研究簡介:氧化亞氮（N2O）是一種對全球氣候變化具有顯著影響的溫室氣體，其全球變暖潛力是二氧化碳（CO2）的300倍。N2O在水體生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)和排放主要受硝化和反硝化微生物活動的調節(jié)，這兩種過程分別在氧化和還原條件下發(fā)生。N2O的生產(chǎn)受多種環(huán)境因素影響，包括沉積物水分含量、pH值、溫度、溶解氧等。水位波動區(qū)（WLFZs）是細菌氮處理的熱點區(qū)域，這些區(qū)域的N2O排放量通常高于其他內陸水體。三峽水庫是世界上最大的水電水庫，其水位波動區(qū)也相應較大。由于水庫的洪水管理和水電生產(chǎn)，水位在145米至175米之間年度循環(huán)，導致WLFZs頻繁經(jīng)歷淹沒和干燥過程。這種水文條件的變化對N2O的生產(chǎn)和排放具有重要影響。然而，目前對洪水-干旱過程中N2O通量的水文效應了解不足。

本研究旨在填補這一知識空白，通過實驗室微宇宙培養(yǎng)的方法，模擬三峽水庫水位波動區(qū)在洪水-干旱過程中的N2O產(chǎn)生和排放。研究目標是識別洪水-干旱過程中N2O的源和/或匯，揭示沉積物-水體和水體-空氣界面上N2O轉化和交換行為的機制，并定量測定整個洪水-干旱過程中特定WLFZs的N2O質量平衡。這項研究對于理解水電水庫對溫室氣體排放的貢獻，以及如何通過水庫操作來減少這些排放具有重要意義。

研究結果表明，在洪水期的前1.5天內，三峽水庫水位波動區(qū)發(fā)生了N2O的源-匯轉變，之后水體成為大氣的匯。這一轉變與水體和沉積物中NO3?-N轉化的氧濃度變化有關，導致了反硝化作用和N2O的產(chǎn)生。初步估算顯示，洪水期到干旱過程的N2O排放通量相對較低，但洪水階段初期的排放峰值對于減少水電源溫室氣體排放具有重要意義，應被納入未來的水庫操作中。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測量沉積物柱中的氧濃度和pH測試。沉積物柱是在干燥期采集的，并被轉移到實驗室的有機玻璃圓柱體中，以模擬自然環(huán)境下的水文條件。使用Unisense微電極系統(tǒng)對沉積物柱中的氧濃度和pH進行測量。沉積物柱上方維持一定深度的水層，以模擬洪水期間的自然條件。微電極測量是在恒溫水浴中進行的，以保持恒定的溫度，接近現(xiàn)場調查時的條件。

實驗結果

通過完整的沉積物芯樣培養(yǎng)和瓶校準靜態(tài)頂空氣相方法，研究了三峽大壩WLFZs的典型洪水-干燥過程中N2O的產(chǎn)生和排放。結果顯示在洪水階段的前1.5天存在N2O源-匯轉換。盡管與其他內陸水體相比，N2O的排放通量相對較小，但由于整個三峽大壩區(qū)域WLFZs的極大規(guī)模，總量應予以考慮。洪水初期的N2O突發(fā)排放也應在未來的水庫操作中加以考慮，以發(fā)揮其減緩潛力。

圖1、三峽大壩區(qū)域及本實驗中詳細研究地點的地圖。

圖2、洪水-干燥過程中上層水DO濃度和pH的變化。

圖3、洪水-干燥過程中上層水溶解N2O濃度的變化。

圖4、在三峽大壩彭溪河的水位波動區(qū)整個洪水-干燥過程中的N2O排放通量。

圖5、洪水處理前后表層沉積物（0~2 cm）的潛在反硝化速率比較。

結論與展望

氧化亞氮（N2O）的生物地球化學循環(huán)是一個顯著的溫室氣體（GHG），它可以影響全球氣候變化。水位波動區(qū)（WLFZs）中的N2O生產(chǎn)和排放受到水文條件的強烈影響。然而影響N2O在水-沉積物微界面轉化和生產(chǎn)的水文機制尚不清楚。本研究對三峽水庫（TGR）水位波動區(qū)的完整沉積物柱進行了24天的實驗室微宇宙培養(yǎng)，以識別洪水-干燥過程對N2O產(chǎn)生和排放的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)為研究人員精確測量沉積物柱中的溶解氧（DO）濃度，實時監(jiān)測洪水和干旱過程中沉積物中氧濃度的變化，這些變化直接影響了N2O的產(chǎn)生和消耗。這對于理解沉積物中的微生物活動和氧化還原狀態(tài)至關重要。并提供了關于沉積物中氧濃度變化的精確數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于理解N2O的源-匯轉變和評估水文條件對N2O排放的影響至關重要。

結果表明，在洪水期的前1.5天內發(fā)生了N2O的源-匯轉變，之后水體對大氣成為一個匯。源-匯轉變歸因于水體和沉積物中NO3?-N轉化的氧濃度變化，導致了反硝化和N2O生產(chǎn)。在TGR典型WLFZs的N2O質量預算的初步估算顯示，洪水期到干燥過程的排放通量范圍為13.08至43.08μmol m?2。盡管這些N2O排放量相對較低，但洪水階段初期（前1.5天）檢測到的排放峰值提供了有關減少水電源溫室氣體排放的重要信息，這應納入未來水庫操作中。