Biogeosciences

Abstract. Despite the worldwide occurrence of marine hypoxic regions, benthic nitrogen (N) cycling within these areas is poorly understood and it is generally assumed that these areas represent zones of intense fixed N loss from the marine system. Sulfate reduction can be an important process for organic matter degradation in sediments beneath hypoxic waters and many sulfate-reducing bacteria (SRB) have the genetic potential to fix molecular N (N2). Therefore, SRB may supply fixed N to these systems, countering some of the N lost via microbial processes, such as denitrification and anaerobic ammonium oxidation. The objective of this study was to evaluate if N2 fixation, possibly by SRB, plays a role in N cycling within the seasonally hypoxic sediments from the Eckernförde Bay, Baltic Sea. Monthly samplings were performed over the course of one year to measure nitrogenase activity (NA) and sulfate reduction rates, to determine the seasonal variations in bioturbation (bioirrigation) activity and important benthic geochemical profiles, such as sulfur and N compounds, and to monitor changes in water column temperature and oxygen concentrations. Additionally, at several time points, the active N-fixing community was examined via molecular tools. Integrated rates of N2 fixation (approximated from NA) and sulfate reduction showed a similar seasonality pattern, with highest rates occurring in August (approx. 22 and 880 nmol cm−3 d−1 of N and SO42−, respectively) and October (approx. 22 and 1300 nmol cm−3 d−1 of N and SO42− respectively), and lowest rates occurring in February (approx. 8 and 32 nmol cm−3 d−1 of N and SO42−, respectively). These rate changes were positively correlated with bottom water temperatures and previous reported plankton bloom activities, and negatively correlated with bottom water oxygen concentrations. Other variables that also appeared to play a role in rate determination were bioturbation, bubble irrigation and winter storm events. Molecular analysis demonstrated the presence of nifH sequences related to two known N2 fixing SRB, namely Desulfovibrio vulgaris and Desulfonema limicola, supporting the hypothesis that some of the nitrogenase activity detected may be attributed to SRB. Overall, our data show that Eckernförde Bay represents a complex ecosystem where numerous environmental variables combine to influence benthic microbial activities involving N and sulfur cycling.

Abstract. In the context of climate change, identifying and then predicting the impacts of climatic drivers on tropical forest dynamics is becoming a matter of urgency. To look at these climate impacts, we used a coupled model of tropical tree growth and mortality, calibrated with forest dynamic data from the 20-year study site of Paracou, French Guiana, in order to introduce and test a set of climatic variables. Three major climatic drivers were identified through the variable selection procedure: drought, water saturation and temperature. Drought decreased annual growth and mortality rates, high precipitation increased mortality rates and high temperature decreased growth. Interactions between key functional traits, stature and climatic variables were investigated, showing best resistance to drought for trees with high wood density and for trees with small current diameters. Our results highlighted strong long-term impacts of climate variables on tropical forest dynamics, suggesting potential deep impacts of climate changes during the next century.

Tóm tắt. Đầm lầy muối và đồng cỏ cỏ biển có khả năng tích trữ và lưu giữ lượng carbon hữu cơ (OC) lớn trong trầm tích của chúng so với các môi trường sống biển và trên cạn khác. Đánh giá trữ lượng carbon, nguồn carbon và sự chuyển giao carbon giữa các môi trường sống trong vùng ven biển là cần thiết để xác định vai trò của các môi trường sống carbon xanh trong chu trình carbon ven biển. Ở đây, chúng tôi đã định lượng trữ lượng carbon, nguồn gốc và sự trao đổi carbon trong đồng cỏ cỏ biển, đầm lầy muối và trầm tích không có thực vật tại sáu vịnh dọc theo bờ biển California. Trong 20 cm trầm tích bề mặt, các đầm lầy muối chứa khoảng gấp đôi lượng OC so với đồng cỏ cỏ biển, với 4.92 ± 0.36 kg OC m−2 so với 2.20 ± 0.24 kg OC m−2, tương ứng. Trữ lượng carbon trong trầm tích của cả đầm lầy muối và đồng cỏ cỏ biển đều cao hơn các ước lượng trước đây từ khu vực này nhưng lại thấp hơn so với các trung bình toàn cầu và toàn nước Mỹ. Carbon có nguồn gốc từ cỏ biển được lắng đọng hàng năm vào các đầm lầy lân cận trong mùa thu khi cỏ biển già đi. Tuy nhiên, các mô hình pha trộn đồng vị ước tính rằng chỉ một lượng nhỏ vật liệu cỏ biển này cuối cùng được chôn lấp trong trầm tích dưới. Thay vào đó, phần lớn OC trong trầm tích trên toàn khu vực có khả năng có nguồn gốc từ các loại tảo đơn bào nổi/bên đáy và/hoặc các loài thực vật muối C3.

