Name: Ø的底栖交易所 2，N 2和营养盐使用小的核心孵化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-03T10:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 11 s
Description: 了解沉积物-水界面溶质与气体交换测量技术，用于优化水生生物地球化学模型。该方法通过核心培养实验量化反硝化作用及营养盐通量，为评估沉积物在氮循环中的源汇功能提供高效可靠的数据支持。

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作者们在观察了马里兰大学环境科学中心的 Walter Boynton 和 Pete Sampou 的工作，并与 Todd Kana 合作开展反硝化研究的基础上，发展了这一方法。反硝化方法的开发离不开马里兰海洋资助计划和美国国家科学基金会的支持。本文所使用的代表性数据由马里兰海洋资助项目（R/AQ-5c）资助采集，论文撰写工作得到了马里兰海洋资助项目（R/SV-2）、美国国家海洋和大气管理局切萨皮克湾办公室（NA13NMF4570210）、牡蛎恢复伙伴关系、美国国家科学基金会（OCE1427019）、Exelon 公司以及马里兰环境服务局/马里兰港务管理局的资助。

注意：采集具有未受干扰的沉积物-水界面的柱状样对于准确测量交换过程至关重要；严重扰动的柱状样可能导致孔隙水溶质与上覆水发生交换，并通过亚铁（Fe(II)）和还原性硫化物的氧化作用增强氧气的吸收。本文重点介绍沉积物的培养程序，仅简要涉及沉积物采样技术以及溶质和气体的化学分析。在采样前或根据初步结果，应依据整个项目的需求、统计设计或预期的小尺度空间变异性程度，确定所需的重复次数。许多研究至少采用双份柱状样，而设置三份重复则有助于进行更可靠的统计分析。
1. 沉积物采集与处理
注意：交换实验所用沉积物的采集可通过以下方法进行：1）由潜水员人工插入采样管，或在浅水或湿地环境中涉水手动采集；2）使用带手动关闭阀门的铝合金杆进行杆式钻取，以保留沉积物；3）箱式采样。
<ol>
	<li>在每个站点，使用GPS记录站点位置，利用水质探头测定底层水体的溶解氧、温度和盐度，并使用PAR传感器/计测定水面和水底的光合有效辐射（PAR）。
	<ol>
		<li>将水质探头降至距沉积物约1米处，记录底层水体特征（深度、温度、溶解氧、温度和盐度/电导率）。</li>
		<li>使用下放框架将带有水下探头的光合有效辐射（PAR）传感器降至沉积物-水界面。比较靠近沉积物表面处的PAR读数与空气-水界面正下方的PAR读数，以估算在环境光照条件下的光衰减程度。</li>
		<li>从船侧投放箱式采样器，缓慢下放以最大限度减少插入沉积物时造成的扰动。检查采样箱内是否存在明显扰动或过度再悬浮现象。
		<ol>
			<li>对于箱式采样器，将采样管插入沉积物中，并使用丁基橡胶塞覆盖采样管顶部。在通量实验中，采样管内理想的沉积物与水体比例为15 cm水层和15 cm沉积物层；但在粗颗粒或高度压实的沉积物中，采集较浅的沉积物深度亦可接受。若观测到氧气消耗速率过高，应调整比例以增加水柱高度。</li>
			<li>通常在深水研究中使用内径为6.35 cm的采样管，对于含有底栖微藻或大型动物种群的沉积物，则使用内径为10 cm的采样管。采样管尺寸的主要限制因素在于能否封闭管底。</li>
			<li>用带有嵌入式O形圈的亚克力底板封住底部。重复此过程，直至收集到足够的重复样本。使用柱状采样器时，先将亚克力底板放入采样内衬管中，然后从采样器中取出样本芯，并加上塞子。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将岩心放入一个高大的保温水箱中，用水体采样点的环境水充满水箱；这有助于保持 原位 温度。确保冷藏箱保持直立。运输过程中若岩心受到扰动，应予以弃用。</li>
	<li>将靠近沉积物表面的底层水用泵抽入20 L的容器中，用于实验。使用容量为10–20 L/min的隔膜泵或高速蠕动泵。
	<ol>
		<li>在浅层非分层水体中，通过将大容量瓶浸入水中来注满。在水柱耗氧速率较高或光照下光合作用较强的采样点，使用大容量在线滤芯过滤器对底层水进行过滤可能有助于减少仅含水柱的对照组样品所需的校正值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>尽快将岩心运输至培养设施。若运输时间较长，好氧岩心可能变为缺氧状态，此时需要进行人工曝气或循环。</li>
</ol>
2. 初始设置
<ol>
	<li>在培养设施中，将岩心置于培养桶内，可放置于具有控温功能的环境室中，或置于带有加热/冷却循环器控温的双层壁培养箱内。将温度设定为1.1.1中测得的底层水温。</li>
	<li>向培养箱中加入底层水，完全淹没沉积物岩心。同时将水加入带龙头的5 L塑料瓶中，用于后续补充水的更换。</li>
	<li>向培养箱中加入一个仅含水的岩心（不含沉积物）。在大多数环境中，使用水柱空白样对于校正影响气体和溶质的水柱过程至关重要。在反硝化作用测定中，这些空白样不仅可反映水柱内的过程，还可反映气体与岩心丙烯酸壁之间的交换作用。</li>
	<li>用空气对岩心曝气至少2小时，以确保达到热平衡并使上覆水充分氧合。岩心可过夜保存，并于次日上午开始时间序列实验。更长时间的预培养期尚未评估其有效性。
	<ol>
		<li>曝气时使用小型“T”形曝气管，由½" PVC管和三通接头构成；将一根1/8"细管插入T形管底部，可在曝气时带动水流向上循环，不仅实现氧合，还能促进岩心内水体与培养桶中水体之间的交换。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 沉积物-水培养实验步骤
