張豐粟，王小國(guó)①

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

全球氣候變暖是當(dāng)今人類面臨的嚴(yán)峻環(huán)境挑戰(zhàn)，大氣中溫室氣體濃度的不斷增加是導(dǎo)致氣候變暖的主要成因[1]。N2O是當(dāng)前最受關(guān)注的溫室氣體之一 , 其百年尺度的全球增溫潛勢(shì)(global warming potential，GWP)約為 CO2的296倍，自1750年以來(lái)對(duì)全球總溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)6%[2]。N2O產(chǎn)生途徑主要有硝化作用和反硝化作用兩個(gè)過(guò)程，它們所產(chǎn)生的N2O約占全球大氣中N2O總量的90%[3]。N2O在對(duì)流層中的存留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)120 a，在平流層中經(jīng)催化作用分解成一氧化氮后與臭氧分子反應(yīng)，是破壞臭氧層、導(dǎo)致臭氧層空洞的重要因素[4]。鑒于大氣中N2O具有較高GWP、較長(zhǎng)存留時(shí)間以及較強(qiáng)的臭氧層破壞效應(yīng)，關(guān)于N2O排放的研究始終受到廣泛關(guān)注。

溝渠是介于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡凈化帶，常處于淹水狀態(tài)和非淹水狀態(tài)的交替過(guò)程，導(dǎo)致其硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程活躍[5]。溝渠作為一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，有著很高的氧化還原能力，這使得它在具有高水質(zhì)凈化作用的同時(shí)，兼有較高的溫室氣體排放通量；同時(shí)，作為連接農(nóng)業(yè)排水、村鎮(zhèn)居民生活廢水與河流湖泊的重要通道，溝渠生態(tài)系統(tǒng)受人為干預(yù)影響較大，常常含有高濃度碳、氮物質(zhì)，是生物地球化學(xué)作用非?；钴S的場(chǎng)所[6-9]。根據(jù)進(jìn)入溝渠中水體類型的不同，主要可以將其分為農(nóng)田溝渠與生活污水溝渠。農(nóng)田溝渠水源主要來(lái)自農(nóng)田的淋溶水以及地表徑流，主要特點(diǎn)為泥沙含量大，并且攜帶大量可溶性碳、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[10]。此類溝渠一般具有較大的表面-體積比，其內(nèi)部沉積物及植被的存在有利于微生物反硝化脫氮的發(fā)生[9]。生活污水溝渠作為村鎮(zhèn)生活廢水與河流連接的通道，水體主要來(lái)源為生活廢水，具有較高的碳、氮負(fù)荷，并且含有很多高分子有機(jī)污染物，N2O排放通量也相對(duì)較高。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地中N2O的產(chǎn)生、排放通量及影響因素等做了大量研究，但對(duì)于各類溝渠N2O的排放研究較少，該文綜述了溝渠N2O產(chǎn)生、排放及其影響因素，以期為生態(tài)溝渠的環(huán)境友好管理提供理論依據(jù)。

1 溝渠N2O排放研究

1.1 溝渠N2O排放通量的測(cè)定方法

目前，國(guó)際上已有多種方法用于測(cè)定水生生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量，主要分為野外觀測(cè)測(cè)定和模型估算法。密閉箱法[11-12]和開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱法[13]是目前野外原位水-氣界面通常采用的兩種觀測(cè)方法。密閉箱法操作過(guò)程較便捷，技術(shù)要求不高，是淺水域N2O排放通量研究最常用的方法。該方法具體操作為在水體表面放置頂部密封、底部中通的箱體，按一定時(shí)間間隔定量收集箱內(nèi)氣體，然后利用氣體分析儀監(jiān)測(cè)待測(cè)氣體濃度，最后根據(jù)氣體濃度隨時(shí)間變化速率計(jì)算覆蓋水體N2O排放通量；但該方法可能會(huì)受到人為與水面波動(dòng)的干擾，產(chǎn)生誤差，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍、全時(shí)段連續(xù)觀測(cè)。開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱法通過(guò)水泵與尼龍管相連，使得空氣進(jìn)入動(dòng)態(tài)箱體，然后用痕量氣體分析儀對(duì)采集的樣品濃度進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為F=f(Co-Ci)/A。其中，F(xiàn)為N2O氣體排放通量，f為氣體流速，Co和Ci分別為尼龍管進(jìn)口和出口氣體濃度，A為水面交換面積。此方法測(cè)量精度較高，連續(xù)性好，但技術(shù)要求較高。此外，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜[14](tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技術(shù)和微氣象學(xué)觀測(cè)方法中的渦度相關(guān)法[15-16]是用于對(duì)水域溫室氣體擴(kuò)散通量進(jìn)行大面積連續(xù)測(cè)量最有效、精確度較高的兩種方法，但其對(duì)環(huán)境條件和技術(shù)要求均較高。目前國(guó)際上己采用上述兩種方法對(duì)面積較大的水庫(kù)和湖泊進(jìn)行觀測(cè)研究，但國(guó)內(nèi)還較鮮見(jiàn)。

