Response of N2O emissions to elevated water depth regulation: comparison of rhizosphere versus non-rhizosphere of Phragmites australis in a field-scale study

水深升高對N2O排放的響應：蘆葦根際與非根際的田間尺度比較研究

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 23, 2016, Pages 5268-5276

《環境科學與污染研究》，第23卷，2016年，第5268-5276頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了水深升高對濕地生態系統N2O排放的影響，特別關注蘆葦（Phragmites australis）根際與非根際沉積物的差異。研究發現靜態水深變化和蘆葦生長都會破壞孔隙水中溶解性NH4+、NO3-和NO2-的剖面分布，其中NO3-在表層聚集并隨深度增加而減少，而NO2-在深水蘆葦根際含量最高。與NH4+和NO3-相比，根際的NO2-通量和N2O排放對水深更敏感，在超過1米水深時顯著增加。N2O排放隨水深增加明顯加速，但根際排放更易受蘆葦控制。相關性分析顯示水深與N2O排放和NO2-通量顯著相關，N2O排放強烈依賴于NO2-通量（r=0.491）。這些發現為淡水沉積物生態系統中無機氮生物地球化學循環提供了新見解。

 

研究目的

本研究旨在探究水深升高對蘆葦根際與非根際沉積物中無機氮分布和N2O排放的影響差異。具體目的是確定：（1）水深變化如何影響孔隙水溶解性無機氮的剖面分布；（2）蘆葦根際與非根際的N2O排放對水深升高的響應差異；（3）無機氮通量與N2O排放之間的關聯機制。

 

研究思路

研究采用田間尺度實驗，在人工階梯水池（27m×12m）中設置20、60、100和120cm四個水深梯度。將蘆葦根莖種植于根袋中，分別布置于根際（有蘆葦）和非根際（無蘆葦）區域。通過105天的培養周期，定期采集樣品，使用孔隙水平衡器（peepers）測定NH4+、NO3-、NO2-的垂直分布，采用微電極系統（Unisense）測量N2O濃度微剖面，并應用Fick擴散定律計算底棲擴散通量。同時監測蘆葦生物量分配和形態指標，結合統計分析（如ANOVA和Pearson相關）評估水深和植物生長對氮循環的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 蘆葦生物量分配和形態數據：來自圖2。測量了不同水深下蘆葦的地上/地下生物量、葉長和葉寬。研究意義是揭示植物對水深增加的適應性策略（如深水促進地下生物量投資），表明水文條件通過改變植物資源分配間接影響沉積物氮循環過程。

 

2 孔隙水營養鹽剖面數據：來自圖3。通過peepers獲得NH4+、NO3-、NO2-的垂直分布。研究意義是直接顯示根際效應導致營養鹽重分布（如NH4+在根際深層富集），證明植物活動改變沉積物氧化還原環境，從而影響氮轉化途徑。

 

3 N2O濃度微剖面數據：來自圖4。使用Unisense N2O微電極（尖端直徑10μm）測量沉積物垂直剖面的N2O濃度。研究意義是提供高分辨率空間數據，揭示N2O產生熱點，并驗證根際環境（如根系泌氧）對N2O產生的抑制作用。

 

4 底棲擴散通量和N2O排放通量數據：來自圖5和表1。通過Fick定律計算NH4+、NO3-、NO2-和N2O的界面通量。研究意義是量化水深對氮遷移和排放的調控強度，發現根際NO2-通量和N2O排放對水深敏感（>1m時顯著增加），表明深水加劇厭氧過程促進反硝化中間產物積累。

 

 

 

結論

本研究得出結論：（1）水深升高改變蘆葦生物量分配模式，促進地下部分投資；（2）根際作用導致孔隙水無機氮重分布，深水（>1m）顯著增加根際NO2-通量和N2O排放；（3）N2O排放與NO2-通量顯著正相關，表明反硝化過程是主要產生途徑；（4）蘆葦根際能部分抑制但無法完全抵消水深增加引發的N2O排放加速。結果表明水深管理可通過調節植物-微生物互作影響濕地氮循環和溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（具體為N2O微電極，型號未明確）測量數據的研究意義在于其高時空分辨率和對原位過程的準確表征。該電極具有10μm尖端直徑、低于1%的攪拌敏感性、低于10秒的90%響應時間和低于2%的電流漂移，可通過校準獲得可靠的N2O濃度微剖面（圖4）。這種技術允許在未擾動沉積物中直接測量N2O的垂直分布，避免了傳統取心培養的誤差。通過結合Fick擴散模型，能精確計算沉積物-水界面通量，揭示根際與非根際的排放差異。本研究通過該電極發現根際N2O排放雖受植物調控（可能通過泌氧抑制反硝化），但水深超過1米時仍顯著上升，突顯了水文脅迫對溫室氣體產生的強化作用。Unisense電極的數據為驗證“水深-植物-微生物”三元互作機制提供了關鍵證據，強調了微尺度測量在環境過程研究中的重要性。