<ol>
	<li>在确认温度与野外条件一致后，将旋转盖帽安装到岩心顶部。此时将岩心与水箱中的水密封隔离。在此过程中保持岩心上的取样阀处于打开状态。手动轻轻从旋转盖帽底部侧方清除任何气泡。</li>
	<li>将更换用水的桶抬高至比培养核心顶部高出约30–40 cm，并将排水管向下引流，以排除管路中的空气。在水流持续流动的同时，将管路连接至核心顶部并关闭阀门。</li>
	<li>打开中央搅拌转盘，调节转速，使样品管以每分钟约40转的速度旋转，或调节至足以混合水体但不引起沉积物再悬浮的转速。</li>
	<li>所有岩心密封后约 5 分钟，打开置换水阀门和样品阀门，然后使用鲁尔接头将一段短管连接至样品阀门。将此取样管插入一支装满液体至溢出的 7 ml 玻璃管底部。在盖紧管盖前，加入 10 µl 30 g/L-1 HgCl2 作为防腐剂。
	<ol>
		<li>将这些样品在接近培养温度的水下保存。其他实验室已成功使用12 ml“Exetainers”作为样品储存容器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对于溶质取样，将一个20 ml注射器筒连接至取样阀，并打开置换水阀。注射器筒仅依靠重力作用自然充满。安装活塞和滤膜盘，随后将样品过滤至样品瓶中。用于营养盐分析的这些样品在-20℃下冷冻保存 °C 直至分析前。 
	注意：在暗处取样的时间进程通常包括4个取样时段，取样间隔时间为0.5至 &gt; 2小时，具体取决于氧气消耗速率。当氧气消耗速率较低时，取样时间间隔较长；而在呼吸速率较高的沉积物中，取样时间间隔需较短。每次取样点采集的样品体积过大，可能导致所取样品占总体积的比例过高；在我们的研究中，这些取样体积仅需可忽略的校正。若需要更大的样品体积，则可能需要使用更大直径的岩芯管或增加水柱高度。</li>
	<li>采样时间进程不应在氧气消耗量低于50%阈值的情况下进行，通常氧气消耗量达到25%即可为养分浓度提供足够的检测信号。此处应使用经过校准的光学传感器对氧气浓度和氧气饱和度进行直接分析。
	<ol>
		<li>如果沉积物来自浅层透光环境，则在 4th 采样时，打开光源并连续采集3个样品。需注意，在光合作用较强的沉积物中，O₂可能出现过饱和现象。2 气泡的形成在某些情况下限制了气体通量的测量。对氧气进行持续监测正成为一种日益可行且有价值的方法，其中光纤测量技术具有探头体积小、可靠性高和测量精确的优点。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在沉积物培养结束时，测量水柱高度，或用虹吸法将水柱转移至量筒中以直接测定水体积，并对每个岩芯拍照。</li>
</ol>
4. 样品分析
<ol>
	<li>泵取样品用于 N 分析2, O2 并将 Ar 导入膜进样质谱仪，测定 N 的比值2氩和氧2氩气至 &lt; 0.03% 精度12,23.
	<ol>
		<li>将四极杆质谱仪与膜进样器连接。使用蠕动泵将样品推入膜管。将样品废液收集至塑料大瓶中，并因含有汞防腐剂而按化学废物处理。使用在孵育温度下与空气平衡的去离子水进行校准。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对 ≤ 5 ml 样品或更小体积的样品，可手动进行营养盐分析，或使用自动分析仪进行分析。样品解冻后应立即开始分析。所选用的营养盐分析方法必须具有足够的精确度，以检测孵育过程中营养盐浓度的变化。典型的检测限为 &lt; 0.05 µmol L-1 在营养物质浓度极低和极高时，都难以观察到时间过程的变化趋势。
	<ol>
		<li>对于可溶性活性磷的比色分析，采用抗坏血酸磷钼酸法；对于铵离子分析，使用苯酚-次氯酸盐试剂进行过夜显色。24自动比色分析法是一种很好的替代方法，可使用分段流动或离散分析仪进行，且所需样品体积更小。</li>
		<li>使用氯化钒作为还原剂，通过过夜显色法分析硝酸盐和亚硝酸盐25，或使用自动分析仪</li>
		<li>将紫外/可见光分光光度计测定的吸光度与标准曲线进行比较，根据标准品浓度与吸光度的回归方程计算浓度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 沉积物-水界面交换速率的计算
<ol>
	<li>分别对黑暗和光照条件下的培养样品，独立进行气体或营养物浓度随时间变化的回归分析，斜率以 µmol L-1 hr-1 表示。用仅含水柱的对照组斜率对培养柱样品的斜率进行校正。仅使用具有统计学意义的回归结果（P &lt; 0.05）进行计算；在最终的数据表格中明确标注无显著性差异的数据。</li>
	<li>根据上覆水中化学组分浓度变化的斜率计算沉积物-水界面交换速率： 
	<img alt="静态平衡方程 F=(ΔC/Δt)*(V/A)，符号，教育用公式示意图。" src="/files/ftp_upload/54098/54098equation1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="公式 1"> 
	其中，F 为通量（µmol m-2 hr-1），ΔC/Δt 为上覆水中浓度变化的斜率（µmol L-1 hr-1），V 为上覆水体积（L），A 为培养柱的横截面积（m-2）。为估算每日通量，将光照条件下的速率乘以光照时长，并加上黑暗条件下的速率乘以黑暗时长。</li>
</ol>
6. 报告
<ol>
	<li>报告沉积物-水界面交换测量结果时，应提供足够的信息，以便其他科研人员了解采样环境。必要信息包括：1）采样点位置和水深，2）物理特征，如现场和培养温度以及光合有效辐射（PAR），3）底层水体特征，如溶解氧、营养盐浓度和盐度，4）沉积物特征，如粒径、有机质含量以及底栖动物的存在情况。</li>
</ol>

