原始研究的文章

前面。3月科学。,16 February 2023
秒。沿海海洋过程
卷10 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1083377

一个出色的冬季洪水对底栖生物的影响氧气和养分通量温带macrotidal河口:夏天脱氧潜在后果

洛薇薇安 ^{1 *},

爱德华Metzger ^{1 *},

奥宾Thibault de Chanvalon ²,

水母穆雷打造 ¹,

Sabine施密特 ³,

布鲁诺Deflandre ³,

Sylvain·里歌德交谈 ⁴,

Eric Beneteau¹,

尼古拉斯Savoye ³,

菲利普Souchu⁵,

雅安勒梅尔⁵和

格雷戈勒m . Maillet ¹

¹UMR 6112液化石油气,大学d 'Angers大学de南特大学杜芒,CNRS,激怒,法国
²德保罗大学et des支付de l 'Adour e2 UPPA, CNRS IPREM,加索尔,法国
³大学德CNRS波尔多,波尔多INP, UMR5805 EPOC,法国酒
⁴大学尼姆,UPR 7352 CHROME,法国尼姆
⁵i - l, MPL,法国南特

尽管20年的控制富营养化,集夏天的缺氧仍然发生在卢瓦尔河河口,影响水质和构成关键科学和管理挑战。这项工作旨在量化的贡献缺氧的底栖生物室卢瓦尔河河口水沙通量的直接测量和深入了解磷氧化物和季节性变化的股票。在夏天的低排放期间,结果表明,铁oxide-rich存款稳定在低氧的情况下,限制溶解磷的释放到上覆水体中。硝酸盐含量高的水柱似乎是一个重要的氧化剂在缺氧时期的铁,限制溶解磷泄漏和缺氧加重。特殊冬季洪水期间,大量泥沙侵蚀与鼓泡现象(归因于甲烷流出)创建严重骨折在沉积物和刺激水沙交换。在接下来的几个月,这些骨折逐渐填满,底栖生物通量的强度下降。然而,由于高在水中停留时间在夏季期间,一个简单的模型表明,底栖生物的贡献是足以直接(通过直接耗氧量)或间接(通过促进氨氧化)影响水中的氧气股票列低排放期间。我们的研究表明底栖生物间的重要性在缺氧的发生和明显的缺乏知识来说明和河口的生物地球化学作用模型。

1介绍

河口系统是许多生物的生命周期的关键领域,如欧洲鳗鱼欧洲鳗鲡(施泰因巴赫,2001;Blanchet-Letrouve et al ., 2013)以及人类活动的实现(尼科尔斯et al ., 1986)。表面积、卢瓦尔河macrotidal系统是第二个最重要的河口的法国城市海岸线。人类实现了强度的南特大都市(665000人口)的存在和激烈的港口活动(占地2700公顷,每年举办超过2000渡轮)。

卢瓦尔河中的水停留时间从3元到30天不等,主要由卢瓦尔河量控制和调制的潮汐力(但是et al ., 2008)。卢瓦尔河流量变化是一个梯形参数当试图理解其水柱属性。首先,时间停留时间驱动的水沉积物之间的互动时间,在河口水和大气。其次,河流排放强度控制粒子的沉积,因此,有机质输入水体的床上,被称为底栖生物通量密度的关键因素(Burdige 2006)。最后,潮汐力和排水强度调节流速,激活可能的平流过程渗透沉积物,诱导,反过来,底栖生物交流的增强詹森et al ., 2005)。

在洪水期间,卢瓦尔河量可达7000米³年代⁻¹,多次造成重大损害冲积平原和人为基础设施(德布洛瓦和风力,1995年)。此外,高速水流在洪水引起的剪切应力(即。,河边的放电> 4000³年代⁻¹,桑切斯和Levacher, 2008)可能resuspend相当有凝聚力的沉积物,生成降低化合物的释放和相关营养物质可能影响的一般生物地球化学功能河口及其邻近沿海环境。这种沉积物的重要修订使得洪水微量金属分布的关键因素在整个河口系统并最终向海洋(Cheviet et al ., 2002;Dhivert et al ., 2015;Coynel et al ., 2016)。低排放时期(几米³年代⁻¹),增加水停留时间有利于季节性脱氧与氧气的浓度低于2 - 3毫克L⁻¹(Ratmaya et al ., 2019)。河口缺氧事件高度变量在时间和空间上由于结合了物理和生物因素(Lanoux et al ., 2013;施密特et al ., 2019)。大部分的耗氧量是由于有氧和无氧呼吸的水体和沉积物室(中心,2005;戴et al ., 2008)。

在macrotidal hyperturbid河口,缺氧是常与浊度的存在最大区域(tmz) (玛珊德1993;只想et al ., 2009;Lanoux et al ., 2013;Lajaunie-Salla et al ., 2017;Hayami et al ., 2019),这是由于潮汐潮汐抽水引起的不对称(洪水阶段是短的,但强烈的电流比衰退阶段;Jalon-Rojas et al ., 2016)。在河流排放较低的时候,通常在夏天,TMZ通常位于上游和导致高悬浮颗粒物(SPM)浓度的几百毫克每升。如此高的SPM浓度限制气体交换和初级生产和促进深海微生物呼吸(阿布里尔et al ., 2009)。此外,夏季气温低溶解氧(做),溶解度降低而需氧量一样随温度增加而增大。

因此,简化场景通常被认为是只有河流量,温度,和城市发展预测河口缺氧风险系统的背景下,全球和当地的变化(Lajaunie-Salla et al, 2018年)。限制缺氧事件,因此,策略管理办公室集中在城市污水处理监管和营养限制(特别是磷)来控制藻类增殖,因此有机质(OM)的可用性。这种策略减少缺氧频率在众多河口系统,例如,在普罗维登斯河河口(Oviatt et al ., 2017在长岛海峡),(惠特尼和多辆,2021)或珠江河口(余甘,2021年)。然而,在卢瓦尔河河口,尽管20年的养分输入限制(Ratmaya et al ., 2019),夏天缺氧事件仍然发生(施密特et al ., 2019),影响水质,提出需要解决的关键科学和管理挑战。

