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

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

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δ¹⁵N^bulk、δ¹⁸O-N₂O、SP 和Δδ¹⁵N(NO₃^- - N₂O) 值表现出更大的变异性，且在两次事件中δ¹⁵N^bulk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

讨论

结论