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<li>Lee, D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effects+of+Oxygen+Transition+on+Community+Respiration+and+Potential+Chemoautotrophic+Production+in+a+Seasonally+Stratified+Anoxic+Estuary%5BTitle%5D)+AND+%22Estuar.Coasts%22%5BJournal%5D)">The Effects of Oxygen Transition on Community Respiration and Potential Chemoautotrophic Production in a Seasonally Stratified Anoxic Estuary.</a> Estuar.Coasts. 38, 104-117 (2015).</li>
<li>MacIntyre, H. L., Geider, R. J., Miller, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microphytobenthos%3A+The+ecological+role+of+the+%22secret+garden%22+of+unvegetated%2C+shallow-water+marine+habitats+.1.+Distribution%2C+abundance+and+primary+production%5BTitle%5D)+AND+%22Estuaries%22%5BJournal%5D)">Microphytobenthos: The ecological role of the "secret garden" of unvegetated, shallow-water marine habitats .1. Distribution, abundance and primary production.</a> Estuaries. 19, 186-201 (1996).</li>
<li>Aller, R. C., Mackin, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Open-incubation%2C+diffusion+methods+for+measuring+solute+reaction+rates+in+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mar.+Res%22%5BJournal%5D)">Open-incubation, diffusion methods for measuring solute reaction rates in sediments.</a> J. Mar. Res. 47, 411-440 (1989).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文所述技术已应用于多种水体系统，包括浅水和深水环境，我们发现其在大多数情况下均能良好运行。该方法借鉴了文献中同行所使用的方法，并针对通过膜进样质谱法测定反硝化作用进行了优化。该方法的一个优势在于能够同时处理大量样品柱。对每个采样点设置双份或三份重复样品可提高测量结果的可信度；而在某些情况下，也可采用增加采样点数量但减少重复次数的替代策略，此时环境区段的平均值可能更能代表自然界的变异性。为了阐明季节性差异，在较少数量的采样点上进行时间序列测量可能是一种有效的策略。
在本实验方案中，有几个关键步骤。获得成功测量结果的首要条件是采集具有完整沉积物-水界面的样品柱。尽管在野外剔除不符合此标准的样品柱可能令人疲惫，但质量差的样品柱将导致准确度和精密度下降。保持好氧样品柱的充气状态，并使其温度接近原始采集时的温度，可最大限度地减少人为误差，并维持微生物和后生动物种群的健康与完整。最后，对于 O2 和 N2 样品，添加氯化汞作为防腐剂至关重要。我们观察到，气体样品保存不当（包括样品瓶过度加热或冷却）会影响这些通量测量结果的可靠性。其他实验室已成功使用 7.0 M 的 ZnCl2 作为毒性较低、废物处理成本更小的替代防腐剂；对于 7 ml 的样品，加入 30 μl 即可。
N2 与 Ar 比例的精确分析是确定 N2 通量的关键。观测到的 N2:Ar 比值会随氧浓度变化而变化，因此一些研究者建议在分析前去除氧气，通常采用加热的铜进行处理28。我们实验室所使用的仪器曾用于评估氧气对 N2:Ar 比值的影响23，结果发现该影响极小，在适度耗氧条件下 &#60; 0.03%。不同研究者在评估氧气&#34;效应&#34;时采用的方法存在差异，这似乎导致了不同的结论23,28,29。若氧气对 N2:Ar 比值具有显著影响，则会导致 N2-N 释放速率被错误地高估；而根据我们的经验，在大量高耗氧速率条件下，观察到的 N2-N 释放通量可忽略不计。在那些发现氧气对 N2:Ar 比值影响较大的实验室中，一种有效的替代方案是：使用电极或光学传感器独立测定氧浓度，并通过在线加热铜装置在质谱分析前去除氧气。
只有通过检查沉积物通量数据，才能对此技术进行故障排查。当回归结果较差时，需重点考虑搅拌是否持续、样品是否被正确采集和保存，以及时间过程是否过短而无法准确估算较低的速率。实验时长通常由氧气的时间过程决定，代谢速率较低时需要更长的孵育时间，以提高时间过程回归中的信噪比。较高的氧气产生速率会导致 O2 气泡形成，从而使气体通量难以测定，但溶质通量可能不受影响。
有必要了解该方法的局限性。小孔径采样器覆盖每平方米的0.3%，较大采样器覆盖0.6%。在米级尺度上存在显著异质性的样地，动物或植物的异质性分布可能表明一到两个采样核心不足以代表整体情况。此外，某些环境也带来测量困难。在反硝化作用测量中，甲烷或氧气气泡的存在可能使该技术失效，因为气体在气泡中的差异性溶入会影响N2:Ar比值。在底栖微藻定植的沉积物中，氧气气泡的形成会导致相对于Ar更易脱除N2，从而降低N2:Ar比值。通常情况下，我们无法在气泡形成的位置测量反硝化作用。厌氧环境带来不同的挑战，采样核心的充气会改变沉积物-水界面的氧化还原动态。我们在采集后立即用带搅拌装置的顶盖密封采样核心，并在不完全更换水柱的情况下开始通量测定30。我们对光照沉积物的实验通常采用饱和或接近饱和的光照强度31，以最大化底栖微藻的作用效果。
沉积物-水界面交换测量用于测定物质在沉积物-水界面之间的净通量。然而，仅靠这些测量通常无法确定控制这些界面交换过程的机制。如果研究问题涉及对机制的理解，则可能需要其他信息，如有机质反应活性、末端电子受体的分带特征、生物灌溉与生物扰动作用，以及光合生物的相关数据。建模工作7可能需要测定孔隙水化学组成、直接量化有机质反应活性32、动物种群数量统计、沉积物生物灌溉速率、沉积物累积速率，或对氧化还原条件及上覆水化学性质进行实验性调控13。在我们的研究中，高质量的沉积物-水界面交换数据是理解水体沉积物化学性质的关键组成部分，并结合其他测量结果，共同揭示了沉积物再循环过程在水生生物地球化学循环中的作用。
在谨慎处理沉积物、控制温度以及混合水柱的条件下，岩心培养法是一种用于估算沉积物-水界面溶质和气体交换的有效方法。然而，此处使用的技术可能需要根据某些环境条件或复杂的操作流程（如培养前的长时间延迟）进行适当修改。迄今为止，我们已成功将该培养方法几乎无需修改地应用于河口、近海、湿地、湖泊、水库、河流和滞留池等多种环境。