除了水柱,底栖生物室可能发挥低估了作用在缺氧的触发和发展(中心,2005;Sohma et al ., 2008;Lenstra et al ., 2021)。特别是在浅系统、沉积室可以OM补充矿质的一个重要部分的网站(Burdige郑,1998;黄et al ., 2022)。因此,几个缺氧模型包括的贡献在浅底栖生物室河口系统(Sohma et al ., 2008)来解释氧气损耗的水柱。

通过与其他河口系统类比,卢瓦尔河沉积物舱可能会对当地的缺氧通过两个互补的过程。首先,沉积物中的直接消费的OM降解增强需氧量(Zhang et al ., 2017)。其次,铁和锰氧化物的溶解释放无机磷在水体中沉积,有利于富营养化(坎菲尔德,1989年;Burdige 1993;安舒茨et al ., 1998)。高浓度的铁氧化物在卢瓦尔河河口沉积物可以有效防止溶解磷扩散的沉积物(Thibault de Chanvalon et al ., 2016)。然而,当暴露于底水缺氧沉积物时,铁和锰氧化物的增强解散可能引发水体磷通量。这个输入可以作为肥料增加原地初级生产,因此后续有氧莫退化,因此加强缺氧(Ghaisas et al ., 2019)。低氧暴露对底栖生物的影响磷迁移可能是重要的河口沉积物磷能够存储的一小部分继承了过去50到70年的农业实践。因此,评估底栖生物磷再活化的季节性作用对缺氧管理至关重要,应该探索通过检查磷沉积之间的平衡和绑定能力(Hupfer Lewandowski, 2008;凯莉和Rydin, 2011年;Rydin et al ., 2011)。

检查底栖生物间的潜在贡献在卢瓦尔河河口缺氧,这项工作旨在量化水沙通量和氧化物的进化和磷反应沉积的股票池的函数。具体目标如下:

●理解因素控制底栖生物氧和养分通量在受缺氧;

●检查一个特殊冬季洪水事件的影响在氧气和营养底栖生物转移;

●估计的相对贡献沉积物和水体总需氧量和营养整个水文年的预算。

2方法

2.1研究区和水文背景

卢瓦尔河流域的覆盖面积的五分之一法国的大都市。河口流从Ancenis达到比斯开湾的警官(Nort-East大西洋)。研究最多的部分河口坐落在南特和警官代表内部表面最大的河口系统和区域综合沉积物。该区域占地近220公里²和泥泞的沉积物是由62%的表面(Coynel et al ., 2016)。根据Hydroportail (水电,2021),意思是卢瓦尔河量为2020 - 2021年期间达到680米³年代⁻¹。怀疑是最被动的沉积物氧气,本研究侧重于从一个网站的河口泥质沉积物中的最容易缺氧事件。研究网站(图1)附近的Le Pellerin(上河口,47°12387;46111°),受益于持续的监控在表面水域溶解氧(SYVEL网络)。

图1

图1卢瓦尔河河口地区的地图。Le Pellerin采样站点被交叉循环显示。

抽样网站访问了四倍,覆盖三个对比水文设置。第一个运动发生在2020年8月在一个极端的低水位放电期间(LD,图2)董事会房车Asterie。每月平均卢瓦尔放电(在Montjean-sur-Loire记录;水电ID站:M530 0010 10)只有130米³年代⁻¹,支持TMZ Le Pellerin出席。第二个活动发生在高放电条件(HD) 2021年2月,在一个特殊的洪水事件(高达4200米³年代¹)、强烈的降雨事件后(每月超过90厘米的水倒在2020年1月和2月)。6月最后两个活动发生在moderate-discharge时期(MD1)和2021年8月(MD2)(420和290米³年代⁻¹分别),足以安置从勒Pellerin TMZ下游。过去3个活动上进行旅游房车塔利亚和柯特斯拉芒什海峡(Metzger和Maillet, 2021年)的框架内REBELRED项目。

图2

图2月平均流量(m³年代⁻¹)记录的卢瓦尔河Mont-Jean苏尔卢瓦尔河(法国)。Hydroportail提供的数据(水电,2021)。虚线表示年平均放电。箭头表示不同的抽样活动。

2.2水和沉积物采样、处理和分析

在每个运动、温度、盐度和氧饱和度的表面和底水河口楼(约1米)用多参数测量哈希调查。在收集使用Niskin瓶子,水样本过滤和冷冻前营养分析。在实验室里,∑NH₃,没有₃⁻和溶解磷(P_d)浓度测定通过分段流分析使用AA3密封分析的方法Bendschneider和罗宾逊(1952)优化的Aminot et al。(2009)。

同时,使用多核七沉积物被收集。的四核被指定孵化项目快速密封和上覆水的氧浓度在维护原位氧浓度的环境空气和N₂-400年ppm-CO₂预混料。在黑暗中孵化核心被孵化原位温度(±0.1°C),而上覆水不断搅拌30 rpm使用能经受考验磁棒附加到核心盖子(牧师et al ., 2011)。血氧饱和度监测核心孵化项目使用期间偏偏O₂计配备micro-optode和温度探头(PyroScience GmbH)。上覆水收集在潜伏期的开始和结束。孵化时间和上覆水的采样间隔调整,O₂上覆水浓度从未低于80%的初始值,历时2到6 h。上覆水样本过滤0.2 -μm Minisart^®RC25纤维素注射器过滤器和分装三整除(致力于ICP AES分析和营养和碱度的测量,见下文)。∑NH₃,没有₃⁻和P_d浓度的上覆水孵化实验测量使用相同的方法将水列分析(见前一节)。碱度是由根据格兰滴定方法使用Titrino(瑞士万通GmbH),也提供了pH值(格兰,1952)。第二个整除的水酸化测量溶解铁、锰、硫酸(Fe_d、锰_d,所以₄²⁻)协议后孔隙水浓度分析(奥因斯et al ., 2019;见下文)。

一个核心是用于测定颗粒有机碳(POC)和放射性同位素。核心是切1厘米和保持冷冻,直到冻干。一个整除被暴露于盐酸除去碳酸汽(Lorrain et al ., 2003)和分析使用一个元素分析仪(NC2500 CarloErba)。第二个整除专用的决心^210年铅、^226年类风湿性关节炎,⁷使用低效率background-highγ谱仪(活动施密特et al ., 2001)。⁷是价值观之间发生放射性衰变修正样本收集和计数。^210年Pb_xs计算测量的区别吗^210年Pb和^226年类风湿性关节炎。