Tóm tắt. Rừng ngập mặn đang suy giảm trên toàn cầu, chủ yếu do sự can thiệp của con người, do đó cần có sự đánh giá về tình trạng quá khứ và hiện tại của chúng (ví dụ: diện tích, phân bố theo loài, v.v.) để thực hiện các chiến lược bảo tồn và quản lý tốt hơn. Trong bài báo này, động lực bao phủ rừng ngập mặn tại Gaoqiao (Trung Quốc) đã được đánh giá qua thời gian sử dụng hình ảnh vệ tinh năm 1967, 2000 và 2009 (cảm biến Corona KH-4B, Landsat ETM+, GeoEye-1 tương ứng). Đầu tiên, phân tích đa thời điểm của dữ liệu vệ tinh đã được thực hiện, và sau đó các sự khác biệt sinh học và phi sinh học đã được phân tích giữa các cụm rừng ngập mặn khác nhau, được đánh giá thông qua phân loại giám sát của hình ảnh vệ tinh có độ phân giải cao. Một sự suy giảm lớn trong bao phủ rừng ngập mặn (−36%) đã được quan sát giữa năm 1967 và 2009 do sự canh tác lúa và các hoạt động nuôi trồng thủy sản. Hơn nữa, việc xây dựng đê đã ngăn cản việc mở rộng của rừng ngập mặn vào đất liền. Mặc dù có một sự gia tăng nhỏ về diện tích rừng ngập mặn được quan sát giữa năm 2000 và 2009 (+24%), tỷ lệ rừng ngập mặn / nuôi trồng thủy sản vẫn giảm do sự gia tăng nuôi trồng thủy sản tại các khu vực xung quanh. Từ bản đồ sử dụng/bao phủ đất dựa trên dữ liệu thực địa (đo đạc cây dựa trên ô 5 × 5 m) (tháng 8–tháng 9, 2009) cũng như giá trị phản xạ quang phổ (được lấy từ GeoEye-1 đã được chỉnh sửa), cả Bruguiera gymnorrhiza và Aegiceras corniculatum nhỏ đều có thể phân biệt với độ chính xác 73–100%, trong khi A. corniculatum cao chỉ được phân loại đúng với độ chính xác 53% do sự pha trộn với B. gymnorrhiza (độ chính xác phân loại tổng thể: 85%). Trong trường hợp của trầm tích, tỷ lệ cát có sự khác biệt rõ rệt giữa ba lớp rừng ngập mặn. Tổng thể, lợi thế của hình ảnh vệ tinh có độ phân giải rất cao như GeoEye-1 (0.5 m) cho việc đánh giá tính không đồng nhất không gian của rừng ngập mặn và/hoặc phân loại theo loài đã được chứng minh rõ ràng, cùng với độ phức tạp trong việc cung cấp phân loại chính xác cho các loài không nổi bật (ví dụ: Kandelia obovata) tại Gaoqiao. Mặc dù có những hạn chế như biến dạng hình học và dải panchromatic đơn, hình ảnh đã bỏ phân loại Corona 42 năm tuổi rất quý giá cho việc phát hiện biến đổi sử dụng/bao phủ đất khi so sánh với các tập dữ liệu vệ tinh gần đây.