模型估算法又稱梯度法[17-18]，首先測(cè)量表層水和大氣中N2O濃度，并計(jì)算兩者差值，運(yùn)用Fick定律估算N2O排放通量F，計(jì)算公式為F=kx(Cwater-Cair)。其中，kx為氣體交換系數(shù)，Cwater為水體表層溶解的N2O濃度，Cair為大氣中對(duì)應(yīng)N2O濃度。此方法氣體交換系數(shù)kx值的確定是解決該方法模擬精度的關(guān)鍵，但其值時(shí)常受到表層水體絮流混合作用及環(huán)境因素影響而變得難以確定，因此模型估算結(jié)果存在較大的不確定性[19]。

1.2 國(guó)內(nèi)外各類溝渠N2O排放通量研究

溝渠類型多樣，廣泛分布于世界各地，水和污染物通過(guò)地表徑流、壤中流等進(jìn)入溝渠[20]。溝渠主要承擔(dān)對(duì)污水的傳輸與凈化功能，在各種凈化方式(如底泥吸附、植被吸收等)中，尤以微生物反硝化脫氮對(duì)氮素的去除最徹底[21]。在高氮、低碳和低氧條件下反硝化細(xì)菌脫氮作用顯著，生成的N2O通過(guò)水-氣界面排放，是水體排放N2O最主要的方式[22]。BEDARD-HAUGHN等[23]研究表明小型濕地超過(guò)75%的N2O排放是通過(guò)反硝化脫氮作用產(chǎn)生的，而反硝化速率受溫度、水體溶解氧和pH等很多因素影響，不同研究區(qū)反硝化速率差異較大。植物傳輸主要指沉積層產(chǎn)生的N2O通過(guò)分子擴(kuò)散或?qū)α鞣绞竭M(jìn)入水生植物輸導(dǎo)組織，并向上輸送進(jìn)入大氣，是植被豐富的水域區(qū)N2O排放的重要方式。