指定一个核心是量化沉积物孔隙水和干燥的化学成分。沉积物是切成N₂净化手套包成2毫米片第一2厘米,每5毫米在接下来的3厘米,然后10毫米到10厘米深,最后在20毫米厚片的核心。沉积物片是加权和离心机(15分钟在3500 rpm N₂气氛)。孔隙水过滤0.2 -μm Minisart^®RC25纤维素注射器过滤器和分离成不同的整除。一个整除与相同体积的1%集中HNO酸化₃10倍稀释后对icp - aes分析HNO 1%₃解决方案。总钠、钾、钙、锶、铁、磷、锰、硫测定。单质硫硫化硫酸被解释为因为不稳定,从样品溶液在酸性条件下(Metzger et al ., 2007)。第二个整除被冻结,直到后来的分析(∑NH溶解营养₃= NH₃+ NH₄⁺,没有_x=没有₂^{- - - - - -}+没有₃⁻)。没有_x根据格里斯浓度进行了分析方法,与氯化钒硝酸异径管(Schnetger和雷纳,2014)。∑NH₃分析了根据Berthelot方法适应小样本变量盐度(Metzger et al ., 2019)。第三整除致力于间隙水中碱度的测量测量的比色法Sarazin et al。(1999)。固体部分被冻结,然后冷冻干燥。孔隙度(Φ)计算体重,假设粒子密度为2.65 g厘米⁻³和一个常数水密度1 g厘米⁻³根据情商。1。

方程1:

Φ = \frac{\frac{{mH}_{2} O}{{δH}_{2} O}}{(\frac{{mH}_{2} O}{{δH}_{2} O} + \frac{米_{sed}}{δ_{sed}})}

在mH₂O和δH₂阿水的质量和密度,m_sed和δ_sed沉积物的质量和密度(δ_sedg = 2.65厘米⁻³)。结果,空的空间由于没有考虑可能的裂缝或洞穴沉积物孔隙度的计算。

金属与非晶态氧化物(容易被细菌可约)从干沉积物中提取抗坏血酸盐后提取过程(安舒茨et al ., 1998)。干沙(100毫克)与10毫升的碳酸氢钠混合(0.6米),柠檬酸钠(0.17米),抗坏血酸(0.11米),和柠檬酸溶液(1 M, pH值8),轻轻搅拌24 h。当时上层清液过滤0.2μm,稳定与suprapur HNO₃,分析了铁、锰、用icp - aes ICAP 6300 Thermo-Fischer和P。垂直氧分布得到指定的核心通过微表面使用50-µm Clark-type微电极(Unisense Revsbech 1989)安装在机动显微操纵器。一个线性校准之间进行原位上覆水与空气饱和底部温度和零氧缺氧沉积物的一部分。原位温度和氧饱和度由鼓泡空气和N₂-400年ppm-CO₂预混料分析除了MD1竞选期间上覆水不小心re-saturated的地方。上覆pH值和氧条件监控使用静态微型上覆水。

2.3水沙通量

扩散和总氧气和养分通量在湿地中使用两种互补的方法进行评估,计算从沉积物间隙水概要文件和直接测量的孵化工作。扩散通量计算从氧气和营养素根据菲克第一定律(菲克,1855),适应伯纳(1980):

方程2:

J_{扩散} = - Φ D_{年代} \frac{d C}{d x}

Φ是孔隙度和在哪里D_年代=D摩尔/θ²是泥沙扩散系数计算的分子扩散系数D摩尔(1980年伯纳)建立了每个溶质物种作为温度和盐度的经验函数(使用“marelac”R包;R核心团队,2013年)。迂回曲折的θ²通常是作为一个孔隙度的函数,如修改韦斯伯格关系,θ=1 - 2 ln(Φ)。

总氧和养分通量估计的线性减少氧气或营养浓度的上覆水沉积物核心在一个封闭的布局(孵化1980年鲍曼和参与3),根据方程。

方程3:

J_{总} = 坡 * V_{水} / {年代}_{沉积物}

J_{总} = 坡 * H_{水}

在斜坡的斜率的线性降低溶解氧或营养浓度差从开始到结束的上覆水孵化沉积物。溶解氧浓度计算考虑氧饱和度、温度、盐度和气压。V_水上覆水的体积和吗年代_沉积物表面的沉积物评价来自内部的沉积岩芯的半径(年代=π* R²;R= 4.8厘米)H_水上覆水的高度。

2.4质量平衡和对缺氧沉积物的贡献

沉积物对上覆水体的贡献股票是集成在下游河口的一部分,分隔St-Nazaire的位置和南特。特征时间(τ_对话中,_x阿)₂,没有₃⁻,∑NH₃和P_d研究了根据河口泥沙通量和水住宅*估计使用Eq。4 (中心国家倒l 'exploitation des海洋,1984):

方程4:

T_{住宅} = {年龄}_{水, 圣 - Nazaire} - {年龄}_{水, 南特}

在年龄_水,警官和年龄_水,南特水的相对年龄估计从Montjean苏尔卢瓦尔河站根据卢瓦尔河排放强度Q (m³年代⁻¹)。

{年龄}_{水, 圣 - Nazaire} = \frac{65年 * 10^{3}}{问} * e^{0}

{年龄}_{水, 南特} = \frac{65年 * 10^{3}}{问} * e^{- 0.04 * 63年}

特征时间τ_{sed, x}对应的半衰期(或half-doubling时间)的进步消费(或生产)的溶解的物种x在河口,不管它的浓度;τ_{sed, x}计算使用Eq。5:

方程5:

τ_{sed, x} = | \frac{{股票}_{x}}{2 * J_{总, x}} |

在股票_x溶解的物种的数量吗x在沉积物消费或生产。在这个初步的方法中,我们假设沉积物通量仅仅来自泥泞的下游卢瓦尔河河口的沉积物,在勒Pellerin获得的流量是恒定在泥泞的沉积物表面,代表这个系统,根据:

方程6:

τ_{sed, x} = | \frac{C_{x} * {深度}_{水} * {年代}_{河口}}{2 * J_{总, x} * {年代}_{河口} * %_{泥}} |

