Понимание растворенное органическое вещество биогеохимии Через<em> В Ситу</em> Питательные манипуляциях в потоке экосистемам
Summary
Растворенное органическое вещество является важным источником энергии и питательных веществ для потоковой экосистемы. Здесь мы показываем метод полевой основе манипулировать окружающий бассейн растворенного органического вещества на месте через легко тиражируемых импульсов питательных.
Abstract
Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.
Introduction
Растворенное органическое вещество (DOM), обеспечивает существенную экономию энергии и питательных веществ источник пресноводных экосистем, а также определяется как органическое вещество, которое проходит через фильтр 0,7 мкм. В водных экосистемах, DOM также может влиять на ослабление света и комплексообразование металла. DOM является весьма разнообразны и гетерогенную смесь органических соединений с различными функциональными группами, а также основных питательных веществ, таких как азот (N) и фосфора (Р). Хотя термин "DOM" описывает весь пул, включая его C, N и Р компонентов, его концентрация измеряется в виде растворенного органического углерода (DOC). Присущая молекулярная сложность DOM пула, однако, создает проблемы для ее изучения. Например, нет никакого прямого способа измерить долю общего пула DOM, состоящего из органических питательных веществ, таких как растворенного органического азота (ДОН) и растворенных органических фосфора (DOP). Вместо того, чтобы концентрация органических питательных веществ должна определяться разностью ( <em> например , [ДОН] = [всего растворенного азота] – [растворенный неорганический азот]).
Добавление реалистичной поправки DOM в поток затруднено из-за разнообразия окружающего DOM бассейна. Предыдущие исследования добавили единичные источники углерода (например , глюкоза, мочевина 1) или конкретный источник , такой как листовой опад фильтрате 2 манипулировать концентрацией в области. Тем не менее, эти источники не являются особенно представителем окружающего DOM бассейна. Попытка уточнить или сосредоточиться окружающей среды DOM для последующего эксперимента также кованого с трудностями , включая потерю некоторых фракций (например , весьма лабильных компонентов) во время обработки. В результате, это трудно понять элементы управления на окружающий DOM бассейна, как мы в настоящее время не обладают какой-либо метод, чтобы непосредственно манипулировать окружающей среды DOM бассейн. Тем не менее, так как Биогеохимия DOM связан с питательными веществами , обычно встречается в окружающей среде (например , нитСкорость [NO 3 -] 3), мы можем добавить другие растворенные вещества для потоковой экосистемы и измерить отклик DOM пула этих манипуляций. Рассматривая, как DOM бассейн реагирует на широкий спектр экспериментально введенных концентраций питательных веществ, которые мы надеемся получить более полное представление о том, как DOM реагирует на колебания условий окружающей среды.
Один метод, обычно используемый в потоке биогеохимией является питательным веществом метод добавок. Питательные эксперименты дополнение традиционно использовались , чтобы понять поглощение кинетики или судьбу добавленного растворенного вещества 4,5,6,7. Питательные добавки могут быть краткосрочными на 6 часов в день масштабе 4 или более долгосрочных манипуляций на протяжении нескольких лет 8. Питательные добавки могут также включать в себя меченные изотопами питательных веществ (например , 15 N-NO 3 -) , чтобы проследить добавленный питательных веществ через биогеохимических реакций. Однако изотопные на основе исследования часто EXPEонительных и требуют сложных анализов (например , усваивание) из множества донными отсеков , где меченные изотопами питательные вещества могут быть сохранены. Недавние эксперименты показали , полезность краткосрочных импульсов питательных выяснить элементы управления на без добавок и окружающих растворенных веществ , таких как DOM 9,10, открывая новый способ с помощью которого можно исследовать в реальном времени на месте биогеохимических реакций. Здесь мы описываем и продемонстрировать основные методологические шаги к проведению краткосрочных импульсов питательных веществ с целью понимания в сочетании биогеохимии C и N и, в частности управления на многообразной DOM бассейна. Это легко воспроизводимый метод включает добавление питательных веществ импульс экспериментального потока досягаемости и измерения изменений в концентрации как манипулируют растворенного вещества и переменной отклика интересов (например , DOC, ДОН, DOP). За счет прямого манипулирования концентрации питательных веществ на месте , мы можем косвенно изменить DOMбассейн и изучить , как изменения концентрации РОМ через динамический диапазон концентраций питательных веществ 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Цель метода импульсного питательного, как представлено здесь, чтобы охарактеризовать и количественно определить отклик многообразной пула окружающего DOM поток воды через динамический диапазон добавленного неорганического питательного вещества. Если добавленное растворенного веще…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the Water Quality Analysis Laboratory at the University of New Hampshire for assistance with sample analysis. The authors also thank two anonymous reviewers whose comments have helped to improve the manuscript. This work is funded by the National Science Foundation (DEB-1556603). Partial funding was also provided by the EPSCoR Ecosystems and Society Project (NSF EPS-1101245), New Hampshire Agricultural Experiment Station (Scientific Contribution #2662, USDA National Institute of Food and Agriculture (McIntire-Stennis) Project (1006760), the University of New Hampshire Graduate School, and the New Hampshire Water Resources Research Center.
