河流N2O的产生与排放研究进展

刘 赛，王 瑶

河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007

河流N2O的产生与排放研究进展

刘 赛，王 瑶

河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007

N20是重要的温室气体，在大气中的长期增温潜势为CO2的298倍，对温室效应的贡献达到6%。文章中对河流中N20的产生机制进行的阐述。N20的排放动态，包括时间变化，空间变化对其的影响。最后阐述了目前研究所存在的问题与展望，包括目前最新的N20的产生的机理研究；对不同的河流类型，包括工业区，农业区的河流的研究；以及N20的排放与人类活动之间的相互作用的关系。

河流；温室气体；氧化二氮；排放通量

氧化二氮（N2O）作为温室气体的重要成员之一，大气中的含量虽然少于二氧化碳（CO2）与甲烷（CH4），但是由于近些年温室效应正在随着我国的发展持续不断的增强。虽然N2O的在大气中的浓度含量远小于CO2和CH4，但它的百年来的增温潜势却并不比CO2和CH4的弱，分别约为CO2和CH4的298倍和12倍［1］。因此，N2O的排放对于我们气候的影响可能比它直接所造成的温室效应更加的复杂。由于人类所进行的活动对土地的影响，导致了水生生态系统中的氮的可利用性有所增加，水生生态系统的N2O的排放量也逐渐的增加，例如海洋、湖泊，河流等。目前，针对N2O的排放的研究十分有限，大多也只能够达到初步统计分析的程度，产生的机制还有很大的不确定性，河流的类型研究缺乏，这也正是河流N2O排放的研究的热点。

1 河流中N2O的产生机制

河流N2O的产生是河流中氮循环过程的一个环节，人们对生物反硝化作用能够产生N20和N2已有了解，但对硝化过程，硝酸根异化还原作用产生N20是近30年才认识到的［2］。但是到目前为止，针对河流生态系统中温室气体的产生机制尚不明确，还需有待深入探究。目前普遍认为是河流沉积物的所含有的大量的微生物代谢所产生的N2O的［3］。有些N2O可能是从周围的水体中由于水系连通而使得气体输入到河流中［4］。已经有很多研究表明，水体中溶存N2O一个重要来源于河流沉积物，沉积物中大量的有机质和氮源，为N2O的产生提供了有利的条件［5］。目前，N2O的产生机制的研究方面比较可靠的方法是乙炔抑制法和15N同位素示踪法［6］。最新越来越多的研究采用生物培养或基因组序列辨识等方法进而分析N2O的产生机制［7］。

2 河流中N2O的排放动态

2.1河流中N2O的排放时间变化动态

河流水体N2O排放在时间变化上具有很强的季节变化和日变化规律。

季节变化尺度上的分析：河流N2O排放高峰发生冬季和夏季、水体枯水期和冻融交替时期。研究表明［8］，长江宜昌至徐六泾段全年N2O浓度呈明显的季节变化，春夏之交后N2O浓度逐渐升高，并在7月达到全年最高水平，随后N2O浓度处于下降趋势，直到冬季刚开始的12月达全年最低值，进入冬季后N2O浓度又开始缓慢地上升，在2月时候达到冬季最高值，纵观全年之趋势图呈波浪状，夏、冬季远大于春秋季；另外，长江中N2O饱和度季节变化趋势与N2O浓度变化趋势一致也显示出夏季最高。以上长江中发现的N2O的季节变化规律在太湖大运河［9］水系也恰好被印证。除了季节变化规律外，在张晓萌［10］等对广东入库河口N2O的研究发现：河流水体N2O交换通量在枯水期（0.86μg（m2·d）-1～21.88μg（m2·d）-1）明显高于丰水期（0.26～5.4μg（m2·d）-1），而这种情况主要与枯水期水温较低、N2O饱和度较高以及风速较大有紧密关系。除了上述之外，河流N2O排放高峰还发生在水面冻融交替时期［11］。

日变化尺度上的分析：通过有关研究，河流水体N2O排放通量日变化规律表现为昼高夜低。但是，在韩洋［12］等对南京城市河流的研究中除了发现以上特征，金川河、团结河以及外秦淮河夜间N2O释放通量占全天比例达30%以上，证明河流水体N2O通量日变化规律表现为昼高夜低的特点。而内秦淮河夜间N2O释放通量却达到50%以上，这一反常特征提醒研究者，以往习惯认为夜间温度较低，沉积物中微生物活性较低，就粗略认为夜间N2O排放较低是十分不严谨的态度，同时由于夜间条件通常不利于手动采样，因而减少夜间采样频率，这样就会直接造成能N2O日平均释放通量估算误差，因此为了精确实验结果，夜间河流表面水体中的温室气体的观测也应加强。总之，从昼夜结果中可以明显看出，由于河流自身水质参数，水环境因子的差异以及不同河流所处地理位置环境的不同，导致不同水体中N2O排放通量具有较大的时间变异特点，因此在长期的实验检测中找到一个时间段来代表日间平均通量是非常重要的。