表1[24-38]顯示，研究以農(nóng)業(yè)溝渠居多，對(duì)生活污水溝渠與天然溝渠的研究較少，且不同緯度地區(qū)N2O排放呈明顯空間差異。已報(bào)道的溝渠N2O排放通量范圍為-9.2～56 580 μg·m-2·h-1，表明N2O排放通量變化在空間、時(shí)間上的異質(zhì)性較大。已報(bào)道的最大值在日本一條農(nóng)業(yè)溝渠測(cè)得，其測(cè)定時(shí)間為農(nóng)田施肥時(shí)期，溝渠中匯集的淋溶水具有較高的碳、氮負(fù)荷，為硝化-反硝化過(guò)程提供了豐富的底物；最小值在美國(guó)Neuse River河流溝渠測(cè)得，該河流水質(zhì)優(yōu)良，且在測(cè)定時(shí)溫度較低，反硝化微生物活性較低。DE CLEIN[39]研究表明，溫度是影響反硝化速率最關(guān)鍵的因子，當(dāng)溫度達(dá)到30～35 ℃時(shí)，反硝化細(xì)菌活性最高，反硝化速率最強(qiáng)，并且較高的溫度可以促進(jìn)礦化和硝化作用，為反硝化過(guò)程提供更多的硝酸鹽。由表1可知，N2O排放通量高峰大都出現(xiàn)在溫度最高的夏季。馮香榮等[30]對(duì)亞熱帶生活溝渠進(jìn)行周期為1 a的N2O排放通量觀測(cè)，排放極大值出現(xiàn)在6月，通量為70.35 μg·m-2·h-1，極小值為12月測(cè)得的-2.27 μg·m-2·h-1，結(jié)果表明N2O排放存在顯著的時(shí)間變異性；這主要是由于季節(jié)氣候的變化通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)、植被生長(zhǎng)和微生物活性進(jìn)而影響溝渠中N2O排放。田琳琳等[34]在川中丘陵區(qū)農(nóng)田溝渠的不同位置設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)位，發(fā)現(xiàn)溝渠中污染物濃度與植株的有無(wú)對(duì)N2O排放都會(huì)產(chǎn)生巨大影響，這表明同一條溝渠可能因?yàn)椴煌瑓^(qū)段環(huán)境因子差異而出現(xiàn)N2O排放差異。一般來(lái)說(shuō)，生活污水溝渠年N2O排放通量高于農(nóng)田溝渠，主要是因?yàn)樯钗鬯疁锨Ｄ晏幱谘退疇顟B(tài)，并且水體具有較高的碳、氮負(fù)荷，厭氧反硝化作用顯著。但是農(nóng)田溝渠N2O排放通量的季節(jié)性變化更加明顯，這主要是由于受農(nóng)田施肥及季節(jié)性降雨的影響，溝渠內(nèi)水體養(yǎng)分含量隨之變化。另外，在緯度相差不大的地區(qū)，董宏偉[26]和李飛躍等[35]關(guān)于農(nóng)業(yè)溝渠N2O排放通量的研究結(jié)果相差數(shù)十倍，這是由于兩地溝渠形態(tài)和底泥基質(zhì)養(yǎng)分含量不同所致。此外，溝渠內(nèi)植被也可以顯著影響N2O排放。植物不僅可以自身排放N2O至大氣中，還可以明顯降低水中氧氣溶解度從而提高反硝化速率，促進(jìn)N2O排放[40-41]。

表1 不同地區(qū)溝渠 N2O 排放通量比較

2 溝渠N2O排放的主要影響因素

2.1 水體可溶性有機(jī)碳(DOC)含量

可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中重要和非?；钴S的化學(xué)組分，也是很多環(huán)境污染物遷移的載體[42]。DOC具有一定的溶解性，有易流動(dòng)、易分解、易氧化和生物活性高等特性[43]，是異養(yǎng)反硝化微生物重要的能量與物質(zhì)來(lái)源，也是進(jìn)行反硝化作用的物質(zhì)基礎(chǔ)(電子供體)，其含量直接影響微生物的新陳代謝和活性，進(jìn)而間接影響反硝化速率和 N2O 的產(chǎn)生[44]。農(nóng)田淋溶水與生活污水均含有大量雜質(zhì)及DOC等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，此類水體進(jìn)入溝渠后會(huì)促進(jìn)N2O排放。如HARRISON等[45]對(duì)亞熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)溝渠的研究發(fā)現(xiàn)，N2O排放與溝渠中水體DOC含量密切相關(guān)，水中有機(jī)碳含量可用于較好地預(yù)測(cè)N2O排放(r2=0.52)。JURADO等[46]將高DOC含量的水源注入水稻田后，發(fā)現(xiàn)DOC的加入大大提高了水稻田N2O排放速率，這可能是由于DOC的加入可促進(jìn)反硝化作用，進(jìn)而促進(jìn)N2O排放。JAHANGIR等[47]研究也發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)區(qū)地下水中 N2O濃度與DOC含量呈正相關(guān)，這表明反硝化作用更容易在富含有機(jī)質(zhì)的地下水厭氧微環(huán)境中發(fā)生，水中DOC含量的增加可促進(jìn)N2O的產(chǎn)生。

