环境科学  2016, Vol. 37 Issue (7): 2721-2730   PDF    
引用本文
李睿, 雷利国, 江长胜, 柴雪思, 黄哲, 范志伟, 郝庆菊 . 三峡库区消落带N2O排放及其影响因素[J]. 环境科学,2016, 37(7): 2721-2730.
LI Rui, LEI Li-guo, JIANG Chang-sheng, CHAI Xue-si, HUANG Zhe, FAN Zhi-wei, HAO Qing-ju . Features and Influencing Factors of N2O Emissions from Drawdown Area in the Three Gorges Reservoir[J]. Environmental Science,2016, 37(7): 2721-2730.
三峡库区消落带N2O排放及其影响因素
李睿 , 雷利国 , 江长胜 , 柴雪思 , 黄哲 , 范志伟 , 郝庆菊     
西南大学资源环境学院, 西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400716
收稿日期: 2015-12-23; 修订日期: 2016-03-01.
基金项目:国家自然科学基金项目(41275160,40975095) ;中央高校基本科研业务费专项(XDJK2015A013,XDJK2016D040)
作者简介: 李睿(1991~),女,硕士研究生,主要研究方向为农田生态系统碳氮循环,E-mail:475385838@qq.com
通讯联系人, E-mail:haoqingju@163.com
摘要: 为了探讨亚热带水库消落带N2O的排放规律,选取三峡库区王家沟一典型消落带内3个高程(180、175和155 m)作为研究对象,采用静态暗箱和浮箱法进行了为期2 a的连续观测.175 m和155 m高程位于三峡库区消落带上,而180 m高程作为对照,为永不淹水的陆地.结果表明,各高程处的N2O排放通量都表现出明显的季节变化,180 m高程处的春季N2O排放最低; 175 m高程在实验观测的第一年表现为单峰型的夏季N2O排放高峰,次年在三峡水库实现最高蓄水位175 m后,表现为干湿交替和夏季N2O高排放的双峰型; 155 m高程处只呈现为夏季高N2O排放的单峰态.另外,位于消落带上的175 m和155 m高程均表现为落干期N2O排放大于淹水期.各高程处N2O的年累积排放量为175 m(853.92 mg·m-2) > 180 m(336.69 mg·m-2) > 155 m(324.69 mg·m-2),与180 m高程对照相比,表明短期淹水会促进N2O排放,而长期淹水则会抑制N2O排放.相关性分析显示,陆地与消落带落干期的N2O排放与各环境因子间无显著相关性,消落带淹水期排放与水温和风速呈极显著负相关.对影响陆地、消落带淹水期和落干期N2O排放的因素进行主成分分析可知,消落带淹水期水体中可溶性氮素的分布是影响水面N2O排放的最主要因素,而消落带落干期及陆地则是受土壤碳氮含量、土壤温度、湿度及pH等因素的共同影响和制约.
关键词: 三峡水库      消落带      N2O排放      季节变化      主成分分析     
Features and Influencing Factors of N2O Emissions from Drawdown Area in the Three Gorges Reservoir
LI Rui , LEI Li-guo , JIANG Chang-sheng , CHAI Xue-si , HUANG Zhe , FAN Zhi-wei , HAO Qing-ju     
Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China
Abstract: Three heights (180 m, 175 m and 155 m) located in a typical drawdown area in Wangjiagou of the Three Gorges Reservoir were selected for studying the N2O emissions from subtropical reservoirs. The experimental period lasted two years from August 2010 to August 2012. The methods of static opaque chambers during the drainage period and floating chambers during flooding period were adopted in this study. The heights of 175 m and 155 m were both located in the drawdown area, whereas the 180 m height was located in the land as a control to 175 m and 155 m. N2O fluxes showed clear seasonal trends at each height and remarkable differences were observed between the two years at the 180 m height. N2O fluxes were lowest in spring at the 180 m height. N2O fluxes showed a single-peak pattern with climax in summer in the first year, whereas a double-peak pattern with climax in summer and after dry-wet alternating in the next year after the highest water level of 175 m was succeeded in the Three Gorges Reservoir. N2O fluxes presented a single-peak shape with summer climax at the 155 m height. Additionally, N2O fluxes were higher during the drainage period than in the flooding period at both the 175 m and 155 m heights. The order of the annual N2O cumulative emissions at the three heights was 175 m (853.92 mg·m-2) > 180 m (336.69 mg·m-2) > 155 m (324.69 mg·m-2), and there was a notable difference between 175 m and 155 m, indicating that short-term flooding could increase N2O emissions but long-term flooding could restrain N2O emissions. Correlation analysis showed that there were no obvious relativities between N2O fluxes and environmental factors in the land and during the drainage period. However, N2O fluxes were significantly negatively correlated with water temperature and wind speed during the flooding period. Principal component analysis found that soil nutrient conditions and physicochemical properties were the most important factors for N2O emissions in the land, the nitrogen distribution in water was a main determinant for N2O emissions during the flooding period, and soil physicochemical properties and microbial activity importantly affected N2O emissions during the drainage period in the drawdown area.
Key words: Three Gorges Reservoir      drawdown area      N2O emissions      seasonal variation      principal component analysis     

