2024, Vol. 45
2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室, 南京 210008;
3. 湖南省气候中心, 长沙 410118
, XIAO Qi-tao2
, XIE Hui2 , LIU Zhen-jing3 , QIU Yin-guo2 , LUO Ju-hua2 , XU Xiang-hua1 , DUAN Hong-tao2
2. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Hunan Climate Center, Changsha 410118, China
氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体之一, 过去几十年农业种植活动等导致全球N2O排放加速增长[1]. 农业种植及化肥施用带来了严重的氮素富集问题, 促进氮素转换并显著提高N2O的产生和排放[2~4]. 大量施用的氮肥可通过淋溶径流流失, 最终被输送到水域生态系统中, 水域生态系统氮素富集已成为大气N2O潜在的排放热点[5~7]. 有研究发现, 忽略农业流域水体N2O排放将导致农业生态系统N2O收支估算存在极大不确定性[8, 9]. 因此, 为准确估算N2O排放, 受农业种植活动影响的流域水体需重点关注.
池塘水体是我国农村景观的重要组成部分, 因其具有蓄水、纳污和灌溉等多种功能, 广泛应用于我国东部和南部农作物种植密集地区[10]. 农业流域池塘水体由于受强烈的农业施肥活动以及生活污水排放等影响, 一般会比自然水体获得更多的营养盐负荷[11]. 同时, 农业流域池塘具有深度浅且面积小等特征, 其氮素生物地球化学循环过程异常活跃, 因此其N2O排放潜力十分值得关注[12, 13]. 但是, 近年来探究水体N2O排放主要集中于江河湖库等大型开放性水体[14~17], 对于农业流域池塘却鲜见报道. 此外, 农业流域池塘可承纳生活污水、用于农业灌溉、排水以及蓄水等多种功能, 但不同用途和功能的池塘水体N2O排放及其驱动因子是否存在差异尚不明了.
巢湖流域是安徽省重要的农业区, 地处长江北岸丘陵地带, 主要农业类型为种植业, 且面源污染严重, 受农业活动影响显著. 同时, 数量多且分布广泛的小型池塘也是巢湖农业流域极具特色的人文景观. 烔炀河流域是巢湖北岸的农村小流域, 其农业生产方式及地形地貌在巢湖流域中极具代表性. 有研究表明, 烔炀河流域土地开发程度低, 农业种植面积超过流域总面积的50%, 农业化肥使用量位居全国前列, 且化肥流失也较为严重, 流域面源污染主要由农业施肥和生活污水等组成[18]. 因此, 本研究选取烔炀河流域内3种不同类型池塘（村塘、农塘和水塘）进行为期1 a的逐月调查, 并基于此调查探究典型农业流域内不同类型的池塘N2O排放差异及其关键影响因素, 明确不同农业景观池塘N2O排放的机制, 以期为完善水域生态系统温室气体通量排放清单提供数据支持.
1 材料与方法 1.1 研究区域以及采样池塘分布烔炀河是巢湖北岸一条直接入湖的河流, 流经6个自然村, 总长度约为10 km[19]. 烔炀河流域是巢湖北岸的农村小流域, 流域总面积约为89.3 km2, 属于典型亚热带气候, 光照充足, 雨量丰沛, 年平均气温16℃, 年均降水量1 120 mm. 该流域内土地利用类型包括耕地、林地和建设用地等, 流域内由于人类生活生产的影响, 使得农业面源污染日益加剧.
本研究在烔炀河流域选取3种不同类型池塘（村塘、农塘和水塘）, 每种类型选取2个池塘共计6个采样池塘（塘1、塘2、塘3、塘4、塘5和塘6, 图 1）, 所选水体水域面积在0.004~0.032 km2, 平均水深范围为0.35~1.2 m, 属于典型的小型景观水体. 村塘毗邻村庄住宅, 周边人口密集, 接纳大量生活污水排放；农塘位于农业种植区内, 周边种植大量农作物, 主要受农业生产活动影响；水塘主要功能为蓄水, 采样点位远离村庄农田, 受人类活动影响相对较小.
