龐吉麗,王曉鋒,劉婷婷,吳勝男,黃 婷,趙舒寧,吳文潔,陳彥蓉

1 長江上游濕地科學(xué)研究重慶市重點實驗室, 重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表生態(tài)過程重慶市野外科學(xué)觀測研究站, 重慶 405400 3 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 4 華東師范大學(xué)河口海岸研究所, 上海 200241

全球氣候變化已成為世界性的環(huán)境問題,溫室氣體排放量不斷增加所引發(fā)的一系列問題引起人們的廣泛關(guān)注。氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體之一,其百年全球增溫潛勢(GWPs)是CO2的298倍[1],對全球變暖貢獻(xiàn)率約占6%[2],并對臭氧層有極強的破壞作用[3]。淡水生態(tài)系統(tǒng)作為陸源及人為源氮素的“匯”和生物地球化學(xué)循環(huán)場所,是大氣N2O的重要排放源[4]。據(jù)估算,全球淡水生態(tài)系統(tǒng)每年向大氣排放N2O總量達(dá)1.51 Tg[5],約占全球總排放量的25%—30%[6],尤其隨著人工固氮量的持續(xù)增長,全球氮循環(huán)過程被改變,淡水系統(tǒng)被認(rèn)為是人為N2O排放的間接途徑,受到全球廣泛關(guān)注。然而,當(dāng)前對淡水系統(tǒng)N2O排放特征的研究大多集中于大型的河流、水庫、湖泊等,而對小型水體(小型湖泊或水塘)關(guān)注較少,成為淡水系統(tǒng)N2O排放清單估算中較薄弱的環(huán)節(jié)。

小型水體面積較小,但環(huán)境容量小,且具有較大的周長/面積比,加之?dāng)?shù)量龐大,因此受納、存儲了大量的陸源碳氮元素,在全球碳氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[7]。已有研究肯定了小型湖泊、水塘具有較強的CO2、CH4排放通量[8-9],因此得到廣泛研究。然而,目前對小型水體N2O排放的研究則僅關(guān)注到人工養(yǎng)殖塘[10- 12]及水田[13]等,對自然小型水體的關(guān)注不足。小型淺水水體沉積層的反硝化作用產(chǎn)生的N2O能夠快速輸移至表層形成水-氣界面的排放,因此具有較強的N2O排放潛勢[14]。Harrison等人發(fā)現(xiàn)小型湖泊占所有湖泊氮去除量的65%[15]。Gao等[16]研究表明,小型水塘N2O飽和度高達(dá)879%,是極強的N2O排放源。Samarkin等[17]研究指出,小型淺水水體中,沉積層氧化還原過程受到光照輻射影響,一定程度上抑制了反硝化過程的徹底進(jìn)行,有利于N2O的積累；同時,光照刺激可能加速水體硝化作用,為反硝化進(jìn)行提供充足的底物,也為N2O的產(chǎn)生提供了條件[18]。此外,研究認(rèn)為,小型水體的水深較淺,為水生植物生長和藻類的繁殖提供了條件[19],進(jìn)而為沉積層提供豐富的碳源,刺激氮轉(zhuǎn)化微生物活性[20],加速N2O的產(chǎn)生。據(jù)估算,全球面積<1 km2的水體數(shù)量多達(dá)3億個,其總面積約占全球湖泊總面積的54%[21],因此在全球淡水系統(tǒng)N2O排放清單中的貢獻(xiàn)不容忽視。然而,由于緩沖能力較差,對環(huán)境變化的敏感性較強,尤其是人類活動不斷增強,小型水體N2O排放成為目前淡水系統(tǒng)N2O排放中最不確定的關(guān)鍵節(jié)點。