N2O是土壤微生物发生硝化作用的副产物，也是反硝化作用的一种中间产物，它会与平流层的O3分子发生光化学反应来破坏臭氧层，虽然其在大气中的浓度和年增长率均低于CO2，但它的温室效应却是同等浓度CO2的上百倍[1, 2]. 有研究发现农田、 海洋、 土地利用变化、 土地种植、 河流和海岸区等都是大气N2O的主要来源[3]. 而水库作为陆地的一个重要氮汇，也是N2O的一个重要隐形来源[4]. 近年来，水库因具有高排水面积率、 高固氮率和高氮负载能力使其被认为也是大气N2O的主要来源，其对大气温室气体的贡献受到越来越多的关注[5].

水库具有向大气大量输入N2O的潜力[6, 7]，但在已有的研究中，主要关注了水面N2O排放，而忽略了消落带的作用. 比如，Huttunen等[8]认为水库N2O的排放很小，其对大气温室效应的贡献很低； 而Guérin等[9]却发现热带水库水体的N2O排放很大，对大气温室效应的影响不容忽视. Liu等[10]发现乌江渡和洪家度水库是大气N2O的重要排放源，水库大坝的建设改变了水体环境，特别是水体营养条件和物理化学特征的改变更是直接作用于水库N2O的排放； Chen等[11]对Xipi Dam的N2O排放调查显示，在上游大坝的浅水交汇处有大量N2O排放，水库的水面区域气体氮消除占了总滞留量的86%. Jrgensen等[12]指出三峡水库N2O的排放直接受到了水位涨落的影响； Zhu等[13]对三峡库区水面N2O的排放研究指出，水体N2O排放有明显的季节变化，气候温暖时期的N2O排放占了总的86%. 但随着人们对消落带认识的不断加深，近年来也有少数学者开展了对三峡水库消落带N2O排放的研究. Chen等[4]调查了7~9月间库区消落带4种典型湿地植物N2O排放，发现各植物带的N2O排放具有显著的季节变化和空间差异； 方芳等[14]发现库区不同高程消落带的土壤N2O排放速率和反硝化速率差异不显著，但低高程消落带土壤反硝化作用相对较强.

三峡水库是目前世界上面积最大的用于水力发电的人工水库，最高水位175 m，最低水位145 m，垂直落差达30 m，库区消落区总面积为348.93 km2，是世界上水库消落区水位涨落幅度最高和面积最大的[15]. 水库消落带是由于水位季节性的变化导致水库周边陆地出现干湿交替的区域，与库区水域和两岸坡地间存在着物质、 能量交换，是一类特殊的湿地生态系统，是研究库区气体排放中不可忽略的重要部分[14, 16].

目前关于三峡水库消落带N2O排放的研究还非常匮乏[4, 14]，而且已有的研究还存在观测时间短和观测频率低等不足. 为了更好地掌握和理解三峡库区消落带N2O的排放情况，本研究在三峡库区王家沟一典型消落区内进行了为期2 a的连续监测，探讨了库区不同高程消落带N2O的排放规律及影响因素，以期为三峡库区消落带的氮素迁移和氮循环研究提供基础数据，也为估测三峡水库在全球气候变化中的作用提供一定的理论支撑.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