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图 1 烔炀河流域地理位置及采样点分布示意 Fig. 1 Geographical location of the Tongyang River Catchment and sampling sites |
在2020年9月至2021年9月对流域内6个采样池塘进行为期1 a的采样, 采样频次为每月一次, 时间在每月下旬. 在野外采样期间, 用多参数水质监测仪原位测量每个采样站点表层水温、溶解氧（DO）浓度和pH值等. 气温和降雨量数据来源于烔炀河流域当地自动气象观测站.
每次野外采样时, 采集表层水样用于水体溶存N2O浓度分析[20, 21]. 采样流程如下：将采样针筒在采集水样前用待采水样清洗2~3次, 然后用针筒抽取远离岸边的表层20 cm处水样（注意避免气泡产生）, 最后将15 mL水样通过细小针头注入预置2 g氯化钾、预先抽真空并注入高纯氮气（摩尔分数≥99.999%）的30 mL棕色玻璃样品瓶内. 为保证气密性, 在实验室内将每个棕色样品瓶用丁基胶塞密封瓶口, 并用铝盖压接, 在野外水样采集完成后用密封胶密封针孔. 采样结束后, 将装有水样且密闭良好的棕色瓶立即倒置放入冷藏箱中保存. 在每个采样点使用5 L有机玻璃采样器采集水面以下20 cm水样, 装入用待采水样清洗过的1 L棕色瓶中, 用于营养盐浓度和叶绿素a等分析, 所有水样均冷藏保存并运送回实验室待测.
1.3 实验室样品处理与分析现场采于棕色玻璃样品瓶的水样运回实验室后, 利用顶空-气相色谱法测定水体中N2O的溶存浓度. 分析流程如下：将棕色样品瓶的水样剧烈振荡3~5 min后静置20~30 min, 使气体在样品瓶气相（顶空部分）和液相（水体）中达到平衡状态, 然后用带有三通阀的针筒抽取5 mL静置后的样品瓶顶空部分气体, 通过气相色谱仪分析气样N2O浓度. 另外, 在进行N2O气样分析时, 抽取已知浓度的标准N2O气体, 用于气相色谱仪检验和校正. 最终, 基于气相色谱仪测定的N2O浓度, 通过顶空平衡法计算出水体N2O的原始溶存浓度[22].
使用1 L棕色样品瓶采集用于测定水体理化指标的水样, 在采样结束后立即对其进行处理和分析. 原水样均采用中国国家标准方法测定总氮（TN）和总磷（TP）, 分别为GB/T11894-1989和GB/T11893-1989, 经0.45 μm孔径的滤膜过滤后的水样用于测定铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和亚硝态氮（NO2--N）, NH4+-N浓度采用纳氏试剂光度法, NO3--N和NO2--N浓度的测定通过流动分析仪分析得到. Chl-a浓度测定采用GF/C滤膜对水样进行过滤, 然后用丙酮溶液萃取后用分光光度计测定, 经GF/F玻璃纤维膜过滤后的水样用总有机碳分析仪测定溶解性有机碳（DOC）, 溶解性无机氮（DIN）为NH4+-N、NO3--N和NO2--N浓度的总和.
1.4 数据计算与处理基于顶空-气相色谱法获取的水体N2O原始溶解浓度（cw, μmol·L-1）, 采用水-气界面气体扩散模型法计算水体N2O排放通量[Fn, μmol·（m2·d）-1], 具体计算如下[23, 24]：
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(1) |
式中, ceq为在特定温度和压力下与大气保持平衡的水中的N2O浓度, 通过在野外采样时, 用针筒抽取水面上方空气, 装入铝箔采样袋中密封保存, 用气相色谱仪分析其气袋中大气样品N2O浓度和温度计算得到[24]；k为水-气界面N2O气体的传输系数（m·s-1）, 其具体计算如下[23]：
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(2) |
式中, 0.24为单位转换系数；U为10 m高度处的风速（m·s-1）, 通过当地气象观测站获取, U1.7为10 m高度处风速的1.7次方[23]；n为与风速相关的系数. U＜3.7 m·s-1, n = 2/3；U＞3.7 m·s-1, n = 0.5. Sc为无量纲N2O气体的施密特数, 与水温（T, ℃）相关, 其具体计算如下：
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(3) |
基于以上计算得到烔炀河流域不同池塘水-气界面N2O交换通量（Fn）, Fn＞0表明水体向大气排放N2O, 反之则吸收大气N2O. 同时, 本研究对不同池塘（塘1、塘2、塘3、塘4、塘5、塘6）、不同类型（村塘、农塘、水塘）和不同季节（春季：3~5月；夏季：6~8月；秋季：9~11月；冬季：12月至次年2月）于2020年9月到2021年9月连续采样观测和计算出的数据进行处理分析. 采用Pearson correlations方法确定N2O通量与环境变量之间的相关性, 使用单因素方差分析LSD（least-significant difference）方法检验数据差异性是否显著, 其中P＜0.05为显著性水平, P＜0.01为极显著水平.
