背景介绍:永久湿地被认为是全球生产力最高的生态系统之一，可以通过光合作用和植物生物量和土壤中有机物质的积累来固碳。在不到10%的全球表面积内，天然湿地平均每年可以封存830 Tg的碳。然而，由湿地的人为改变（即种植和放牧、排水、开垦）引起的干扰会促进先前储存的土壤碳以温室气体的形式释放到大气中，从而降低其碳储存能力。农业开发有助于增加未受干扰的湿地的氮输入（即添加氮肥以改善土壤和养分径流），因此改变了生态系统中养分的有效性并影响了参与温室气体生产的土壤微生物的活动。虽然有关于氮肥、排水和水文恢复关于湿地温室气体排放的研究，很少有研究调查氮肥添加和淹没制度的结合及其对温室气体排放的潜在交互影响。本研究采用模拟微观世界的方法，调查了湿地农业转化对淡水湿地CO2、CH4和N2O排放的生物地球化学影响，进一步旨在提供有关快速恢复工作如何影响退化湿地的信息。通过使用微传感器土壤剖面分析系统（unisense）和气相色谱法测试了排水和高铵基氮负荷对湿地缩影环境中温室气体排放的单独和综合影响。并研究了在存在和不存在氮负荷的情况下通过淹没水文恢复的初始响应。


Unisense微电极系统的应用


氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每个土壤芯的顶部0-1厘米处测量，使用带有电动显微操作器设置的电化学微传感器。Clark型氧气(O2)微传感器和一氧化二氮(N2O)微传感器（尖端直径=100μm，90%响应时间<8 s，搅拌灵敏度<1%）用于测量O2和N2O微观分布。在剖面测量之前，将O2微型传感器暴露于H 2 S作为预污染以避免测量期间校准漂移。并在0%和100%空气饱和水中进行校准，而N2O微型传感器在水中进行校准，使用N2O饱和溶液作为N 2 O源的O浓度为0和100μM N 2 O。通过将微型传感器尖端定位在土壤核心表面（使用立体显微镜进行可视化）进行剖面测量，直到土壤深度达到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通过使用连接到运行专用定位和数据采集软件的笔记本电脑控制自动微操作器。对于每个核心，测量不同位置的三个重复，然后平均每个微传感器类型的每个核心产生一个重复。


实验结果


研究结果表明，物理（即水的变化）和化学（即铵基氮肥添加）人为干扰对温室气体的产生和排放有重大影响。研究发现，无论养分处理如何，排水条件下的土壤样品的O 2消耗率总体较低，而CO 2排放量高于潮湿和淹没的土壤。添加氮肥后，在潮湿和淹没的土壤中检测到最高的N 2 O排放和O 2扩散吸收，而最高的CH 4排放仅在淹没土壤中测量。总体而言水文恢复的第一反应有助于减少CO 2排放。然而，氮肥添加和水分存在的综合影响导致GWP增加了近14倍。

图1、湿地中的碳和氮循环。绿色箭头代表N循环过程，而蓝色箭头代表C循环过程。增加水位促进电子受体（即NO3-）的可用性，创造产甲烷所需的厌氧条件，并限制甲烷氧化对CH4的消耗。肥料（NO3-或NH4+）的输入可以通过影响将CH4氧化成CO2的甲烷氧化细菌(MOB)的活性来影响CH4的产生和排放（红色虚线箭头）（甲烷氧化）并通过限制可用于产甲烷的底物。

图2、实验设计a)将每个淹没状态（淹没、潮湿和排水）的三个复制品放置在六个652×413×282毫米的塑料容器中，容器中装满大约12-13厘米深的雨水。三个容器用作对照（对照），其余三个用作营养处理，向每个容器中加入114 mL液态铵基氮肥（富氮）；b)用于分析沉积物中O2和N2O浓度的电动显微操作器装置；c)微型分析站由一个装满雨水的小水族箱组成，并配备了水泵和热水器，以保持一致的水流量和水温。


图3、O2和N2O浓度的深度微观剖面。a)O2浓度分布按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。b)N2O浓度分布按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。


图4、O2消耗量和N2O排放量和净产量。a)O2流入量(DOU)(mmolm-2d-1)根据测量的O2曲线计算并按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。b)体积比O2消耗率(R)(mol m-3 d-1)，由测量的O2分布除以渗透深度计算得出，并按养分处理（对照，富氮）和淹没状态（淹没，潮湿，排水）。O 2无法获得富氮排水土壤的消耗率(NA)，因为无法确定相应的穿透深度，因为O2穿透剖面提前停止以最大限度地降低传感器破损的风险（达到的最大深度=12毫米）。c)净N2O产量(mmolm-2d-1)从测量的N2O曲线计算并按养分处理(对照，富含N)和淹没状态(淹没、潮湿、排水)分组。d)N2O排放量(mmol m-2 d-1)从测量的N2O计算剖面并按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。


图5、温室气体排放a)扩散性CO2和CH4排放按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。b)100年CO2、CH4和N2O排放的全球变暖潜能值，按养分处理（对照、富氮）和淹没状态（淹没、潮湿、排水）分组。


结论与展望


淡水湿地是碳的天然汇，然而将湿地转化为农业用途可以将这些碳汇转变为温室气体的主要来源。湿地水文的人为改变和氮肥的广泛使用可以改变生物地球化学循环，但是它们对温室气体交换的综合影响程度仍有待进一步研究。此外最近通过改善自然水流和寻找营养输入的替代解决方案，对湿地恢复和保护产生了兴趣。在一个缩影环境中，研究人员通过添加高氮负荷（300 kg ha-1)来模拟物理和化学干扰。之后研究人员使用了unisense微剖面系统测量了模拟湿地土壤中的N2O和O2浓度以及CO2和CH4排放率的深度微观剖面，以确定水文变化和氮输入如何影响内陆湿地土壤的碳和氮循环过程。与对照土壤相比，氮肥在排水条件下增加了40%的CO2排放，在淹水条件下增加了90%以上的CH 4排放。富含氮的潮湿和淹没土壤的N2O排放量分别增加了17.4倍和18倍。本研究强调了在制定恢复退化湿地的恢复计划时评估各种干扰对生物地球化学过程的潜在交互影响的重要性。本研究的结果将促进我们对湿地转化为农业引起的物理和化学变化影响湿地功能的程度以及湿地恢复实践以抵消碳排放的效率的理解。