实验地点选在重庆市涪陵区珍溪镇王家沟，位于长江北岸(N29°54′,S 107°27′)，属于亚热带季风气候的典型丘陵地，三面环山，南部紧邻长江为水流汇出口，海拔153~307m； 研究区内冬暖夏热、 无霜期长、 日照充足，最高月均温28.6℃，最低月均温7.1℃，年平均气温高达22.1℃； 降雨充沛，年平均降水量920 mm，其中5~7月降雨量占全年70%左右. 水库采取“蓄清排浑”的运行方案，实验期间库区水位变化如图 1所示，水库每年10月开始蓄水，水位迅速上升，10月底达到最高水位175 m，次年1~4月进入供水期，水位缓慢下降，175 m落干而155 m处仍淹水，5月底可降至防洪限制水位145 m，6~9月即按防洪限制水位运行，消落带最长出露时期在150 d左右. 该区域土壤主要为侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩相发育的棕紫泥，钾含量较高，有机质及有效养分含量中等，微量元素中度缺乏，pH值范围为5.1~8.15[17].

图 1 实验期间库区消落带水位 Fig. 1 Water levels of the drawdown area of Three Gorges Reservoir during the experimental period

1.2 气体样品的采集和分析

在三峡库区涪陵珍溪镇王家沟选取3个高程： 180、 175 和155 m，其中，175 m和155 m坐落在消落带上，180 m作为对照，为永不淹水的陆地，观测时间为2010年8月至2012年8月. 陆-气界面N2O的采集采用静态暗箱法，釆样箱为不锈钢材质并由顶箱、 中段箱和底座组成，顶箱和中段箱的尺寸规格均为50 cm×50 cm×50 cm，箱体外表面覆隔热材料，中段箱只有在植株高度高于50 cm以上时才使用. 顶箱上部装有2个轴流扇，用于混合箱内气体，侧面安装有电源插头和气体样品采集接口. 底座(50 cm×50 cm×20 cm) 上端有深3 cm、 宽2 cm的密封水槽，样品采集时将顶箱或中段箱罩在底座上，用水密封. 扣箱后立即用配有三通阀的60 mL的注射器采集第1个气体样品，然后每隔10 min采集1次，罩箱30 min，共釆集4个气体样品. 每个高程设置3个重复，采样频率为每周采样1次，每次控制在当天09：00~11：00之间进行. 样品釆集的同时测定箱内外空气温度、 地表温度及地下5 cm处温度.

水-气界面N2O的采集选用浮箱法，箱体是底部开口、 内部抛光的不锈钢圆柱(高50 cm，内部直径50 cm)，于箱体外部距底面20 cm左右设置固定浮圈，在浮圈的上方安装一根聚乙烯的平衡管(长2 m，内径0.5 cm)，在箱顶中间位置连接气体样品接口及温度探头. 采样前，先将箱子底部朝上放置5 min，将浮箱放入水中打开平衡管，轻压箱子上部1~2 min后关闭平衡管，再用配有三通阔的60 mL注射器从箱内抽取第1个气体样品，每15 min采集1个气样，共采集4个气样. 每个高程设置4个重复，每10 d采样1次； 样品采集的同时用美国NK Kestrel 4500 Pocket Weather Tracker风速仪测定观测点即时大气温度、 水面风速、 空气湿度和气压，用JM624便携式测温表测定浮箱内部温度以及表层水体温度.

不论是陆-气界面还是水-气界面，不同高程上N2O的采集都是同时进行的. 注射器采集完气体样品后，立即转入抽成真空的25 mL血清瓶中并及时送回实验室，用GC-2014气相色谱仪测定N2O浓度[18]. N2O的排放通量可由公式(1) 计算.

(1)

式中，F为N2O的排放通量，H为采样箱内气室高度，T为采样期间箱内平均气温，P为采样时的大气压力，P0为标准状况的大气压力，ρ为N2O的密度，c为N2O的浓度，t为采样时间，dc/dt为釆样期间采样箱内N2O的浓度变化速率，采用线性方程拟合N2O的浓度变化. 通过线性内差法计算N2O的季节或年累积排放量.

1.3 土壤样品的采集和分析

每次釆集气样的同时，采用多点混合法釆集不同高程0~20 cm的土壤样品用于分析土壤的理化性质. 土样采好后，马上带回实验室，除去其中的植物根系、 石块和一些可见的植物残体后，取一部分土壤鲜样充分混合后放入4℃冰箱中保存，另外一部分土样风干后研磨，分别过2 mm和0.25mm筛.