城市景觀水體是在城市建設(shè)過程中人工改造或建造的特殊水體,是城市區(qū)特有的水體類型。城市景觀水體作為城市海綿體的重要組成,除景觀功能外,還發(fā)揮蓄水、削峰滯洪、緩流、攔截污染物、調(diào)節(jié)小氣候等多種生態(tài)功能。城市景觀水體封閉性強、自凈能力弱,其碳、氮等生源要素的輸入及生化過程受城市環(huán)境影響強烈,且受到人為活動如植物種植、環(huán)境治理以及岸線硬化等干擾,具有與自然水體不同的碳氮循環(huán)過程。然而,目前對城市景觀水體溫室氣體排放特征的研究相對缺乏。鄧煥廣等[22]對聊城市面積較小的鈴鐺湖進(jìn)行研究,并提出城市內(nèi)的小型湖泊是極強的N2O排放源；Wang等[23]的研究也指出城市內(nèi)的小型水庫N2O排放通量比林地區(qū)高15倍以上。Preeti等[24]研究指出城市小型水體具有較強的N2O排放潛勢。然而,目前僅少數(shù)學(xué)者對城市小型水體N2O排放開展了相關(guān)研究[23],對受人為干擾強烈的景觀水體的關(guān)注仍然極為薄弱,成為當(dāng)前淡水系統(tǒng)溫室氣體排放研究體系的知識洼地。隨著“小微濕地”[25]、“城市海綿體”[26]、“城市濕地”等概念的提出,小型水體生態(tài)過程及功能研究開始得到關(guān)注。全球城市化過程中,大量自然水體轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^水體,這些水體在區(qū)域氮循環(huán)及N2O排放中的貢獻(xiàn)需要更多關(guān)注。為初步闡明城市小型景觀水體N2O排放特征,本文選擇了重慶市大學(xué)城8個景觀水體和2個城市外圍的自然水體為研究對象,通過頂空模型法和漂浮箱法對水體N2O溶存濃度及排放通量進(jìn)行季節(jié)性監(jiān)測,并從水環(huán)境因子、水生植物種植、監(jiān)測方法、物理結(jié)構(gòu)等方面,探討了影響小型景觀水體N2O排放的關(guān)鍵因素,為科學(xué)認(rèn)識變化環(huán)境下城市淡水生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶西部新城核心區(qū)(圖1),屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,雨熱同期,雨量充沛,年平均氣溫18.3℃,年降雨量為1082.9 mm。研究區(qū)域地處縉云山脈和中梁山脈之間,屬典型的低山丘陵地貌。復(fù)雜的地貌類型和充足的降雨孕育了數(shù)量龐大的小型水塘和湖泊,在大學(xué)城城市建設(shè)過程中被改造成城市景觀水體。

1.2 樣點設(shè)計

在研究區(qū)域內(nèi),通過實地踏查,選取8個小型景觀水體和2個城市外圍的小型水體作為調(diào)查對象(圖1)。8個景觀水體中5個位于校園內(nèi)(分別在重慶大學(xué)-CD、重慶師范大學(xué)-CS、重慶醫(yī)科大學(xué)-CY、重慶科技學(xué)院-CK、四川美術(shù)學(xué)院-CM),3個位于居民小區(qū)內(nèi)(師大苑-SDY、富力城小區(qū)-FLC、東橋郡-DQJ)；2個城市外圍的小型水體作為對照水體,分別為石馬山水庫(SMS)、礦產(chǎn)溝水庫(KCG)。10個調(diào)查水體的基本特征如表1所示。所選水體水域面積在0.003—0.090 km2,平均水深范圍為1—6 m,屬于典型的小型景觀水體。每個水體設(shè)置3個平行采樣點進(jìn)行采樣分析,共計30個采樣點。

同時,根據(jù)不同水體人工種植的景觀植物的分布特征,在CD、CS、CM、SDY、FLC等5個水生植物分布較多的水體,除開敞水域設(shè)置樣點外,植物分布集中的區(qū)域增設(shè)3個重復(fù)采樣點,共計15個采樣點。

