湖泊湿地水陆交错带脱氮作用中N2O产生机理研究

湖泊湿地水陆交错带脱氮作用中N2O产生机理研究

李旭东1,2王昶1李琳1

李旭东1,2王昶1李琳1

(1.天津科技大学海洋科学与工程学院,2内蒙古乌海市环境监测中心站）

中图分类号：X831文献标识码：A文章编号：1003-2738（2012）02-0302-02

摘要：本文通过对湖泊湿地水陆交错带和人工模拟湿地的N2O释放通量进行定量评估，阐明了非均质复杂生态边界中反硝化脱氮作用产生N2O的动力学过程和主要影响机制，使我们正确认识湖泊湿地水陆交错带在调节区域氮循环和N2O产生的机理，从而在湖泊生态恢复和治理的实践中，对人工和自然的湿地生态系统反硝化脱氮过程加以适当的控制，减少N2O的产生与释放，保护地球环境。

关键词：湿地；水陆交错带；脱氮作用；N2O；释放通量

N2O不仅是一种重要的温室气体，还参与平流层中臭氧的破坏，大气中N2O浓度不断增加己成为影响自然生态系统、威胁人类生存的重大问题。污水处理过程中产生的N2O是大气中N2O的重要释放源，N2O既产生于硝化过程又产生于反硝化过程。人工湿地污水处理系统内连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，硝化作用和反硝化作用可以同时进行，因而也被认为是N2O排放的一个重要源[1]。

本研究以北方海河流域白洋淀湖滨带湿地和人工模拟湿地为对象，对湖泊湖滨带湿地系统中氮循环的关键过程－反硝化脱氮过程开展系统研究，定量的研究湿地系统内N2O/N2释放通量的时间和空间变化，结合水动力条件和主要生物地球化学因素的系统分析，阐明湖泊湿地水陆交错带这一非均质复杂生态边界中反硝化脱氮作用的动力学过程和主要影响机制，正确评估典型湖滨带湿地在调节湖泊流域氮循环以及在全球N2O释放中的作用与份额，为湖泊流域的水资源保护和利用湿地进行水污染的生态治理以及大气污染的防治等工作提供科学依据。

一、N2O的产生机制及影响因素

(一)N2O的产生机制。

在土壤中N2O主要是由生物反硝化和硝化过程产生，还可能有其它过程参与[2]，是一个复杂的物理、化学和生物学过程。

（1）硝化过程中N2O的产生。

硝化作用是土壤中的NH4+-N（或NH3）在好气微生物作用下氧化为硝酸盐的过程，其反应过程为：

NH4+NH2OH[NOH]NONO2-NO3-

这一过程的主要产物是NO3-，也常有微量的N2O产生；硝化作用中N2O的产生，既有生物化学过程，也有化学过程。

（2）反硝化过程中N2O的产生。

反硝化作用是硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮的过程：

NO3NO2NON2ON2

这是一个人们较为熟悉的过程，这一过程中产生的N2O量远多于硝化过程[3]。反硝化过程中的氮转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的，同化脱氮占氮总去除量一般低于30%，异化脱氮约占70~75%。

（二）N2O释放的影响因素。

大量研究表明，N2O的速率受很多因素的影响，本文将从水体TN、NH4+-N、CODMn、水位几个方面阐述N2O释放的影响因素[4-6]。

二、样品分析方法

（一）水样化学分析。

本次研究中所有方法全部采用标准方法，主要方法见表2-1：

表2-1水样分析方法

Table2-1Watersampleanalysismethod

分析项目分析方法备注

DO电极法现场测定

pH电极法现场测定

Eh电极法现场测定

电导电极法现场测定

总氮过硫酸钾紫外分光光度法

溶解态总氮过硫酸钾紫外分光光度法

硝酸盐氮酚二磺酸分光光度法

亚硝酸盐氮N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法

氨氮纳氏分光光度法

（二）气体分析。

气体样品委托中科院大气物理所使用气相色谱仪进行分析。

N2O排放通量采用下式进行计算：

F=xHxC/tx273/(273+t)

式中F为N2O排放通量，单位为μg.m-2.h-1，为标准状态下N2O的密度，为1.96kg.m-3；H为密闭箱高度，单位m；C/t为单位时间密闭箱内N2O浓度的变化量，单位μgN2O.m-2.h-1；t为密闭箱内温度，单位为C。

