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背景簡介

目前大氣中N2O的平均濃度約為333 ppb,，并以每年0.25%-0.31%的速度持續(xù)增加。在100年的時(shí)間尺度上，N2O的溫室效應(yīng)潛力是CO2的265倍，N2O是影響全球氣候變化的重要因素,。城市河流是N2O產(chǎn)生和排放的熱點(diǎn)。在中國許多城市中,，為了改善城市河流的水質(zhì)和水動(dòng)力條件,，建設(shè)了相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò)。N2O的產(chǎn)生受到內(nèi)陸水系微生物過程的強(qiáng)烈控制,。最近的研究發(fā)現(xiàn),，硝化和反硝化都是N2O產(chǎn)生的主要途徑,。反硝化作用對N2O的貢獻(xiàn)隨著湖泊富營養(yǎng)化水平的增加而增加,。然而，在廢水處理廠和農(nóng)業(yè)河流的下游經(jīng)常觀察到高NH4+濃度,，此時(shí)硝化作用可能主導(dǎo)N2O的產(chǎn)生,。

本研究的目的是：

1）       分析N2O濃度和排放的時(shí)空分布；

2）       揭示影響N2O排放的潛在因素,；

3）       確定各種途徑對N2O產(chǎn)生和消耗的貢獻(xiàn),，揭示互聯(lián)河湖網(wǎng)絡(luò)N2O排放時(shí)空變化的控制機(jī)制。

該研究將促進(jìn)對調(diào)節(jié)城市地表水中N2O排放的微生物過程的認(rèn)識,，并為水質(zhì)和N2O排放綜合管理提供理論依據(jù),。

研究方法

站點(diǎn)描述

武漢市的地表水面積占城市總面積的四分之一，是中國地表水面積最大的城市,。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長,，該地區(qū)的河流和湖泊遭受了不同程度的污染,。為了改善水質(zhì)和水量，武漢將河流和湖泊連接起來形成了河湖網(wǎng)絡(luò),。盡管城市中的河流與湖泊通過渠道進(jìn)行了物理連接,，但由于水位、水閘和水壩的原因,，河流與湖泊之間的實(shí)際連通性大不相同,。因此，相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò)中的水質(zhì)和溫室氣體排放在該地區(qū)具有很大的時(shí)空異質(zhì)性,。

圖1. 本研究采樣點(diǎn)的地理位置和土地利用類型,。城市河流的一端與湖泊相連，另一端與長江相連,，形成了一個(gè)河湖網(wǎng)絡(luò),。在城市河流與長江的連接處安裝了水閘，在河流與湖泊的連接處設(shè)置了溢流壩,，以調(diào)節(jié)河流流量,。河流采樣點(diǎn)分別設(shè)置在農(nóng)村（綠色周期）和城市（紅色和黃色周期）。湖泊采樣點(diǎn)設(shè)置在與河流連接處附近,。

樣品采集

樣本采集于2021年3月至2022年1月的四個(gè)季節(jié),。調(diào)查了長江以南的七條河流和十一個(gè)湖泊（圖1）。共設(shè)置了49個(gè)采樣點(diǎn),。所有研究河流的寬度為10m至20m,，深度為1m至2m。城市河流長度為2.3km至9.2km,，農(nóng)業(yè)河流長度為45.1km,。本研究將城市區(qū)域內(nèi)的河流分為孤立的城市河流（UR）和與湖泊相連的城市河（LUR）。

實(shí)驗(yàn)使用便攜式水質(zhì)參數(shù)測量儀（Hach Company,，USA）在現(xiàn)場測量水體的溫度,、溶解氧（DO）、pH值,、電導(dǎo)率（EC）等物理化學(xué)參數(shù),，并收集水樣進(jìn)行δ18O-H2O、TDN（總?cè)芙獾?/span>,、DOC（溶解有機(jī)碳）等的分析,。此外，還通過提取微生物DNA使用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（qPCR）（Roche LightCycler®480）來評估與N2O產(chǎn)生相關(guān)的基因豐度（如16S rRNA,、AOAamoA,、AOBamoA、nirS、nirK和nosZ）,。研究者還使用了同位素模型來定量估計(jì)N2O的產(chǎn)生和消耗過程,。

