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文献推荐|农业排水沟和池塘温室气体产生的控制机制和因素

  • 2026-10-31 00:07:48
文献推荐|农业排水沟和池塘温室气体产生的控制机制和因素

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124919

摘要

农业排水沟渠和池塘虽然研究较少,但却是温带温室气体潜在的重要来源。然而,负责产生CH4、CO2和N2O的微生物途径,以及它们对水文事件的响应,目前仍知之甚少。本研究应用多同位素框架(δ13C-CH4、δ13C-CO2、δ15N-N2O、δ18O-N2O以及N2O位点偏好)量化了澳大利亚东南部农业排水沟和池塘在降雨及灌溉事件期间的温室气体产生过程。结果表明,池塘中的温室气体浓度和通量始终高于排水沟,其中CH4贡献了大部分排放。δ13C-CH4值表明,在灌溉条件下,氢营养型产甲烷过程占据主导地位。相比之下,在降雨事件期间,较高的δ13C-CH4值表明在瞬时充氧条件下发生了部分CH4氧化,并可能增加了乙酸型产甲烷途径的生产。N2O的15N SP值显示,异养反硝化作用主导了产生过程,并有证据表明池塘中发生了部分N2O还原。CO2浓度升高与水文事件密切相关且变化相对较大。综合而言,这些发现揭示了农业池塘是温室气体排放的热点,并作为动态生物地球化学反应器运行,其中养分输入、氧化还原条件和水文事件共同调节着温室气体循环。从管理角度来看,排放量较高的小型池塘和排水沟对农场规模的排放贡献不成比例,这凸显了将这些水体纳入国家温室气体清单的紧迫需求。

研究内容与方法

这项研究是在马卡利斯特灌溉区(MID)进行的,该地区是澳大利亚维多利亚州南部最大的灌溉区,农业以奶牛养殖为主。选取该区域6个农场的12个农业排水沟和池塘为监测对象。采用顶空-色谱法测定溶解的CH4、CO2和N2O浓度,并通过薄边界层法进行通量估算。溶解的N2O同位素使用同位素比值质谱仪和定制的预浓缩系统进行分析。δ13C-CO2使用与连续流同位素比质谱仪连接的 Gas Bench II 进行分析。δ13C-CH4使用自动化痕量气体冷阱预处理系统进行捕集,并将捕集并浓缩的CH4燃烧氧化为CO2后进行同位素分析。

图 1. (a) 显示采样位置的研究区域图。(b) 从围场经过排水沟流向池塘的径流路径。红线轮廓标出的 MID 主要由格伦马吉湖供水灌溉。蓝色线条代表主要河流和灌溉渠道,蓝色阴影区域表示吉普斯兰湖群。城镇以常规字体标注,主要水体以斜体标注。插图显示了该研究区域在维多利亚州的位置。

结果

在降雨和灌溉事件中,池塘中溶解的CH4和CO2浓度普遍高于排水沟,N2O则表现出更明显的空间异质性。在降雨期间,池塘中的CH4浓度范围为 0.06–186 μmol L−1。排水沟中的CH4浓度较为均匀,均值 <2 μmol L−1。灌溉期间的CH4浓度总体遵循相同的模式。降雨期间,池塘中的CO2浓度范围为 7–164 μmol L−1。排水沟中的CO2(20–120 μmol L−1)通常低于池塘。在灌溉期间,池塘和排水沟的CO2浓度空间变异性更加明显,池塘中的CO2范围为 28–224 μmol L−1,排水沟中的CO2变动范围为 20–210 μmol L−1。在降雨事件中,大多数排水沟和池塘表现出类似的低N2O浓度(<0.1 μmol L−1),且在不同事件间表现出相反的模式:降雨期间池塘中的N2O最高;而灌溉期间,排水沟中的N2O最高。池塘的温室气体排放量范围约为 0.22 至 2.77 g CO2 - eq m−2 d−1。不同池塘的排放组成差异很大:池塘 A 以CH4为主(占日排放量的 >80%),池塘 B、C 和 E 以CO2为主(58–84%),而池塘 F 则以N2O为主(约 60%)。年排放量变动范围为 15.7 至 2230 kg CO2 - eq yr−1,总排放量约为 2875 kg CO2 - eq yr−1,其中池塘 A 独自贡献了77.7%。这些结果既显示了池塘与排水沟之间一致的对比,也反映了不同池塘之间极强的异质性,其中一小部分不成比例地驱动了总排放量。