沉积物是水生生态系统中关键的生物地球化学组分，通常是营养物质和污染物的重要汇。早期关于湖泊沉积物中营养物质、气体和过渡金属生物地球化学的研究表明，沉积物与上覆水体之间存在溶质和气体的交换，且该过程受水体氧化还原条件变化的影响1,2。对于营养元素而言，沉积物在有机质再矿化后可成为磷和固定态氮的来源，并在非光合作用环境中成为氧气的汇3,4。沉水大型植物、大型藻类以及底栖微藻的光合作用可显著影响沉积物-水界面间溶解物质的交换过程5,6。
对溶质和气体在沉积物-水界面之间交换的测量既服务于基础科学研究，也服务于应用科学研究，包括对工程和科学水质模型的校准7,8。这些方法的主要目标是在尽可能大的程度上提供可靠且准确的沉积物-水界面交换速率。已有多种方法被用于评估沉积物-水界面的化学物质交换。在分层系统中，底层水中气体和溶质的积累可能具有参考价值9，但该方法不适用于温跃层或密度跃层以上的沉积物-水交换研究。涡动相关法需要对气体（通常为氧气）进行高频测量，并结合垂直水流速度的高频测量；该技术前景广阔，但目前尚无法为营养盐交换研究提供有效数据。原位穹顶或密闭舱法是一种高度优选的方法，其优势在于能够覆盖更大面积的沉积物表面，并维持原位温度、深水压力和光照条件10。然而在实际操作中，这类测量成本高昂，需要在大型研究船上投入大量时间；大多数应用集中于较深的近海区域或海洋沉积物。采用流通式培养室并达到稳态的核心培养技术在维持培养过程中上覆水体化学条件（包括氧气浓度）相对恒定方面表现优异11。由于交换速率是通过进出水之间的浓度差以及水流交换速率在稳态下确定的，因此这类培养过程可能需要较长时间。
我们实验室所采用的时间进程核心孵育方法借鉴自北美和欧洲多个不同实验室使用的方法，已有大量文献基于这一总体方法展开研究。我们对该方法进行了改进，以适用于N的测定2氮通量12，通常称为反硝化作用，并已将其应用于包括河口在内的光合与非光合沉积环境13湖泊、水库和湿地14通过这些研究，我们发现了许多适用于本方法的环境，也发现了一些不适用的情况。由于反硝化作用是生态系统氮素流失的关键途径，该过程的测定已在多种不同的陆地和水生环境中开展。目前已有多种测定反硝化作用的方法，其中一些为直接法，另一些为间接法。15直接 N2 由于大气中氮含量很高，通量测量非常困难2，随后高浓度溶解于水中16目前有两种方法在表征环境相关速率方面表现最佳：利用氮同位素的同位素配对法17 和 N2：Ar 比值在本实验室中的应用。同位素配对法已在多种环境中成功应用，对低速率过程具有极高的灵敏度。我们采用 N2由于其简便性以及在我们常研究的受影响环境中具有足够的灵敏度，因此采用 :Ar 比值法。
本文介绍了我们在过去二十年中用于测量沉积物-水界面气体和溶质交换的技术方法。任何对沉积物-水交换过程的测量都必须考虑野外环境条件以及若干实验参数。这些因素包括温度、光照/黑暗条件18、沉积物-水界面的混合/物理流动19、溶解氧浓度20，以及其他对获得准确测量结果至关重要的关键因素。例如，若采集的岩芯来自光照充足、足以支持底栖微藻生长的区域，则必须设计包含黑暗和光照条件的实验21。同样，将含氧上覆水加入缺氧岩芯中并不能真实反映野外条件。对水生生态系统任何部分进行实验性封闭都可能产生不可避免的人为偏差22；因此，在沉积物-水交换测量研究中所采用的方法必须：1）明确认识控制每个生态系统中沉积物-水交换的关键因素；2）最大限度减少因实验操作引起的人为偏差。