τ_{sed, x} = | \frac{C_{x} * {深度}_{水}}{2 * J_{总, x} * %_{泥}} |

C_x是溶质的浓度x(µM)研究河口表层水上游的部分(南特)。深度_水是月平均水深(m)记录在勒Pellerin(数据由REFMAR SHOM服务)。J_总,x从沉积物溶质x的总通量舱孵化项目的评估。年代_河口和%_泥分别为总潮下的表面(5.2×10⁷m²)和泥泞的沉积物所占据的比例(62%)。边界条件设置为每一个活动(LD、高清、MD1和MD2)给出补充数据部分。

水体的贡献,∑NH₃+没有_x和P_d预算估计使用生物需氧量5天后孵化(BOD₅);NAIADE数据库中的数据(www.naiades.fr)。给定的溶质特征时间对水反应性(τ_水,_x),因此计算假设经常食用根据情商的氧气。7:

方程7:

τ_{水, x} = \frac{C_{x} * V_{河口}}{2 * \frac{{生化需氧量}_{5}}{5} * V_{河口} * γ^{x}}

τ_{水, x} = \frac{C_{x}}{2 * \frac{{生化需氧量}_{5}}{5} * γ^{x}}

在γ^x是溶质的化学计量学的反应在有氧呼吸(Soetaert et al ., 2007),即。,γ^O2= 1,γ^{N =}0.156,γ^{P =}0.0094。V_河口水的体积在内部河口段(低潮时期)。

这个简单的模型还允许我们估计初始上游的部分股票的溶质消耗或生产河口内:

方程8:

f_{缺点, 水, x} = \frac{τ_{水, x}}{2 * T_{住宅}} 和 f_{缺点, sed, x} = \frac{τ_{sed, x}}{2 * T_{住宅}}

3的结果

3.1水体化学

抽样游轮发生在不同季节,见水温度从9.88(2021年2月,HD) 23.4°C(2020年8月;LD) (表1)。盐度通常是低(0.11 - -0.30),除了在2020年8月(1.34,LD)。溶解氧浓度和饱和的水柱从80µM和29.8% 308µM (LD)和87.3% (HD)。中度缺氧只是观察到2020年8月(LD)和一个小做损耗影响底水2021年6月(MD1;64.5%)。表面硝酸盐和亚硝酸盐(NO_x)浓度最小的极端低排放期间(68µM LD)和最大洪水(253µM HD)。表面和底部没有明显区别_x只是观察到浓度在LDµM底部浓度只有3.8。相比之下,∑NH₃仍然相当低,浓度从0.1 (MD2) 22µM (LD),采样周期。P_d是检测不到(HD)和2月仍相对较低且稳定,从1.14到1.68µM,其他调查。

表1

表1物理和化学性质的表面和底部在Le Pellerin水域。

3.2沉积特征

的孔隙度、干散货密度,POC,^210年Pb_xs,⁷在沉积物深度的函数所示图3。的活动^210年Pb_xs相对恒定的深度和不同季节从86年到124年兆贝可g⁻¹。孔隙度的核心范围从0.84 (MD1)到0.94 (LD)。2020年8月(LD)的2厘米沉积物显示高孔隙度和⁷大约40 g兆贝可活动⁻¹,与POC约2.8±0.1%。下面,孔隙度和⁷降低到0.88在20厘米深度和微不足道的活动10厘米以下,分别,POC增加了3.4%。2021年2月(HD)沉积物表面裂缝和显示强烈的冒泡活动(图4),生成的空地以及无法量化的岩心孔隙度。孔隙度显示最多0.87 - 1厘米深度对应于3.1%的POC和孔隙度下降下降到0.83在19厘米深度。POC剖面相对嘈杂,大约3.0±0.3%下降到9厘米深度,然后在25厘米深度稳步下降到2.8%。⁷活动总是低于检出限。2021年6月(MD1)沉积物表面仍然是裂缝和孔隙度,而常数。最后,在2021年8月(MD2) topcore裂缝完全填满。孔隙度剖面是类似于一个记录在2020年8月,迅速降低第一个厘米(0.88 - 0.85)和稳定低于(0.85±0.07)。一个温和的⁷活动(20 g兆贝可⁻¹只在上层厘米)测量。

图3

图3的孔隙度、干散货密度(g *厘米⁻³)、颗粒有机碳(%)⁷是和^210年Pb_xs活动(兆贝可克⁻¹在Le Pellerin沉积物)与深度。BDL,低于检出限;NA,不分析。

图4

图4topcore沉积物HD和MD1活动期间收集的照片:深裂缝(左和中间板)和天然气累积裂缝(右面板)是可见的。

3.3氧分布在湿地中

溶解氧穿透深度(门诊部当)沉积物范围从0.13±0.02,0.24±0.02厘米(图5)。在LD门诊部当达到一个极大值,最小值在MD2,中间值和类似的值在HD和MD1。在2020年夏天(LD1),资料非常reproductible,显示一个典型的指数降低,而对于其他活动,更高的形状之间的异质性观察资料,特别是在冬季(HD)和春末(MD1)。应该注意的是,MD1竞选期间,脱氧测量在上覆水域,但通过是不小心在大气氧饱和度。

图5

图5配置文件通过湿地和各自的氧穿透深度(平均值和标准偏差)的不同活动在勒Pellerin。原位保持温度和氧饱和度分析除了MD1竞选期间上覆水不小心re-saturated的地方。

3.4 Redox-sensitive核心元素从接口

孔隙水的溶解和颗粒redox-sensitive活性元素中描述图6。箭头表示溶解浓度的上覆水。氨物种低于10µM所有核心在上覆水域。LD调查期间,∑NH₃浓度随深度线性增加到1.0毫米的最大采样深度(20厘米)。高清调查期间,∑NH₃内迅速增加5厘米和保持稳定在1.8毫米以下。MD1和MD2调查期间,∑NH₃梯度平滑附近沉积物水界面(瑞士)与高原达到20厘米深度和浓度的3.9毫米MD1 MD2和2毫米。与高浓度硝酸盐显示相反的趋势上覆水域(低于70µM LD、HD和MD2和超过100µM MD1)和快速降低孔隙水的深度。在洪水期间,孔隙水硝酸很低,而是不断的在第一个25毫米。在LD、MD1和MD2、减少硝酸更进步总消失在20日9,分别和13毫米。