2 结果与分析 2.1 环境变量特征烔炀河流域年气温与降雨量呈现出明显的季节变化特征[图 2（a）]. 其中, 春、夏、秋和冬四季平均气温分别为19.4、30.3、21.6和9.7℃, 最高气温出现在8月, 为33.2℃. 流域内降雨同样具有季节变化特征[图 2（a）], 其中最高降雨量出现在7月, 月降雨量为264.4 mm, 最低降雨量出现在1月, 仅为31.3 mm. 3种不同池塘营养盐浓度均呈现出季节变化特征, 以NO3--N和TN为例, NO3--N浓度呈现双峰型变化, 最高值出现在6月和11月, 最低值出现在3月[图 2（b）], 而从TN浓度变化来看, 村塘和农塘TN季节变化并不显著（P＞0.05）, 仅水塘TN呈现出显著（P＜0.05）的季节变化特征, 最高值出现在11月, 最低值出现在9月[图 2（c）].
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图 2 观测期间流域降雨量、气温以及3种类型池塘NO3--N和TN浓度的逐月变化 Fig. 2 Monthly variations in rainfall, temperature, and NO3--N and TN in the three types of ponds during the sampling period |
不同池塘水体的生化参数也不尽相同（表 1）. 3种类型水塘的年均水温[村塘：（22.20±9.15）℃；农塘：（22.65±9.66）℃；水塘：（22.59±9.43）℃]均无显著性差异（P＞0.05）, 且3种类型池塘间DO、NO3--N和NH4+-N也无显著性差异（P＞0.05）. 但是, 村塘的TN和TP均显著（P＜0.01）高于农塘和水塘, Chl-a作为表征富营养化程度的重要指标, 村塘的ρ（Chl-a）[（32.96±35.00）μg·L-1]显著（P＜0.01）高于农塘[（11.75±9.02）μg·L-1]和水塘[（4.19±2.19）μg·L-1].
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表 1 观测期间不同类型池塘基本生化参数特征1） Table 1 Biochemical parameters in the different ponds during the observation period |
2.2 N2O排放时间变化
图 3表示不同类型景观池塘N2O排放通量时间变化特征. 从中可知, 村塘和农塘整体呈现双峰型变化特征, 两个峰值分别出现在5月和11月, 村塘和农塘最高值均出现在2020年5月[村塘：36.11 μmol·（m2·d）-1；农塘：19.86 μmol·（m2·d）-1], 村塘最低值出现在2020年10月, 且表现为大气N2O的吸收汇[-1.53 μmol·（m2·d）-1], 农塘最低值出现在2021年1月, 也为大气N2O的汇[-7.26 μmol·（m2·d）-1]. 与村塘和农塘不同, 水塘排放通量的变化幅度较小, 最高值出现在2020年7月[5.32 μmol·（m2·d）-1], 最低值出现在2021年1月[-6.29 μmol·（m2·d）-1]. 值得注意的是, 2020年的5、6和7月这3个月份, 3种不同类型池塘N2O排放通量呈现显著性差异（P＜0.05）, 即：村塘＞农塘＞水塘.