<table><tbody><tr><td>多参数探头 - 温度、氧气、盐度</td><td>YSI</td><td>&quot;</td><td>任何高质量设备均可满足要求</td></tr><tr><td>光合有效辐射（PAR）测量</td><td>Li-Cor</td><td>6050000</td><td></td></tr><tr><td>杆式采泥器</td><td></td><td></td><td>由机械车间自制</td></tr><tr><td>箱式采泥器</td><td>DK-Denmark</td><td>HAPS Corer</td><td>我们也使用轻型箱式采泥设备</td></tr><tr><td>带O形圈底端的小型岩心管，外径3英寸，内径2.5英寸</td><td>多家塑料公司</td><td></td><td>透明丙烯酸材料</td></tr><tr><td>带O形圈的中型岩心管，外径4.5&quot;，内径4&quot;</td><td>多家塑料公司</td><td></td><td>透明丙烯酸材料</td></tr><tr><td>丁基橡胶塞，尺寸13.5</td><td>通用</td><td></td><td></td></tr><tr><td>搅拌转盘</td><td></td><td></td><td>由机械车间自制</td></tr><tr><td>培养槽</td><td></td><td></td><td>由机械车间自制</td></tr><tr><td>替换用水大容量塑料瓶</td><td>Nalgene</td><td>2320-0050</td><td></td></tr><tr><td>7 ml 玻璃磨口塞试管</td><td>Chemglass</td><td>未列入库存</td><td>&quot;Exetainers&quot; 为其他实验室所用</td></tr><tr><td>20 ml 塑料注射器</td><td>通用</td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射器滤器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>塑料软管</td><td>Tygon</td><td>ACF00004-CP</td><td></td></tr><tr><td>紧凑型荧光灯</td><td>Apollo Horticulture</td><td>CFL 8U 250W</td><td></td></tr></tbody></table>

底栖层交换的o2，n2 利用小型岩心培养法测定溶解性营养物质

The Benthic Exchange of O2, N2 and Dissolved Nutrients Using Small Core Incubations

水-沉积物界面气体和溶质交换的测定为理解沉积物在营养元素和气体循环中的作用提供了重要数据。采集含有完整水-沉积物界面的岩芯后，将其浸没于培养箱中，并在有氧条件下保存 原位 温度。为了启动上覆水化学的时间序列观测，使用带有悬浮搅拌器的顶盖对岩心进行密封，确保无气泡残留。通过4-7个采样时间点的时间序列来确定沉积物与水体之间物质交换的速率。人工光照用于模拟浅层光合沉积物的白天条件，结合暗培养实验，可提供每日净交换量。氮的净测量2 通过高精度质谱分析氮气浓度的时间序列溶解气体样本，使得该方法得以实现2：Ar 比值提供了一种测量 N 的方法2 浓度。我们已成功将该方法应用于湖泊、水库、河口、湿地和雨水池，并在谨慎操作下，该方法可为水生生态系统的生物地球化学平衡提供有价值的信息。