圖1 研究區(qū)土地利用類型及樣點分布Fig.1 Land use types in the study area and the location of sampling sitesCD：重慶大學(xué)；CS：重慶師范大學(xué)；CY：重慶醫(yī)科大學(xué)；CK：重慶科技學(xué)院；CM：四川美術(shù)學(xué)院；SDY：師大苑；FLC：富力城小區(qū)；DQJ：東橋郡；SMS：石馬山水庫；KCG：礦產(chǎn)溝水庫

表1 所選水體生境特征及基本物理參數(shù)

1.3 樣品采集

分別于2019年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)對樣點進(jìn)行季節(jié)性采樣,每個季節(jié)選擇天氣晴朗的時間對每個樣點采樣3次,每次采樣時間盡量保持在晝間10點至14點。每個樣點首先用有機玻璃采水器采集表層水樣(0.5 m深處)500 mL裝于聚乙烯樣品瓶中,置于4℃低溫保存,用于水體碳、氮、磷等營養(yǎng)含量的測定。同時,使用矯正的多參數(shù)水質(zhì)分析儀(MantaTM2 Multiparameter System, Eureka Company, USA)現(xiàn)場測定水體電導(dǎo)率、溶解氧、pH、水溫等物理參數(shù),利用水深儀測定監(jiān)測點的水深?，F(xiàn)場記錄各水體周圍的生境特征、植被覆蓋狀況、有無明顯污染等情況。

利用漂浮箱法進(jìn)行水-氣界面N2O排放通量的測定：漂浮箱箱體由PVC材質(zhì)組成,長30 cm、寬30 cm、高40 cm,箱體表層用鋁箔包裹以防止采樣過程中太陽輻射引起箱內(nèi)溫度變化過快。漂浮箱頂部開有2個小孔,分別連接保持箱體內(nèi)外氣壓穩(wěn)定的銅管和供采樣用的氣體導(dǎo)管。漂浮箱底座用泡沫板制成,安裝在箱底6—9 cm處。采樣前,將漂浮箱倒置通風(fēng)將泡沫板底座安裝在箱體,隨后將箱體倒置于水面,箱體底部浸入水面9 cm,開始運行。分別在箱體安裝完成后0,5,10,15,20 min時,用10 mL真空采樣管采集箱內(nèi)氣體,帶回實驗室進(jìn)行N2O濃度測定。

此外,利用頂空振蕩法測定水體溶存N2O濃度及飽和度[27]。首先利用注射器吸取表層水樣(水深20 cm以內(nèi))注入提前準(zhǔn)備好的氣密性有機玻璃管中(玻璃管體積為54 mL),確保完全注滿并保證無氣泡。隨后,打開有機玻璃管下端額排水閥,利用注射器從頂端緩慢注入24 mL已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)空氣,形成頂空。最后,通過劇烈振蕩玻璃管5 min,并靜置2 min待氣-液相達(dá)到平衡后采集頂空氣體,進(jìn)行N2O濃度測定。

1.4 樣品分析

所有氣體樣品帶回實驗室后采用氣相色譜儀(磐諾A90)進(jìn)行N2O濃度測定。N2O檢測器為電子捕獲檢測器(ECD),載氣為高純度氮氣(N2),以氫氣(H2)為燃?xì)?空氣為助燃?xì)?工作溫度為350℃,采用標(biāo)氣濃度為3 μmol/L。

1.5 數(shù)據(jù)計算

1.5.1漂浮箱法測定N2O排放通量

漂浮箱法測定水-氣界面氣體排放通量計算公式如下[28]：

Fa= dc/dt×M/V0×P/P0×T0/T×H

(1)

式中,Fa表示漂浮通量箱法測定的N2O的排放通量(μmol m-2d-1),dc/dt為漂浮箱氣室內(nèi)N2O氣體的濃度隨時間變率,M為被測氣體摩爾質(zhì)量(66 g/mol),P為實測采樣點的氣壓值(hPa),T為采樣時絕對溫度,V0、T0、P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積、絕對溫度及氣壓(1013 hPa),H為浮于水面以上的采樣箱高(30 cm)。

