Tidal Freshwater Zones as Hotspots for Biogeochemical Cycling: Sediment Organic Matter Decomposition in the Lower Reaches of Two South Texas Rivers  

潮汐淡水區作為生物地球化學循環的熱點：德克薩斯州南部兩條河流下游的沉積物有機質分解  

來源：Estuaries and Coasts (2021) 44:722–733

《河口與海岸》 2021年 第44卷 頁碼 722–733

 

摘要  

摘要指出，河流是陸地向河口輸送有機和無機營養鹽的重要通道，但潮汐淡水區（TFZ）的生物地球化學過程如何修改這些輸入尚不清楚。本研究量化了德克薩斯州南部Mission和Aransas河流下游潮汐淡水區沉積物有機質分解速率，發現TFZ沉積物的O2消耗速率與河口相似，但高于上游非潮汐河流站點。夏季和冬季的平均O2消耗速率在Aransas河TFZ分別為385±88和349±87 μmol O2 m?2 h?1，在Mission河TFZ分別為767±153和691±95 μmol O2 m?2 h?1。這些速率主要受沉積物有機質含量和溫度控制。沉積物有機質主要來自原位藻類生產，表明TFZ是藻類生產和沉降的關鍵區域，將流域營養鹽從水體轉移到沉積物中。未來需進一步量化分解與營養鹽再礦化及反硝化等移除過程的聯系。

 

研究目的

1. 驗證潮汐淡水區（TFZ）作為生物地球化學熱點的重要性，特別是沉積物有機質分解過程。  

2. 檢驗假設：TFZ沉積物有機質分解速率受有機質數量和質量的影響，且TFZ的長滯留時間和高沉積速率增強有機質移除，顯著修改陸地向河口的營養鹽輸送。  

3. 比較Mission河和Aransas河TFZ的差異，分析土地利用和人為活動對TFZ功能的影響。

 

研究思路：  

1. 梯度設計：在Mission和Aransas河流的潮汐淡水區（TFZ）和非潮汐站點（各5-6個站點）進行采樣，覆蓋上游至下游梯度（圖1）。

 

2. 季節采樣：在2015-2017年期間進行兩次夏季（6月）和兩次冬季（2月/1月）采樣，聚焦基流條件以反映TFZ典型水文特征。  

3. 數據采集：采集沉積物巖芯，測量沉積物孔隙度、有機碳（SOC）、氮（SN）、C/N比、δ13C和δ15N穩定同位素；使用Unisense微電極測量溶解氧（DO）剖面，計算擴散O2消耗速率（DOU）；應用擴散-反應模型估算O2消耗速率。  

4. 統計分析：使用多元線性回歸分析O2消耗速率與溫度、SOC、C/N、δ13C和δ15N的關系，評估各因素相對貢獻；方差膨脹因子（VIF）檢驗變量共線性；t檢驗比較河流間和季節差異。  

 

測量的數據及研究意義  

1. 沉積物O2消耗速率：通過Unisense微電極測量DO剖面，計算擴散O2消耗速率（DOU）。數據來自表1（TFZ站點）和表2（非潮汐站點），圖2（站點間O2消耗速率分布）和圖3（河流間季節性比較）。研究意義：作為好氧有機質分解的直接指標，量化TFZ沉積物生物地球化學活性，揭示其與河口系統的相似性及作為陸海界面熱點的作用。  

 

 

  

 

  

 

2. 沉積物特性：包括孔隙度、有機碳（SOC）、氮（SN）含量、C/N比、δ13C和δ15N穩定同位素。數據來自表1（TFZ季節性數據）和表2（TFZ與非潮汐站點對比），圖4（SOC含量）。研究意義：SOC反映有機質數量，δ13C和C/N比指示有機質來源（藻類vs.陸源），孔隙度關聯沉積物粒度，共同解釋O2消耗速率變異；證明TFZ有機質以原位藻類生產為主。  

  

 

3. 環境參數：水溫（夏季25.5±0.3°C，冬季19.3±2.3°C）。數據來自方法部分和表4（回歸分析）。研究意義：溫度影響微生物活性，與SOC共同驅動O2消耗；解釋季節性差異較?。ㄒ蚨緶睾停? 

 

結論：  

1. TFZ沉積物O2消耗速率（Mission河：691–767 μmol O2 m?2 h?1；Aransas河：349–385 μmol O2 m?2 h?1）與河口相似，但顯著高于非潮汐河流站點（如Mission非潮汐站點：120±38 μmol O2 m?2 h?1），證實TFZ是生物地球化學熱點。  

2. 沉積物有機碳（SOC）含量是O2消耗的主要驅動因素（解釋48.7%變異），孔隙度與SOC正相關，反映細顆粒沉積物對有機質的保護作用；溫度影響次要（僅7%變異）。  

3. 沉積物有機質主要源自原位藻類生產（δ13C和C/N比指示），而非陸源輸入；藻類沉降將流域營養鹽從水體轉移至沉積物，修改了向河口的輸送形式。  

4. 土地利用差異（Aransas河更多農業）影響沉積物特性（如孔隙度和SOC），但不改變TFZ作為分解熱點的核心功能；基流條件下長滯留時間促進OM循環，但風暴事件可能沖刷沉積物，需未來研究整合水文動態。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用丹麥Unisense OX-50微電極（Clark型）測量沉積物溶解氧（DO）剖面，具體方法為：在完整沉積物巖芯中，以250μm深度間隔從富氧上覆水層至缺氧沉積層垂直測量DO濃度，結合擴散-反應模型（基于Fick定律和Monod動力學）計算擴散O2消耗速率（DOU）。研究意義包括：  

? 高分辨率與準確性：微電極提供毫米級垂直分辨率，避免傳統培養實驗的擾動，直接原位模擬DO擴散過程，準確量化好氧微生物呼吸速率，作為有機質分解的可靠代理（對比總O2吸收法TOU可能受生物灌溉干擾）。  

 

? 支持熱點假說：測得TFZ DOU速率（最高1589 μmol O2 m?2 h?1）與全球河口數據（277–527 μmol O2 m?2 h?1）可比，首次證明TFZ沉積物分解活性與河口相當，填補河流系統此類數據的空白。  

 

? 機制解析：DOU數據與SOC回歸分析（圖5）直接驗證SOC是主要驅動因素（斜率321，p<0.01），排除OM質量（δ13C/C/N）的顯著影響，強化了藻類衍生OM主導分解的結論。  

 

  

? 應用價值：為后續研究提供標準方法，如量化反硝化或厭氧過程時，DOU可作為基線參數，幫助評估TFZ在碳氮循環中的整體作用（如本研究推算Aransas河TFZ年礦化4.0×10^6 mol C）。