माध्यम से, भंग समझना कार्बनिक पदार्थ biogeochemistry<em> बगल में</em> स्ट्रीम पारिस्थितिक तंत्र में पोषक तत्व जोड़तोड़
Summary
भंग कार्बनिक पदार्थ ऊर्जा और पोषक तत्वों पारिस्थितिक तंत्र स्ट्रीम करने का एक महत्वपूर्ण स्रोत है। यहाँ हम आसानी से replicable पोषक तत्व दालों के माध्यम से बगल में भंग कार्बनिक पदार्थ के परिवेश के पूल में हेरफेर करने के लिए एक क्षेत्र आधारित विधि का प्रदर्शन।
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
भंग कार्बनिक पदार्थ (डोम) पारिस्थितिक तंत्र मीठे पानी के लिए एक महत्वपूर्ण ऊर्जा और पोषक स्रोत प्रदान करता है और कार्बनिक पदार्थ है कि एक 0.7 माइक्रोन फिल्टर के माध्यम से गुजरता के रूप में परिभाषित किया गया है। जलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों के भीतर, डोम भी प्रकाश क्षीणन और धातु complexation प्रभावित कर सकते हैं। डोम विभिन्न कार्य समूहों के साथ कार्बनिक यौगिकों, साथ ही इस तरह नाइट्रोजन (एन) और फॉस्फोरस (पी) के रूप में आवश्यक पोषक तत्वों की एक अत्यधिक विविध और विषम मिश्रण है। शब्द "डोम" अपनी सी, एन पी और घटकों सहित पूरे पूल का वर्णन करते हैं, अपनी एकाग्रता भंग कार्बनिक कार्बन (डॉक्टर) के रूप में मापा जाता है। डोम पूल के निहित आणविक जटिलता हालांकि, इसके अध्ययन के लिए चुनौतियों बनाता है। उदाहरण के लिए, वहाँ कुल डोम पूल, भंग कार्बनिक नाइट्रोजन (डॉन) और भंग कार्बनिक फास्फोरस (डीओपी) के रूप में जैविक पोषक तत्वों के शामिल के अंश को मापने के लिए कोई सीधा रास्ता है। इसके बजाय, जैविक पोषक तत्वों की एकाग्रता अंतर से निर्धारित किया जाना चाहिए ( <em> जैसे [डॉन] = [कुल भंग नाइट्रोजन] – [भंग अकार्बनिक नाइट्रोजन])।
एक धारा के लिए एक यथार्थवादी डोम संशोधन जोड़ना परिवेश डोम पूल की विविधता के कारण मुश्किल है। पिछले अध्ययनों से ही कार्बन सूत्रों ने कहा है (जैसे ग्लूकोज, यूरिया 1) या एक विशेष स्रोत पत्ता कूड़े leachate 2 के रूप में इस तरह के क्षेत्र में सांद्रता में हेरफेर करने के लिए। हालांकि, इन स्रोतों परिवेश डोम पूल का विशेष प्रतिनिधि नहीं हैं। निखारने या ध्यान केंद्रित बाद के प्रयोग के लिए परिवेश डोम भी प्रसंस्करण के दौरान कुछ भिन्न (जैसे अत्यधिक अस्थिर घटक) के नुकसान सहित कठिनाइयों के साथ गढ़ा है करने के लिए कोशिश कर रहा है। नतीजतन, यह परिवेश डोम पूल पर नियंत्रण को समझने के रूप में हम वर्तमान में किसी भी विधि सीधे परिवेश डोम पूल में हेरफेर करने के लिए पास नहीं है मुश्किल है। हालांकि, बाद से डोम के biogeochemistry पोषक तत्वों सामान्यतः वातावरण में पाया से जुड़ा हुआ है (जैसे लीखदर [सं 3 -] 3), हम अन्य विलेय पारिस्थितिक तंत्र धारा और इन जोड़तोड़ करने के लिए डोम पूल की प्रतिक्रिया को मापने के लिए जोड़ सकते हैं। विचार कैसे डोम पूल प्रयोगात्मक लगाया पोषक तत्व सांद्रता हम कैसे डोम पर्यावरण की स्थिति अस्थिर करने के लिए जवाब में बेहतर जानकारी हासिल करने के लिए आशा की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए जवाब है के द्वारा।
एक विधि आमतौर पर धारा biogeochemistry में इस्तेमाल के अलावा पोषक विधि है। पोषक तत्व अलावा प्रयोगों पारंपरिक रूप से तेज कैनेटीक्स या जोड़ा घुला हुआ पदार्थ 4,5,6,7 के भाग्य समझने के लिए इस्तेमाल किया गया है। पोषक तत्व जोड़ मानव संसाधन 6 कई साल 8 के पाठ्यक्रम पर दिन पैमाने 4, या लंबी अवधि के लिए जोड़तोड़ पर अल्पकालिक हो सकता है। पोषक तत्व जोड़ भी isotopically लेबल शामिल कर सकते हैं पोषक तत्वों (जैसे 15 एन-कोई 3 -) biogeochemical प्रतिक्रियाओं के माध्यम से जोड़ा पोषक तत्व का पता लगाने के लिए। हालांकि, आइसोटोप आधारित अध्ययन अक्सर अनुभव कर रहे हैंnsive और कई benthic डिब्बों जहां isotopically लेबल पोषक तत्वों को बरकरार रखा जा सकता है की चुनौतीपूर्ण विश्लेषण (जैसे digestions) की आवश्यकता होती है। हाल प्रयोग ऐसे डोम 9,10 के रूप में गैर जोड़ा और परिवेश विलेय पर नियंत्रण को स्पष्ट करने के लिए एक नया तरीका है जिसके द्वारा सीटू biogeochemical प्रतिक्रियाओं में वास्तविक समय की जांच करने का खुलासा अल्पकालिक पोषक तत्व दालों की उपयोगिता पता चला है। यहाँ हम वर्णन है और अत्यधिक विविध डोम पूल सी और एन और विशेष रूप से नियंत्रण के युग्मित biogeochemistry को समझने के उद्देश्य से अल्पकालिक पोषक तत्व दालों का आयोजन करने के लिए महत्वपूर्ण कदम पद्धति प्रदर्शित करता है। यह आसानी से प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य विधि एक प्रयोगात्मक धारा पहुँचने के लिए एक पोषक तत्व पल्स जोड़ने और दोनों चालाकी से घुला हुआ है और ब्याज की प्रतिक्रिया चर (जैसे डॉक्टर, डॉन, डीओपी) की एकाग्रता में परिवर्तन को मापने शामिल है। सीधे बगल में पोषक तत्वों की सांद्रता से छेड़छाड़ हम परोक्ष रूप से डोम को बदलने में सक्षम हैंपूल और जांच कैसे पोषक तत्वों की सांद्रता 10 के एक गतिशील रेंज भर में डोम एकाग्रता बदल जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
पोषक तत्वों की नाड़ी विधि का उद्देश्य के रूप में यहाँ प्रस्तुत किया, विशेषताएँ और एक जोड़ा अकार्बनिक पोषक तत्व की एक गतिशील रेंज भर परिवेश धारा पानी डोम के अत्यधिक विविध पूल की प्रतिक्रिया यों की है। ज…
Disclosures
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 |
References
- 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).
