胡博文 潘 萌 石彭蘭 徐 軍 張 敏

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 池塘健康養(yǎng)殖湖北省工程實(shí)驗(yàn)室, 教育部長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶大宗水生生物產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展工程研究中心,武漢 430070; 2. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072)

溫室氣體(Greenhouse gases)的大量排放與近年來(lái)的全球變暖密切相關(guān)[1], N2O作為一種重要的溫室氣體在大氣中的濃度以年均(0.25±0.05)%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)[2], 估算對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率已達(dá)到6%以上[3], 排在CO2和CH4之后, 位列第三。現(xiàn)有的研究認(rèn)為, 淡水生態(tài)系統(tǒng)中生成的CO2、CH4和N2O主要通過(guò)水體和沉積物進(jìn)一步參與到生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[4]。全球變暖不僅會(huì)導(dǎo)致平均氣溫的升高, 還會(huì)使熱浪(Heat waves, HW)等極端天氣事件的發(fā)生頻率顯著增加[5—7]。這些事件將導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)尤其是淺水湖泊的理化性狀及其功能特征受到強(qiáng)烈影響。近年來(lái)人類活動(dòng)對(duì)湖泊的干擾加劇, 外源性的氮、磷負(fù)荷顯著增加, 致使富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)逐漸明顯, 進(jìn)而對(duì)湖泊中氮的循環(huán)及N2O排放產(chǎn)生重要影響[8]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖泊N2O交換過(guò)程的研究已有較多報(bào)道, 湖泊通常被認(rèn)為是N2O的潛在排放源。Kortelainen等[9]估算芬蘭及北方湖泊N2O的排放量分別達(dá)到0.6和29 Gg N2O-N/y, 表明N2O在這些區(qū)域具備顯著的全球變暖潛力(Global warming potential)。國(guó)內(nèi)的許多研究如太湖[10]、白洋淀[11]和鄱陽(yáng)湖[12]的N2O交換過(guò)程在監(jiān)測(cè)的絕大部分時(shí)間內(nèi)也是以排放現(xiàn)象為主。盡管湖泊N2O的排放趨勢(shì)明顯, 但在不同區(qū)域的響應(yīng)程度也存在差別。謝燕紅等[13]對(duì)內(nèi)陸水體479個(gè)湖泊N2O通量的緯度和營(yíng)養(yǎng)狀況的分析結(jié)果表明, N2O通量呈現(xiàn)隨緯度升高而降低, 隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高的變化特征。因此,區(qū)域之間的溫差及營(yíng)養(yǎng)水平的差異均會(huì)對(duì)湖泊N2O的交換產(chǎn)生顯著的影響。區(qū)域性湖泊N2O通量表現(xiàn)出與溫度及營(yíng)養(yǎng)水平之間的相關(guān)性, 但其內(nèi)在機(jī)制仍需通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究。現(xiàn)有的研究主要集中在溫帶地區(qū), 也解釋了該區(qū)域影響N2O排放規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系, 如Davidson等[4]在長(zhǎng)期運(yùn)行的控制實(shí)驗(yàn)中, 通過(guò)設(shè)置升溫和營(yíng)養(yǎng)鹽添加的交互作用觀測(cè)溫室氣體交換過(guò)程的響應(yīng)變化, 發(fā)現(xiàn)高濃度的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽添加顯著增加了系統(tǒng)內(nèi)N2O的排放量, 但升溫的直接影響卻并不顯著; Audet等[14]則在升溫與營(yíng)養(yǎng)鹽添加的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模擬夏季熱浪的控制實(shí)驗(yàn), 其結(jié)果表明N2O的排放對(duì)營(yíng)養(yǎng)水平的響應(yīng)不顯著, 而熱浪則顯著促進(jìn)了夏季N2O排放量的增長(zhǎng)。