Tóm tắt. Bão là những hiện tượng thiên nhiên rất khó lường đối với các khu rừng ngập mặn cận nhiệt đới ở các quốc gia châu Á, nhưng vẫn còn ít thông tin về cách mà những hiện tượng này ảnh hưởng đến quá trình trao đổi carbon dioxide (CO2) ở mức hệ sinh thái của các vùng đất ngập mặn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xem xét ảnh hưởng ngắn hạn của những cơn bão mạnh và thường xuyên đến việc rụng lá và quá trình trao đổi CO2 của hệ sinh thái (NEE) của các rừng ngập mặn cận nhiệt đới, đồng thời tổng hợp 19 cơn bão trong khoảng thời gian 4 năm từ 2009 đến 2012 để tìm hiểu thêm về cơ chế điều tiết của bão đến các dòng carbon và nước của hệ sinh thái sau khi có hiện tượng bão. Gió mạnh và mưa lớn đã gây ra hiện tượng rụng lá và hiệu ứng làm mát cục bộ trong mùa bão. Giá trị tổng NEE hàng ngày giảm từ 26 đến 50% sau một số cơn bão (ví dụ: W28-Nockten, W35-Molave và W35-Lio-Fan), nhưng lại tăng đáng kể (43 đến 131%) sau bão W23-Babj và W38-Megi. Cường độ và xu hướng phản ứng NEE hàng ngày rất đa dạng tùy thuộc vào từng cơn bão khác nhau, điều này được xác định bởi sự cân bằng giữa biên độ của sản xuất sinh thái tổng (GEP) và hô hấp sinh thái (RE). Hơn nữa, kết quả từ tổng hợp của chúng tôi chỉ ra rằng thời gian bão đổ bộ, tốc độ gió và lượng mưa là những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát dòng CO2 sau các sự kiện bão. Những phát hiện này chỉ ra rằng những loại hiện tượng bão khác nhau có thể tác động một cách rất khác biệt đến lưu lượng CO2 của các hệ sinh thái rừng ngập mặn và bão có thể sẽ có tác động lớn hơn đến các quy trình chu trình carbon trong các hệ sinh thái rừng ngập mặn cận nhiệt đới khi cường độ và tần suất của bão dự kiến sẽ gia tăng trong các kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu trong tương lai.

Tóm tắt. Để sử dụng tập dữ liệu dòng chảy đo đạc biến thiên (EC) có sẵn toàn cầu và các phép đo từ xa nhằm cung cấp ước lượng năng suất sinh học sơ cấp tổng (GPP) ở quy mô cảnh quan (101–102 km2), khu vực (103–106 km2) và toàn cầu, chúng tôi đã phát triển một thuật toán GPP dựa trên vệ tinh sử dụng dữ liệu LANDSAT và một khung nâng cao quy mô. Thuật toán GPP dựa trên vệ tinh sử dụng hai chỉ số thực vật cải tiến (Chỉ số Thực vật Tăng cường – EVI, Chỉ số Nước Bề mặt Đất – LSWI). Khung nâng cao quy mô bao gồm mô hình hóa khí hậu dấu chân dòng chảy và sự kết hợp dữ liệu-mô hình. Phương pháp này lần đầu tiên được áp dụng cho một khu rừng lá kim thường xanh ở khu vực khí hậu gió mùa cận nhiệt đới của miền nam Trung Quốc. Các phép đo EC tại địa điểm tháp Qian Yan Zhou (26°44´48" N, 115°04´13" E), thuộc mạng lưới dòng chảy Trung Quốc và dữ liệu ảnh LANDSAT cùng MODIS của khu vực này trong năm 2004 đã được sử dụng trong nghiên cứu này. Một chuỗi liên tiếp các hình ảnh giống LANDSAT về phản xạ bề mặt với khoảng thời gian 8 ngày đã được dự đoán bằng cách kết hợp các hình ảnh LANDSAT và MODIS sử dụng một thuật toán hiện có (ESTARFM: Mô hình Hợp nhất Phản xạ Không gian và Thời gian Tăng cường). Các động lực học theo mùa của GPP sau đó được dự đoán bằng thuật toán dựa trên vệ tinh. Sản phẩm MODIS giải thích 60% sự biến đổi quan sát được của GPP và đánh giá thấp GPP hàng năm đo được (= 1879 g C m−2) khoảng 25–30%; trong khi thuật toán dựa trên vệ tinh với các tham số tĩnh mặc định giải thích 88% sự biến đổi quan sát GPP nhưng đánh giá quá cao GPP trong mùa sinh trưởng khoảng 20–25%. Việc tối ưu hóa thuật toán dựa trên vệ tinh sử dụng một kỹ thuật hòa nhập dữ liệu-mô hình với sự hỗ trợ của mô hình hóa dấu chân dòng chảy EC đã giảm thiểu độ lệch trong các ước lượng GPP hàng ngày từ khoảng 2.24 g C m−2 ngày−1 (không tối ưu, ~43.5% giá trị hàng ngày trung bình đo được) xuống còn 1.18 g C m−2 ngày−1 (đã tối ưu, ~22.9% giá trị hàng ngày trung bình đo được). GPP từ xa cảm nhận được bằng thuật toán tối ưu có thể giải thích 92% sự biến đổi theo mùa của GPP EC quan sát được. Những kết quả này chứng minh tiềm năng kết hợp giữa thuật toán dựa trên vệ tinh, mô hình hóa dấu chân dòng chảy và hòa nhập dữ liệu-mô hình để cải thiện độ chính xác của ước lượng GPP ở quy mô cảnh quan/khu vực, là thành phần chính trong nghiên cứu chu trình carbon.