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图 3 3种类型池塘N2O通量的逐月变化 Fig. 3 Monthly variation in N2O flux in three types of ponds |
图 4（a）表示N2O排放通量在不同池塘的变化. 从总体来看, 村塘、农塘和水塘的N2O排放通量年均值分别为（10.67±13.89）、（5.18±7.16）和（1.33±2.37）μmol·（m2·d）-1, 均表现为大气N2O的排放源, 但仅村塘与水塘差异显著（P＜0.05）. 此外, 由于各塘之间的排放量差异主要集中在5、6和7月, 因此由图 4（b）可知, 村塘N2O排放通量显著（P＜0.05）高于农塘和水塘, 农塘N2O排放通量显著（P＜0.05）高于水塘. 总体来看, 村塘N2O排放通量最高, 其次是农塘, 水塘排放通量最低.
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（a）不同池塘N2O通量年均值, （b）不同池塘在2021年5~7月的N2O通量；误差线表示标准误；不同小写字母表示具有显著性（P＜0.05）差异 图 4 观测期间不同类型池塘的N2O通量 Fig. 4 N2O fluxes in different types of ponds during the observation period |
水温是影响水-气界面排放通量的重要影响因子, 图 5为3种不同类型景观池塘N2O排放通量与水温的相关性分析. 结果表明, 受人类生产活动影响较为剧烈的村塘和农塘, 其N2O排放通量与水温无显著相关性（村塘：R2 = 0.11, P＞0.05；农塘：R2 = 0.21, P＞0.05）. 而远离村庄农田且受人类活动影响相对较小的水塘, 其N2O与水温呈现显著正相关性（R2 = 0.64, P＜0.01）, 温度解释了水塘64%的N2O排放通量变化.
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黑色菱形表示在发生连续性降水后所采集的样品, 不参与分析；拟合方程括号中数据为标准偏差 图 5 水温与村塘、农塘和水塘N2O排放通量的相关性 Fig. 5 Correlation between water temperature and N2O flux sewage pond, irrigation pond, and storage pond |
图 6为3种不同类型景观池塘N2O排放通量与NO3--N的相关性分析. 结果表明, 仅村塘和农塘N2O排放通量与NO3--N呈现显著正相关关系（村塘：R2 = 0.52, P＜0.05；农塘：R2 = 0.39, P＜0.05）, NO3--N解释了其52%和39%的N2O排放通量变化, 而受人为影响因素较小的水塘, 其N2O与NO3--N无显著相关性（R2 = 0.15, P＞0.05）.
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拟合方程括号中数据为标准偏差 图 6 NO3--N与村塘、农塘和水塘N2O排放通量的相关性 Fig. 6 Correlation between NO3--N and N2O flux sewage pond, irrigation pond, and storage pond |
降雨是径流的重要补给, 也是农业流域氮素输出的关键驱动力. 图 7为3种不同类型景观池塘N2O排放通量与降雨量的时间相关性. 结果表明, 农塘和村塘N2O排放通量与降雨量呈现显著的正相关关系, 分别解释79%（R2 = 0.79, P＜0.01）和68%（R2 = 0.68, P＜0.01）的N2O排放通量变化. 值得注意的是, 水塘N2O排放通量与降雨量无显著相关性（R2 = 0.32, P＞0.05）. 营养盐、Chl-a和DO等是重要的环境因子, 由表 2可知, 总体来看村塘的主要控制因子是NO3--N, 农塘的主要控制因子为DIN与NO3--N, 水塘的主要控制因子为水温. 此外, 同一类型的不同水塘控制因子也有所不同, 其中塘3和塘4均为农塘, 但塘3的主要控制因子为Chl-a, 塘4的主要控制因子为NO3--N；3种不同类型景观池塘的N2O排放通量与pH、DO、TN和TP均无显著相关性.
