研究簡(jiǎn)介:氧化亞氮（N2O）是一種對(duì)全球氣候變化具有顯著影響的溫室氣體，其全球變暖潛力是二氧化碳（CO2）的300倍。N2O在水體生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)和排放主要受硝化和反硝化微生物活動(dòng)的調(diào)節(jié)，這兩種過程分別在氧化和還原條件下發(fā)生。N2O的生產(chǎn)受多種環(huán)境因素影響，包括沉積物水分含量、pH值、溫度、溶解氧等。水位波動(dòng)區(qū)（WLFZs）是細(xì)菌氮處理的熱點(diǎn)區(qū)域，這些區(qū)域的N2O排放量通常高于其他內(nèi)陸水體。三峽水庫(kù)是世界上最大的水電水庫(kù)，其水位波動(dòng)區(qū)也相應(yīng)較大。由于水庫(kù)的洪水管理和水電生產(chǎn)，水位在145米至175米之間年度循環(huán)，導(dǎo)致WLFZs頻繁經(jīng)歷淹沒和干燥過程。這種水文條件的變化對(duì)N2O的生產(chǎn)和排放具有重要影響。然而，目前對(duì)洪水-干旱過程中N2O通量的水文效應(yīng)了解不足。

本研究旨在填補(bǔ)這一知識(shí)空白，通過實(shí)驗(yàn)室微宇宙培養(yǎng)的方法，模擬三峽水庫(kù)水位波動(dòng)區(qū)在洪水-干旱過程中的N2O產(chǎn)生和排放。研究目標(biāo)是識(shí)別洪水-干旱過程中N2O的源和/或匯，揭示沉積物-水體和水體-空氣界面上N2O轉(zhuǎn)化和交換行為的機(jī)制，并定量測(cè)定整個(gè)洪水-干旱過程中特定WLFZs的N2O質(zhì)量平衡。這項(xiàng)研究對(duì)于理解水電水庫(kù)對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，以及如何通過水庫(kù)操作來減少這些排放具有重要意義。

研究結(jié)果表明，在洪水期的前1.5天內(nèi)，三峽水庫(kù)水位波動(dòng)區(qū)發(fā)生了N2O的源-匯轉(zhuǎn)變，之后水體成為大氣的匯。這一轉(zhuǎn)變與水體和沉積物中NO3?-N轉(zhuǎn)化的氧濃度變化有關(guān)，導(dǎo)致了反硝化作用和N2O的產(chǎn)生。初步估算顯示，洪水期到干旱過程的N2O排放通量相對(duì)較低，但洪水階段初期的排放峰值對(duì)于減少水電源溫室氣體排放具有重要意義，應(yīng)被納入未來的水庫(kù)操作中。

Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測(cè)量沉積物柱中的氧濃度和pH測(cè)試。沉積物柱是在干燥期采集的，并被轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)玻璃圓柱體中，以模擬自然環(huán)境下的水文條件。使用Unisense微電極系統(tǒng)對(duì)沉積物柱中的氧濃度和pH進(jìn)行測(cè)量。沉積物柱上方維持一定深度的水層，以模擬洪水期間的自然條件。微電極測(cè)量是在恒溫水浴中進(jìn)行的，以保持恒定的溫度，接近現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)的條件。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過完整的沉積物芯樣培養(yǎng)和瓶校準(zhǔn)靜態(tài)頂空氣相方法，研究了三峽大壩WLFZs的典型洪水-干燥過程中N2O的產(chǎn)生和排放。結(jié)果顯示在洪水階段的前1.5天存在N2O源-匯轉(zhuǎn)換。盡管與其他內(nèi)陸水體相比，N2O的排放通量相對(duì)較小，但由于整個(gè)三峽大壩區(qū)域WLFZs的極大規(guī)模，總量應(yīng)予以考慮。洪水初期的N2O突發(fā)排放也應(yīng)在未來的水庫(kù)操作中加以考慮，以發(fā)揮其減緩潛力。

圖1、三峽大壩區(qū)域及本實(shí)驗(yàn)中詳細(xì)研究地點(diǎn)的地圖。

圖2、洪水-干燥過程中上層水DO濃度和pH的變化。

圖3、洪水-干燥過程中上層水溶解N2O濃度的變化。

圖4、在三峽大壩彭溪河的水位波動(dòng)區(qū)整個(gè)洪水-干燥過程中的N2O排放通量。

圖5、洪水處理前后表層沉積物（0~2 cm）的潛在反硝化速率比較。

結(jié)論與展望

氧化亞氮（N2O）的生物地球化學(xué)循環(huán)是一個(gè)顯著的溫室氣體（GHG），它可以影響全球氣候變化。水位波動(dòng)區(qū)（WLFZs）中的N2O生產(chǎn)和排放受到水文條件的強(qiáng)烈影響。然而影響N2O在水-沉積物微界面轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)的水文機(jī)制尚不清楚。本研究對(duì)三峽水庫(kù)（TGR）水位波動(dòng)區(qū)的完整沉積物柱進(jìn)行了24天的實(shí)驗(yàn)室微宇宙培養(yǎng)，以識(shí)別洪水-干燥過程對(duì)N2O產(chǎn)生和排放的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)為研究人員精確測(cè)量沉積物柱中的溶解氧（DO）濃度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洪水和干旱過程中沉積物中氧濃度的變化，這些變化直接影響了N2O的產(chǎn)生和消耗。這對(duì)于理解沉積物中的微生物活動(dòng)和氧化還原狀態(tài)至關(guān)重要。并提供了關(guān)于沉積物中氧濃度變化的精確數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于理解N2O的源-匯轉(zhuǎn)變和評(píng)估水文條件對(duì)N2O排放的影響至關(guān)重要。

結(jié)果表明，在洪水期的前1.5天內(nèi)發(fā)生了N2O的源-匯轉(zhuǎn)變，之后水體對(duì)大氣成為一個(gè)匯。源-匯轉(zhuǎn)變歸因于水體和沉積物中NO3?-N轉(zhuǎn)化的氧濃度變化，導(dǎo)致了反硝化和N2O生產(chǎn)。在TGR典型WLFZs的N2O質(zhì)量預(yù)算的初步估算顯示，洪水期到干燥過程的排放通量范圍為13.08至43.08μmol m?2。盡管這些N2O排放量相對(duì)較低，但洪水階段初期（前1.5天）檢測(cè)到的排放峰值提供了有關(guān)減少水電源溫室氣體排放的重要信息，這應(yīng)納入未來水庫(kù)操作中。