2.2 水體溶解氧(DO)含量

水體中DO主要影響硝化、反硝化和厭氧氨氧化等 N2O 產(chǎn)生過(guò)程，也影響電子受體 O2和 NO3--N間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系及酶活性等，進(jìn)而最終影響N2O的產(chǎn)生及排放量[48-49]。研究表明，N2O還原酶(Nos)對(duì)DO含量最敏感，少量 DO(如 22.3 μmol·L-1)即可抑制 N2O的還原，因此，當(dāng)DO含量較低時(shí)反硝化可產(chǎn)生較高的N2O[50]。SILVENNOINEN等[51]發(fā)現(xiàn)，在Bothnian Bay的河流水-沉積物界面中隨O2含量增加其反硝化作用受到限制，從而使N2O排放量最高值出現(xiàn)在ρ(O2)低于0.2 mg·L-1的河流環(huán)境中。TOYODA等[52]研究認(rèn)為，在高NH4+-N和低DO含量水體中，反硝化作用有助于N2O的產(chǎn)生。LIM等[53]的研究表明，由于微生物的反硝化作用是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過(guò)程，當(dāng)水體中ρ(DO)超過(guò)0.2 mg·L-1時(shí)，反硝化作用難以發(fā)生。對(duì)加拿大安大略省內(nèi)多條溝渠的研究發(fā)現(xiàn)，溝渠中高N2O產(chǎn)生量與較低DO含量緊密相關(guān)，在低DO含量區(qū)，反硝化作用是N2O產(chǎn)生的主要來(lái)源[54]。YU等[31]發(fā)現(xiàn)，上海城市河網(wǎng)排水溝渠中DO含量是影響其N2O排放的主要因子，表明溝渠中反硝化脫氮程度依賴于DO含量變化。ROSAMOND等[55]研究發(fā)現(xiàn)與NO3--N含量相比，水體DO含量對(duì)N2O排放影響更大，DO含量與N2O排放通量呈顯著負(fù)相關(guān)，并提出在未來(lái)研究中應(yīng)將水體DO含量納入N2O排放預(yù)測(cè)模型中。

2.3 底泥有機(jī)碳、氮含量

由于溝渠水體往往攜帶大量泥沙，進(jìn)入溝渠后泥沙會(huì)沉淀，并且作為溝渠基質(zhì)為N2O產(chǎn)生提供條件。由于絕大多數(shù)反硝化細(xì)菌是化能異養(yǎng)型，土壤中有機(jī)質(zhì)可以為此類細(xì)菌提供電子受體和養(yǎng)分，是調(diào)控土壤生物反硝化速率和作用強(qiáng)度的重要因素[56]。GROFFMAN等[38]研究發(fā)現(xiàn)底泥有機(jī)質(zhì)含量高的溝渠反硝化速率較高。MEGONIGAL等[44]研究發(fā)現(xiàn)，由于土壤有機(jī)碳可以直接加速有氧異養(yǎng)呼吸，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，所以在有機(jī)碳含量較高的土壤中形成厭氧小區(qū)的現(xiàn)象十分明顯，這更有利于厭氧反硝化作用的發(fā)生。土壤中有機(jī)碳對(duì)反硝化過(guò)程的主要影響可能是推動(dòng)無(wú)氧環(huán)境的形成。由于硝化-反硝化進(jìn)程主要取決于土壤氧氣含量的高低，而氧氣的消耗速率主要受有機(jī)碳可利用性的控制，土壤中較高的有機(jī)碳含量可以直接加速有氧異養(yǎng)呼吸或者間接導(dǎo)致厭氧還原劑的產(chǎn)生，繼而與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生土壤厭氧環(huán)境[57]。底泥中有機(jī)氮是N2O產(chǎn)生的源，底泥土壤碳氮比(C/N)則是影響N2O產(chǎn)生的重要因素。一般認(rèn)為，微生物的最適C/N比值為25～30，若C/N比值過(guò)高，微生物活性較弱，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，N2O釋放則受到抑制，反之則可以在一定程度上促進(jìn)N2O釋放[58]。黃耀等[59]研究發(fā)現(xiàn)C/N比值在7～12范圍時(shí)，N2O排放量隨著C/N比值的增加而減少。

2.4 溫度

土壤溫度通過(guò)影響微生物酶活性、生物學(xué)過(guò)程中酶活性和化學(xué)反應(yīng)速率影響硝化-反硝化速率，進(jìn)而影響N2O排放通量。ZIMMERMAN等[60]發(fā)現(xiàn)，溫度是影響沉積物中反硝化速率的最主要因素，溫度變化可解釋52%的反硝化速率變異。RYDEN[61]的研究表明，在相同溝渠基質(zhì)含水量和硝酸根含量條件下，溝渠基質(zhì)溫度從5 ℃增加到10 ℃，土壤反硝化速率會(huì)從0.02 kg·hm-2·d-1增加到0.11 kg·hm-2·d-1。宋長(zhǎng)春等[62]對(duì)三江平原沼澤濕地的研究發(fā)現(xiàn)，冬季三江平原濕地是N2O匯， 隨著土壤溫度的升高而逐漸成為N2O源。黃樹(shù)輝等[63]研究表明，在土壤濕度適宜的條件下，一定溫度范圍內(nèi)，N2O排放通量(F)對(duì)土壤溫度(t)的依賴性可用指數(shù)函數(shù)F=Aeat(A和a均為系數(shù)，e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù))來(lái)描述。徐亞同[64]對(duì)溫度與反硝化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)表明，溫度為10～30 ℃時(shí)反硝化速率平行上升，當(dāng)超過(guò)30 ℃時(shí)反硝化速率又開(kāi)始下降。