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降雨量为采样前5 d累计降雨量；拟合方程括号中数据为标准偏差 图 7 降雨量与村塘、农塘和水塘N2O排放通量的相关性 Fig. 7 Correlation between rainfall and N2O flux sewage pond, irrigation pond, and storage pond |
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表 2 N2O扩散通量与水体理化指标的相关性1） Table 2 Correlations between N2O diffusion flux and physical-chemical factors |
3 讨论 3.1 不同景观池塘N2O排放强度对比分析
本研究结果表明农业流域池塘水体是大气N2O的排放源, 但不同景观和用途池塘的N2O排放差异显著. 其中, 村塘是纳污型池塘, 其年N2O排放通量[234.81 μmol·（m2·d）-1]约为自然水塘[29.32 μmol·（m2·d）-1]的8倍（图 3）. 观测数据也表明, 村塘的营养盐负荷（主要是TP和TN）与Chl-a浓度要显著高于其他类型池塘（表 1）, 考虑到水体N2O主要是来自氮素的硝化和反硝化作用, 因此, 高氮负荷可能是村塘N2O高排放的主要原因[12, 25, 26]. 同时, 高营养盐负荷也可增加村塘浮游植物的生物量, 使其具备高Chl-a浓度（表 1）, 进而为N2O的产生和排放提供有机质[14, 27].
受流域内农业活动影响, 农塘N2O排放通量也较高. 观测数据表明, 农塘年N2O排放通量为113.98 μmol·（m2·d）-1, 仅次于村塘, 是水塘的将近4倍, 也具有较高的N2O排放通量. 农塘位于农作物种植区附近, 高强度的农业施肥可显著增加水体氮负荷及N2O的产生[28, 29]. 以NO3--N为例, 本研究中农塘NO3--N浓度要显著高于以林地为主要土地利用类型等流域水体的NO3--N浓度, 但与其他高强度农作物种植区水体NO3--N浓度相当[30, 31]. 据研究统计, 巢湖流域的种植业施肥强度居全国前列, 也是农业流域氮肥流失严重的区域[18, 32], 高强度农业氮负荷输入可能会导致N2O的大量排放. 此外, 农塘是具有灌溉功能的池塘, 在农业生产活动的影响下, 农药、化肥以及畜禽粪便等通过农田输入池塘中, 使得塘内有机质增加, 氮转化更为迅速[33, 34]. 水塘在本研究中N2O的排放通量最低, 但鉴于水塘氮负荷与村塘和农塘差异并不显著, 且水塘氮负荷与N2O排放通量并无显著相关性（表 2）, 因此池塘水体N2O的排放可能受其他因素调控.
3.2 流域池塘N2O排放的影响因素理解和掌握池塘水体N2O排放变化的驱动因子是准确估算N2O收支和预测其未来变化的基础. 水温是重要的水体理化指标, 是影响水体N2O产生和排放的重要因素[35, 36]. 本研究发现水温对不同类型池塘的N2O排放影响不尽相同（图 5）. 在受人为活动干扰强度较低的自然水塘中, 水温解释其64%的N2O排放, 是N2O排放变化的关键驱动因素[21, 37, 38]；但在受人类生产活动影响较为剧烈的村塘和农塘, 水温不是N2O排放通量时间变化的驱动因子. 本研究结果表明, 在高强度人为活动干扰的水体中, 水温不是N2O排放变化的唯一调控因子, 不同类型的池塘可能因外源负荷的输入不同, 呈现出对温度变化的不同响应, 这与前人的研究结果相一致[20, 21, 26].
有研究显示, 外源负荷输入等因素会干扰温度等对水体N2O的排放产生影响[39~41]. 村塘和农塘受人类生产活动影响强烈, 大量的农业氮素输入使得水体中氮负荷增加, 从而促进水体N2O的排放[17, 21, 30, 42], 同时, 高强度的外源负荷输入可能“稀释”掉水温对村塘和农塘N2O排放的直接影响作用[21, 43]. 长期营养盐添加试验也表明, 外源氮负荷输入对水体N2O排放的影响要高于水温的影响[44]. 淡水水体中N2O的主要来源包括反硝化作用、硝化作用和硝化-反硝化等多种过程[15], 且水体氮负荷等可很好地指示N2O排放的变化[12]. 本研究中村塘和农塘N2O的排放对NO3--N较为敏感, 表明该农业流域内景观池塘N2O可能主要来自于反硝化作用影响. 之前相关研究也表明, 在高强度人为活动干扰区域, 其水体N2O排放随着外源氮负荷的增加而增加[21, 34, 45]. 值得注意的是, 水塘的氮素指标（NO3--N、NH4+-N和NO2--N等）与村塘和农塘差异并不显著, 可能是由于该流域为农业小流域, 受土壤淋溶和地表径流等作用的影响以及水系之间的连通性, 致使水塘虽位于林地但也受流域内农业活动影响, 进而水塘氮负荷与其他塘差异并不显著.
