Förståelse Upplöst Organiskt material Biogeochemistry Genom<em> In Situ</em> Närings manipulationer i Stream ekosystem
Summary
Löst organiskt material utgör en viktig källa av energi och näringsämnen att strömma ekosystem. Här visar vi en fältbaserad metod för att manipulera den omgivande pool av löst organiskt material in situ genom lätt replikernäringspulser.
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
Löst organiskt material (DOM) ger en viktig energikälla och näringskälla för sötvattenekosystem och definieras som organiskt material som passerar genom en 0,7 pm filter. Inom vattenekosystem kan DOM också påverka ljusdämpning och metallkomplex. DOM är en mycket mångsidig och heterogen blandning av organiska föreningar med olika funktionella grupper, såväl som essentiella näringsämnen såsom kväve (N) och fosfor (P). Medan termen "DOM" beskriver hela poolen inklusive dess C, N- och P-komponenter, är dess koncentration mäts som löst organiskt kol (DOC). Den inneboende molekylära komplexitet DOM poolen men skapar utmaningar för sin studie. Till exempel, det finns inget direkt sätt att mäta den del av den totala DOM-poolen som består av organiska näringsämnen såsom löst organiskt kväve (DON) och lösta organiska fosfor (DOP). Istället måste koncentrationen av organiska näringsämnen bestämmas genom skillnaden ( <em> t.ex. [DON] = [totalt upplöst kväve] – [löst oorganiskt kväve]).
Lägga till en realistisk DOM ändring av en ström är svårt på grund av mångfalden av omgivnings DOM poolen. Tidigare studier har lagt enkel kolkällor (t.ex. glukos, urea 1) eller en viss källa såsom löv lakvatten 2 att manipulera koncentrationer inom området. Men dessa källor är inte särskilt representativ för omgivnings DOM poolen. Att försöka förbättra eller koncentrera omgivande DOM för efterföljande experiment är också åstadkommit med svårigheter inklusive förlust av vissa fraktioner (t.ex. mycket labila komponenter) under bearbetning. Som ett resultat, är det svårt att förstå kontrollerna på omgivande DOM poolen som vi för närvarande inte har någon metod för att direkt manipulera omgivningen DOM poolen. Eftersom biogeokemi DOM är kopplad till näringsämnen som vanligtvis förekommer i miljön (t.ex. nithastighet [NR 3 -] 3), kan vi lägga till andra lösta ämnen att strömma ekosystem och mäta responsen av DOM poolen till dessa manipulationer. Genom att undersöka hur DOM poolen svarar på ett brett spektrum av experimentellt ålagts näringshalter vi hoppas att få bättre insikt i hur DOM reagerar på fluktuerande miljöförhållanden.
En metod som vanligen används i ström biogeokemin är det näringsämne tillsatsmetoden. Näringsadditionsexperiment har traditionellt använts för att förstå upptags kinetik eller ödet för den tillsatta lösta 4,5,6,7. Närings tillägg kan vara kortsiktigt på hr 6 till dag skala 4, eller långsiktiga manipulationer under loppet av flera år 8. Närings tillsatser kan även innefatta isotopmärkt näringsämnen (t.ex. 15 N-NO 3 -) för att spåra sätts näringsämnen genom biogeokemiska reaktioner. Emellertid isotopbaserade studier är ofta Expensive och kräver utmanande analyser (t.ex. spjälkningar) av de många botten delområden där isotopmärkta näringsämnen får behållas. Senaste experiment har visat nyttan av kortsiktiga näringspulser att belysa kontrollerna på icke tillsatta och omgivande lösta såsom DOM 9,10, avslöjar ett nytt sätt genom för att undersöka realtid in situ biogeokemiska reaktioner. Här beskriver vi och demonstrera de viktigaste metodologiska steg till att genomföra kortsiktiga näringspulser i syfte att förstå den kopplade biogeokemi C och N och speciellt kontrollerna på mycket varierande DOM pool. Detta lätt reproducerbar metod innefattar tillsats av ett näringsämne puls till en experimentell ström räckvidd och mäta förändringar i koncentrationen av både manipulerade lösta och responsvariabeln av intresse (t.ex. DOC, DON, DOP). Genom att direkt manipulera näringshalter in situ har vi möjlighet att indirekt ändra DOMpool och undersöka hur DOM koncentrationsförändringar över ett dynamiskt område av näringshalter 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med näringspulsmetoden, som presenteras här, är att karakterisera och kvantifiera svaret från mycket skiftande pool av omgivande ström vatten DOM över ett dynamiskt område av en extra oorganisk näringskälla. Om den tillsatta lösta ökar tillräckligt koncentrationen av den reaktiva lösta, kan en stor trend utrymme skapas för att förstå hur biogeokemiska cirkulationen av DOM är kopplad till näringshalter. Detta näringsämne puls tillvägagångssätt är idealiskt eftersom det innebär ingen av mas…
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).
