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

1、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Philip G.Taylor & Alan R. 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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，临界阈值的比率能分别促进磷和氮在水和土壤中的累积。 微生物量的碳氮比差异很大，从最低的3到最高的20 (参照 4，18，20)。 另外，由于异养微生物将它们的一些有机碳资源用于能源生产和建立新的

7、细胞物质，所以关键的供应比率比微生物组织的碳氮比大。然而，细菌的这种生长效率差异很大，往往与生态系统的营养状态相对应。在贫营养条件下,随着高资源碳氮比和碳的不稳定性相对较低,细菌的成长效率一般介于5%和20%之间(参考22，24)。相比较来说，在营养丰富系统中的细菌的成长效率价值高得多，通常介于40%和80%之间(参考22,24）。 此外，细菌结构表现出的塑性可以修改阈值的比率，因为生物量的碳氮比可以与资源C:N比率的变化相呼应而发生变化。这种能力可以改变N 相对于异养需求过量的临界点。我们注意到，当N供应相对C增加时，微生物的碳氮比趋于下降。这一点同数据一起表明，细菌的生长效率在营

8、养丰富的条件下达到其峰值，这意味着，决定微生物合成代谢中从N到C的一个转换的关键比率因为在该点的限制硝酸浓度可能会急剧上升应接近该微生物机体组织中碳氮比的最低端的范围。因此，细菌生长效率和组织化学计量两者内部的灵活性可能都基于阈值比率的变化。我们最初通过比较微生物硝酸盐的吸收率和海洋生物群落的颗粒态有机碳与硝酸盐比率来检测这一概念，因为硝酸盐的毛吸收率是使用最为广泛的。我们使用 POC 作为有机 C 资源，因为它比溶解态有机碳更能够反映海洋生物的有机碳库，通常由更老更顽固的物质构成。我们在三个不同的海洋生物群落以及沿海，河口，河流和湖泊生态系统中发现颗粒态有机碳与硝酸盐的转折点比率介于4至14

9、之间（图2a，见方法）。通常可用的15N - NO3-吸收数据与浮游植物和细菌的氮素吸收并不加以区分。但是，通过三个海洋系统的数据，我们发现，氮的吸收阈值在条件从富营养化到贫营养化转变时升高，相伴着细菌生产出现强劲增长（图2a;补充图2和3;补充表3）。与此相反，我们发现自养与碳氮比转折点基本无关（补充图2C型，D组;补充表3，补充讨论。）。因此，我们认为这些模式可能反映当代氮循环的观点：海洋中的浮游细菌大大有助于NO3-吸收、 再生和硝化。这种格局表明，只有当能源和理论消费者的化学计量达到平衡时，异养生物对N的高同化作用才能被激活。当颗粒态有机碳与硝酸盐比率高于最小比率4时，营养源中碳氮组成

10、相对于微生物同化作用的氮吸收化学计量趋向于氮贫乏，而且硝酸盐浓聚物仍保持一贯的低值。最值得注意的是，当颗粒态有机碳与硝酸盐的比例4的时侯，可能代表微生代谢的碳限制的增强，表明异养活动的计量控制调节硝酸盐的累积。当然，在这些环境里NO3-不是微生物活动的唯一的潜在N来源。然而，在淡水和海洋生态系统中，无机氮库倾向于由NO3- (参考 7， 9， 27)控制，通过海洋和溪流的代表性站点的一个子集，我们发现，包括铵盐（NH4+）在内都不改变这种逆向关系(补充图4a， c补充表4)。相反,溶解态、颗粒态有机氮与他们的有机碳相对物显示正向关系 (DOC和POC;补充图4b，d),但这是因为生态环境中绝大

11、多数含有碳和氮的有机物都以相当受限的比率存在。 异养吸收的碳限制导致硝化作用增强，从而促进NO3-积累。异养生物往往与硝化生物对NH4+形成外竞争竞争，但当氮供应限制新陈代谢时这个效果会最强。因此，当N同化在低DOC: NO3-比率条件下收到碳限制时，提高氨氮的供应可能促进硝化作用。事实上，我们发现，在土地利用及相关生物群落规模差异很大的相邻溪流中，硝化作用的资源控制比基本的浓度依赖吸收动力学复杂的多（补充图5e，f和表5）。相反，对于异养微生物，硝化作用在资源比率低于最低供应 C:N 比率时迅速增加（图 2b）。与异养型的同化和硝化作用一样(补充图5a,b、e、f),有机碳和硝酸盐的有效性可

12、以调节反硝化作用获得的两个有机C和硝态氮(如补充图5c,d所强调的)。与以上探讨的硝酸盐合成代谢过程不同的是，反硝化是一个分解的过程，需要有机碳和硝酸盐的比率在大约为1:1（生物质合成被忽略）。我们的元分析显示,反硝化活动在DOC: NO3-比率在符合化学计量要求时突然作出响应上升到125倍 (图2c)。对于NO3-在非常低的有机C：NO3-比率下继续积累的系统，其它环境因素（例如，好氧条件）可能会限制反硝化活性。总体来说，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维持图1中模式的相对稳定性。因此, 我们研究每个指数模型(表1) 的有机C：NO3-比率是否在拐点处来确定每个主要环境

13、的碳氮比率是否与图2中发现的转折点相匹配。我们专注于海洋之外所有系统中溶解态有机碳与硝酸盐比例顽固碳可以对这些系统中更高的POC: NO3-比率作出解释。我们发现,尽管地球生态系统的有机碳和硝酸盐库差异很大(图1),拐点处的平均DOC: NO3-比率都限制在2.2和5.2之间，平均为3.5(表1)。在全球范围内，当POC被用于分子（表1）以及几个特定系统的情况下时，湖泊和海洋的阈值比率更大（补充图6，补充表6）。这些高比率静止在在NO3-积累的预计化学计量窗口之内，并且可能反映细菌组成的可塑性和对有机碳的生物利用度的增长效率的反应（见补充讨论）。总览所有的系统和观测规模，NO3-倾向于在有机C