降雨是农业流域氮素等面源污染输出的关键驱动力, 相关研究也表明水体N2O排放对降雨量的变化较为敏感[15, 46]. 降雨一般能够补给水量, 稀释水体N2O浓度, 进而降低N2O的排放量[15], 甚至促使水体从N2O排放源转变为N2O吸收汇[47]. 与之不同的是, 本研究发现降雨量与村塘和农塘N2O排放量呈显著正相关关系, 降雨量分别解释其79%和68%的N2O排放通量变化（图 7）. 降雨可促使农田氮素（主要是NO3--N）通过径流和淋溶迁移从农田进入周边的水体中[48], 也可能会刺激土壤产生N2O输入进池塘[3], 因此, 降雨会更加促进农业流域水体N2O排放[49]. 统计分析也发现, 降雨与池塘NO3--N浓度呈显著正相关关系（村塘：R2 = 0.57, P＜0.01；农塘：R2 = 0.54, P = 0.01）, 进一步表明降雨可将农业流域氮素带入池塘水体, 增加N2O的产生和排放潜力. 同时, 在夏季强降雨期间[图 2（a）], 池塘水体出现较高的N2O排放通量（图 3）, 这可能是由于夏季是作物的关键生长季节, 在夏季强降雨的作用下大量的农业肥料等外源负荷迁移到该流域水体中, 促进了N2O的产生[28, 29]. 值得注意的是, 水塘N2O的排放量虽然相对偏低, 但在连续性降雨期间水塘N2O排放通量出现峰值（图 2和图 3）, 这也表明降雨可能是农业流域水体N2O排放关键驱动因素[50, 51].
3.3 农业流域池塘水体N2O通量综合评估本研究表明烔炀河农业流域小型池塘是大气N2O的排放源, 年均N2O排放通量为（5.73±10.61）μmol·（m2·d）-1[图 4（a）], 显著高于全球湖泊均值N2O排放通量[52], 也是营养盐富集湖泊水体排放通量的近两倍[21]. 目前已有研究表明藻型湖泊是大气N2O的显著排放源[14, 27], 值得注意的是, 本研究中小型池塘N2O排放量比该流域富营养化藻型湖泊（巢湖）敞水区N2O排放量高近一个数量级[25]. 考虑到农业流域小型池塘数量多且分布广[53], 其对水体等N2O收支估算可能具有重要贡献, 在未来研究需要引起重视.
本研究结果表明不同用途和类型的池塘N2O扩散通量具有明显差距. 其中, 村塘和农塘是大气N2O热点排放源, 其N2O排放通量分别是自然水塘排放量的8倍和4倍. 因此, 在农业流域小型水体N2O收支估算中明确池塘用途和类型十分重要[12, 54]. 此外, 连续逐月观测发现, 不同类型池塘N2O通量变化幅度显著, 这可能是因为农业流域池塘水体N2O的排放是一个动态复杂的过程, 会受到多种因素的综合调控. 因此, 为明晰农业流域池塘N2O排放量及其未来趋势变化, 需要考虑多因子的综合调控作用.
4 结论（1）基于为期1a的连续野外调查表明, 农业流域小型池塘是大气N2O的排放源, 年均N2O排放通量为（5.73±10.61）μmol·（m2·d）-1, 在水域生态系统N2O收支估算中可能不容忽视.
（2）多塘采样表明, 不同类型池塘N2O排放通量差异显著, 其中, 村塘和农塘是N2O的热点排放源, 其N2O排放通量分别是自然水塘排放通量[（1.33±2.50）μmol·（m2·d）-1]的8倍和4倍. 同时, 水体氮负荷可作为池塘热点排放的指示因子.
（3）农业流域池塘N2O排放的驱动因子在不同类型池塘不尽相同, 在受人为活动影响强烈的村塘和农塘, N2O排放与营养盐负荷和降雨量呈显著正相关；但在受人为活动影响较低的自然水塘, N2O排放通量与水温呈显著正相关.
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