Tóm tắt. Việc đốt biomass ảnh hưởng đến động lực thực vật, chu trình sinh địa hóa, hóa học khí quyển và khí hậu, đôi khi dẫn đến những tác động kinh tế - xã hội có hại. Dưới những dự đoán khí hậu trong tương lai, thường được mong đợi rằng rủi ro hỏa hoạn sẽ gia tăng. Khả năng của chúng ta để dự đoán quy mô và hình mẫu địa lý của các tác động hỏa hoạn trong tương lai phụ thuộc vào khả năng mô hình hóa các chế độ hỏa hoạn, sử dụng các mối quan hệ thực nghiệm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng hoặc các mô hình dựa trên quy trình với khả năng dự đoán tốt. Mặc dù hiện có nhiều loại mô hình khác nhau, nhưng vẫn chưa rõ loại mô hình nào hoặc mức độ phức tạp nào là cần thiết để mô hình hóa hỏa hoạn một cách đầy đủ ở quy mô khu vực đến toàn cầu. Đây là câu hỏi trung tâm định hình sự sáng tạo của Dự án So sánh Mô hình Hỏa hoạn (FireMIP), một sáng kiến quốc tế nhằm so sánh và đánh giá các mô hình hỏa hoạn toàn cầu hiện có với các bộ dữ liệu chuẩn cho các điều kiện hiện tại và lịch sử. Trong bài báo này, chúng tôi xem xét cách mà hỏa hoạn đã được thể hiện trong các mô hình động thực vật toàn cầu có khả năng hỏa hoạn (DGVMs) và cung cấp cái nhìn tổng quan về tình trạng hiện tại của mô hình hóa chế độ hỏa hoạn. Chúng tôi chỉ ra những thách thức vẫn còn tồn tại trong mô hình hóa hỏa hoạn toàn cầu và nhấn mạnh nhu cầu phải đánh giá mô hình một cách toàn diện, cũng như phác thảo những bài học có thể học được từ FireMIP.

Tóm tắt. Rạn san hô nước lạnh (CWC) là những hệ sinh thái không đồng nhất bao gồm nhiều vi sinh thái. Một rạn CWC điển hình ở Châu Âu cung cấp nhiều vi sinh thái sinh học khác nhau (ở bên trong, trên và xung quanh các quần thể san hô như Lophelia pertusa, Paragorgia arborea và Primnoa resedaeformis, hoặc được hình thành từ các phần còn lại của chúng sau khi chết). Những vi sinh thái này có thể được bao quanh và trộn lẫn với các vi sinh thái không sinh học (trầm tích mềm, nền cứng, sỏi/đá cuội, tường dốc). Đến nay, số lượng các nghiên cứu về sự phân bố của động vật sessile trên các rạn CWC nhiều hơn so với các nghiên cứu về sự phân bố của động vật di động. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã định lượng mật độ tôm liên quan đến các loại vi sinh thái CWC chính tại Rạn Røst, Na Uy, bằng cách phân tích dữ liệu hình ảnh thu được từ thiết bị video kéo vào tháng 6 năm 2007. Chúng tôi cũng đã điều tra các mẫu phân bố của tôm ở quy mô địa phương (<40 cm) và cách mà những mẫu này có thể biến đổi với vi sinh thái. Mật độ tôm tại Rạn Røst trung bình cao gấp nhiều lần trong các vi sinh thái rạn sinh học so với các vi sinh thái không sinh học. Mật độ tôm cao nhất được quan sát thấy liên quan đến vi sinh thái Paragorgia arborea sống (43 tôm m−2, SD = 35.5), vi sinh thái Primnoa resedaeformis sống (41.6 tôm m−2, SD = 26.1) và vi sinh thái Lophelia pertusa sống (24.4 tôm m−2, SD = 18.6). Trong vi sinh thái không sinh học, mật độ tôm là <2 tôm m−2. Các vi sinh thái rạn CWC dường như hỗ trợ mật độ tôm lớn hơn so với các vi sinh thái không sinh học xung quanh tại Rạn Røst, ít nhất là vào thời điểm khảo sát.

