Dramatic source-sink transition of N2O in the water level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir during flooding-drying processes

三峽水庫水位波動帶在淹水-干燥過程中N2O的顯著源-匯轉換

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 20023-20031

《環境科學與污染研究》，第25卷，2018年，第20023-20031頁

 

摘要

這篇論文研究了三峽水庫水位波動帶在淹水-干燥過程中氧化亞氮（N2O）的源-匯轉換。通過實驗室微宇宙培養完整沉積物核心24天，發現淹水階段最初1.5天內出現N2O的源-匯轉換，隨后水柱相對于大氣成為匯。這種轉換歸因于水柱氧氣濃度變化和沉積物對硝酸鹽轉化的調節，導致反硝化和N2O產生。初步估算顯示N2O排放通量較低，但淹水初期峰值對水電溫室氣體減排有重要啟示。

 

研究目的

本研究旨在：（1）辨別三峽水庫水位波動帶在淹水-干燥過程中N2O的源和/或匯；（2）揭示沉積物-水和水-氣界面N2O轉化和交換行為的機制；（3）量化整個淹水-干燥過程中特定水位波動帶的N2O質量平衡。

 

研究思路

研究思路包括：從三峽水庫水位波動帶采集完整沉積物核心，在實驗室微宇宙中模擬淹水（17天）和干燥（7天）過程；使用靜態頂空法測量溶解N2O濃度和通量；分析沉積物物理化學性質、反硝化潛力；通過相關分析探討機制。

 

測量的數據及研究意義

1 沉積物基本物理化學性質數據，來自表1，包括水分含量、孔隙度、銨氮、硝態氮、總氮、總磷和有機質含量。研究意義是表征沉積物環境背景，為解釋N2O轉化提供基礎，顯示不同站點性質差異影響氮循環。

 

2 溶解N2O濃度變化數據，來自圖3，顯示淹水初期N2O濃度快速下降50%，隨后穩定。研究意義是直接捕捉N2O動態，表明淹水初期是關鍵排放期，指導重點關注初始階段。

 

3 N2O水-氣界面通量數據，來自圖4，顯示淹水最初1.5天出現源-匯轉換，通量范圍-0.35至2.82 μmol m-2 day-1。研究意義是驗證源-匯轉換現象，通量與硝態氮正相關、與溶解氧負相關，支持反硝化主導機制。

 

4 沉積物反硝化潛力數據，來自圖5，顯示淹水后反硝化速率提高200%。研究意義是證實淹水促進微生物活性，增強N2O產生能力，解釋排放峰值原因。

 

 

結論

1 N2O在淹水初期1.5天內發生源-匯轉換，機制與氧氣濃度和硝態氮轉化相關。

2 盡管N2O排放通量相對較低，但三峽水庫水位波動帶面積大，總排放量不容忽視。

3 淹水初期的N2O排放峰值應納入水庫調度，以 mitigation 溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量沉積物核心中的氧氣濃度數據，其研究意義在于能夠以高空間分辨率原位監測氧化-缺氧微環境的變化，為解釋N2O源-匯轉換機制提供關鍵證據。具體地，氧氣數據與N2O通量負相關（圖4），表明缺氧條件促進反硝化和N2O產生，而氧濃度升高抑制該過程；這直接支持了淹水初期氧氣消耗導致N2O排放峰值的結論。通過精確測量微界面氧氣梯度，該技術增強了機制理解的可靠性，為水電水庫溫室氣體減排策略提供了實驗依據。