研究简介:本研究以环境条件梯度显著的珠江口及其邻近陆架为研究对象，综合野外观测、沉积物柱状样分析、物质平衡模型和跨系统比较，系统探讨底层水缺氧如何影响沿海沉积物中的氮循环、氮再循环与氮移除过程。沿海沉积物既是活性氮向水体再释放的源，也可通过反硝化、厌氧氨氧化等过程将固定氮转化为惰性氮气，从而成为海岸带氮预算中的关键"氮汇"；然而，缺氧究竟促进还是抑制沉积物氮移除，此前在不同系统中结论不一，机制也缺乏定量约束。研究发现，底层水低氧会显著增加沉积物铵盐向上覆水体的释放通量，并削弱沉积物内部对铵的氧化能力。


在高底层氧条件下，有机质分解释放的铵约有75%在沉积物中被硝化氧化，仅约25%进入水柱，反硝化可移除约76%的再矿化有机氮；而在低氧条件下，铵释放比例升至约55%，仅约45%的再矿化铵被硝化，反硝化对再矿化有机氮的移除下降至约53%。研究发现，底层水低氧会显著增加沉积物铵盐向上覆水体的释放通量，并削弱沉积物内部对铵的氧化能力。在高底层氧条件下，有机质分解释放的铵约有75%在沉积物中被硝化氧化，仅约25%进入水柱，反硝化可移除约76%的再矿化有机氮；而在低氧条件下，铵释放比例升至约55%，仅约45%的再矿化铵被硝化，反硝化对再矿化有机氮的移除下降至约53%。


进一步通过物质平衡分析指出，上述机制在中低硝酸盐水平的沿海系统中具有普遍性。随着全球海岸带缺氧范围扩大，沉积物氮汇功能可能更广泛地被削弱，更多无机氮将以铵等形式返回水柱并支持初级生产，从而形成"氮再循环增强—生产力上升—耗氧增加—缺氧加剧"的正反馈，尤其可能放大氮限制型沿海生态系统的富营养化风险。该研究不仅解释了不同海岸系统间缺氧效应的差异，也为改进全球沉积物反硝化估算、优化近海氮循环模型与富营养化管理提供了重要依据。


Unisense野外微电极研究系统的应用


Unisense 微电极主要用于获取沉积物—水界面附近的高分辨率溶解氧微剖面。通过在珠江口及其邻近陆架沉积物中测定 O₂ 随深度的变化，研究获得了氧渗透深度和沉积物耗氧率等关键参数，用以表征表层沉积物的好氧代谢强度、有机质矿化活跃程度以及缺氧形成的生物地球化学背景。由于沉积物氮循环强烈受氧环境调控，微电极数据不仅帮助研究者判断不同站位的氧化层厚度和耗氧能力，还为后续估算铵释放、硝化效率和反硝化氮移除提供了基础环境参数。


实验结论


本研究证实，底层水缺氧并未如传统认知般促进沉积物氮移除，反而通过削弱硝化作用显著降低了系统脱氮能力。其核心机制在于：低氧环境使沉积物铵盐释放比例从25%升至55%，同时硝化效率从75%降至45%；而反硝化高度依赖硝化提供的硝酸盐，在低底层水硝酸盐水平下，硝化受抑直接导致反硝化底物短缺，致使氮移除效率从76%降至53%。这一"缺氧—硝化受抑—反硝化底物不足—氮移除下降"的链条，解释了不同海岸系统对缺氧响应的跨系统差异——底层水硝酸盐能否补偿硝化缺口是决定结局的关键。该发现揭示了缺氧通过增强氮再循环、减少永久移除，在氮限制系统中形成加剧富营养化的正反馈，为改进全球沉积物氮汇估算及近海管理提供了关键依据。

图1、珠江入海口区域的采样点以及（A）底水溶解氧浓度和（B）底水硝酸盐浓度。

图2、在河口盐度梯度不同采样点的沉积物中，氧气（O₂）、硝酸盐（NO₃⁻）和铵离子（NH₄⁺）的垂直分布。数据点表示三次重复测量的平均值。误差线因小于标记而省略。

图3、氮通量与速率对比：（A）有机碳再矿化速率的估算值（SOU），（B）氨在沉积物-水界面的通量（FNH4⁺）与SOU的关系，（C）硝化速率（Fnitrif.）与SOU的关系，以及（D）反硝化速率（N₂产生量，Fdenitrif.）与SOU的关系。

图4、(A) 氮化效率，定义为沉积物中通过硝化作用氧化的再矿化铵离子占底水溶解氧水平的比例；(B) 由反硝化作用贡献的有机质再矿化比例与底水溶解氧水平的关系；(C)硝酸盐在沉积物-水界面的通量与底水硝酸盐浓度之间的关系；(D) 硝化速率与反硝化速率之比与底水硝酸盐浓度之间的关系。

图5、珠江河口区域沉积物中的氮预算。A）底水含氧量较高（>100 μmol L⁻¹）和（B）底水含氧量较低（<100 μmol L⁻¹）条件下。速率和通量单位为 mmol m⁻² d⁻¹。各组内所有站点的平均值均已报告，不确定度表示与均值的偏差标准差。这些平均值所表现出的较大标准差主要由底层有机碳再矿化速率（以SOU表示）的自然变异所致。


结论与展望


缺氧显著影响沉积物氮循环过程，但其具体效应尚未得到充分约束，且在不同生态系统间存在显著的不一致性。本研究以典型河口—海岸系统珠江口区域为对象，通过野外观测与质量平衡分析，阐明了不同环境条件下缺氧对沉积物氮循环的调控机制。结果表明，底层水低氧条件会显著增加沉积物向水体释放的铵盐通量：在底层水充分充氧条件下，有机质分解释放的铵盐中有75%可在沉积物内部被氧化，仅25%进入上覆水体；而在低氧条件下，铵盐释放比例升至再矿化总量的55%，且仅45%的再矿化铵能被硝化作用氧化。


随着低氧环境下沉积物硝化作用减弱，耦合硝化—反硝化过程受到抑制，导致系统对活性氮的永久移除能力下降。本研究揭示了缺氧通过削弱硝化过程限制反硝化底物供应的关键机制，解释了不同海岸系统间缺氧效应的跨系统差异，为预测沉积物对底层水缺氧的反馈究竟是加剧还是缓解富营养化提供了科学依据。


本研究利用Unisense Clark型微电极系统，在珠江口及邻近陆架沉积物中开展了高分辨率溶解氧微剖面测定，精准刻画了沉积物—水界面的氧垂向分布特征。该设备获取的氧渗透深度、沉积物耗氧率等关键参数，为解析底层水缺氧背景下沉积物氮循环过程提供了核心环境基准。通过将微电极数据与物质平衡模型结合，研究厘清了氧环境对硝化—反硝化耦合过程的调控机制：低氧未直接促进反硝化，而是通过抑制硝化作用削弱硝酸盐供给，最终降低沉积物氮移除效率。Unisense 微电极所提供的高分辨率氧剖面使研究者能够将底层水缺氧、沉积物耗氧、有机质矿化和氮转化过程联系起来，从而揭示低氧并未直接促进反硝化，而是通过抑制硝化过程、削弱硝酸盐供给，最终降低沉积物对活性氮的永久移除能力。