（三）植物样品分析

植物样品经烘干、研磨过筛后测定全氮。

三、结果与讨论

（一）白洋淀N2O的通量。

通过对白洋淀水陆交错带N2O通量的观测，其秋季（11月10日）的平均值为0.073mg/(m2·h)，春季（4月4日）的平均值为0.056mg/(m2·h)。与河海大学在太湖梅梁湾所做的观测相比较可知，白洋淀水陆交错带排放的N2O通量明显大于太湖。其春、秋两季的平均通量见表3-1。

通过观测，白洋淀气体分析结果与中科院生态中心在太湖分析的趋势一致，都是水位变幅区N2O的通量要明显大于水体中和陆地上的，且相同温度下的温室气体释放量大于太湖，还发现白洋淀水陆交错带大部分时间是N2O的源，少部分时间是N2O的汇，这与河海大学对太湖观测一致，也与人们对海洋等研究结果相似。

表3-1白洋淀与太湖N2O通量平均值比较，单位：mg/(m2·h)

Table3-1ComparisonofN2OaveragefluxesbetweenBaiyangdianandTaihu

湖泊名称

春季

夏季

秋季

冬季

白洋淀

0.056

*

0.073

*

太湖

0.018

0.065

0.003

-0.002

（二）人工模拟湿地内N2O排放的日变化特征。

在6月7日进行了人工模拟湿地N2O日变化观测。分别在8：00、10：00、13：00、16：00、18：00及21：00取样，分析N2O日变化特征。天气情况为晴。N2O释放通量变化见图3-1。

图3-1人工模拟湿地N2O释放通量日变化特征

Fig3-1N2Oreleasefluxdiurnalvariationofartificialsimulatedwetland

从图3-1中可以看出，人工模拟湿地N2O日变化幅度较大。茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地在全天范围内都表现出N2O的排放。其中香蒲、苦草和芦苇湿地在早晨10：00观测到全天的最高值，而茭草湿地的排放高峰出现在下午13：00。茭草、香蒲湿地N2O释放通量差别不大，释放通量值出现交替变化情况，而芦苇湿地N2O的释放通量明显要大于其它几个湿地，苦草湿地N2O释放通量则最小。对茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地内N2O释放通量的日变化情况进行的统计结果见表3-2。

表3-2人工模拟湿地N2O日变化通量统计，单位：mg/(m2*h)

湿地类型

茭草湿地

香蒲湿地

苦草湿地

芦苇湿地

日变化

0.036~0.054

0.025~0.066

0.014~0.035

0.054~0.094

平均值

0.044

0.038

0.021

0.071

（三）湿地水体TN对N2O释放通量的影响。

湿地N2O主要来源于土壤中的硝化和反硝化反应，因此湿地土壤中氮素的丰缺程度直接影响着土壤中N2O的排放量。而湿地土壤中氮素的含量与表层水体含氮污染物浓度的高低直接相关，因此湿地N2O的释放通量与水体中TN浓度的高低具有一定的相关性。实验期间，不定期地测定了人工模拟湿地在不同运行条件下N2O的释放情况。对茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地N2O的释放通量与水体TN的浓度进行相关性分析，均表明湿地水体TN与N2O的释放通量之间存在一定的线性正相关关系，其中茭草湿地R=0.841，香蒲湿地R=0.958，苦草湿地R=0.821，芦苇湿地R=0.787。结合各湿地N2O释放通量与TN的实验数据，其相关性分析结果见图3-2。

图3-2TN与N2O释放通量的相关性分析

Fig3-2CorrelationanalysisoffluxbetweenTNandN2O

（四）湿地水体NH4+-N对N2O释放通量的影响。

湿地水体以及土壤中NH4+-N主要来源于有机氮的矿化作用，其转化途径主要包括挥发以及在硝化作用下转化为NO3-。NH4+-N的转化往往比由矿化作用产生NH4+的速率快得多，因此硝化作用通常是受NH4+供应限制，因而当水体中NH4+浓度增加时可促进硝化作用，如果此时氧气的供应受到限制，NO2-不能彻底氧化成NO3-，就会导致N2O生成量增加。本实验在观测湿地N2O释放通量的同时，也取当天的水样分析其中氨态氮的浓度，并对N2O释放通量与NH4+-N浓度之间进行相关性分析。结果表明茭草（r=0.835）、香蒲（r=0.893）、苦草（r=0.942）和芦苇湿地（r=0.673）N2O释放通量与水体NH4+-N浓度之间具有一定的线性正相关关系。结合所观测到的茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地的实验数据进行两者之间的相关性分析，其结果见图3-3。