Materials
| Sodium Nitrate | Any | Any | |
| Sodium Chloride | Any | Any | Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities |
| Whatman GFF glass-fiber filters | Any | Any | |
| BD Filtering Syringe | Any | Any | |
| EMD Millipore Swinnex Filter Holders | Any | Any | |
| Syringe stop-cock | Any | Any | |
| YSI Multi-parameter probe | Yellow Springs International | 556-01 | |
| Wide mouth HDPE 125 ml bottles | Any | Any | |
| 60 ml HDPE bottles | Any | Any | |
| 20 L bucket | Any | Any | |
| Field measuring tape | Any | Any | |
| Lab labeling tape | Any | Any | |
| Stir stick | Any | Any | |
| Cooler | Any | Any | |
| Sharpie pen | Any | Any | |
| Field notebook | Any | Any | |
| Tweezers | Any | Any | |
| Zip-lock bags | Any | Any |
Referências
- Brookshire, E. N. J., Valett, H. M., Thomas, S. A., Webster, J. R. Atmospheric N deposition increases organic N loss from temperate forests. Ecosystems. 10 (2), 252-262 (2007).
- Bernhardt, E. S., McDowell, W. H. Twenty years apart: Comparisons of DOM uptake during leaf leachate releases to Hubbard Brook Valley streams in 1979 and 2000. J Geophys Res. 113, G03032 (2008).
- Taylor, P. G., Townsend, A. R. Stoichiometric control of organic carbon-nitrate relationships from soils to sea. Nature. 464, 1178-1181 (2010).
- Mulholland, P. J., et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 452, 202-205 (2008).
- Tank, J. L., Rosi-Marshall, E. J., Baker, M. A., Hall, R. O. Are rivers just big streams? A pulse method to quantify nitrogen demand in a large river. Ecology. 89 (10), 2935-2945 (2008).
- Covino, T. P., McGlynn, B. L., McNamara, R. A. Tracer additions for spiraling curve characterization (TASCC): quantifying stream nutrient uptake kinetics from ambient to saturation. Limnol Oceanogr. 8, 484-498 (2010).
- Johnson, L. T., et al. Quantifying the production of dissolved organic nitrogen in headwater streams using 15 N tracer additions. Limnol Oceanogr. 58 (4), 1271-1285 (2013).
- Rosemond, A. D., et al. Experimental nutrient additions accelerate terrestrial carbon loss from stream ecosystems. Science. 347 (6226), 1142-1145 (2015).
- Diemer, L. A., McDowell, W. H., Wymore, A. S., Prokushkin, A. S. Nutrient uptake along a fire gradient in boreal streams of Central Siberia. Freshwater Sci. 34 (4), 1443-1456 (2015).
- Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Direct response of dissolved organic nitrogen to nitrate availability in headwater streams. Biogeochemistry. 126 (1), 1-10 (2015).
- Stream Solute Workshop. Concepts and methods for assessing solute dynamics in stream ecosystems. J N Am Benthol Soc. 9 (2), 95-119 (1990).
- Kilpatrick, F. A., Cobb, E. D. . Measurement of discharge using tracers: U.S Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. , (1985).
- Rodríguez-Cardona, B., Wymore, A. S., McDowell, W. H. DOC: NO3- and NO3- uptake in forested headwater streams. J Geophys Res – Biogeo. 121, (2016).
- Kilpatrick, F. A., Wilson, J. F. Book 3 Chapter A9, Measurement of time of travel in streams by dye tracing. Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey. , (1989).
- Lutz, B. D., Bernhardt, E. S., Roberts, B. J., Mulholland, P. J. Examining the coupling of carbon and nitrogen cycles in Appalachian streams: the role of dissolved organic nitrogen. Ecology. 92 (3), 720-732 (2011).
- Michalzik, B., Matzner, E. Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a Central European Norway spruce ecosystem. Eur J Soil Sci. 50 (4), 579-590 (1990).
- Solinger, S., Kalbitz, K., Matzner, E. Controls on the dynamics of dissolved organic carbon and nitrogen in a Central European deciduous forest. Biogeochemistry. 55 (3), 327-349 (2001).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Patterns in chemical fractionation of organic nitrogen in Rocky Mountain streams. Ecosystems. 6 (5), 483-492 (2003).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Fate and transport of organic nitrogen in minimally disturbed montane streams of Colorado, USA. Biogeochemistry. 74 (3), 303-321 (2005).