在中国马里兰州切萨皮克湾乔普坦克河一处水产养殖设施附近测得的沉积物通量结果如图1所示，这些结果在生态系统背景下的解释见其他文献26。孵育实验持续进行7小时，先进行暗孵育，随后进行光照孵育。图中展示了两个岩芯的数据以及仅水柱的对照组。黑暗条件下氧气浓度迅速下降，而光照使其下降程度有所减缓；微藻光合作用产氧速率低于呼吸耗氧速率，光照的主要效应是降低了氧气浓度变化的速率。对照组岩芯在黑暗条件下氧气浓度略有下降，在光照条件下略有上升。
N2 浓度由N测定2Ar 比值以及根据观测温度和盐度计算的 Ar 饱和文献值27. 在氮元素分析中，通常可达到 0.02% 的精确度2:Ar比值，这些数据的精确度约为~0.1 µmol L-1 N2. 沉积物岩心和水柱空白岩心中的 N 含量均有所增加2 随着时间的推移，核心部分的增长速率明显更高。在光照条件下，其斜率通常与暗态下的N2 变化
溶解态NH₄⁺的通量4+ 在此位点含量相当高，且呈深色递增趋势 &gt; 20 µmol L-1 用于一个核心。光照 NH4+ 通量要低得多。两个柱芯样品以及水柱空白样的NO₃⁻浓度均呈下降趋势x- 随时间变化的浓度，在光照期间趋于平稳。对于所有通量，浓度数据以及核心体积和其他相关参数的数据均显示在 表1 和 2.
<img alt="O₂、N₂、NH₄⁺、NOx 浓度随时间变化的曲线图；线性回归分析。" src="/files/ftp_upload/54098/54098fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Figure 1"> 
图1. 来自切萨皮克湾支流乔普坦克河浅水区域的时间序列数据，该区域水面漂浮装置中养殖有牡蛎。 数据来自重复采集的沉积物柱状样（A 和 B），同时展示了水柱空白对照组的数据。氧气（O₂）、N2、NH4+ 和 NOx-（NO3- 与 NO2- 的总和）的浓度分别在黑暗培养阶段（阴影区域）和光照培养阶段中呈现。黑暗培养阶段的第四个时间点同时也是光照培养阶段时间序列的第一个时间点；光照在取样时刻即已开启。图中线条为线性回归拟合结果，其斜率值列于表1中。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54098/54098fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td fo:width="1.8in" style="width:220px">氧气 - 黑暗</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>0</td>
			<td>235.1</td>
			<td>221.7</td>
			<td>235.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1.3</td>
			<td>204.3</td>
			<td>170.6</td>
			<td>235.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2.32</td>
			<td>162.7</td>
			<td>138.9</td>
			<td>232</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>145.3</td>
			<td>77.9</td>
			<td>222.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.943</td>
			<td>0.999</td>
			<td>0.836</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-23.5</td>
			<td>-35.9</td>
			<td>-3.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corrected Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-20.1</td>
			<td>-32.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rate (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-3,095</td>
			<td>-4,875</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>氧气 - 光照</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>145.3</td>
			<td>77.9</td>
			<td>222.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4.88</td>
			<td>133.5</td>
			<td>68.8</td>
			<td>224.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5.88</td>
			<td>122.8</td>
			<td>40.3</td>
			<td>221.6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>6.88</td>
			<td>116</td>
			<td>49.2</td>
			<td>230.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.981</td>
			<td>0.999</td>
			<td>0.994</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-10.1</td>
			<td>-9.8</td>
			<td>2.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corrected Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-13</td>
			<td>-12.7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rate (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-2,000</td>
			<td>-1,905</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 - 黑暗</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>0</td>
			<td>466.46</td>
			<td>466.40</td>
			<td>466.62</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1.3</td>
			<td>466.74</td>
			<td>467.49</td>
			<td>466.11</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2.32</td>
			<td>467.55</td>
			<td>468.18</td>
			<td>466.74</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>468.24</td>
			<td>468.98</td>
			<td>467.12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.963</td>
			<td>0.98</td>
			<td>0.854</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope N2 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>0.471</td>
			<td>0.645</td>
			<td>0.12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corrected Slope N2 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>0.351</td>
			<td>0.525</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rate N2-N (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>108.1</td>
			<td>157.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 - 光照</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>468.24</td>
			<td>468.98</td>
			<td>467.12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4.88</td>
			<td>468.84</td>
			<td>469.21</td>
			<td>467.26</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5.88</td>
			<td>469.39</td>
			<td>469.71</td>
			<td>467.47</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>6.88</td>
			<td>469.62</td>
			<td>470.04</td>
			<td>467.41</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.96</td>
			<td>0.987</td>
			<td>0.967</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope N2 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>0.481</td>
			<td>0.378</td>
			<td>0.096</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corrected Slope N2 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>0.386</td>
			<td>0.282</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rate N2-N (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>118.9</td>
			<td>84.6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Core Surface Area (m2)</td>
