Picarro L2130-i（反硝化作用調(diào)節(jié)城市河湖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中N?O排放的時(shí)空格局）

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)。

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?、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16SrRNA、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。

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。

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镌诋a(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，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排放的動態(tài)變化至關(guān)重要。

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。