土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)采用2 mol·L-1的KCl 浸提后在流动注射分析仪上进行测定； 可溶性有机碳(DOC)及可溶性总氮(DTN)用去离子水浸提后在Multi N/C 2000分析仪测定，并由公式(2) 得到可溶性有机氮(DON)含量； 新鲜土壤样品经氯仿熏蒸-K2SO4浸提后用Multi N/C 2000分析仪测定滤液中的有机碳、 氮浓度，并通过公式(3) 、 (4) 计算出微生物生物量碳(SMBC)和微生物生物量氮(SMBN)含量，式中EC、 EN为熏蒸土壤与未熏蒸土壤有机碳、 氮的差值，0.38和0.45分别为SMBC和SMBN的校正系数. 采用重铬酸钾法-外加热法[19]测定土壤有机碳(SOC)； 土壤含水量采用铝盒烘干法测定[19]； 采用凯式定氮法测定土壤总氮(TN)[19]，pHSJ-4A型酸度计测定pH，其土水比为1∶2[19].

另外，在水-气界面釆集气样的同时也采集表层水体水样，用酸度计测定水体pH，流动注射分析仪测定水体NH4+-N和NO3--N含量，Multi N/C 2000分析测定水体DOC和DTN含量，并通过公式(2) 得出DON含量.

(2)
(3)
(4)
1.4 数据的分析处理

利用SPSS 17.0对不同高程的年平均N2O排放通量、 淹水期和落干期N2O平均排放通量及同一高程不同年份同一时段的N2O平均排放通量进行方差分析(ANOVA)，当其通过方差齐次性检验时(P>0.05) ，进行均值间最小差异显著性(LSD)检验，若不能通过方差齐次性检验(P<0.05) ，采用Tamhane's T2进行差异显著性检验. 将淹水期或落干期的各环境因素分别与淹水期或落干期的N2O平均排放通量进行相关性分析，当P<0.05时认为两者之间显著相关，P<0.01时两者之间极显著相关，Pearson系数即为两者的相关性系数. 将淹水期或落干期的环境因素与其相对应的水面或落干地的N2O平均排放通量间分别进行主成分分析，提取特征根大于1的主成分，各主成分由公因子方差较大的指标组成，累积贡献率皆达到75%以上； 利用主成分分析中保留的环境要素和主成分的相关系数构造方程求环境因素对主成分的直接和间接通径系数，通过公式(5) 、 (6) 计算各因素对主成分的直接、 间接和总的决定系数，再根据公式(7) 计算各指标对样本变异的贡献值Vi； 最后对陆地、 消落带淹水期与落干期的N2O排放和主因子进行逐步线性回归法分析，得到各自N2O排放通量与主因子间的关系式.

(5)
(6)

式中，R2为总的决定系数，R(i)2为指标i对主成分的决定系数，bi为i指标对主成分的直接通径系数，bi2为直接决定系数，rij为指标i和指标j之间的相关系数，bj×rij为i指标通过指标j对主成分的间接通径系数，为间接决定系数.

(7)

式中，λj为j主成分的特征值所占的百分率，R(ij)2 为i指标对j主成分的决定系数.