图3-3NH4+-N与N2O释放通量的相关性分析

Fig3-3CorrelationanalysisoffluxbetweenNH4+-NandN2O

（五）水位变化对N2O释放通量的影响。

土壤水分含量能明显影响微生物的活性和O2含量，从而成为土壤N2O生成的重要影响因素。N2O主要来源于微生物参与下的硝化、反硝化反应，土壤含水量很低和土壤长期持续淹水都不利于硝化及反硝化细菌的生长，同时水层还能阻碍N2O向大气扩散以及对N2O少量的溶解，因而在持续淹水条件时向大气排放的N2O比较少。当湿地水面降低甚至干落时，土壤中的含水量适中，通气良好，这时硝化作用及反硝化作用都能以较高的速率进行，并且以N2O为主要产物。本次研究分别对人工模拟湿地在淹水条件以及水分排干情况下N2O的释放情况进行了对比研究，其结果见图3-4。从图中可以明显看出，人工模拟湿地在淹水条件下其N2O的释放通量不高，但是在将湿地水体排干后，则N2O的释放通量明显地增加，并且增加幅度较大，其增幅均超过了100%。

图3-4淹水及干燥条件下湿地N2O的通量变化

Fig3-4N2Ofluxvariationinfloodinganddryconditions

（六）湿地水体CODMn对N2O释放通量的影响。

反硝化微生物利用有机C作为能量的电子供体和细胞成分合成物质，因此在反硝化过程中需要消耗大量的有机C。湿地土壤中的有机C主要来源于土壤有机质、植物残体、根系分泌物等。有机C对土壤微生物过程的类型和强度有重大影响，这些过程也包括N2O的形成和还原。有机C为土壤呼吸作用提供基质，而呼吸作用可能导致O2供应的限制和CO2浓度增加，因而能加强土壤反硝化作用的发生。本实验对比研究了人工模拟湿地在未投加有机C以及在投加有机C之后，湿地N2O释放通量的变化情况，其中投加的有机碳为葡萄糖。未投加葡萄糖时，湿地水体的CODMn比较低，茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地的CODMn变化范围为6.188.77，而投加葡萄糖之后各湿地水体的CODMn变化范围为20.2431.52。实验结果见图3-5。

从图中可以看出，在投加葡萄糖后，茭草、香蒲、苦草和芦苇湿地N2O排放通量都明显增加，说明湿地有机C含量的增加促进了湿地反硝化反应，使得湿地N2O排放量增加。

图3-5有机碳源对人工模拟湿地N2O释放通量的影响

Fig3-5InfluenceoforganiccarbononN2Ofluxinartificialsimulatedwetland

四、结论

通过人工模拟湿地实验分析表明，N2O的释放通量与湿地水体中的TN、NH4+-N浓度具有一定的线性正相关关系，湿地水位、水体CODMn对N2O的释放通量具有非常显著的影响。湿地水体的干湿交替循环及增加一定的有机碳源可大大地提高湿地的反硝化反应。

参考文献：

[1]李英臣，宋长春，刘德燕.湿地土壤N2O排放研究进展[J].湿地科学，2008，6（2）：124-129.

[2]STEVENSONFJ.Cyclesofsoilcarbon,nitrogen,phosphorus,sulfur,micronutrients[M].NewYork:WileyandSons,1986,106-154.

[3]BYRNESBH.EnvironmentaleffectsofNfertilizeruse-Anoverview[J].FertilizerResearch,1990,26:209-215.

[4]陈庆伟，郑涛，李玲.反硝化过程中温室气体N2O产生和积累的影响因素[J].安徽农业科学，2011，39(19):11667-11668.

[5]孙志高，刘景双.湿地土壤的硝化-反硝化作用及影响因素[J].土壤通报，2008,39（6）：1462-1466.

[6]孙志高，刘景双.湿地土壤NH3挥发、N2O释放过程及影响因素[J].湿地科学，2008,6（3）：429-434.