統(tǒng)計(jì)分析

采用N2O和瑞利分餾模型中δ15N-sp與δ18O的同位素映射方法來計(jì)算N2O產(chǎn)生和消耗的途徑（硝化和反硝化）的貢獻(xiàn)（圖2）。硝化作用和反硝化作用的貢獻(xiàn)比例可以通過截距和兩個(gè)端元的SP值來計(jì)算,。

圖2：估算N2O混合和減少的映射方法,。場景1（M-R）：首先將反硝化和硝化產(chǎn)生的N2O混合，然后通過完全反硝化將混合后的N2O還原,；場景2（R-M）：通過異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的N2O首先被還原,，然后剩余的N2O與通過硝化產(chǎn)生的N2O混合。圖中“樣品”的坐標(biāo)是微生物衍生的N2O的同位素值,。

Picarro 儀器的使用

水樣中δ18O-H2O（水的氧同位素比值）通過水蒸氣同位素分析儀（Picarro,，L2130-i，USA）進(jìn)行測量,，δ18O-H2O的分析精度為±0.1‰,。

在本研究中，δ18O-H2O數(shù)據(jù)被用于以下幾個(gè)目的：

1）       N2O來源分析：通過測量水樣中的δ18O-H2O值,，研究者可以區(qū)分微生物產(chǎn)生的N2O和大氣中的N2O,。這是因?yàn)槲⑸镌?/span>產(chǎn)生N2O的過程中，會從水中獲取氧原子,，而這個(gè)過程中水的氧同位素組成會發(fā)生變化,。通過比較水樣中的δ18O-H2O值和大氣N2O的δ18O值，可以估計(jì)微生物活動(dòng)對N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn),。

2）       定量分析N2O產(chǎn)生途徑：研究者使用同位素模型（如Rayleigh分餾模型）結(jié)合δ18O-H2O數(shù)據(jù),，可以定量分析N2O的產(chǎn)生途徑，即區(qū)分硝化作用和反硝化作用對N2O的貢獻(xiàn),。這有助于理解在不同水體中N2O產(chǎn)生的主要微生物過程,。

3）       分析環(huán)境因素與N2O排放的關(guān)系：δ18O-H2O數(shù)據(jù)還可以幫助研究者理解環(huán)境因素（如溫度、溶解氧濃度等）如何影響N2O的產(chǎn)生,。例如,，溫度和溶解氧濃度的變化會影響微生物活動(dòng)，從而影響N2O的產(chǎn)生和排放,。

4）       時(shí)空變異性研究：通過在不同季節(jié)和地點(diǎn)收集δ18O-H2O數(shù)據(jù),，研究者可以揭示N2O排放的時(shí)空變異性，這對理解城市河湖網(wǎng)絡(luò)中N2O排放的動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要,。

研究結(jié)論

文章調(diào)查了武漢市一個(gè)相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò)的溶解N2O濃度和排放。利用N2O相關(guān)基因豐度和同位素模型定量估算了微生物產(chǎn)生和消耗N2O的過程,。研究結(jié)果表明,，N2O濃度、排放和產(chǎn)生途徑存在顯著的空間變化,。較高的氮含量和缺氧條件導(dǎo)致UR中的高N2O產(chǎn)生和排放,。然而,，有效的河湖互聯(lián)項(xiàng)目增加了溶解氧濃度，降低了LUR的TDN,、NO3-N和NH4+-N濃度,。這些環(huán)境因子的變化通過抑制硝化和反硝化作用，顯著降低了N2O濃度和排放通量,。這些發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了對調(diào)節(jié)內(nèi)陸水域N2O排放的微生物過程的認(rèn)識,，并說明應(yīng)調(diào)整對水閘和水壩的控制來有效連接城市河流和湖泊，從而改變氧化還原條件和氮含量,，進(jìn)而控制N2O的排放,。