研究简介:氧化亚氮（N2O）是一种对全球气候变化具有显著影响的温室气体，其全球变暖潜力是二氧化碳（CO2）的300倍。N2O在水体生态系统中的生产和排放主要受硝化和反硝化微生物活动的调节，这两种过程分别在氧化和还原条件下发生。N2O的生产受多种环境因素影响，包括沉积物水分含量、pH值、温度、溶解氧等。水位波动区（WLFZs）是细菌氮处理的热点区域，这些区域的N2O排放量通常高于其他内陆水体。三峡水库是世界上最大的水电水库，其水位波动区也相应较大。由于水库的洪水管理和水电生产，水位在145米至175米之间年度循环，导致WLFZs频繁经历淹没和干燥过程。这种水文条件的变化对N2O的生产和排放具有重要影响。然而，目前对洪水-干旱过程中N2O通量的水文效应了解不足。


本研究旨在填补这一知识空白，通过实验室微宇宙培养的方法，模拟三峡水库水位波动区在洪水-干旱过程中的N2O产生和排放。研究目标是识别洪水-干旱过程中N2O的源和/或汇，揭示沉积物-水体和水体-空气界面上N2O转化和交换行为的机制，并定量测定整个洪水-干旱过程中特定WLFZs的N2O质量平衡。这项研究对于理解水电水库对温室气体排放的贡献，以及如何通过水库操作来减少这些排放具有重要意义。


研究结果表明，在洪水期的前1.5天内，三峡水库水位波动区发生了N2O的源-汇转变，之后水体成为大气的汇。这一转变与水体和沉积物中NO3−-N转化的氧浓度变化有关，导致了反硝化作用和N2O的产生。初步估算显示，洪水期到干旱过程的N2O排放通量相对较低，但洪水阶段初期的排放峰值对于减少水电源温室气体排放具有重要意义，应被纳入未来的水库操作中。


Unisense微电极测定系统的应用


Unisense微电极系统被用于测量沉积物柱中的氧浓度和pH测试。沉积物柱是在干燥期采集的，并被转移到实验室的有机玻璃圆柱体中，以模拟自然环境下的水文条件。使用Unisense微电极系统对沉积物柱中的氧浓度和pH进行测量。沉积物柱上方维持一定深度的水层，以模拟洪水期间的自然条件。微电极测量是在恒温水浴中进行的，以保持恒定的温度，接近现场调查时的条件。


实验结果


通过完整的沉积物芯样培养和瓶校准静态顶空气相方法，研究了三峡大坝WLFZs的典型洪水-干燥过程中N2O的产生和排放。结果显示在洪水阶段的前1.5天存在N2O源-汇转换。尽管与其他内陆水体相比，N2O的排放通量相对较小，但由于整个三峡大坝区域WLFZs的极大规模，总量应予以考虑。洪水初期的N2O突发排放也应在未来的水库操作中加以考虑，以发挥其减缓潜力。

图1、三峡大坝区域及本实验中详细研究地点的地图。

图2、洪水-干燥过程中上层水DO浓度和pH的变化。

图3、洪水-干燥过程中上层水溶解N2O浓度的变化。

图4、在三峡大坝彭溪河的水位波动区整个洪水-干燥过程中的N2O排放通量。

图5、洪水处理前后表层沉积物（0~2 cm）的潜在反硝化速率比较。


结论与展望


氧化亚氮（N2O）的生物地球化学循环是一个显著的温室气体（GHG），它可以影响全球气候变化。水位波动区（WLFZs）中的N2O生产和排放受到水文条件的强烈影响。然而影响N2O在水-沉积物微界面转化和生产的水文机制尚不清楚。本研究对三峡水库（TGR）水位波动区的完整沉积物柱进行了24天的实验室微宇宙培养，以识别洪水-干燥过程对N2O产生和排放的影响。


Unisense微电极系统为研究人员精确测量沉积物柱中的溶解氧（DO）浓度，实时监测洪水和干旱过程中沉积物中氧浓度的变化，这些变化直接影响了N2O的产生和消耗。这对于理解沉积物中的微生物活动和氧化还原状态至关重要。并提供了关于沉积物中氧浓度变化的精确数据，这些数据对于理解N2O的源-汇转变和评估水文条件对N2O排放的影响至关重要。


结果表明，在洪水期的前1.5天内发生了N2O的源-汇转变，之后水体对大气成为一个汇。源-汇转变归因于水体和沉积物中NO3−-N转化的氧浓度变化，导致了反硝化和N2O生产。在TGR典型WLFZs的N2O质量预算的初步估算显示，洪水期到干燥过程的排放通量范围为13.08至43.08μmol m−2。尽管这些N2O排放量相对较低，但洪水阶段初期（前1.5天）检测到的排放峰值提供了有关减少水电源温室气体排放的重要信息，这应纳入未来水库操作中。