			<td></td>
			<td>0.003165</td>
			<td>0.003165</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Core Volume (L)</td>
			<td></td>
			<td>0.4874</td>
			<td>0.4747</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. O的时间过程数据2 和 N2 来自切萨皮克湾支流乔普坦克河中牡蛎养殖浮筏下方的沉积物。 气体浓度源自 O2：Ar 和 N2通过膜入口质谱法测定的 :Ar 比值。时间过程回归 R2 数值在具有显著性时有意义 &gt; 0.9025（P &lt; 0.05）。斜率通过线性回归确定，校正斜率通过减去仅水柱空白的变动速率得到。正值表示净通量从沉积物中释放，负值表示通量进入沉积物。氮2 通量数据以 N 表示2-N，与 NH 进行比较4+ 和一氧化氮x- 通量更易于测量。该站点的沉积物主要由粉砂和黏土组成，水体环境为完全好氧状态。所采集岩心的截面积为31.65 cm²。-2 A 核心的水柱深度为 15.4 cm，B 核心为 15.0 cm。所有 N 的浓度2 和 O2 是 µmol L-1. N 的最终速率2 通量在 N 处表示2- N.
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td fo:width="1.8in" style="width:220px">NH4+ - 黑暗</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>0</td>
			<td>10.84</td>
			<td>14.09</td>
			<td>6.91</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1.3</td>
			<td>16.19</td>
			<td>20.26</td>
			<td>5.83</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2.32</td>
			<td>17.07</td>
			<td>24.93</td>
			<td>5.42</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>22.83</td>
			<td>35.43</td>
			<td>4.67</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.968</td>
			<td>0.993</td>
			<td>0.853</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>2.88</td>
			<td>5.36</td>
			<td>-0.53</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>校正斜率 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>3.41</td>
			<td>5.89</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>速率 (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>525</td>
			<td>884</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NH4+ - 光照</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>22.83</td>
			<td>35.43</td>
			<td>4.67</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4.88</td>
			<td>24.05</td>
			<td>36.45</td>
			<td>4.13</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5.88</td>
			<td>25.00</td>
			<td>37.60</td>
			<td>3.79</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>6.88</td>
			<td>26.96</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.978</td>
			<td>1</td>
			<td>0.966</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>1.37</td>
			<td>1.13</td>
			<td>-0.55</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>校正斜率 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>1.92</td>
			<td>1.68</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>速率 (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>296</td>
			<td>252</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NOx- - 黑暗</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>0</td>
			<td>4.12</td>
			<td>4.01</td>
			<td>4.53</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1.3</td>
			<td>3.82</td>
			<td>3.58</td>
			<td>4.43</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2.32</td>
			<td>3.70</td>
			<td>3.25</td>
			<td>4.28</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>3.19</td>
			<td>2.64</td>
			<td>4.19</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.976</td>
			<td>0.992</td>
			<td>0.967</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-0.229</td>
			<td>-0.345</td>
			<td>-0.089</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>校正斜率 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-0.14</td>
			<td>-0.256</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>速率 (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-21.6</td>
			<td>-38.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NOx- - 光照</td>
			<td>时间 (hr)</td>
			<td>样品 A</td>
			<td>样品 B</td>
			<td>对照</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3.97</td>
			<td>3.19</td>
			<td>2.64</td>
			<td>4.19</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4.88</td>
			<td>3.06</td>
			<td>2.59</td>
			<td>4.06</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5.88</td>
			<td>3.18</td>
			<td>2.41</td>
			<td>4.02</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>6.88</td>
			<td>2.95</td>
			<td>2.35</td>
			<td>4.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R2</td>
			<td></td>
			<td>0.934</td>
			<td>0.909</td>
			<td>0.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slope (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-0.078</td>
			<td>-0.103</td>
			<td>0</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>校正斜率 (µmol L-1 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-0.078</td>
			<td>-0.103</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>速率 (µmol m-2 hr-1)</td>
			<td></td>
			<td>-12</td>
			<td>-15.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>样品表面积 (m2)</td>
			<td></td>
			<td>0.003165</td>
			<td>0.003165</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>样品体积 (L)</td>
			<td></td>
			<td>0.4874</td>
			<td>0.4747</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2. NH的时间过程数据4+ 和一氧化氮x- 来自用于表1的相同沉积物岩心。 时间过程回归 R2 数值对于数值具有显著性 &gt; 0.9025（P &lt; 0.05）。斜率通过线性回归确定，校正后的斜率通过减去仅水柱空白的浓度变化速率得到。正值表示净通量从沉积物中释放，负值表示通量进入沉积物。所有NH浓度4+ 和一氧化氮2- 是 µmol L-1.