14、：NO3-需求介于非自养同化作用和反硝化作用的有机C：NO3-需求之间时急剧升高，这种模式可能是由于许多异养生物氮限制的缓和和异硝化率的提高而导致的。最后,我们相信从土壤到海洋的指数型衰减常数k的增加揭示了NO3-循环的能量限制沿水文连续性而发生系统性下降(表1)。化学复杂、 耐老化的化合物在陆地植物衍生产品在溶解态有机碳库中占主导地位的地方比水生资源占优势的系统中更为普遍。事实上，受人类干扰的河流和溪流的k，相比于未受人类干扰的河流和溪流的k，更类似于不受干扰的土壤的k（表1），这表明更多的陆地溶解态有机碳进入到易受人为径流影响的淡水景观系统。此外，从土壤到海洋中DOC - NO3-关系不明

15、原因的同时减少（表1），可能可以解释当有机碳供应从陆生转变为水生时C质量对资源消费者不平衡的影响弱化。总体来说，这些趋势可能预示着海洋和淡水环境随着大量的外来碳源的输入而发生纯化学计量控制越来越多的先进改变。在本文中，我们曾试图将生态学的化学计量和新陈代谢理论联系起来形成一个新的概念来理解C和NO3-循环从局域和全球范围的耦合。我们相信这里提出的框架结构可以对一系列反应性N相关的控制挑战有所帮助。例如，从我们的全局分析缩小规模至一系列表明DOC - NO3-关系的特定系统情况（补充图6和表6）。这样的分析，当在管理相关的规模做时，能够允许聚焦于条件子集的管理策略指导NO3-的命运。例如，在NO

16、3-积累很少发生的地方资源比率可以作为战略性调整来优化NO3-吸收。这就是说，我们不提倡除动力学、热力学和质量平衡方法以外的化学计量角度。事实上，在有机碳和硝酸盐关系的巨大变化表明了除化学计量控制之外环境因素的重要性。因此，我们认为利用生态化学计量学第一原则建立更好的应用程序可以改善一系列水质诊断和预测模型。实现这一目标需要继续评价的机制背后逆有机C- NO3-模式。此外，进一步的研究应该解决是什么决定C - NO3-阈值的关键不确定性的问题，我们相信对控制微生物组成的可塑性和增长效率的关注显得尤为重要。尽管如此，这里提出的结果为进一步揭开全球生态系统中硝态氮积累的控制机制提供了一个可测试的框

17、架。方法综述上文中所有提及的NO3-以及所有的分析，指的是硝酸盐氮原子部分，有机C：NO3-比率指的是两种成分的分子量比。资料库通过网上数据库和出版文献资料可得（见补充说明）。在图 1 中使用的数据集的颜色区别在补充表 1 中列出。海洋数据库从生物和化学海洋学数据管理办公室下载（我们使用的是Woods Hole海洋机构数据门户，）。使用数据来源：CARIACO，EDDIES，阿拉伯海，赤道太平洋，海洋边缘，北大西洋布卢姆实验，南大洋，百慕大大西洋时间序列研究和夏威夷海洋时间序列项目。美国环境保护署的监测和评估方案（）提供的河口，湿地，包括从切萨皮克湾，大西洋中部进行综合评估，调查数据西部湖区生

18、态系统湖泊和溪流，东部湖泊调查，湖泊和小溪的电子地图的调查与国家地表水调查。美国环保署监测和评估程序 () 提供河口、 湿地、湖泊和溪流系统，包括从切萨皮克湾、 中大西洋综合评价、 西部湖泊调查、 东西湖调查、 EMAP 湖和流调查和全国表面水调查得到的数据。美国国家科学基金会资助的长期生态研究计划数据网（）也作为数据来源提供了佛罗里达大沼泽地沿海河口、梅花岛生态系统、北温带湖泊、Niwot山脉、博南扎河、卢科依罗、Coweeta、安德鲁斯、弗吉尼亚海岸保护区和哈伯德布鲁克长期生态研究的湖泊、土壤溶液和溪流的化学过程的数据。欧洲环境局（http:/dataservice。eea.europa.

19、eu / DataService的/）作为溪流、河流和湖泊水质的数据源。额外的溪流化学数据通过养分、有机物质、悬浮沉积物环北极河流运输计划（），Woods Hole生态系统中心(http:/ecosystems. /brazilstreams/)的巴西流控制项目，以及CAMREX（）的大规模和长期的亚马逊河治理工程而得到。在补充注释中，参考文献31-58用来编译图 2和补充图4和5。图 2中a和b的数据来补充来自美国全球海洋通量联合中北大西洋、赤道太平洋和南大洋的数据库。58-83用来补充参考图 1。图1| NO3-浓度与地球主要生态系统中DOC或POC浓度的关系。数据来自热带，温带，寒温带和北极地区的生态系统，包括流域，区域，国家和全球范围内收集到的数据集。a，土壤。 b，地下水、溪流和河流。c，人为干扰的溪流和河流都是美国主要受农业活动影响的水道。d，湖泊，池塘和湿地。e，河口，海湾和沿海边缘。f，海洋：样品的分离反映在独特的海洋省中C丰富度的生物地球化学差异。见表1进行统计分析，补充表1供参考使用。为了最佳的数据观察坐标轴被截断。图2|微生物的资源化学计量控制NO3