2.2河流中N2O的排放时空变化动态

目前对国内河流中溶解N2O的分布、河流中N2O的排放通量以及年释放总量等的研究颇多，已经有了较为卓越的成就。虞中杰［13］上海市河网研究，市区，宝山，嘉定地区水体N2O浓度，饱和度显著提高于其他地区。这是可能是由于各区域的功能类型以及个人的活动的强弱导致的水质差异，这些地方水质恶化现象较为严重。将我国河流与世界同类河流相比发现，我国河流N2O浓度较世界其它河流较大，N2O饱和度差距不大，但N2O通量也较大。产生这种现象的主要原因，一是目前全世界对河流N2O的研究还十分欠缺，数据有限；二是作为人口众多，正在急速建设的发展中大国，我国大部分处于东部发达地区的河流已经被严重污染，大量农业化肥的使用使氮磷元素顺着雨水及地下水汇入河流之中，工业废水生活污水等含有大量硝酸盐、铵盐的废水输入城市河流水体，加剧了河流富营养化，从而促进了河流N2O排放。

能够正确了解到国内的各种河流N2O排放的通量特点及其在时间、空间变化，这对于估算N2O年排放通量、预测未来的变化方向及对全球气候变化贡献方面具有极其重大意义。

3 目前研究所存在的问题及展望

对N2O产生机制，最新研究表明，氨氮可以在完全氨氧化菌（COMAMMOX， Complete Ammonia Oxidizers）的作用下实现一步式硝化，这对解释硝化过程中N2O的产生提出了新的挑战，使我们深入思考，是否有其他的产生机制。目前，我们国内还缺乏对不同的河流类型研究，例如，工业区河流，农业区河流，城镇区河流，森林区河流等。N2O的排放与人类活动之间相互关系，人类活动多样化导致河流中活性氮的类型差别，人类的活动对N2O的排放研究不透彻。来源与不同地方的污水汇集在一起之后导致河流中含氮化合物的种类增加，进一步影响N2O的排放，降低了对河流N2O排放预测的准确性。

［1］侯翠翠，李英臣，张芳，等.卫河新乡市区段春季溶解CH4与N2O浓度特征［J］.环境科学，2016，37（5）.

［2］王彩绒，田霄鸿，李生秀.土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施［J］.土壤与环境，2001，10（2）：143-148.

［3］Shalinil A，Ramesh R，Purvaja R，et al.Spatial and temporal distribution of methane in an extensive shallow estuary， south India［J］.Journal of Earth System Sciece，2006，115（4）：451-460.

［4］Zhang G L，Zhang J，Xu J，et al.Distributions，land-source input and atmospheric fluxes of methane in Jiaozhou Bay［J］.Water Air and Soil Pollution∶Focus，2007，7（6）∶645-654.

［5］Beaulieu J J，Shuster W D，Rebholz J A.Nitrous oxide emission from a large，impounded river；The Ohio River［J］.Evironmental Science and Technology，2010，44（19）：7527-7533.

［6］丁雷，徐慧，赵明宪.土壤消化与反硝化作用研究方法进展［J］.江西农业学报，2007，19（4）：46-48.

［7］韦宗敏.微好氧环境中硝酸盐异化还原成铵的影响研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［8］赵静.长江和海南东部典型水体中溶存甲烷和氧化亚氮的分布与释放［D］.山东：中国海洋大学，2009.

［9］赵小杰，赵同谦，郑华，等.水库温室气体排放及其影响因素［J］.环境科学，2008，29（8）：2377-2384.

［10］张晓萌，杨扬，蔡楠，等.广东省入库河口N2O分布和通量的时空变化［J］.生态科学，2012，31（3）：306-311.

［11］李跃飞，汪建飞，李孝良等.江苏句容水库农业流域水塘和河流N2O排放速率的研究［J］.环境科学学报，2011，31（9）：2022-2027.

［12］韩洋，郑有飞，吴荣军，等.南京河流夏季水-气界面N2O排放通量［J］.环境科学，2014，35（1）：348-355.

［13］虞中杰.上海市河网水体溶存氧化亚氮和甲烷的时空分布及排放通量［D］.上海：华东师范大学，2011.

X522

A

1674-6708（2016）167-0161-02

刘赛，本科在读，河南师范大学生命科学学院，研究方向为生物技术。王瑶，本科在读，河南师范大学生命科学学院，研究方向为生物技术。