1.5.2水體N2O溶存濃度計算及邊界層模型法氣體排放通量的估算

利用Henry定律計算水體溶存N2O濃度公式如下[29]：

Cw=(ca×Va+cw×Vw-c0×Va)÷Vw

(2)

cw=ca×Hc

(3)

式中,Cw是N2O溶存濃度(μmol/L),ca是頂空中氣體濃度(μmol/L),Va是頂空體積,cw是頂空平衡時水體氣體濃度(μmol/L),Vw是玻璃管中水體體積(L),c0是初始標(biāo)準(zhǔn)空氣中的氣體濃度,Hc為實測溫度下N2O在水中的溶解度系數(shù)。

為比較經(jīng)典的漂浮箱法和邊界層模型法(氣體濃度梯度法)在對城市小型景觀水體N2O排放通量監(jiān)測結(jié)果的影響,本研究進(jìn)一步利用邊界層模型法和氣體傳輸速率經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸浪闼?氣界面N2O排放通量[30],計算公式為：

Fb=k0× (Cw-Ca)

(4)

k0=1.91 × e0. 35×U×(Sc/600)-0.5

(5)

Sc(N2O)=2301.1-151.1t+4.7364t2-0. 059431t3

(6)

式中,Fb表示邊界層模型法估算的N2O排放通量(μmol m-2d-1),Cw表示表層水體溶存氣體濃度(μmol/L),Ca指水氣平衡時的大氣濃度(μmol/L)。k0表示水-氣界面的氣體交換系數(shù)(cm/h),本研究k0參考溫度-風(fēng)速模型計算[31]：U表示研究區(qū)10 m高空常年的平均風(fēng)速,本研究利用1996—2016年采樣月(1、3、7、9月)風(fēng)速的多年平均值(分別為1.15,1.36,1.41 m/s及1.21 m/s)進(jìn)行模型計算,Sc為溫度矯正的施密特數(shù),t為實測水溫(℃)。

1.6 統(tǒng)計分析

采用EXCEL 2010和SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,采用顯著性水平為P<0.05。利用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行不同水體間和不同季節(jié)間N2O排放的差異顯著性；利用成對t檢驗分析有-無植物覆蓋水域N2O排放通量的差異顯著性；利用相關(guān)分析得到N2O排放通量與水環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系；采用回歸分析建立關(guān)鍵水環(huán)境因子與N2O排放通量的回歸關(guān)系,最后通過逐步多元回歸分析探索影響水體N2O通量變異的關(guān)鍵驅(qū)動因子。所有圖件均利用GraphPad Prism8.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境特征

水體TC和DTC含量變化范圍分別為24.3—67.5 mg/L和15.6—53.1 mg/L,除CY水體較高外,其他景觀水體間無顯著差異,但所有景觀水體TC、DTC含量均顯著高于2個對照水體(SMS與KCG,P<0.05)。水體無機碳是總碳的主要組成部分,水體間的差異與總碳相似。TIC與DIC在景觀水體中顯著高于外圍的對照水體。所有水體TOC和DOC含量略低,變化范圍分別為7.1—17.9 mg/L和4.6—17.0 mg/L,景觀水體較外圍水體具有更高的有機碳含量(圖2)。本研究8個景觀水體TP含量平均值為(0.038±0.021) mg/L,約為2個對照水體TP含量(0.015±0.011) mg/L的2.5倍。但所有水體TP含量與DTP含量普遍較低,均低于0.06 mg/L,達(dá)到國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)》中的III類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 所有水樣碳、磷含量特征 Fig.2 Characteristics of C、P contents in all water samples柱狀圖上方小寫字母表示不同水體間養(yǎng)分含量的差異顯著性(P<0.05)

圖3 各水體不同形態(tài)氮含量特征Fig.3 Characteristics of different forms of N content in different water bodies

