳增加。然而，酸沉降无法解释图1所示的这种广泛的一致性，如果仅仅是动力学模型似乎也不能提供一个好的解释，因为即使在有高氮负载量的流域，其水体中硝酸盐的含量也一般都比较低（图1）。我们在这里开发和测试了模式（辅助图1），它描述了如何通过控制将溶解性C和N循环耦合在一起的重要微生物过程的相对速率来转变元素的限制进而控制有机碳—硝酸盐模式。所有生物都需要满足特征理论配比比率的能量和营养来源，它们以可预见的方式将全球氮循环与其它生物地球化学循环耦合在一起。生长限制点由于能量或营养源供应的不足从一元素转变成另一元素的这一界点被称为阈值元素比。当生物遇到营养资源不平衡的时候，临界阈值可以通过循环维持化学计量平衡或避免元素的过量来支撑生态过程。例如众所周知当有机碳与营养盐的比例低于生物体构建设所需的比率时，临界阈值的比率...