沉积物再悬浮对丹麦峡湾上层水体固氮作用的影响：地球化学动态而非物理扰动的主导机制

本研究针对河口海岸系统中沉积物再悬浮对上层水体氮固定(N2 fixation)的影响机制存在认知空白的问题，通过模拟实际再悬浮强度实验，发现固氮速率并未随再悬浮强度增加而显著提升，而是受磷释放等地球化学过程调控。该研究揭示了硫酸盐还原菌(SRB)介导的底栖-上层耦合固氮作用，对完善海岸带氮预算模型具有重要意义。

　　

在海洋氮循环中，固氮作用（N₂ fixation）是维持初级生产力的关键过程，长期以来被认为主要发生在贫营养的热带海域。然而近年研究发现，从温带、极地到富营养化海岸带等多种环境中均存在固氮现象，甚至包括深海沉积物。尽管对上层水体固氮已有较多研究，但其与沉积物过程的相互作用仍知之甚少。沉积物孔隙水通常富含溶解无机氮（DIN），这使人们一度认为沉积环境并非固氮的主要场所。不过，越来越多的证据表明，沿海沉积系统中确实存在固氮作用，且受氧气浓度、沉积物特性、营养盐含量和光照等多种因素调控。

特别值得注意的是，沉积物再悬浮作为海岸带底栖-上层耦合（benthic-pelagic coupling）的关键驱动因子，可通过风浪、潮汐及人类活动将沉积物、营养盐和微生物群落释放至水体中。已有少数研究指出再悬浮事件可显著提升上层固氮速率，甚至达百倍以上，并推测与底栖固氮生物（diazotrophs）特别是硫酸盐还原细菌（SRB）的再悬浮有关。然而，这些认识仍存在很大不确定性，导致氮预算预测模型不可靠。尤其是在波罗的海等高度富营养化、亟需精准氮收支评估的海域，这一问题更为突出。

为探究再悬浮对上层固氮的具体影响，Schlangen Isabell 等研究人员在丹麦欧登塞峡湾的K?rby Fed开展了实验研究，该峡湾季节性缺氧且再悬浮事件频发，是开展相关研究的理想场所。研究人员首先利用侵蚀测量系统（EROMES）量化了不同底床剪切应力强度下的再悬浮物质量，从而为实验设计提供真实参数。在此基础上，通过模拟轻度（Slurry 1）和强烈（Slurry 2）再悬浮情景，向水体中添加不同量的表层沉积物，并利用¹⁵N₂示踪技术测定固氮速率。

本研究主要依托现场观测与可控培养实验，采集峡湾现场水体与沉积物样本，通过同位素标记（¹⁵N₂气体溶解法）培养并结合元素分析-同位素比值质谱（EA-IRMS）技术测定固氮速率；使用扩增子测序分析固氮功能基因（nifH）以解析固氮微生物群落结构；并辅以营养盐浓度测量、沉积物特性（有机质含量、叶绿素a、孔隙度等）分析，综合评估环境因子与固氮过程的关系。

3.1. 研究地点

采样期间环境参数呈现典型的季节变化，水温、盐度、溶解氧（DO）等均出现波动，强风事件可能引起再悬浮。溶解氧在六月至八月间保持稳定（109%~111%），九月上升至125%，可能与光合作用增强有关。

3.2. 沉积物特性

表层沉积物有机质（OM）含量在0.61%~0.96%之间，C:N摩尔比介于4.1~5，表明有机质富氮，可能来源于底栖微藻或富氮碎屑。叶绿素a浓度（26–33 μg L^-1）显示底栖微藻适度存在。沉积物孔隙度随深度递减，生物扰动造成沉积物异质性，影响氧化还原状态和生物分布。

3.3. 氧气动态与磷释放：对氮限制和固氮作用的启示

DIN:DIP比值远低于Redfield比值（16），表明氮限制或磷有效性升高。夏季有机质降解耗氧，限制氧气穿透深度，从而抑制硝化与反硝化，减少氮移除。缺氧条件下沉积物释磷，降低DIN:DIP，可能刺激固氮生物活性。

3.4. 再悬浮未直接刺激固氮作用

方差分析表明不同处理间固氮速率无显著差异（p = 0.764）。最高速率出现于七月（1.85–3.11 nmol N L^-1 d^-1），但与再悬浮处理无关。固氮速率与DIP呈正相关，而与再悬浮强度无关，说明地球化学过程（如磷动态）而非物理扰动主导固氮作用。

3.5. 底栖-上层固氮群落均匀性可能降低再悬浮的影响

nifH测序显示底栖与水体样品中存在大量共有ASV（48.6%），群落高度重叠，以变形菌门（Proteobacteria）为主，其中脱硫单胞菌目（Desulfuromonadales）和假单胞菌目（Pseudomonadales）相对丰度最高，且与硫酸盐还原菌（SRB）亲缘密切。这说明固氮微生物在底栖与上层之间自然交换，再悬浮并未显著改变群落结构或功能。

本研究通过模拟真实再悬浮强度，发现沉积物再悬浮并未显著增强上层水体固氮速率。相反，固氮作用主要受沉积物-水界面的地球化学过程调节，特别是缺氧事件中的磷释放降低了DIN:DIP比值，可能创造利于固氮生物的生态位。固氮微生物群落（以SRB相关类群为主）在底栖与上层环境中高度重叠，表明系统原本就存在较强的底栖-上层耦合，再悬浮并未引入新的固氮功能。这些发现强调，在评估海岸带沉积固氮作用时，应重点关注其与上覆水体的动态交互作用，而非仅仅物理扰动事件本身。该研究增进了对富营养化海岸系统氮循环机制的理解，为应对未来气候变化的海洋管理提供了科学依据。论文发表于《Estuarine, Coastal and Shelf Science》。