水溫是溝渠中水體的重要理化參數(shù)，也是可影響氣體分子N2O、O2等的擴(kuò)散速度及在水體中的溶解度進(jìn)而影響N2O交換和傳輸速率的物理化學(xué)參數(shù)[65]。有研究表明，在一定范圍內(nèi)水體溫度與N2O排放量呈正相關(guān)。MCMAHON等[66]對(duì)英國(guó)自然溝渠的研究表明N2O排放速率季節(jié)性變化明顯，在溫度較高的月份升高明顯。JENNI等[67]對(duì)10～30 ℃溫度范圍條件下污水溝渠的研究表明，N2O的產(chǎn)生和排放隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，國(guó)內(nèi)也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，比如：太湖地區(qū)河流湖泊、溝渠、地下水中N2O排放及其容存濃度與溫度呈正相關(guān)[68]。對(duì)川中丘陵地區(qū)生活污水溝渠與農(nóng)田溝渠的研究顯示，N2O排放季節(jié)性差異明顯，排放通量以夏季為最高，冬季最低[26]。

2.5 水體pH

水體pH對(duì)有機(jī)質(zhì)分解與微生物活動(dòng)的影響會(huì)對(duì)N2O凈排放產(chǎn)生間接影響，但是，不同學(xué)者的研究結(jié)論存在較大差異。由于反硝化微生物原生質(zhì)pH接近中性，所以大部分反硝化微生物適宜在中性條件下生長(zhǎng)。黃耀等[59]研究表明，pH值在5.6～6.8范圍時(shí)，N2O排放與pH呈正相關(guān)。PENG等[69]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)pH來(lái)控制NH4+-N濃度可實(shí)現(xiàn)NO2--N的累積，而當(dāng)pH 高于7.0時(shí)可限制NO2-轉(zhuǎn)化為HNO2并確保游離氨選擇性地抑制亞硝酸鹽氧化細(xì)菌，從而有利于短程硝化的穩(wěn)定。徐亞同[64]認(rèn)為反硝化作用最適宜pH在7.5左右，當(dāng)偏離這一適宜值時(shí)，反硝化速率會(huì)逐漸下降，當(dāng)pH小于6.5或大于9.0時(shí)，反硝化速率下降明顯。HARRISON等[45]對(duì)亞熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)溝渠水體中 N2O 排放的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田周邊排水溝渠中N2O排放與pH呈負(fù)相關(guān)，而養(yǎng)豬場(chǎng)附近排水溝渠中N2O排放與pH呈正相關(guān)。目前，關(guān)于pH與N2O排放量之間關(guān)系的研究結(jié)論不盡相同，這可能是由于碳源不同或其他因素(如溫度、含水量)差異對(duì)土壤微生物綜合作用所致，因此，此問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