Tóm tắt. Bài tổng quan tài liệu này tổng hợp các yếu tố môi trường điều khiển khí thải sesquiterpene (SQT) sinh học và trình bày danh sách các loài thực vật phát thải SQT, cũng như số lượng và tỷ lệ các loài SQT đã được quan sát phát thải. Kết quả từ nhiều nghiên cứu trong điều kiện nhốt cho thấy sự biến đổi khí thải SQT theo thời gian chủ yếu bị chi phối bởi nhiệt độ môi trường, mặc dù các yếu tố khác cũng góp phần (ví dụ như sự biến đổi theo mùa). Điều này cho thấy rằng khí thải SQT có ý nghĩa quan trọng hơn vào những thời điểm nhất định trong năm, đặc biệt là từ cuối mùa xuân đến giữa mùa hè. Sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ của khí thải SQT cũng tạo ra khả năng đáng kể về việc tăng khí thải SQT trong điều kiện khí hậu ấm lên. Các tác động đối với thảm thực vật (từ động vật ăn cỏ và có thể là các sự kiện thời tiết khắc nghiệt) rõ ràng cũng rất quan trọng trong việc kiểm soát những đợt phát thải SQT ngắn hạn, mặc dù mức độ đóng góp tương đối của khí thải do tác động gây ra thì chưa được biết đến. Dựa trên các nghiên cứu về khí thải SQT sinh học được xem xét ở đây, tỷ lệ khí thải SQT giữa nhiều loài đã được quan sát cho thấy có phạm vi rộng lớn, và thể hiện sự biến đổi đáng kể giữa các cá thể và qua các loài, cũng như ở các trạng thái môi trường và sinh trưởng khác nhau. Tỷ lệ khí thải này trải dài qua nhiều bậc (10s–1000s ng gDW-1 h−1). Nhiều tỷ lệ cao hơn đã được báo cáo bởi các nghiên cứu SQT sớm, có thể đã bao gồm mức khí thải SQT cao do nhiệt độ trong điều kiện nhốt cao hơn nhiệt độ môi trường và các tác động đến thực vật trong điều kiện nhốt trước và trong quá trình thu mẫu. Khi dự đoán các luồng SQT ở cấp độ cảnh quan, các nhà mô hình phải xem xét nhiều nguồn biến đổi tác động đến khí thải SQT quan sát được. Các mô tả về luồng SQT trong cảnh quan và toàn cầu đều rất không chắc chắn do sự khác biệt và không chắc chắn trong các phương thức thí nghiệm và đo lường, sự biến đổi lớn trong các tỷ lệ khí thải quan sát được từ các loài khác nhau, sự lựa chọn các loài đã được nghiên cứu cho đến nay, và sự chưa rõ ràng trong việc kiểm soát khí thải. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải có các quy trình thí nghiệm chuẩn hóa, đặc điểm hóa tốt hơn về khí thải do tác động gây ra, sàng lọc các loài thực vật chủ yếu, và thu thập nhiều mẫu từ một vài cá thể trong cùng một loài hoặc chi cũng như việc cải thiện hiểu biết về sự phụ thuộc theo mùa của khí thải SQT nhằm cải thiện việc đại diện cho tỷ lệ khí thải SQT.