2.2 城市小型景觀水體N2O溶存濃度時空特征

小型景觀水體N2O溶存濃度變化范圍為25.88—159.0 nmol/L(相應(yīng)的飽和度為187%—2261%),平均值為(51.2±21.7) nmol/L(飽和度為611%±346%),均處于過飽和狀態(tài)。各水體之間N2O溶存濃度差異顯著(圖4)：DQJ和CM水體溶存N2O濃度年均值分別為(77.5±44.8) nmol/L和(63.0±27.6) nmol/L,顯著高于其他景觀水體；分布于居民區(qū)和校園區(qū)的水體N2O濃度總體無顯著差異；各景觀水體N2O濃度及飽和度均顯著高于兩個對照水體(SMS (20.7±5.0) nmol/L和KCG (27.9±6.9) nmol/L)(P<0.05),比對照水體平均高出2.2倍。

季節(jié)模式看(圖4),所有水體N2O濃度的平均水平在夏季((63.5±34.6) nmol/L)顯著高于其他季節(jié)(P<0.05),秋季((46.7±11.0) nmol/L)略高與春季((41.8±9.70) nmol/L)和冬季((38.3±11.3) nmol/L)。不同環(huán)境下的景觀水體N2O濃度季節(jié)模式與對照水體相似,全年景觀水體的N2O濃度均高于對照水體。

圖4 不同景觀水體與對照水體N2O溶存濃度特征及季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation and characteristics of N2O dissolved concentration in different landscape water bodies and contrast water bodies左圖中箱型圖下方小寫字母表示不同水體間N2O濃度在P<0.05水平的差異顯著性,大寫字母表示不同環(huán)境之間的差異顯著性；右圖中柱狀圖上方小寫字母表示同一季節(jié)中居民區(qū)、校園區(qū)、對照區(qū)之間水體溶存N2O濃度在P<0.05水平的差異顯著性,大寫字母則表示同一環(huán)境區(qū)的水體不同季節(jié)間的差異顯著性

2.3 不同水體N2O排放通量

利用漂浮箱法測定景觀水體N2O排放通量變化范圍為40.3—354.3 μmol m-2d-1,平均值為(125.0±52.1)μmol m-2d-1。與水體N2O溶存濃度相似(圖4,5),DQJ與CM排放通量較高,分別為(187.0±127.0) μmol m-2d-1與(152.8±42.0)μmol m-2d-1,CS與FLC相對較低。居民區(qū)與校園區(qū)小型景觀水體N2O排放通量無顯著差異(圖5),表明小型景觀水體所在周圍環(huán)境條件對N2O排放影響并不明顯。兩個對照水體SMS與KCG排放通量分別為(55.6±25.2)μmol m-2d-1和(81.3±13.0)μmol m-2d-1,顯著低于城市景觀水體(P<0.01)。

小型景觀水體N2O排放通量夏季高達(dá)(154.0±71.0)μmol m-2d-1,春、秋季分別為(117.8±37.6)、(125.0±37.7)μmol m-2d-1,冬季較低,為(103.2±49.2)μmol m-2d-1,季節(jié)模式與N2O溶存濃度一致(圖4,5)。居民區(qū)、校園區(qū)及對照水體N2O排放通量的季節(jié)變化模式保持一致,表明周圍環(huán)境對小型水體N2O排放通量的季節(jié)變化模式的影響較弱。

圖5 漂浮箱法測定小型景觀水體N2O排放通量特征及季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation and characteristics of N2O fluxes in small landscape water bodies based on floating chamber method

2.4 水生植物對城市小型景觀水體N2O排放通量的影響

利用成對t檢驗法對研究區(qū)5個有水生植物覆蓋的水體進(jìn)行無植物區(qū)(NP)和有植物區(qū)(P)水體N2O溶存濃度及水-氣界面排放通量進(jìn)行比較,如圖6所示。水生植物覆蓋的水域水體溶存N2O濃度均顯著高于無植物分布的水域(FLC除外),即使冬季植物枯亡期,有植物與無植物區(qū)仍存在顯著差異(P<0.05),春、夏、秋季差異極顯著(P<0.01)。進(jìn)一步分析,有植物分布的水域N2O排放通量比無植物水域平均高1.4倍,是影響景觀水體N2O溶存濃度與排放的重要因素。