2.6 干濕交替及水-氣界面動(dòng)力

由于季節(jié)性降雨、灌溉和居民用水的時(shí)空性差異，溝渠往往會(huì)經(jīng)歷干濕交替，從而對(duì)N2O排放通量產(chǎn)生影響。研究認(rèn)為，反硝化作用會(huì)隨著水位的增高而變強(qiáng)，當(dāng)土壤孔隙水(waterfilled pore space，WFPS)>60%時(shí)，反硝化作用占據(jù)主導(dǎo)地位，而當(dāng)WFPS>80%時(shí)，N2O擴(kuò)散受到抑制，并且N2O可能作為電子受體被還原為N2[70]。當(dāng)WFPS為45%～75%時(shí)，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌都可能成為N2O的主要制造者[71]。MENTZER等[72]研究發(fā)現(xiàn)含水量增加會(huì)降低水解酶活性，并指出干濕交替會(huì)改變氮循環(huán)過(guò)程，溝渠排干會(huì)刺激硝化作用，而積水增加則會(huì)刺激反硝化過(guò)程，進(jìn)而影響N2O排放。DETTMANN[73]研究發(fā)現(xiàn)，河口地區(qū)溝渠中水體參與反硝化的氮素(N)比例隨著淡水滯留時(shí)間的增加而升高，從而增加N2O排放通量。鄧煥廣等[74]對(duì)不同頻率干濕交替土壤的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，較長(zhǎng)時(shí)間間隔(7 d以上)的干濕交替或持續(xù)干旱后土壤反硝化速率會(huì)顯著降低。VON ARNOLD等[75]研究表明溝渠排水后由于礦化作用導(dǎo)致溝渠土壤N2O排放量增加，沒(méi)有排水的溝渠N2O年排放量比排水土壤低。在淹水期間，水-氣界面N2O排放與溝渠中水動(dòng)力息息相關(guān)[33]，SILVENNOINEN等[76]對(duì)波羅的海 Temmesjoki河的研究表明較快的水流速度與較大的風(fēng)速有利于水-氣界面N2O交換。水流速度通過(guò)影響藻類生長(zhǎng)環(huán)境及水體富營(yíng)養(yǎng)化而影響光照在水體中的通透性，進(jìn)而影響水生生物在水體碳氮循環(huán)中的活性[77]。風(fēng)速則會(huì)通過(guò)影響水-氣界面N2O分壓平衡而影響水體N2O釋放。一方面，風(fēng)對(duì)于水體的切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致水體表面破碎，增加水-氣界面面積，促進(jìn)水體N2O釋放；另一方面，風(fēng)速變化會(huì)影響N2O在水體中的飽和度，并引起N2O在源匯角色中轉(zhuǎn)變[78-79]。

2.7 外源氮輸入

在農(nóng)田施肥之后，持續(xù)高氮負(fù)荷的淋溶水排入溝渠，外源氮輸入會(huì)作為重要因素影響生態(tài)溝渠N2O 排放。TOWNSEND-SMALL等[37]對(duì)加利福尼亞一處農(nóng)業(yè)溝渠的研究發(fā)現(xiàn)，施肥后溝渠N2O排放通量由施肥前7.2 μg·m-2·h-1上升至720 μg·m-2·h-1，增量幅度達(dá)近百倍；這是由于當(dāng)高氮負(fù)荷的農(nóng)田淋溶水進(jìn)入溝渠后，NO2--N和NO3--N為反硝化作用的電子受體，NH4+-N和 NO3--N又分別為硝化和反硝化作用的底物，高氮負(fù)荷的溝渠水體增強(qiáng)了硝化和反硝化作用，使得N2O排放通量顯著提高。PETERSON等[10]利用15N進(jìn)行的原位實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，河溪中NO3--N濃度的增加可促進(jìn)其反硝化作用。田琳琳等[80]研究發(fā)現(xiàn)，溝渠中NO3--N濃度的升高可促進(jìn)水中反硝化作用，進(jìn)而增加其 N2O排放。

外源氮輸入將改變溝渠基質(zhì)的碳氮循環(huán)和碳氮比，從而對(duì)N2O排放造成影響。在由于溝渠淹水導(dǎo)致的厭氧環(huán)境中，有機(jī)氮輸入能夠增加土壤耦合硝化的反硝化速率，促進(jìn)N2O排放[81]。LINDAU等[82]發(fā)現(xiàn)，與輸入NH4+相比，輸入NO3-會(huì)刺激更多的 N2O排放，并認(rèn)為這是由于嚴(yán)格的硝化作用限制所致，只有很少一部分增加的 NH4+被脫氮。此外，氮輸入還可以通過(guò)影響植被而間接影響N2O排放。一般來(lái)說(shuō)，氮輸入會(huì)刺激植物生長(zhǎng)，特別是根部生物量的累積，這有助于微生物通過(guò)植物根部獲得更多碳源，為反硝化作用提供能量，從而促進(jìn)N2O排放，并且過(guò)剩的氮輸入還會(huì)使植物直接排放的N2O通量增加[83]。BEAULIEU等[84]研究表明，氮輸入后N2O排放峰值只會(huì)持續(xù)幾天，然后會(huì)逐漸下降；這可能是由于高氮負(fù)荷初期硝酸鹽被迅速吸收轉(zhuǎn)化，而后植被吸收了土壤中的有效氮，減少了硝化反硝化作用的反應(yīng)底物，而剩余的氮又不足以改變土壤硝化-反硝化速率。在外源氮利用上，SILVAN等[85]在加入高濃度氮后的研究表明，15%氮被微生物利用，15%氮以氣體形式直接排出，70%氮被植物吸收。然而，也有科學(xué)家的研究結(jié)論與上述結(jié)論相反。KETTUNEN等[86]研究發(fā)現(xiàn)氮輸入增加了濕地生物量和枯落物，微生物在分解枯落物的初期需利用大量氮元素，這就會(huì)產(chǎn)生對(duì)氮的爭(zhēng)奪，使土壤中可利用氮減少，導(dǎo)致N2O排放量降低。