湖泊中N2O的產(chǎn)生主要依賴于水體與沉積物的微生物過(guò)程[15,16], 主要包括硝化、反硝化、硝化-反硝化耦合和硝酸鹽異化還原為銨等作用[17,18]。一般認(rèn)為硝化作用的最適宜溫度為25—30℃, 反硝化作用的最適宜溫度在30℃以上[19]。水溫的適度升高能夠增強(qiáng)沉積物界面反硝化菌群的活性, Silvennoinen等[20]對(duì)不同溶氧與溫度條件下監(jiān)測(cè)沉積物界面反硝化作用的研究發(fā)現(xiàn)升溫能夠顯著加快反硝化的速率并且有利于反應(yīng)的完全進(jìn)行生成大量N2而降低了產(chǎn)物中N2O與N2的比值。水體中的氮營(yíng)養(yǎng)元素及其濃度變化對(duì)N2O產(chǎn)生所起到的作用已有較多研究, 氮營(yíng)養(yǎng)元素增加通常能顯著促進(jìn)N2O的排放[21]。磷營(yíng)養(yǎng)元素的增加導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化, 進(jìn)而影響N2O的產(chǎn)生過(guò)程, 但是否存在直接作用仍需進(jìn)一步探討。根據(jù)現(xiàn)有的研究推測(cè), 在升溫情景下, 水域環(huán)境中理化因子和生物因子的積極響應(yīng)能夠顯著影響N2O微生物過(guò)程, 進(jìn)而引起水-氣界面間N2O交換量的變化。例如水體中的溶氧狀況對(duì)氮素轉(zhuǎn)化途徑的影響起到直接作用[22]。水溫的升高能夠促進(jìn)沉積物中內(nèi)源性磷的釋放[23], 并且隨著外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)量輸入, 湖泊暴發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)將顯著上升。藻類的過(guò)度生長(zhǎng)將消耗掉水體中大量的溶氧, 同時(shí)若存在有機(jī)碳的外源輸入, 將影響氧氣的消耗速率, 進(jìn)而為水體創(chuàng)造出更適宜于N2O產(chǎn)生的厭氧微環(huán)境[24], 促使富營(yíng)養(yǎng)化湖泊成為氣候變化的潛在驅(qū)動(dòng)者。

我國(guó)的富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊大部分集中于長(zhǎng)江中下游地區(qū)[25], 未來(lái)氣候變化趨勢(shì)下長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中N2O的交換過(guò)程將會(huì)發(fā)生怎樣的變化, 值得密切關(guān)注。中尺度圍隔是一種適合模擬溫度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化如何影響淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)在長(zhǎng)期和不同營(yíng)養(yǎng)水平下各種物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的研究方法[26], 適宜于進(jìn)一步的探討湖泊生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在響應(yīng)機(jī)制。本研究以中尺度圍隔(Mesocosm)控制系統(tǒng)模擬21世紀(jì)末期長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型淺水湖泊變暖(恒定升溫及波動(dòng)升溫)與富營(yíng)養(yǎng)化情景, 旨在評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)水平升高、季節(jié)性溫度變化及不同變暖模式對(duì)N2O通量的影響, 探討氣候變化與富營(yíng)養(yǎng)化的交互作用下淺水湖泊水-氣界面N2O交換的響應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與系統(tǒng)構(gòu)建

中尺度圍隔控制系統(tǒng)位于湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 48個(gè)相互獨(dú)立的塑料水缸(直徑=1.5 m, 高度=1.4 m)均勻分布。控制系統(tǒng)通過(guò)3種相互聯(lián)系的組件實(shí)現(xiàn)加熱功能的穩(wěn)定運(yùn)行: 每個(gè)圍隔中都包含2個(gè)均勻放置的溫度傳感器和1個(gè)固定功率的加熱元件(600 W),及一臺(tái)全天運(yùn)行的混合潛水泵。同時(shí), 控制系統(tǒng)通過(guò)與遠(yuǎn)程電腦的連接實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)觀測(cè)與每日溫度數(shù)據(jù)云端自動(dòng)上傳的功能。本實(shí)驗(yàn)于2017年10月期間在梁子湖敞水區(qū)采集表層沉積物, 充分混合均勻后加入圍隔系統(tǒng)內(nèi), 鋪設(shè)沉積物的厚度為10 cm, 并注入深度為1 m的梁子湖水。控制系統(tǒng)內(nèi)加入湖水的初始TN濃度為0.56 mg/L, 初始TP濃度為0.065 mg/L。在準(zhǔn)備工作結(jié)束后, 待系統(tǒng)穩(wěn)定2個(gè)月后開(kāi)始實(shí)驗(yàn), 本實(shí)驗(yàn)始于2018年1月1日, 止于2018年12月31日。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括3種溫度模式與2種營(yíng)養(yǎng)鹽模式的處理, 交互后共計(jì)6個(gè)處理組, 每個(gè)處理組6個(gè)平行, 利用隨機(jī)數(shù)抽取器將實(shí)驗(yàn)的處理隨機(jī)分配至36個(gè)中尺度圍隔中。6個(gè)處理組分別表示為: 對(duì)照組(C)自然水溫, 在溫度和營(yíng)養(yǎng)水平方面模擬梁子湖的現(xiàn)有狀態(tài); 固定升溫組(T)依據(jù)RCP8.5情景, 模擬本世紀(jì)末期的升溫情況[3], 設(shè)置恒定升溫4℃; 波動(dòng)升溫組(V)在固定升溫的基礎(chǔ)上考慮溫度波動(dòng)的情形, 根據(jù)多項(xiàng)研究預(yù)測(cè)的極端氣候事件持續(xù)時(shí)間和頻率[3,27—30], 總共設(shè)定15次升溫趨勢(shì)的波動(dòng), 持續(xù)時(shí)間在2—12d, 以及17次降溫趨勢(shì)的波動(dòng), 持續(xù)時(shí)間在3—11d, 最終保持該處理總熱量輸入與恒定升溫處理一致; 磷添加組(P)是在自然水溫條件下每2周向水體中加入磷酸二氫鉀(KH2PO4) 25 μg/L(磷的添加量和頻率根據(jù)高偉等[31]及黃文鈺和許朋柱[32]的研究結(jié)果并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整, 用以模擬梁子湖的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程); 固定升溫添加磷組(TP)是在自然水溫的基礎(chǔ)上恒定升溫 4℃, 并且每2周向水體中加入KH2PO425 μg/L; 波動(dòng)升溫添加磷組(VP)是在恒定升溫 4℃同時(shí)考慮溫度波動(dòng)情景, 同時(shí)每2周向水體中加入KH2PO425 μg/L。