圖6 各水體有植物水域(P)與無植物水域(NP)水-氣界面N2O排放通量的差異分析Fig.6 Variation analysis of N2O fluxes at different water-air interfaces between plant-free water(NP)and vegetated water (P)對各水體不同季節(jié)N2O排放通量進(jìn)行有無植物的成對t檢驗以分析差異顯著性,*表示組間差異顯著,**表示組間差異極顯著

2.5 漂浮箱法與邊界層模型估算法測定城市小型景觀水體N2O排放通量的比較分析

基于水體溶存N2O濃度和邊界層模型法,計算得到10個水體N2O排放通量為5.1—483.4 μmol m-2d-1,平均值為(103.6±79.9)μmol m-2d-1,與漂浮箱法監(jiān)測結(jié)果((117.5±57.2)μmol m-2d-1)接近。邊界層模型法計算8個景觀水體N2O排放通量均值為(114.6±79.9)μmol m-2d-1(23.9—483.4 μmol m-2d-1),對照水體為(32.4±24.9) μmol m-2d-1(5.1—77.8 μmol m-2d-1),景觀水體排放強度比對照水體高3.5倍。

邊界層模型法和漂浮箱法測得的N2O排放通量結(jié)果的回歸分析表明(圖7),兩種方法測得結(jié)果具有良好的線性關(guān)系(R2>0.48,冬季除外),表明兩種方法對景觀水體N2O排放通量的監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性。然而,邊界層模型法在夏季個別樣點出現(xiàn)明顯高估,冬、春季則出現(xiàn)一定程度的低估,特別是冬季結(jié)果比漂浮箱法低了近44%,可見兩種方法的監(jiān)測結(jié)果均受到季節(jié)變化的影響。從N2O排放的年平均水平看,兩種方法在8個景觀水體中估算結(jié)果基本一致,但在兩個對照水體中出現(xiàn)較大偏差,邊界層模型法結(jié)果顯著低于漂浮箱法。

圖7 漂浮箱法和邊界層模型法對景觀水體N2O排放通量估算結(jié)果的回歸分析Fig.7 Regression analysis of the N2O fluxes deduced by floating chamber method and boundary layer model method

2.6 城市小型景觀水體N2O濃度、排放通量與水環(huán)境因子的關(guān)系

表2 N2O通量與監(jiān)測點水環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)性

表3 小型景觀水體N2O通量及濃度與關(guān)鍵水環(huán)境因子的預(yù)測關(guān)系

3 討論

3.1 城市小型景觀水體N2O排放強度

本研究10個小型水體N2O排放通量范圍為40.3—354.3 μmol m-2d-1,均值為(117.5±53.2) μmol m-2d-1,均表現(xiàn)為凈排放源,這與大部分淡水水體的研究結(jié)果一致[22-23,34-35]。本研究景觀水體N2O排放通量與Wang等[23]對農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的小型水體研究結(jié)果一致,略低于熱帶水庫Samuel Reservoir及Tucurui Reservoir[36](表4),但遠(yuǎn)高同緯度的太湖[37]、鄱陽湖[34]、洞庭湖[38]、密云水庫[39]、三峽水庫[40]等大型湖、庫,甚至比溫帶、寒帶的小型湖泊的排放通量高出2個數(shù)量級[41-42](表4)。同時,本研究結(jié)果遠(yuǎn)高于Li等[43]估算的中國湖泊((10.5±14.9)μmol m-2d-1)和水庫((36.3±51.2)μmol m-2d-1)排放的平均水平,達(dá)到全球水庫N2O排放通量均值的11倍多[44],約為McCrackin等[45]估算的全球自然湖泊平均排放通量的5.5倍,呈極強的N2O排放源。值得注意的是,本研究中兩個小型的對照水體的N2O排放通量也高于大部分已有研究結(jié)果,與Wang等[23]對森林區(qū)的小型水體的監(jiān)測結(jié)果一致。Preeti等[24]研究指出,面積越小的水體,陸源碳氮的沉積率較高,氮素的積累速度快,生物地化過程較活躍,加之水體較淺,沉積層產(chǎn)生的N2O容易傳輸至表層形成排放,因此具有較高的N2O排放通量。Yuan等[5]對淺水水塘的研究指出,快速的碳氮周轉(zhuǎn)及兼性厭氧環(huán)境使得小型淺水水體(<0.1 km2)N2O排放通量遠(yuǎn)高于大型水體。