相关性分析表明:营养盐可用性、氧气水平与温室气体浓度之间存在强相关性。CH4浓度与NH4+和 DRP 正相关,与 DO 负相关。CO2浓度与温度正相关与 DO 负相关。除了NO3-浓度外,N2O浓度与所测试的理化变量之间未观察到显著相关性。降雨期间整体δ15N-N2O范围为-17.3 ‰至+13.1 ‰,灌溉期间为-17.3 ‰ 至+4.5 ‰。在两次事件中,SP 值的范围为-6.2 ‰ 至+10.2 ‰,δ18O-N2O为38.6 ‰ 至47.4 ‰。与排水沟相比,池塘中的δ15Nbulk、δ18O-N2O、SP 和Δδ15N(NO3- - N2O) 值表现出更大的变异性,且在两次事件中δ15Nbulk和δ18O-N2O均表现出强耦合。δ13C-CH4值的范围为-75 ‰至-20 ‰,与灌溉期间相比,降雨期间的特征值更加富集。δ13C-CO2范围在-28 ‰至-7 ‰ 之间,灌溉期间表现为富集,而降雨期间更偏负。池塘在δ13C-CH4和δ13C-CO2上均显示出更广泛的分布,而排水沟的分布则更为集中。

图2.降雨(A)和灌溉(B)期间农田排水沟和池塘中溶解的温室气体浓度

图3.降雨(A)和灌溉(B)期间农田排水沟和池塘中的温室气体通量。黑点表示单个数据点。

图4.监测池塘的增温潜势值

图5.降雨和灌溉期间农田排水沟和池塘中NH4+(a,b)、NO3-(c,d)和DRP(e,f)的浓度,黑点表示单个数据点。

图6.降雨(A)和灌溉(B)期间温室气体浓度与潜在影响因素之间的相关性。

图7.降雨(蓝色方格)和灌溉(粉红色方格)期间,农田排水沟和池塘中Δδ15N(NO3--N2O)(‰)与N2O(A)的15N SP值和δ15Nbulk与δ18Obulk的SP值之比。(A)中的线条表示特定N2O过程的15N值的理论边界。(B)中的虚线表示δ18O和δ15N之间的线性关系。

图8.降雨和灌溉期间农田排水沟和池塘中δ13C-CH4和δ13C-CO2值之间的关系。这些线条代表了各种碳过程的理论范围。

讨论

尽管不同系统的排放强度和持续时间存在差异,但农场排水沟和池塘在降雨和灌溉事件期间均充当了温室气体产生的热点。在所有事件中,池塘中的CH4、CO2和N2O浓度始终高于排水沟。这与低溶解氧水平一致,这可能是由于周围围场、上游排水沟和多个农场累积的营养盐和有机物所致,这些条件有利于产甲烷和反硝化等厌氧过程。相比之下,排水沟表现出更具瞬态性的动力学特征,其较短的停留时间和连续流量限制了强还原条件的形成,降雨和灌溉脉冲输送了新鲜的碳氮,产生了短促的温室气体峰值,这种事件驱动的响应表明,尽管排水沟的持续排放强度不如池塘,但在水文扰动期间它们的贡献仍十分突出。

养分富集和氧气亏损是驱动温室气体产生的主要因素。降雨和灌溉期间升高的NH4+和 DRP伴随着较低的DO,创造了有利于产甲烷和反硝化的厌氧条件。降雨向地表水引入了短期氧合,而灌溉更持久地维持了还原条件。DO与CH4浓度之间的显著负相关支持了厌氧条件有利于产甲烷的既定原理。在富氧环境中,好氧微生物在底物竞争中胜过产甲烷菌,从而抑制CH4产生。高水平的NH4+和低DO条件可能促进了池塘中的产甲烷活动,这与同位素证据一致。本研究中,SP值范围为 -4到 10.2%,这一模式更接近异养反硝化而非自养硝化,且超出了单纯异养反硝化的典型范围,这可能受到N2O还原为N2导致剩余N2O的同位素富集的影响。灌溉期间的SP值比降雨期间更偏负,表明灌溉期间N2O还原为N2的程度更高,这反映了由于停留时间较长和氧气可用性较低而导致的更强还原条件。水文事件以截然不同的方式调节CH4途径:灌溉在长期还原条件下促进氢营养型产甲烷,而降雨则可能刺激产乙酸型产甲烷,同时由于瞬时表面氧合使得部分CH4氧化成为可能。

结论

本研究表明,农业排水沟和池塘是CH4、CO2和N2O显著且动态的排放源。由于较长的水体停留时间、持续的厌氧环境以及累积的营养盐输入,池塘的排放量始终高于排水沟。稳定同位素证据揭示了在不同水文状态下,产甲烷作用在产乙酸途径与氢营养途径之间的转变,以及降雨期间发生的部分CH4氧化。此外,异养反硝化被确定为N2O产生的主导途径,且在池塘中观察到了进一步的还原现象。这些结果表明,排水沟和池塘并非仅仅是径流的被动输送通道,而是活跃的生物地球化学反应器;在这里,水文强迫和养分富集共同塑造了微生物过程与温室气体排放。重要的是,少数高排放池塘对农场总排放量的贡献不成比例,这凸显了它们在减排策略制定和排放清单编制中的重要性。总体而言,本研究基于同位素的研究方法提升了对农业水体温室气体循环的机制认识。未来通过整合分子生物学工具和连续通量监测,这一研究框架将得到进一步加强,为后续研究提供更稳健的参考。

撰稿人:胡文瀚

天津大学,地球系统科学学院,晏智锋课题组

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