本文介绍了用于测量沉积物-水界面气体和溶质交换的小型核心培养方法。该方法可提供可靠的沉积物-水交换数据，用于评估沉积物在影响水生生态系统中生物及生物地球化学过程中的作用。

底栖层交换的O2，N2 利用小型岩心培养法测定溶解性营养物质

水-沉积物界面气体和溶质交换的测量为理解沉积物在水生环境中的作用提供了重要数据，……

本沉积物生物地球化学实验的总体目标是，对沉积物表面与上覆水体之间的溶质和气体交换进行真实测量，以完善水生环境的质量平衡，并为生物地球化学模型提供数据支持。该方法有助于回答水生生物地球化学领域的一些关键问题，例如沉积物作为营养元素和氧气的汇与源的重要性如何。该方法针对水体反硝化作用（水生氮循环中的主要汇途径）的测量进行了优化。该技术的主要优势在于其高效性，能够使我们对沉积物生物地球化学过程实现广泛的空间和时间覆盖。首先，通过GPS记录采样点的位置。然后，使用YSI水质探头测定底层水体的溶解氧、温度和盐度。将其降至距沉积物约一米处并读数。接着，使用光合有效辐射（PAR）传感器和下降支架在水面和水底进行测量，以估算水体的光衰减程度。现在，准备采样器。对于深水研究，使用内径为 6.35 厘米的采样管；对于含有底栖微藻或大型动物种群的沉积物，使用内径为 10 厘米的采样管。现在，将采样器从船侧投放，并缓慢下放，以尽量减少穿透沉积物时造成的扰动。收回箱式采样器后，将采样管插入箱中。在每个岩心管顶部插入丁基橡胶塞，然后将带O形圈的丙烯酸板连接至每个底部。对于柱状采样器，在将岩心从采样器中取出之前，先将丙烯酸底板放入岩心衬管中。采样完成后，检查沉积物捕获芯和岩心盒是否存在可见扰动或过度再悬浮现象。进行通量实验时，理想的核心样品中沉积物与水的平衡比例为各15厘米；但在粗颗粒或高度压实的沉积物中，可接受采集较少的沉积物。然而，若氧气消耗速率过高，则应调整比例，增加水体部分。将采集的核心样品储存在装满采样点环境水的隔热水箱中，以维持原位温度。确保冷藏箱保持直立。接下来，使用隔膜泵从钻孔位置采集底层水样至20升的塑料瓶中。通常每个采样点采集两到三瓶，若预计不同采样点之间的水体化学性质存在差异，则应从多个地点分别采集。如果在浅层非分层水体中无法使用泵，可手动灌装大容量试剂瓶。现在，需尽快将好氧岩芯运送至培养设施，以防止其变为缺氧状态。到达设施后，检查岩芯并丢弃在运输过程中受到扰动的样品。然后将包括水柱空白样的柱状样放入水浴恒温培养箱中，并将温度设定为测得的底层水温。向培养箱中加入采集的底层水，完全浸没沉积物柱状样。空白柱状样（即无沉积物的柱状样）也需充满底层水。同时，向带有出水阀的5升大肚瓶中加入底层水，用于补充更换的水。为实现通气，使用由1/2英寸PVC管和三通接头制成的小型T形鼓泡器。用PVC管包裹1/8英寸的管子，并通过排水实现水体循环和通气。现在，让岩心在避光条件下平衡至少两小时至过夜，然后再进行采样。岩心平衡完成后，将旋转盖帽安装到岩心上。在采样阀打开的状态下，轻轻清除旋转盖帽下方的任何气泡，并将岩心与水箱中的水密封隔开。接下来，将一个替换用的水桶抬高至比培养核心高30到40厘米的位置，然后从水桶引出排水管并开始排水，待水流稳定后，将管道连接至核心顶部。随后关闭阀门。现在启动中央搅拌转盘，并调节转速，使水体充分混合，但不扰动底部沉积物。通常以每分钟40转的速度即可。约五分钟后，打开更换用水阀门和样品阀门。然后，使用鲁尔接头将一段短管连接到样品阀门上。将该采样管放入一个七毫升的玻璃样品管中，并用水注满溢出。然后向样品中加入10微升氯化汞，并盖紧管盖。进行溶质采样时，将一个20毫升的注射器筒连接到采样阀上，并打开置换水阀。然后将活塞和滤膜安装到已装样液的注射器上，将样品过滤至收集管中。暗环境下的采样时间进程通常包括四次采样，间隔时间为半小时至两小时或更长，具体取决于氧气消耗速率。使用校准过的氧电极，持续监测所采水样中的氧气浓度。通常，当氧气消耗达到 25% 时，可开始测量营养物浓度的变化。可以进行更长时间的采样，但不得在氧气消耗超过 50% 后采样。如果沉积物来自浅层透光环境，则在第四次采样后打开光源，并再采集三次样品。将采集的样品在培养温度下浸没于水中保存。取样后，通过水柱高度或将全部水排入量筒来测量核心中剩余的水体积。沉积物通量测量位于切萨皮克河支流乔普坦克河的一处水产养殖设施附近。光照在一定程度上减缓了氧气的快速下降，但光合作用速率仍低于呼吸作用速率。对照组岩心中的氧气水平仅发生轻微变化。氮气浓度通过氮气与氩气的比值测定，精度达到0.02%，相当于约100纳摩尔/升的氮气。在黑暗或光照条件下，沉积物岩心的氮含量增加均远高于水中空白对照组的增幅。黑暗期间，溶解态铵的通量较高，其中一个岩心的浓度增加了20微摩尔每升。即使在光照条件下，沉积物柱芯中的铵浓度仍持续升高。柱芯样品和水柱空白样品中的硝酸盐与亚硝酸盐浓度均随时间逐渐降低，且在光照期间下降速率较慢。一旦熟练掌握，两名科研人员通常可在六至八小时内高效完成这些培养操作，具体时长取决于沉积物的呼吸速率。进行该操作时，重要的是要记住采集完整的沉积物-水界面，并保持与野外观察到的温度相近的恒定温度。培养结束后，这些岩心可用于采集样品，以测定叶绿素含量、粒径、孔隙水化学性质以及沉积物的比质量反应活性。自该方法建立以来，利用氮气与氩气的比例来测定反硝化作用，为反硝化作用及净氮气通量的测量提供了一种替代方法。科学家已将这种气体比例技术应用于湿地、湖泊、水库、河口及浅海沉积物的反硝化作用测量，为同位素方法提供了一种有效的替代手段。

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科研

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