表4 國內(nèi)外部分湖、庫N2O氣體排放通量對比

3.2 城市小型景觀水體N2O排放通量的季節(jié)模式

3.3 城市小型景觀水體N2O排放與水環(huán)境因子的關(guān)系

本研究所選景觀水體本身DOC、TP含量普遍較低,因此盡管其與N2O排放通量存在正相關(guān)關(guān)系,但影響較弱。考慮到景觀水體對外源C、P源的敏感性,一旦受到污染,其N2O排放可能進(jìn)一步增強。本研究DQJ水體在春季和秋季DOC和TP含量較高時,N2O排放通量也達(dá)到最高水平。此外,與大部分研究結(jié)果不同[39,46-47,57],由于水深較淺,本研究所有水體溶解氧均處于過飽和狀態(tài),因此與N2O排放通量無顯著相關(guān)關(guān)系?？傊?景觀水體中氮豐度是決定N2O排放強度的關(guān)鍵因子,可以作為N2O排放熱點的重要指示因子；而碳、磷的輸入可能在一定程度上進(jìn)一步增強景觀水體的N2O排放。

3.4 水生植物分布對城市小型景觀水體N2O排放通量的影響

水生植物越來越多地被應(yīng)用于城市景觀水體的具體營造之中,影響水體生態(tài)要素分配及循環(huán)過程[22,58],進(jìn)而影響景觀水體的N2O排放特征。Gu等[59]研究發(fā)現(xiàn)在有蘆葦生長的水域N2O排放通量較無植物的開敞水域高14倍。閆興成[60]等也得到了相似的結(jié)論。本研究中,水生植物分布對水體N2O排放通量具有顯著影響。水生植物對水體N2O的產(chǎn)生與排放過程的影響通常存在多種機制：一是水生植物生長過程中凋落物和根系分泌物能夠為沉積層提供豐富的碳源和氮源,激發(fā)根際氮轉(zhuǎn)化微生物活性,提高N2O的產(chǎn)生[22,52]；Soana等[61]研究指出,水生植物根際富集多種微生物類群,其中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌豐度均遠(yuǎn)高于根周,具有更強的N2O產(chǎn)生潛勢。二是植物能夠通過多種途徑改變根際環(huán)境的厭氧條件,影響N2O的產(chǎn)生。研究認(rèn)為,低氧而非嚴(yán)格厭氧條件下水體N2O的產(chǎn)生效率最高[32,52, 62-63],而水生植物分布能夠?qū)⒀鯕鈴娜~片輸送至根部,使得沉積層形成兼性厭氧環(huán)境,既避免嚴(yán)格厭氧下N2O被進(jìn)一步還原為N2,又利于硝化-反硝化過程的N2O產(chǎn)生[63]。而且,植物根系對沉積物孔隙度的改變,也一定程度調(diào)控了沉積層的低氧環(huán)境,進(jìn)而促使反硝化過程的進(jìn)行[54,64]；三是水生植物覆蓋有利于養(yǎng)分的攔截和滯留,同時改變了局域水體光照、熱量、溶氧、碳/氮等環(huán)境條件的再分配,進(jìn)而影響N的生物地化過程[52,54]。最后,一些挺水或浮葉根生植物的通氣組織還可以作為沉積層N2O向上輸移的直接通道,提高排放通量[32,65]。本研究中盡管未區(qū)分植物生活型,但水體中植物分布區(qū)溶存N2O均普遍高于無植物分布的開敞水域。水生植物分布導(dǎo)致小型景觀水體內(nèi)部N2O分布的不均一性?？紤]到自然水體向景觀水體轉(zhuǎn)變過程中,大量景觀植物被人工種植,水體N2O排放潛勢進(jìn)一步被增強,成為區(qū)域淡水系統(tǒng)N2O排放的潛在熱源。