2 结果与分析 2.1 库区N2O排放的时间变化

图 2为实验期间三峡库区不同高程处N2O排放的情况，从中可以看出，各高程上的N2O排放都有明显的季节变化，不同高程上N2O排放的季节变化各不相同. 在180m高程上，N2O排放以脉冲形式呈现，于2011年11月20日达到了276.31μg·(m2·h)-1的最高N2O排放通量，同年6月27日出现了最高吸收通量351.18μg·(m2·h)-1 [图 2(a)]. 在2011年9月~2012年8月期间，以3~5月为春季，6~8月为夏季，9~11月为秋季，12月~次年2月为冬季来进行四季的划分. 发现180m高程处N2O排放比较稳定，四季差异不显著(表 1). 175 m和155 m高程处在干湿交替的消落带上，175 m高程处的平均排放通量最大，在2010~2011年间的N2O排放表现为夏季单峰态，而2011~2012年间却呈现出了夏季主高峰和2月次高峰的双峰态，冬季N2O排放最高，水体最大吸收通量出现在2011年5月22日为306.80μg·(m2·h)-1，最高排放通量出现在2012年6月23日为705.24μg·(m2·h)-1[图 2(b)和表 1]. 155 m高程处淹水期内N2O排放较为稳定，而落干期内N2O排放通量随时间的变化较为剧烈，实验期间N2O最高和最低排放通量均出现在落干期，于2011年8月21日达到最高排放通量498.22μg·(m2·h)-1，同年6月5日出现最低排放通量-317.53μg·(m2·h)-1，N2O排放春季最低[图 2(c)和表 1]； 175 m和155 m高程均处在干湿交替的消落带上，175 m高程落干期平均排放通量为97.03μg·(m2·h)-1，淹水期为85.78μg·(m2·h)-1； 155 m高程落干期N2O的平均排放通量为60.45μg·(m2·h)-1，淹水期为40.96μg·(m2·h)-1，两个高程处落干期的N2O排放均大于淹水期，说明消落带在淹水条件下会抑制N2O的排放.

图 2 三峡库区消落带不同高程处N2O排放的季节变化 Fig. 2 Seasonal variations of N2O fluxes from different heights in the drawdown area of Three Gorges Reservoir

表 1 库区消落带不同高程处N2O平均季节排放通量 Table 1 Average N2O seasonal fluxes from different heights in the drawdown area of Three Gorges Reservoir/μg·(m2·h)-1

180 m高程2010年10月~2011年8月的N2O平均排放通量为-16.21μg·(m2·h)-1，表现为大气N2O的汇，而2011年10月~2012年8月的N2O平均排放通量又增至67.54μg·(m2·h)-1，年际变化差异显著(P<0.05) ； 175 m高程2010年8月~2011年7月的N2O年平均排放通量为105.84 μg·(m2·h)-1，2011年8月~2012年7月的N2O年平均排放通量为95.10μg·(m2·h)-1，年际变化差异不明显； 155 m高程从2011年4~8月的N2O平均排放通量为33.20μg·(m2·h)-1，次年同时段的N2O平均排放通量为35.34μg·(m2·h)-1，年际变化差异也不明显. 表明库区消落带上的N2O排放受年际变化的影响较小，而陆地N2O的产生及排放对环境条件的变化更加敏感，淹水可以提高环境要素的稳定性.

2.2 库区N2O排放的高程变化

采用2011年4月~2012年3月间的观测数据进行不同高程间的N2O排放差异分析，图 3表明，高程越小，N2O平均排放通量范围越集中. 180 m高程处全年N2O排放通量异常值少，基本符合标准正态分布，但数据不够集中，波动性较大； 175 m高程的N2O排放通量最大，数据呈右偏态分布； 155 m处N2O排放通量较175 m处更为集中，通量范围更小，排放情况更加稳定，也是右偏态分布.

图 3 消落带不同高程处N2O的排放情况 Fig. 3 N2O fluxes from the different heights in drawdown area of Three Gorges Reservoir

从2011年4月~2012年3月，消落带上不同高程N2O的年累积排放量为175 m(853.92 mg·m-2)>155 m(324.69 mg·m-2)，消落带上高高程的N2O排放显著大于低高程(P<0.05) ； 180 m高程处N2O的累积排放量为336.69 mg·m-2，显著低于175 m高程，而与155 m高程差异不明显. 不同高程处的N2O排放差异说明土壤每年周期性的短期淹水会促进N2O向大气排放，但淹水期过长又会抑制N2O排放.

2.3 库区N2O排放的影响因素

分别将180、 175和155 m高程处N2O排放通量与其对应的土壤或水体环境因子进行相关性分析，结果显示陆地和消落带落干期内的N2O排放与各环境因子间相关性较弱，只有消落带淹水期内的N2O排放受水体温度的影响显著(r=-0.41，P<0.01) .

