新英格兰地区氮素污染严重河口的生物地球化学压力因素及其生态响应

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Biogeochemical Stressors and Ecological Response in a Nitrogen-Impaired New England Estuary

滨海湿地氮磷碳硫水质量平衡显示总氮（TN）输入（3900 kg/ha·a）低于输出，但溶解无机氮（DIN）输入（1410 kg/ha·a）超输出，表明系统净外流TN但保留DIN。磷酸盐输入输出平衡（257 vs 238 kg/ha·a），溶解有机碳输入（33300 kg/ha·a）与海草面积负相关。悬浮固体外流显著（227000 kg/ha·a）。尽管点源氮减排，浮游植物等替代生产者维持氮循环，需综合管理。

　　

摘要

由于人为因素导致的营养物质输入，河口生态系统受到富营养化的威胁。新罕布什尔州和缅因州的大湾河口主要因氮污染而受到影响，1996年至2023年间海草覆盖率减少了65%。该地区还经历了连续多年的年降水量偏低以及最近几年降水量创纪录的情况。海草的减少、降水量的变化以及持续的人为影响对河口的生物地球化学过程产生了影响。研究人员对大湾河口的一个子区域进行了水质预算分析，涵盖了氮、正磷酸盐（PO₄^3?）、溶解有机碳（DOC）和总悬浮固体（TSS）等指标的年度变化情况。分析结果显示，包括潮汐作用在内的年总氮输入量（3,900公斤/公顷/年）低于输出量，而溶解无机氮（DIN）的输入量（1,410公斤/公顷/年）超过了输出量，表明该区域存在净氮输出。正磷酸盐的输入量和输出量基本平衡，分别为257公斤/公顷/年和238公斤/公顷/年。海草面积与溶解有机碳的输入量呈负相关（33,300公斤/公顷/年）。高水平的总悬浮固体输出量（227,000公斤/公顷/年）导致了净总悬浮固体的输出。尽管海草大量减少且最近减少了点源氮污染，该系统仍能保留可利用的营养物质，这表明其他初级生产者对河口生物地球化学循环至关重要。大湾河口的水质预算分析为了解栖息地退化期间的生物地球化学过程及后续的沿海管理措施提供了有价值的参考。

通俗语言总结

本研究通过比较大湾河口的输入和输出，进一步了解了营养物质、碳和沉积物在河口生态系统中的迁移情况。尽管海草减少，溶解氮仍在该系统中得到保留，这表明其他初级生产者（如浮游植物和海藻）的繁殖促进了氮循环的持续进行。这一现象还通过系统中颗粒态氮的净输出得到证实，这些颗粒态氮可能存在于沉积物或植物组织中。这一发现与其他受海草损失影响的温带河口系统的观察结果一致。尽管减少了点源氮污染，但海草的持续减少引发了关于营养物质、碳和沉积物在河口内循环方式的新管理问题，以及营养管理措施（如废水处理改进）对海草栖息地保护效果的影响。

要点

• 氮污染严重的河口中，溶解无机氮的输入量大于输出量，而颗粒态氮的输出量大于输入量。

• 夏季氮限制从磷限制转变为氮限制，显示出季节性的氮吸收变化。

• 长期海草减少的情况下，溶解无机氮仍得以保留，说明其他氮吸收机制也很重要。

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

用于本研究中的支流和河口水质数据、湿沉降数据、废水处理出水数据以及流量数据集的清洗版本已存档，并可通过环境数据倡议（EDI）数据门户公开获取，网址为：https://doi.org/10.6073/pasta/bf0101821bceee23fd09f59bc945310d（Mikulis等人，2025年）。年海草覆盖面积数据来源于本文引用的年度监测报告（Barker，2020年；Routhier等人，2022年、2024年；Short，2016年），这些数据也存档在同一存储库中（Mikulis等人，2025年）。用于负荷计算的三个潮汐支流的日均流量数据可从美国地质调查局（USGS）国家水资源信息系统中获取，具体查询方法见支持信息中的表S3（U.S. Geological Survey，2016年）。达勒姆（Durham, NH）西南站点的小时降水量数据来自NCDC美国气候参考网络（Diamond等人，2013年；NOAA国家环境信息中心，2001年），部分缺失数据通过新罕布什尔大学达勒姆气象站的数据进行补充（https://www.weather.unh.edu）。重现研究结果所需的所有代码均可在我们的在线GitHub仓库中找到，采用GPL-3.0许可证（https://github.com/ALowien/GreatBay_BoxModel）。GitHub仓库使用Zenodo平台进行存档（https://doi.org/10.5281/zenodo.17651299，Mikulis，2025年）。所有分析和图表均使用R 4.4.2版本完成（R Core Team，2023年）。

支持信息中的参考文献

• 美国公共卫生协会（1995年）。《固体物质：2540》。见A. D. Eaton, L. S. Clesceri, A. E. Greenber（编），《水和废水检测标准方法》（第19版），第53页。APHA。
  Google Scholar
• Merriam, J., McDowell, W., Currie, W.（1996年）。《用于测定总溶解氮的高温催化氧化技术》。《土壤科学学会杂志》，60（4），1050–1055页。https://doi.org/10.2136/sssaj1996.03615995006000040013x
10.2136/sssaj1996.03615995006000040013x
CASADSWeb of Science?Google Scholar
• NOAA国家河口研究保护区（NERRS）系统监测计划[数据集]。数据来自NOAA NERRS集中数据管理办公室网站：https://www.nerrsdata.org/data/citation.cfm；https://doi.org/10.25921/vw8a-8031
10.25921/vw8a?8031
Google Scholar
• Patton, C. J., Kryskalla, J. R.（2003年）。《美国地质调查局国家水质实验室的分析方法——评估碱性过硫酸盐消化法作为凯氏消化法测定水中总氮和溶解氮及磷的替代方法》。见《水资源调查报告，文章2003–4174》。https://doi.org/10.3133/wri034174
Google Scholar
美国环保署（EPA）（1983年）。《水和废物的化学分析方法（EPA-600/4-79-020）》。环境监测与支持实验室。数据来源：https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi/30000Q10.PDF?Dockey=30000Q10.PDF
Google Scholar