3.5 不同監(jiān)測方法在城市小型景觀水體N2O排放通量監(jiān)測的適用性分析

漂浮箱法和邊界層模型法是當(dāng)前水體溫室氣體排放監(jiān)測最常用的兩種方法[32,66]。漂浮箱法通?？蛇B接痕量氣體分析儀實現(xiàn)氣體通量的直接監(jiān)測,可獲得觀測期內(nèi)較為準(zhǔn)確的排放數(shù)據(jù)。邊界層模型法主要基于水-氣界面氣體濃度差及氣體交換系數(shù)估算氣體排放通量的模型方法[67],具有采用快、效率高的優(yōu)勢,但易受到風(fēng)速、降雨、水文特征等因素的干擾[32,66-67],適用于水面擾動較弱的水體,在監(jiān)測樣本量較大的研究中應(yīng)用較多。本研究表明,邊界層模型法與漂浮箱法所獲N2O通量呈良好的線性關(guān)系,表明兩種方法在景觀水體N2O排放通量的觀測中具有一定的相互替代性。城市景觀水體的水深較淺、水質(zhì)較好,不易形成冒泡,是兩種方法監(jiān)測結(jié)果具有可比性的重要前提?？紤]到城市景觀水體數(shù)量龐大、形態(tài)多樣,漂浮箱法攜帶不便,邊界模型法可能具有更好的應(yīng)用價值。然而,進(jìn)一步分析表明,兩種方法監(jiān)測結(jié)果的一致性受季節(jié)影響較大。春季和冬季邊界層模型法估算的N2O通量普遍低于漂浮箱法,夏季部分樣點出現(xiàn)高估。一方面,本研究采用各采樣月份多年平均風(fēng)速進(jìn)行氣體傳輸系數(shù)的計算,冬季風(fēng)速相較其他季節(jié)偏低(1.15 m/s),可能導(dǎo)致氣體通量低估的原因,而夏季風(fēng)速最高(1.47 m/s),導(dǎo)致一些N2O濃度較高的水體排放通量偏高；另一方面,春季溫度升高,微生物代謝出現(xiàn)冷轉(zhuǎn)暖的階段性激發(fā)效應(yīng)[47],而氣體溶解度迅速降低,此時基于溶解度系數(shù)估算的水體溶存氣體濃度可能偏低,雖然風(fēng)速較高,但估算的氣體通量仍低于漂浮箱法。因此邊界層模型法在城市景觀水體N2O排放通量監(jiān)測中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步優(yōu)化,特別是探索適應(yīng)不同季節(jié)條件的氣體傳輸系數(shù)和溶存濃度的估算方法,對降低邊界層模型的不確定性具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)城市小型景觀水體N2O全年均處于過飽和狀態(tài),是大氣N2O的凈排放源；與相關(guān)研究相比,城市小型景觀水體具有顯著高的N2O排放通量,在全球淡水系統(tǒng)氮排放清單中可能具有不容忽視的貢獻(xiàn)。

(3)城市小型景觀水體N2O排放通量呈夏季最高,春、秋季次之,冬季最低的季節(jié)模式,溫度和降雨是驅(qū)動該季節(jié)模式的關(guān)鍵因素。

(4)邊界層模型法在城市小型景觀水體水-氣界面N2O排放通量的監(jiān)測中具有較好的預(yù)測性,是研究區(qū)域景觀水體群N2O排放特征的有效方法,但冬季和春季會估算偏低,夏季偏高,未來仍需進(jìn)一步優(yōu)化模型,提高估算精度。