由于影响N2O排放的各因素间彼此间存在着相互关系，因此本文引进主成分分析来研究这些因素间的关系. 如表 2所示，影响消落带淹水期N2O排放的有3个因子，累积贡献比达到77.35%. 其中因子1方差百分比占到31.68%，NO3--N、 DTN和DON与因子1显著相关，主要体现了水体中可溶性氮素的分布状况； 因子2方差百分比为29.68%，NO3--N、 NH4+-N、 DOC、 DON、 水体pH和水温与因子2显著相关； 因子3方差百分比为15.99%，NH4+-N及水温与因子3显著相关. 影响库区消落带落干期N2O排放的主要因子也为3个，总的方差贡献率达到77.84%. 因子1方差百分比占到33.55%，DOC、 SMBC、 SOC、 TN及地下5 cm温度与因子1显著相关，主要反映土壤营养状况和微生物活性； 因子2方差百分比为29.44%，SOC、 NO3--N、 NH4+-N、 土壤pH和含水率与因子2显著相关； 因子3方差百分比为14.85%，DOC、 NO3--N、 土壤pH和含水率与因子3显著相关. 影响180 m高程处陆地N2O排放的因子有5个，总的贡献率达到74.34%. 因子1方差百分比为25.44%，DOC、 DON、 SMBC、 SMBN、 SOC、 土壤温度和含水率与因子1显著相关，主要体现了土壤微生物活性； 因子2方差百分比为17.42%，DON、 TN、 NO3--N、 NH4+-N及土壤pH与因子2显著相关，主要是体现了土壤的氮素水平； 因子3方差百分比为11.60%，DOC、 DON、 TN、 SOC、 土壤温度及含水率与因子3显著相关； 因子4方差百分比占到10.50%，DOC、 NH4+-N、 SOC及土壤含水率与因子4显著相关； 因子5方差百分比为9.42%，DON、 TN、 NH4+-N、 SOC、 土壤pH及含水率与因子5显著相关.

表 2 陆地、 消落带淹水期和消落带落干期各环境因素对N2O排放影响的主成分分析 Table 2 Principal component analysis of the environmental variables for N2O emission in the land, flooding and drainage periods of the drawdown area in Three Gorges Reservoir

对影响陆地N2O排放的因子进行逐步线性回归分析得到，因子1是消落带淹水期N2O排放的显著影响因子(r=0.34,P<0.05) ，关系式为N2O平均排放通量=32.23-22.24×因子1； 而消落带落干期N2O的排放则受到因子2的显著影响(r=0.42,P<0.05) ，表达式为N2O平均排放通量=84.84-49.55×因子2； 陆地N2O平均排放通量=69.88+17.06×因子3(r=0.40,P<0.05) .

在主成分分析的基础上进一步计算各环境因素对N2O排放的贡献值(表 3)，发现对消落带淹水期N2O排放影响较大的环境因素主要是NO3--N、 DTN和DON，而影响消落带落干期和陆地N2O排放的因素则比较复杂，各影响因素间的贡献值差异并不是很大，表明消落带落干期和陆地N2O排放除了受土壤碳氮分布的影响外，还与土壤温度、 湿度及pH等理化性质密切相关.

表 3 陆地、 消落带淹水期和消落带落干期各环境因素对N2O排放的贡献值 Table 3 Contribution values of the environmental variables for N2O emission in the land, flooding and drainage periods of the drawdown area in Three Gorges Reservoir