图6

图6孔隙水的不₃^{- - - - - -},∑NH₃溶解Mn (Mn_d),溶解铁(Fe_d),溶解P (P_d),所以₄^{2 -}沉积物中浓度随深度(黑线)。抗坏血酸盐可提取的铁(Fe_asc)、锰(Mn_asc)和磷(P_asc)浓度和碱性也画在灰色。黑色三角形在0深度指示上覆水浓度。

铁和锰生产观察孔隙水的运动。2020年夏天(LD)、锰_d增加与减少的₃⁻在前2厘米,270µM达到最大值。菲_d从5厘米深度达到240µM增加底部的核心。在此期间,菲_asc和锰_asc显示最大表面沉积物(77和13µmol g⁻¹分别)其次是至少在2厘米深度(56和7.6µmol g⁻¹下面分别)和一个几乎稳定浓度。在冬季2021 (HD)、锰_d大幅增加从0到7厘米深度达到420µM而菲_d增加主要在2 - 10厘米深度层570µM。LD时期相比,没有铁的表面积累_asc和锰_asc观察,但最低浓度。四个月后(MD1)、铁_asc和锰_asc表面损耗已经消失了。锰_asc和菲_asc显示几乎没有垂直梯度。锰_d表现出一个锋利的形象比之前少,最大浓度达到240µM最深的沉积物层。菲_d几乎随深度线性增加,维持高浓度底部的核心(580µM)。最后,在2021年夏季(MD2),表面积累的铁_asc和锰_asc又可见表面(82和10µmol g⁻¹分别)。下面,菲_asc和锰_asc保持大约55岁和8.1µmol g⁻¹,分别。深Mn_d和菲_d再活化大致类似于MD1调查和最大浓度的530μM 180μM铁_d和锰_d在20厘米深度。

生产的溶解磷P_d通常是可见的在所有调查和观察低于5厘米深。一个人可以观察到P_d生产在2020年夏季尤为强烈(达到128µM在15厘米,LD)相比其他采样时间。对所有调查,表面P的浓度_d是零的结果重要的边界控制氧化物。大多数调查之间的差异是由P_asc的行为。类似于铁_asc和锰_asc档案、P_asc概要文件显示重要的积累在表面沉积物层在2020年夏天(最大浓度达到14.3µmol g⁻¹),一个小损耗在冬季2021(最低浓度的13.5µmol g⁻¹在2021年6月),没有垂直梯度(舍入17.2µmol g⁻¹)。对比与氧化物的概要文件,P_asc顶部大部分泥沙浓度显示高消耗在2021年8月(MD2)以最小的浓度达到12.8µmol g⁻¹。

最高浓度的硫酸中观察到上覆水域,根据河的流量(LD显示最高浓度的2毫米,而其他调查显示浓度低于0.5毫米)。Downcore硫酸下降,直到到达检测极限(低于15厘米深度LD和大约5厘米深度高清,MD1、和MD2)。2021年春季(MD1)和夏季(MD2)硫酸盐低于5厘米深度检测,显示对核心的底部略有增加。

所有调查、碱度与沉积物深度增加。此外,相当一部分的碱度似乎硫酸生产与消费区。在2020年夏天(MD2),碱度增加毕竟随深度(达到16.4毫米)。其他调查期间,碱度档案更陡峭。在冬季2021(高清),大多数碱度生产上建成10厘米,2021年6月期间达到31.5毫米。(MD1),碱性生产持续到15厘米深度,达到22毫米。最后,在2021年8月(MD2),碱性生产仍然可见,达到32毫米到34厘米深度。

3.5水沙通量

图7说明了氧气和营养的停留时间的变化在河口水停留时间的函数如果考虑沉积吸收(表2),或者如果使用水柱需氧量(参见数据在附录2和附录3)。氧气交换沉积物和水体之间相对较低的低排放期间(8.1和24更易与m⁻²一天⁻¹分别为扩散和总通量,表2)。河口水的极高的停留时间将在2020年夏季低排水(LD, 18.7天)允许一个温和的沉积摄氧消耗31%的氧气河口股票(图7)。同时,水柱耗氧量占总消费的50% (图7 b)。观察做饱和(30%)高于这个简单的模型预测的LD时期(15%)。在这个时期,一个重要的扩散通量的硝酸观察沉积物(0.8更易与m⁻²一天⁻¹),导致了一个积极的沉积物氮预算(由于低∑NH的流出₃LD期间)。同样的条件,底栖生物扩散磷通量低于量化限制。在缺乏上游营养信息和总养分通量值,特征时间营养没有计算。

图7

图7停留时间(τ特征_x)的氧气(一)、氮物种(B),溶解磷(C)从底栖生物计算通量(黑暗的平方)和远洋有机物反应(空三角形)的函数河口水停留时间。虚线表示的任意限制的意义反应过程,即。,τ_sed=½* 1/0.1 *T_住宅这条线,这表明一个非常低的贡献高于(低于10%的最初的股票是受通量在河口转移)。实线表示反应的优势上游endmember控制物种的浓度,即。,τ_{sed /水,}_x= 1½* *T_住宅。它表明黑暗线以下,水浓度变化超过100%在河口转移。Dotted-dashed行表示一个中间的情况,即。,τ_{sed /水,}_x=½* 1/0.3 *T_住宅30%的水浓度变化。

表2

表2平均总和O的扩散通量₂,没有₃⁻,∑NH₃和P_d在湿地中。

六个月后,极端沉积物需氧量(94更易与m⁻²一天⁻¹)被记录在洪水放电期间(高清,问= 4200³年代⁻¹)。总:扩散通量率特别高氧和其他溶质物种(例如,J_总、氧:J_扩散、氧= 7.2)。强大的氮气射流从孵化实验观察到表面沉积物(12和−−44更易与m⁻²一天⁻¹没有分别₃和∑NH₃)。同样,总P_d射流是最大的高清期间达到−1更易与m⁻²一天⁻¹。在这个日期,water-residence时间特别短(0.9天)和水沙交换了低氧能力影响远洋股票(f_{sed, O2}=−4%;f_水,氧气=−3%)。∑NH₃是最影响氮物种沉积物和水反应。水∑NH列₃股票翻了一倍(f_sed,∑NH3= 222%)下观察沉积物氮流出(表2和图7),这表明大部分的∑NH₃观察到的水柱从沉积物(3.5µM)可能导致流出。P的释放_d,沉淀物也会增加水体P_d股票30% (表2),而贡献的所有营养和氧气的水柱是微不足道的股票。

