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Inundation time mediates denitrification end products and carbon limitation in constructed floodplains of an agricultural stream
Biogeochemistry ( IF 4 ) Pub Date : 2020-05-08 , DOI: 10.1007/s10533-020-00670-x Martha M. Dee , Jennifer L. Tank
Biogeochemistry ( IF 4 ) Pub Date : 2020-05-08 , DOI: 10.1007/s10533-020-00670-x Martha M. Dee , Jennifer L. Tank
Conversion of landscapes to large-scale agriculture has substantially increased the loading of bioavailable nitrogen (N) to stream networks through extensive artificial drainage and fertilizer application. Floodplain restoration may enhance N cycling in agricultural stream systems by increasing residence time of floodwaters in contact with bioreactive surfaces that retain or remove excess N. Microbially-mediated denitrification potentially plays a significant role in constructed floodplains by permanently removing excess N through conversion of bioavailable nitrate (NO 3 -N) to dinitrogen gas, either as N 2 O or N 2 . Restoring channelized streams via the construction of inset floodplains can increase the total denitrification capacity of agricultural watersheds, but little is known about the abiotic factors that control the proportion of NO 3 -N that is converted to the potent greenhouse gas N 2 O versus N 2 (i.e., N 2 O yield). We used an in-situ static core design to assess the importance of constructed floodplain age, inundation time, and carbon (C) availability on total denitrification rates and N 2 O yield. Novel use of membrane-inlet mass spectrometry (MIMS) allowed us to simultaneously measure N 2 O and N 2 to capture total denitrification and the proportion of bioavailable N converted to each end-product. Floodplain age did not influence total denitrification rates, but rather denitrification increased with the duration of floodplain inundation until C limitation occurred at approximately 24 h. In addition, we found that N 2 O yields from floodplain soils were higher than those reported for other aquatic systems. Finally, while floodplain restoration in agricultural streams generally increases N retention at the watershed scale, regardless of the restoration age, the impact of added floodplains on N 2 O emissions should be considered.
中文翻译:
淹没时间介导了农业河流人工洪泛区的反硝化终产物和碳限制
通过广泛的人工排水和施肥,景观向大规模农业的转变大大增加了生物可利用氮 (N) 向河流网络的负载。洪泛区恢复可以通过增加洪水与保留或去除多余 N 的生物反应表面接触的停留时间来增强农业河流系统中的 N 循环。微生物介导的反硝化作用通过转化生物可利用的硝酸盐永久去除多余的 N,在已建成的洪泛区中可能发挥重要作用(NO 3 -N) 到氮气,作为 N 2 O 或 N 2 。通过建造插入漫滩恢复渠道化河流可以提高农业流域的总反硝化能力,但对于控制转化为强效温室气体 N 2 O 与 N 2 的 NO 3 -N 比例(即 N 2 O 产量)的非生物因素知之甚少。我们使用原位静态核心设计来评估已建成的洪泛区年龄、淹没时间和碳 (C) 可用性对总反硝化率和 N 2 O 产量的重要性。膜入口质谱 (MIMS) 的新用途使我们能够同时测量 N 2 O 和 N 2 以捕获总反硝化作用和转化为每种最终产品的生物可利用 N 的比例。漫滩年龄不影响总反硝化率,但反硝化作用随着漫滩淹没的持续时间增加,直到大约 24 小时发生 C 限制。此外,我们发现漫滩土壤的 N 2 O 产量高于其他水生系统报告的产量。最后,虽然在农业河流中恢复漫滩通常会增加流域尺度的 N 保留,但无论恢复时间如何,都应考虑增加漫滩对 N 2 O 排放的影响。
更新日期:2020-05-08
中文翻译:
淹没时间介导了农业河流人工洪泛区的反硝化终产物和碳限制
通过广泛的人工排水和施肥,景观向大规模农业的转变大大增加了生物可利用氮 (N) 向河流网络的负载。洪泛区恢复可以通过增加洪水与保留或去除多余 N 的生物反应表面接触的停留时间来增强农业河流系统中的 N 循环。微生物介导的反硝化作用通过转化生物可利用的硝酸盐永久去除多余的 N,在已建成的洪泛区中可能发挥重要作用(NO 3 -N) 到氮气,作为 N 2 O 或 N 2 。通过建造插入漫滩恢复渠道化河流可以提高农业流域的总反硝化能力,但对于控制转化为强效温室气体 N 2 O 与 N 2 的 NO 3 -N 比例(即 N 2 O 产量)的非生物因素知之甚少。我们使用原位静态核心设计来评估已建成的洪泛区年龄、淹没时间和碳 (C) 可用性对总反硝化率和 N 2 O 产量的重要性。膜入口质谱 (MIMS) 的新用途使我们能够同时测量 N 2 O 和 N 2 以捕获总反硝化作用和转化为每种最终产品的生物可利用 N 的比例。漫滩年龄不影响总反硝化率,但反硝化作用随着漫滩淹没的持续时间增加,直到大约 24 小时发生 C 限制。此外,我们发现漫滩土壤的 N 2 O 产量高于其他水生系统报告的产量。最后,虽然在农业河流中恢复漫滩通常会增加流域尺度的 N 保留,但无论恢复时间如何,都应考虑增加漫滩对 N 2 O 排放的影响。