3 讨论 3.1 不同高程N2O排放的时间变化规律

不同地区水库的N2O排放情况并不相同，有些表现为源，有些表现为汇，但基本都有明显的季节变化规律[14, 20, 21]. 连续观测的2 a期间，175 m高程处第一年N2O排放表现为夏季单峰态，次年却呈现出了夏季主高峰和落干初期次高峰的双峰态； 而155 m高程处只表现出了N2O的夏季排放高峰. 消落带上175 m和155 m高程处在夏季落干期都出现了N2O的排放高峰，主要是因为夏季土壤温度较高，降水丰富，植物生长茂盛，适宜的温度和较高的土壤含水量使得微生物代谢旺盛，有利于土壤微生物硝化和反硝化作用的加强，主成分分析表明，落干期土壤N2O排放受土壤碳氮含量以及土壤温度、 湿度等因素的综合影响和制约，夏季上述环境因素的升高有利于促进N2O的排放； 除此之外，夏季水库水位的下降更有利于N2O排放[22]. 万晓红等[23]在白洋淀湿地的湖心区、 湖滨带和陆地区进行了近1年的N2O排放观测，发现各区均出现了N2O的夏季排放高峰； 方芳等[14]对三峡库区忠县境内消落带的N2O排放调查显示6~8月消落带的土壤N2O排放较高，李红丽等[24]也发现玉渡山水库消落带8月N2O排放通量最大，均与本研究结果一致. 早期的水稻田的大量研究表明，短期的干湿交替能促进N2O的高排放[25]，主要是因为土壤落干时土壤通透性大大增强，土壤含水量适中，Eh较高，土壤中的硝化和反硝化作用都能以较高速率进行且以N2O为主要产物[26]. 但175 m高程在实验观测的第一年并未出现这么一个排放高峰，而是在第二年落干初期才出现了一个明显的N2O排放高峰(图 1)，这是因为三峡水库在实验观测的第一年还没有达到175 m蓄水位，直到2012年才正式达到三峡水库设计的175 m最高蓄水位. 尽管都处在消落带上，但155 m高程并没有出现干湿交替导致的N2O排放高峰(图 1)，这是因为155 m高程处淹水期过长，在流水的长期冲刷下造成了土壤中营养物质的大量流失，土壤氨氮和硝氮含量较低，植物难以存活生长，即使土壤出露水面后水分条件适宜N2O的产生和排放，但由于缺少微生物活动的底物，N2O的生成受阻； 而且持续淹水的土壤处于缺氧和强还原状态，反硝化产生的N2O更易被还原为N2[25, 26].

除夏季外，175 m和155 m高程处冬季N2O排放也较高(表 1). 消落带上冬季是淹水期，其N2O排放高的原因主要有两个，一方面水库蓄水和生物体的衰亡给支流带来了丰富的有机物，为微生物活动提供了丰富的氮源，主成分分析表明，淹水期水体N2O排放主要受水体中可溶性氮素的影响，水体中可溶性氮含量越高，N2O排放也就越高. 且蓄水时水体受到扰动，水中N2O更容易扩散到大气中去； 另一方面，研究区域位于亚热带季风气候区，冬季温度一般在零度以上，既不会形成冰面抑制N2O的传输，也不会对微生物活性起到抑制作用. 这与Liu等[10]在乌江渡和洪家度水库开展有关水库N2O排放的研究结果一致，王亮等[27]对三峡水库香溪河库N2O排放的调查也显示，冬季N2O排放最高. 另外，季节变化分析表明，消落带内N2O排放通量落干期要高于淹水期(图 1). 一方面干湿交替能增加土壤N2O的排放； 另一方面水库在秋季开始蓄水，蓄水的20 d内消落带植物会向水体释放大量TN[24]，造成大量的氮素损失，真正回归到土壤进行硝化/反硝化作用的很少，再加上环境温度的降低和土壤含水率的增加都会使得N2O的产生减少，而且N2O在空气中传输的速率是其在水中传输速率的104倍[14]，使得N2O在土壤中滞留时间延长，土壤淹水期的N2O排放偏低. Cheng等[28]在中国东部滨海湿地不同淹水状况下N2O的排放研究同样表明，非淹水土壤的N2O释放速率要高于淹水土壤； 墨西哥湾海岸N2O排放的研究也发现，沉积物在长期排干的情况下N2O的排放将增加[29]，说明在自然状态下淹水期过长会抑制N2O排放，均与本研究结果吻合.

3.2 不同高程间N2O排放差异

本研究中175 m高程N2O排放最高，180 m高程次之，155 m高程排放最低. 175 m由于处于消落带上的较高位置，淹水时间较短，如上所述，短期的淹水落干后则会刺激土壤中N2O的大量排放； 另一方面，175 m高程处植被发育良好，可为土壤微生物提供丰富的底物供应； 另外，相对于180 m高程处较干和155 m高程处长期淹水的土壤环境，175 m高程处的土壤水分环境可能更为适合土壤硝化和反硝化反应的进行. 155 m高程处在消落带的较低位置，长期淹水，土壤中的营养元素比较贫瘠[30]，植物的存活时间短且生长发育状态不良，这些因素都不利于N2O的生成和排放. 有研究发现三峡库区消落带内沉积物中的总可转化态氮(TF-N)含量与水位高程呈正相关，随高程增加，地表出露时间越长越有利于沉积物中TF-N含量的增加[31]，而在淹水期这部分氮会向水体释放[32]； 另外，林俊杰等[33]在三峡库区消落带的研究还发现，消落带土壤总氮和硝态氮在高水位高程含量更高，而在低水位高程含量较低，在相同培养温度下，硝化和净氮矿化速率均表现为随水位高程增加而增加. 根据本研究主成分分析的结果，水体和土壤氮含量的升高能够促进N2O的生成和排放. 王洪君等[34]对太湖秋冬两季植被型湖滨带N2O排放的研究显示，从水体到陆地的N2O排放先逐渐升高，至水位变幅区的中心位置达到最高，再进入陆向辐射区又逐渐降低，与本研究结果相似.