四个月后洪水(MD1),排水量约为422米³年代⁻¹和温度高(> 20°C)。底栖生物沉积物耗氧量的通量下降同时47更易与m⁻²一天⁻¹保持一个重要的J_总、氧:J_扩散、氧比(1.7)。考虑水停留时间为5.90天,这期间,这些沉积物消费将允许减少氧气股票的21%,远低于f_水,氧气=−39%从水柱呼吸消耗。O₂饱和度测量在Le Pellerin约为65%,远高于预测的模型(40%)。核之间的差异是明显的在孵化实验(例如,观察从22到90不等金银铜更易与m⁻²一天⁻¹)。尽管显著变化、沉积物又导致了消费₃⁻(3.7更易与米⁻²一天⁻¹∑NH)和释放₃(−15更易与m⁻²一天⁻¹)。最后,MD1再次观察显示非常低的P_d通量(0.1更易与m⁻²一天⁻¹)。在这个调查中,只有∑NH₃股票是影响湿地中交流,∑NH的193%以上₃水柱站股票增加下泥沙的影响。

六个月后洪水,在第二次夏季运动(MD2),所有水沙通量显示最小值相伴的减少J_总J:_扩散比率。沉积物总氧通量至少达到只有17更易与m⁻²一天⁻¹。沉积物氧通量在夏季2021 (MD2) O的仅仅占10%₂股票减少8.7天的河口水住宅,一半的水柱耗氧量的22%负责O₂股票下降(表2)。再一次,血氧饱和度(68%)通过模型预测低于血氧饱和度测量在勒Pellerin (76%)。区别主要是归因于non-apprehended water-atmospheric交换,尤其是re-aeration水氧股票。这时,沉积物氮预算几乎是由于低不平衡₃消费(3.1更易与m⁻²一天⁻¹)和一个最小的∑NH₃底栖生物流出(−2.0更易与m⁻²一天⁻¹)。明显异常的一般观察湿地中通量的减少总P_d涌入对沉积物达到1.0更易与m⁻²一天⁻¹总在最后MD2调查。底栖生物P_d负责吸收75%的水柱P_d减少由于低初始股票P_d在水柱和高水停留时间(8.7天)。

4讨论

4.1极端水文条件和底栖生物地球化学特征

河流在低放电活动在2020年8月(LD;133米³年代⁻¹卢瓦尔河),显示一个重要生理盐水入侵,提升TMZ的存在和随后在Le Pellerin淤积量。最近的存款与弱胶结泥浓缩⁷(τ_{1/2 =}53天)和颗粒有机碳(POC) 3% (图3),这与平均POC内容在卢瓦尔河河口悬浮材料(Etcheber et al ., 2007)。这个存款可能是resuspended当河的流量将增加(罗斯和梅塔,1989年)。下面,老矿床层由不稳定同位素特征,孔隙度、和POC签名,这表明一个不太常规的沉积。这个随机沉积是最有可能的结果更高的潮汐和卢瓦尔河放电能量加上一个强烈的沉积物deposition-resuspension过程作用的河口在今年的其余部分⁷还被发现。

六个月后,在洪水期间,卢瓦尔河量超过4200米³年代⁻¹(根据历史记录,返回一个瞬时放电现象的4000米³年代⁻¹周期性的4年),这是两次的临界门槛沉积物扰动流变计算研究(桑切斯和Levacher, 2008)。重要的侵蚀表面沉积物暴露老沉积物被没有了⁷在表面的沉积物。暴露的沉积物是深暗,很有凝聚力,并压实。他们的地球化学特征表现为低铁和锰氧化物浓度与浓缩的浅深度的缺失沉积物。平均值为氧化物浓度是类似于埋氧化浓度之前观察到在低放电调查(65年和9µmol g⁻¹铁和锰的氧化物,分别)。沉积物还显示重要沸腾泡沫足以产生的沉积物可以倾斜的颠倒。因此,沉积物布满了裂缝和centimeter-large空空间(图4),支持non-diffusive交通主导与孵化底栖生物交流的溶质通量更高比扩散(见高清的结果表2)。洪水期间逐步,墙壁裂缝观察(HD)氧化(MD1)和最终从TMZ充满了新材料,8月下旬(MD2)。

4.2极端水文条件的影响,成岩过程和底栖生物通量

低排放期间,表面沉积物的Le Pellerin定期接触TMZ和底水缺氧。在沉积物中,OM矿化相对较低(低氧扩散通量记录最低的排放调查;表2),主要是由于(大多数∑NH厌氧过程₃生产发生在沉积物中更深)。高铁_asc和锰_asc氧化侵蚀材料的内容从卢瓦尔河流域区域允许重要的还原溶解门诊部当以下(图6)。溶解的铁_d和锰_d由氧化溶解扩散向上,re-oxidized,导致表层氧化物的积累和扩散通量的沉积物(图6)。维护一个oxide-enriched层上厘米尽管缺氧暴露与通用海岸和河口的报道大量的铁和锰溶解在水体缺氧事件(Kristiansen et al ., 2002;Lenstra et al ., 2021)。这个矛盾可以解释为铁的氧化_d和锰_d由于高浓度的没有₃⁻在沉积物(路德et al ., 1997;Jamieson et al ., 2018),测量证实了在低放电活动和重要的消费在沉积物(0.9更易与m⁻²天⁻¹)。多个研究湖泊、盐沼、或其他水生环境中已经强调没有之间的耦合₃⁻从底栖生物室和金属再活化(汉森et al ., 2003;Burgin et al ., 2011;Moncelon et al ., 2021;Moncelon et al ., 2022)。持久性的铁和锰氧化物尽管缺氧条件下防止从沉积物磷释放出来,产生一个重要磷存储通过吸附在铁氧化物(P_asc/铁_asc在0.17和0.20之间;参见附录4),达到最高的以前的观测值在卢瓦尔河潮间带泥滩(Thibault de Chanvalon et al ., 2016)。这种磷酸积累限制了泥沙对水体富营养化的贡献和随后的缺氧。事实上,P_d是卢瓦尔河河口的限制营养的完整的消费在水柱(低于检出限,表1)。