1.2 樣品采集與測(cè)定

實(shí)驗(yàn)期間, 1—2月每2周1次、其余月份每周1次的頻率在控制系統(tǒng)中進(jìn)行樣品采集及水體理化指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。pH、電導(dǎo)率和溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)等參數(shù)由HQ40d多功能水質(zhì)分析儀(HACH, 美國(guó))進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。利用有機(jī)玻璃柱狀采水器(長(zhǎng)度=1 m, 直徑=70 mm)取得混合水樣, 過(guò)濾水樣通過(guò)Whatman GF/C濾膜抽濾后獲得。水體中的TN、TP、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[33]進(jìn)行測(cè)定, 水體葉綠素a(Chlorophylla, Chl.a)的測(cè)定方法參照楊玉珍等[34]對(duì)“熱乙醇”法的優(yōu)化。溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)由Vario TOC總有機(jī)碳分析儀(Elementar, 德國(guó))測(cè)定。浮葉植物和沉水植物的生物量分別進(jìn)行測(cè)定,浮葉植物直接估算其蓋度, 沉水植物則估算其浸水體積(Plant volume inhabited, PVI), 具體計(jì)算公式為“PVI指數(shù)=植物蓋度×植物高度/水深”[35], 以此來(lái)反映2種類型水生植物的生物量特征。

N2O交換通量采用漂浮箱-氣相色譜法進(jìn)行分析測(cè)定。漂浮箱箱體為聚乙烯材質(zhì)的一端開(kāi)口圓桶(內(nèi)徑=45 cm, 總高度=50 cm), 箱體外部固定有質(zhì)量均勻的浮圈, 并通過(guò)固定高度使箱體的下部浸沒(méi)在水面以下約5 cm, 以此確保采樣期間箱體下部的密閉性, 漂浮箱的工作原件設(shè)有氣壓平衡管、采樣管和溫度探頭, 箱體外部均用鋁箔完全覆蓋以反射陽(yáng)光并盡量減少內(nèi)部升溫。實(shí)驗(yàn)期間, 每月中下旬選取天氣晴朗的一日于8:30—11:30完成氣體的采集工作, 具體操作步驟為每一批次氣體采集前將漂浮箱橫置3min使其與周圍空氣充分混勻, 隨后將其平穩(wěn)放置于水面并待水面靜止, 于 2min、14min和26min抽取氣體樣品共3次。第一次取樣時(shí)先進(jìn)行2次排空, 隨后再將30 mL注射器注滿, 余下2次抽取氣體樣品僅需進(jìn)行一次排空。待完成氣體樣品采集后, 于48h內(nèi)完成N2O氣體樣品的測(cè)定。具體的操作方法為: 使用帶有三通閥的 30 mL醫(yī)用注射器將10 mL氣體樣品注入至CA-6手動(dòng)氣體進(jìn)樣儀并連用GC 7890氣相色譜工作系統(tǒng)(Agilent, 美國(guó))完成測(cè)定工作, N2O濃度由電子捕獲檢測(cè)器(ECD)測(cè)得, 工作溫度設(shè)置為300℃, 利用兩根內(nèi)徑為2 mm, 長(zhǎng)度分別為1和3 m的 80—100目的Porapak Q不銹鋼分離柱完成對(duì)N2O的分離和反吹,柱箱溫度55℃, 載氣為高純 N2(純度＞99.999%), 流量為25 cm3/min。

通過(guò)計(jì)算可得到氣體濃度隨時(shí)間的變化速率(回歸曲線的斜率,為確保良好的線性關(guān)系, 僅選取R2≥0.90的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))。交換通量公式如下所示:

