Dramatic source-sink transition of N2O in the water level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir during flooding-drying processes

三峽水庫(kù)水位波動(dòng)帶在淹水-干燥過(guò)程中N2O的顯著源-匯轉(zhuǎn)換

來(lái)源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 20023-20031

《環(huán)境科學(xué)與污染研究》，第25卷，2018年，第20023-20031頁(yè)

 

摘要

這篇論文研究了三峽水庫(kù)水位波動(dòng)帶在淹水-干燥過(guò)程中氧化亞氮（N2O）的源-匯轉(zhuǎn)換。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室微宇宙培養(yǎng)完整沉積物核心24天，發(fā)現(xiàn)淹水階段最初1.5天內(nèi)出現(xiàn)N2O的源-匯轉(zhuǎn)換，隨后水柱相對(duì)于大氣成為匯。這種轉(zhuǎn)換歸因于水柱氧氣濃度變化和沉積物對(duì)硝酸鹽轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致反硝化和N2O產(chǎn)生。初步估算顯示N2O排放通量較低，但淹水初期峰值對(duì)水電溫室氣體減排有重要啟示。

 

研究目的

本研究旨在：（1）辨別三峽水庫(kù)水位波動(dòng)帶在淹水-干燥過(guò)程中N2O的源和/或匯；（2）揭示沉積物-水和水-氣界面N2O轉(zhuǎn)化和交換行為的機(jī)制；（3）量化整個(gè)淹水-干燥過(guò)程中特定水位波動(dòng)帶的N2O質(zhì)量平衡。

 

研究思路

研究思路包括：從三峽水庫(kù)水位波動(dòng)帶采集完整沉積物核心，在實(shí)驗(yàn)室微宇宙中模擬淹水（17天）和干燥（7天）過(guò)程；使用靜態(tài)頂空法測(cè)量溶解N2O濃度和通量；分析沉積物物理化學(xué)性質(zhì)、反硝化潛力；通過(guò)相關(guān)分析探討機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 沉積物基本物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，來(lái)自表1，包括水分含量、孔隙度、銨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量。研究意義是表征沉積物環(huán)境背景，為解釋N2O轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)，顯示不同站點(diǎn)性質(zhì)差異影響氮循環(huán)。

 

2 溶解N2O濃度變化數(shù)據(jù)，來(lái)自圖3，顯示淹水初期N2O濃度快速下降50%，隨后穩(wěn)定。研究意義是直接捕捉N2O動(dòng)態(tài)，表明淹水初期是關(guān)鍵排放期，指導(dǎo)重點(diǎn)關(guān)注初始階段。

 

3 N2O水-氣界面通量數(shù)據(jù)，來(lái)自圖4，顯示淹水最初1.5天出現(xiàn)源-匯轉(zhuǎn)換，通量范圍-0.35至2.82 μmol m-2 day-1。研究意義是驗(yàn)證源-匯轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，通量與硝態(tài)氮正相關(guān)、與溶解氧負(fù)相關(guān)，支持反硝化主導(dǎo)機(jī)制。

 

4 沉積物反硝化潛力數(shù)據(jù)，來(lái)自圖5，顯示淹水后反硝化速率提高200%。研究意義是證實(shí)淹水促進(jìn)微生物活性，增強(qiáng)N2O產(chǎn)生能力，解釋排放峰值原因。

 

 

結(jié)論

1 N2O在淹水初期1.5天內(nèi)發(fā)生源-匯轉(zhuǎn)換，機(jī)制與氧氣濃度和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化相關(guān)。

2 盡管N2O排放通量相對(duì)較低，但三峽水庫(kù)水位波動(dòng)帶面積大，總排放量不容忽視。

3 淹水初期的N2O排放峰值應(yīng)納入水庫(kù)調(diào)度，以 mitigation 溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物核心中的氧氣濃度數(shù)據(jù)，其研究意義在于能夠以高空間分辨率原位監(jiān)測(cè)氧化-缺氧微環(huán)境的變化，為解釋N2O源-匯轉(zhuǎn)換機(jī)制提供關(guān)鍵證據(jù)。具體地，氧氣數(shù)據(jù)與N2O通量負(fù)相關(guān)（圖4），表明缺氧條件促進(jìn)反硝化和N2O產(chǎn)生，而氧濃度升高抑制該過(guò)程；這直接支持了淹水初期氧氣消耗導(dǎo)致N2O排放峰值的結(jié)論。通過(guò)精確測(cè)量微界面氧氣梯度，該技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)制理解的可靠性，為水電水庫(kù)溫室氣體減排策略提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。