矛盾的是,2021年2月的高清运动的特点是低OM矿化率与底栖生物高通量(表2)。碱度和铵梯度很大,诱导高扩散通量。这些物种通常厌氧矿化过程的良好指标。然而,大多数这些物种的变异是相关的可变性Na和李表明底栖生物扩散通量是由混合驱动,而不是由矿化过程。在洪水期间,底栖生物室导致了一场激烈的沉积物需氧量(94更易与m⁻²一天⁻¹)加上∑NH的释放₃,没有₃⁻和P_d(−−12日,44岁,和−1更易与m⁻²一天⁻¹分别)。完成我们的照片底栖生物释放溶解的物种,Mn的垂直梯度_d突显出浓度锰的存在_d扩散流出的沉积物和强大的铁的控制_d顶部层沉淀物在此期间(图6)。矛盾的高沉积流出,尽管低矿化率,可以解释最近的存款剥离老沉积物的侵蚀溶解的物种丰富。此外,强烈的气沸腾与厘米长开口(图4)刺激对流运输,增加了J_总、氧:J_扩散、氧比7。几项研究表明,气体分压的增加结合减压由于侵蚀产生灾难性的沸腾,产生水力压裂在粘性沉积物(阿尔加et al ., 2011 a;阿尔加et al ., 2011 b),它允许增加的气体和溶质水沙交换(程et al ., 2014;Flury et al ., 2015)。上游站的位置加上洪水支持假说的甲烷脱气,尽可能少的硫酸存在气息奄奄,氧化甲烷扩散深度(博尔赫斯和阿布里尔,2011)。甲烷氧化的氧也可能对观察到的总耗氧量大作出了重大贡献。此外,考试的微生物多样性的存在产甲烷细菌表面沉积物(未发表的数据)。高甲烷浓度以前报道的上部卢瓦尔河河口洪水期间(船帆et al ., 2002),加强我们的假设的甲烷气泡在2021年洪水。在沉积物(图6),氧化铁硫酸溶解在消费区(0到5厘米)可以由厌氧甲烷氧化(急性中耳炎;杨et al ., 2021)。平流通过裂缝加上缺乏活性金属氧化物洪水侵蚀可能青睐溶解磷交流(表2)。然而,一个明显的变化是观察之间的复制在孵化过程中,这可能是由于异质性在泥土表面裂缝的分布和随机性。

4.3沉积弹性洪水过后

冬季洪水后,卢瓦尔河排放减少支持上游迁移TMZ和相关沉积。在2021年6月下旬(MD1), 4个月后,洪水、骨折在沉积物表面的部分填充继承了洪水视觉观察。(图4)。相反的低排放,最近沉积一层只有几毫米厚,由老沉积物,解释的缺失⁷在沉积物表面的活动(图3)。空缺沿着墙壁裂缝显示一个氧化层,表明这些裂缝是相对旧(可能是4个月)。氧气扩散通量高于之前(13和22更易与m⁻²一天⁻¹观察到在HD和MD1分别;表2),表明成矿过程,增加可能由于温度较高(从9.88到20.5°C)。深∑NH₃生产表明,矿化过程的主要部分是由厌氧途径完成的。在沉积物表面,∑NH₃冗长的底栖生物通量留在相同的顺序(3.7和3.4更易与m⁻²一天⁻¹冬季洪水;表2)。此外,总∑NH沉积氧气流入和流出₃分别除以2和3,而洪水时期(表2)。事实上,部分充填的裂缝和降低沸腾,虽然仍然活跃在MD1孵化实验,强烈对流,对流运输降低,减少总通过扩散通量比7和13 - 2和4,氧气和∑NH₃分别。没有₃⁻和P_d扩散通量保持低或低于量化限制在总通量相当变量之间的相反的方向复制扩散和non-diffusive交易所之间的竞争。由铁_d和锰_d垂直梯度,巨大的金属射流从沉积物被观察到在这个时期。我们怀疑金属溶解铁的接触_asc和锰_asc对CH₄和低不₃⁻沉积物中孔隙水的控制。

2021年8月,6个月后洪水事件(MD2),气体沸腾所产生的裂缝之前几乎完全充满了沉积物。氧气和营养底栖生物至少接近低排放(LD)值为氧气,由于年底沸腾过程和交换面积的减少。总通量等于扩散通量氧气,∑NH的亲密₃也没有₃⁻(表2)。在地表的沉积物层、铁_asc和锰_asc显示明显的积累与低排放期间相似,尽管都是积极remobilized深处的沉积物。奇怪的是,扩散金属释放停在沉积物表面尽管一再博览会缺氧条件。瑞士附近P的重要消耗_d可以看到与一个重要P_d摄入(1.0 P_d更易与米⁻²一天⁻¹)。我们假设P_d摄入生物需求的结果在沉积物表面由细菌活动(Khoshmanesh et al ., 2002),而不是从oxide-P_d交互(没有P的变异_asc/铁_asc春天和夏天调查之间的比率为观察;见附录4)。孔隙水资料(MD2) 8月6月没有多少区别(MD1时期),这表明成岩过程在卢瓦尔河河口的上游部分接近稳态在深度,在成岩过程中表面被逐渐填补裂缝的延迟。

根据我们的结果,成岩和底栖生物通量有节奏的在卢瓦尔河河口水文部队。图8总结了底栖生物过程和交流通过2020 - 2021年的水文循环。

图8

图8底栖生物过程的概念功能在2020 - 2021年勒Pellerin水文对比的背景条件。(一)2020年8月。(B)2021年2月。(C)2021年6月。(D)2021年8月。黑色三角形表明金属氧化物和氢氧化物。黑色箭头表示溶解交流。布朗螺旋指定SPM沉降和再悬浮。

4.4沉积物和水体营养和氧气的股票

各自的氧气和养分吸收水和沉积物的贡献估计根据可用的溶质的上游部分的股票河口系统和水停留时间(图7)。确认需求水柱高度浑浊的生态系统的重要性,水柱反应构成了主要的耗氧量为卢瓦尔河河口系统在中期和低排放。我们的估算表明,水柱反应负责上游的消耗39%到50%的初始股票的氧气。注意提出的简单的模型没有考虑到可能由大气氧气补给交流。直接耗氧量上游沉积物代表31%的初始氧股票低排放期间。尽管甲烷气泡引起的关键需氧量在洪水期间,影响氧浓度在水柱的限制特别短水停留时间(0.9天)。这些结果证实了几项研究表明沉积物的重要性的总需氧量浅水生系统(Sohma et al ., 2008;Zhang et al ., 2017)。