2.8 溝渠植被

水生植被廣泛分布于各類溝渠，是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，并發(fā)揮著多種生態(tài)功能，同時(shí)也是C、N循環(huán)過(guò)程的調(diào)節(jié)者[87]。溝渠中植被對(duì)N2O排放的影響主要有以下幾個(gè)方面：(1)植物會(huì)吸收溝渠基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且影響底泥的氧化還原及理化性質(zhì)[88]；(2)植物可以通過(guò)通氣組織傳遞N2O[89]；(3)植物根部分泌物能夠給微生物提供碳源，并且提高反硝化細(xì)菌活性[90]；(4)植物本身的生長(zhǎng)代謝也能產(chǎn)生N2O[91]。董宏偉[26]對(duì)川中丘陵區(qū)生態(tài)溝渠有植株組與無(wú)植株組N2O排放通量的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)有植株組N2O排放通量遠(yuǎn)大于無(wú)植株組，這說(shuō)明生態(tài)溝渠中植株在凈化水體的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量N2O。此外，植被類型也可以影響生態(tài)系統(tǒng)中N2O的排放差異，如對(duì)黃河河口地區(qū)溝渠的研究發(fā)現(xiàn)，植被種類、覆蓋度和生物量共同影響該溝渠生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放的空間差異[92]。在不同植被類型的河岸帶也發(fā)現(xiàn)反硝化速率會(huì)因植被類型不同而出現(xiàn)明顯差異[93]。VERAART等[40]利用15N示蹤技術(shù)研究了大型挺水植物、浮游植物和沉水植物對(duì)溝渠反硝化作用的影響，發(fā)現(xiàn)大型挺水植物對(duì)反硝化速率的影響最明顯，浮游植物由于能明顯降低水體氧氣濃度而具有最高的反硝化速率。在一定條件下，植物與反硝化細(xì)菌對(duì)氮源的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)影響溝渠中反硝化作用，從而對(duì)N2O排放產(chǎn)生影響[94]。如SILVAN等[85]研究發(fā)現(xiàn)在白羊毛胡子草濕地中，植被豐度越大，反硝化活性越低，這可能是由于植物與反硝化微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)所致。PETERSEN等[95]研究表明水生大型植物區(qū)N2O排放量比無(wú)植株區(qū)高6倍。HASEGAWA等[24]對(duì)淹水稻田的研究發(fā)現(xiàn)有植株區(qū)N2O排放比無(wú)植株區(qū)約高37%。

3 結(jié)論與展望

目前，溝渠N2O排放研究主要集中在農(nóng)田溝渠，對(duì)于生活污水溝渠的研究較少。在已有的研究中溝渠N2O排放表現(xiàn)出顯著的空間、時(shí)間變異性，并且其排放受多個(gè)因素的影響，在污水溝渠的生態(tài)化建設(shè)過(guò)程與研究中，提出以下幾點(diǎn)展望：

(1)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)溝渠N2O排放機(jī)制的研究，明確溝渠硝化與反硝化作用的容量，以及硝化和反硝化作用在N2O排放中所占的比例，為溝渠模型的構(gòu)建提供更好的科學(xué)依據(jù)。

(2)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于溝渠生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的研究主要集中在建立各因子對(duì)N2O排放的影響，有關(guān)綜合各因子之間的關(guān)系及各因子如何共同對(duì)N2O排放產(chǎn)生影響方面的研究尚缺乏。

(3)加強(qiáng)不同類型植被-土壤系統(tǒng)對(duì)N2O排放的影響研究，以篩選環(huán)境友好型植株，并綜合考慮溝渠的水體凈化功能、溫室氣體排放量及生態(tài)價(jià)值。