与180 m高程对照相比，175 m高程的短期淹水促进了N2O排放，而155 m高程的长期淹水则抑制了N2O排放. 可能主要由以下两个原因所致： 一是淹水时间过长导致土壤含水量高、 氧化还原电位低，这种厌氧环境下N2O易被还原为N2，而且土壤中的含水量过大，会形成水膜，阻碍N2O向大气中扩散[28]； 二是淹水时间长短也会影响植物的生长和发育，Hirota等[35]发现夏季盐沼N2O排放通量的空间变异主要与地上生物量有关. 2012年6月22日测得175 m 处生物量为315.20 g·m-2，155 m处却仅为105.56 g·m-2，较高的生物量可为土壤固定更多的可利用性基质[22]. 方芳等[14]在研究三峡库区消落带的N2O排放规律时发现，170 m高程处的N2O排放要高于160 m高程； 另外，Wang等[36]对夏季长江口潮间带N2O排放通量的研究表明，中潮滩沼泽是大气N2O的释放源，而低潮滩平地则为大气N2O的汇； 三江平原沼泽湿地N2O排放观测也发现，季节性积水的小叶章草甸N2O排放高于常年积水的毛果苔草沼泽[37]. 以上研究均表明，淹水时间的长短是控制土壤N2O排放的一个重要因素.

3.3 库区消落带N2O排放的影响因素

土壤N2O排放是众多因素共同作用的结果，如土壤温度、 含水率、 无机氮、 有机碳、 土壤质地和结构、 水深、 水位变化、 溶解氧、 水温、 风速、 pH和植被生长状况等[38]. 本研究通过相关分析发现库区消落带淹水期N2O排放通量与水温呈极显著负相关关系，一般来说水体温度越高，微生物活性越强，N2O应该越容易生成并扩散到大气； 但同时水体内各种动物、 藻类及浮游生物也在快速生长，温度越高，生长繁殖越旺盛，水体氧气和营养物质的消耗越多，水体厌氧程度就越大，且微生物活动又缺少充足底物，导致N2O排放偏低. 王亮等[27] 也发现三峡水库水面N2O排放与水温成负相关.

本研究分别对陆地、 消落带淹水期和消落带落干期N2O排放的影响因素进行了主成分分析，结果显示消落带淹水期的N2O排放受库区水体氮素分布的影响最多，而陆地和消落带落干期的N2O排放则主要由土壤的碳氮情况、 微生物活性和一些物理性质共同决定. Chen等[4]在三峡库区澎溪河区选取了四种典型的新生湿地以研究消落带落干期N2O的排放状况，发现影响消落带落干期N2O排放的主要因素为土壤的碳、 氮分布情况，土壤湿度及温度等，并受土壤氮素的影响最为显著，与本研究结果相似.

4 结论

(1) 各高程处的N2O排放有明显的季节性，180 m高程处春季N2O排放最低； 175 m高程处呈现出干湿交替和夏季N2O排放的双高峰，而155 m高程处则只表现为夏季高N2O排放的单峰型. 位于消落带上的175 m高程和155 m高程在落干期的N2O排放均大于淹水期，说明消落带在淹水条件下会抑制N2O的排放.

(2) 不同高程之间175 m高程上N2O排放最高，155 m高程处最低，与180 m高程对照相比，表明在消落带上短期淹水会促进N2O排放，而淹水时间过长则会抑制N2O排放.

(3) 主成分分析表明，消落带淹水期水体中可溶性氮素的分布是影响水面N2O排放的最主要因素，而消落带落干期及陆地则是受土壤碳氮含量、 土壤温度、 湿度及pH等因素的共同影响和制约.

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