远非水柱的弟弟,沉积物的贡献需氧量可能掩饰了水体和沉积物交互的本质。的确,两次在一个水文年(HD和MD1时期),沉积物∑NH的两倍多₃股票在水中的列(例如,沉积物的影响下在MD1调查增加162%)。假设完全硝化(NH铵₄+ 2啊₂→不₃⁻+ H₂O h + 2⁺;刘和王出版社,2012年∑NH),沉积物₃流出可能构成了17%到54%的每日生物地球化学需氧量测量水柱(BOD)在2021年夏天。然而,先前的研究表明,硝化作用是有限的下游卢瓦尔河河口(阿布里尔et al ., 2003),强调不确定性对夏季缺氧沉积物的贡献。另一方面,氨是一个重要的辅助因子对光合氮同化物种(Glibert et al ., 2016)和一个特权形式的氮吸收异养细菌等投机取巧的物种生活在卢瓦尔河浑浊的河口(船帆和Nieuwenhuize, 2000),它负责在TMZ氧气减少的一个重要部分(Relexans et al ., 1988)。

沉积物的贡献尤其沿水文变量根据溶解的P_d(图6)。缺氧的夏季期间,沉积物舱控制P_d射流由于持续的氧化(没有生产₃⁻和氧化物的相互作用)。这种控制是关闭的特殊级洪水允许大P的释放_d大量的泥沙进入上覆水体沉积物的影响下)(30%的增加。控制P_d射流迅速恢复就是明证P的缺失_d射流从沉积物的含氧的夏季(MD1)和MD2调查期间主动摄取P(减少了75%_d在水柱)。我们的结果表明沉积物的重要角色继承了磷的释放,有助于缓解富营养化的延迟。

4.5视角和缺氧的管理

我们的结果表明潮滩沉积物的贡献的重要性河口缺氧。这项研究强调了需要整合沉积室定义水策略管理,使用简化的建模,如停留时间模型。然而,为了添加沉积物生物地球化学模型,几点的改进已经从我们的结果。第一个是整合non-diffusive通量和hydro-sedimentary流程理解高年度水沙交换的可变性。的确,在大洪水、水土流失过程会导致甲烷的释放被困在河口沉积物中,提高溶质的主动运输物种在湿地中接口(奥哈拉et al ., 1995)。这个版本也可能发生在夏季进行挖泥作业,维护港口活动和河口上游流量。相反,在较低的河流流量条件下,促进TMZ上河口的存在,大量泥沙沉积限制水平流沉积物。导致显著减少水沙交换,这就与传统的早期成岩模型主要扩散协议。理解平流底栖生物转移是非常重要的,因为渗透沉积物平流孔隙水传输(尤其敏感桑托斯et al ., 2012)和代表河口栖息地的重要组成部分。

第二种方式来提高该模型的潮间带沉积物和强加的immersion-emersion动力学在河口潮汐周期。比较与先前研究的潮间带的动力学Thibault de Chanvalon et al。(2016)显示明显的差异潮下的功能。生物扰动作用的发生,不同的侵蚀/沉积动力学,以及沉积物的临时淹没说明潮间带和潮下的沉积物系统之间的差距。分化功能的一个例子,铁和锰循环演示一个完整的供应和再活化期间异步事件。捕获两个隔间之间的连接是至关重要的实现一个完整的方案,对水体缺氧沉积物的贡献。

5的结论

我们的研究证实了沉积物的角色间的缺氧现象。直接或间接地沉积室积极有助于耗氧量和富营养化夏季低排放,确认我们的初步假设。然而,沉积物的作用似乎是更复杂的养分预算比通常所描述的文学。尽管暴露在缺氧条件下,底栖生物室保持金属氧化物的屏障,因此强烈控制P_d生物利用度的水柱。金属氧化物之间的相互作用和硝酸似乎是最后一道防线限制P_d逃避和缺氧的恶化。此外,我们的研究强调了极端洪水对底栖生物需氧量的重要性和营养底栖生物回收可以提高几个数量级由于强烈的侵蚀河流床及其后续气体沸腾。尽管明显的逻辑限制,此类事件需要更好的学习为了成为科学界认为在他们的预测建模。因此,我们的研究提出了建模者和管理者的重要性,尽管他们的努力,考虑底栖生物过程的复杂性,以更好地预测macrotidal河口的生物地球化学功能的演变,尤其是在干旱和洪水、极端条件下,为温带往往更频繁。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料。进一步调查可以直接到相应的作者。

作者的贡献

EM和通用设计研究项目。VH, EM,通用,党卫军,BD, SR和EB收集现场数据在不同的调查。所有作者参与数据分析。VH写了初稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项研究由支付de la卢瓦尔河地区,Loire-Bretagne水机构和GPMNSN (Nantes-Saint-Nazaire的海港)。提供重要的支持是REBELRED科学项目(doi.org/10.17600/18001620)由CNRS(国家科学研究中心)和富含(法国生物多样性办公室)和b综合项目(IP)生活逆转'EAU (LIFE19 IPE / FR / 000007)。REBELRED邮轮是支持的TGIR Flotte Oceanique法语。

确认

我们感谢SYLOA(卢瓦尔河河口的水开发和管理方案)为科学交流。作者感谢水中的仙女和SYVEL网络水高度,溶氧时间,BOD5系列。作者衷心感谢所有GENAVIR员工和船船员的房车塔利亚和柯特斯拉芒什海峡。特别感谢Corentin Guilhermic,索菲•桑切斯Yohann Poprawski,以罗伊Marilleau,阿曼达佩兰,丽莎Nauton, Herve Derriennic不知疲倦的现场支持。由于穆罕默德Barhdadi和努尔Boukortt实验室分析他们的有价值的帮助。感谢英奇·冯·英语编辑和审稿人提出的建设性的意见,大大提高了手稿。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2023.1083377/full补充材料

引用

阿布里尔G。,Commarieu M.-V., Sottolichio A., Bretel P., Guérin F. (2009). Turbidity limits gas exchange in a large macrotidal estuary.河口海岸。架子上的科学。83年,342 - 348。doi: 10.1016 / j.ecss.2009.03.006