式中,F為N2O交換通量,M為N2O的摩爾質(zhì)量44 g/mol,P0和T0是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力和溫度,V0為目標(biāo)化合物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾體積,V/A在規(guī)則箱體中轉(zhuǎn)化為水面上方的有效箱高,P和T為采樣時(shí)箱內(nèi)的實(shí)際氣壓和氣溫, dc/dt為漂浮箱體內(nèi)N2O氣體濃度隨時(shí)間變化的斜率(ppm/h)。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)期間每一個(gè)處理組內(nèi)的月均N2O交換通量數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算, 以此表示N2O年累積交換量。若年累積交換量為負(fù)值則處理組在全年尺度上表現(xiàn)為大氣N2O的匯, 而年累積交換量為正值則處理組在全年尺度上表現(xiàn)為大氣N2O的源。年累積交換量公式如下所示:

式中,CE(Cumulative exchange)表示N2O的年累積交換量g/(m2·y),n為全年總的采樣次數(shù),Fi表示為第i月的平均N2O交換通量,ti表示為第i月的天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)季節(jié)性的變化特征將整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期具體劃分為冬季12月和1—2月, 春季3—5月,夏季6—8月和秋季9—11月。對(duì)所有的環(huán)境因子進(jìn)行月均值的處理, 對(duì)應(yīng)于N2O交換通量的月度數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析均采用R軟件(version 3.6.1)完成。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性及方差齊次性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 大部分不滿足正態(tài)分布與方差齊次性的條件, 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后仍有大部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法滿足檢驗(yàn)條件, 所以選擇多個(gè)獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)方法(Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn))檢測(cè)處理組間參數(shù)的顯著性, 測(cè)試不同時(shí)期的處理組間對(duì)控制系統(tǒng)水-氣界面N2O交換通量的影響, 并通過(guò)Spearman相關(guān)分析篩選顯著影響于水-氣界面N2O交換的環(huán)境因子并探究其影響機(jī)制。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的繪圖工作均通過(guò)GraphPad Prism軟件(version 8.0.2)制作完成。最終處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤的結(jié)果表示,統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)以P＜0.05標(biāo)注顯著差異。

2 結(jié)果

2.1 控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子的變化特征

水溫實(shí)驗(yàn)期間, 控制系統(tǒng)內(nèi)不同處理組的日均水溫變化趨勢(shì)如圖 1所示?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)T組和TP組的水溫在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間恒定高于自然水溫(C組和P組的水溫)4℃左右, 而波動(dòng)升溫的V組和VP組水溫則在固定升溫4℃的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出0—8℃的波動(dòng)變化。

圖 1 實(shí)驗(yàn)期間控制系統(tǒng)內(nèi)不同處理組的日均水溫變化趨勢(shì)Fig. 1 Daily average water temperature in different treatments in mesocosms during the whole experiment period

季節(jié)間的水溫變化趨勢(shì)明顯, 常溫的處理組(C和P)、固定升溫的處理組(T和TP)和波動(dòng)升溫的處理組(V和VP)的冬季均溫分別為(7.45±0.28)℃、(11.43±0.28)℃和(11.16±0.33)℃, 春季均溫分別為(20.16±0.47)℃、(24.19±0.48)℃和(24.27±0.48)℃,夏季均溫分別為(29.55±0.22)℃、(33.31±0.21)℃和(33.71±0.25)℃, 秋季均溫分別為(20.86±0.54)℃、(24.81±0.53)℃和(24.63±0.60)℃, 水溫總體表現(xiàn)出冬季低、夏季高和春秋兩季變化快的特征(圖 1)。

電導(dǎo)率、溶解氧和pH控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)期間電導(dǎo)率(圖 2A)的變化范圍為171.03—426.50 μS/cm,冬季的水體電導(dǎo)率高, 春季則下降至實(shí)驗(yàn)期間的最低水平, 而在夏、秋季又呈現(xiàn)出逐漸回升的趨勢(shì)。水體中DO(圖 2B)的波動(dòng)變化相對(duì)強(qiáng)烈, 處理組間的變化保持一致, DO在冬季的濃度均值為(11.50±0.37) mg/L、春季的濃度均值為(9.79±0.16) mg/L、夏季的濃度均值為(4.59±0.31) mg/L和秋季的濃度均值為(3.37±0.28) mg/L。水體pH(圖 2C)在實(shí)驗(yàn)期間的變化范圍在6.88—10.37, 總體上實(shí)驗(yàn)期間不同處理組間pH均表現(xiàn)出冬春季上升、夏秋季下降的趨勢(shì)。

碳、氮、磷含量不同處理水體中DOC含量(圖 2D)整體呈現(xiàn)春、夏季上升, 隨后秋、冬季下降的趨勢(shì), 于夏季到達(dá)峰值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)處理組間的DOC含量存在顯著差異(P＜0.01), 且C組和P組長(zhǎng)期處于較低的水平。水體中的TN(圖 2E)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間持續(xù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)性, 其變化范圍在0.19—2.16 mg/L, 而季節(jié)性的變化趨勢(shì)并不明顯(P＞0.05)。TP(圖 2F)的變化范圍在0.006—0.352 mg/L, 總體上呈現(xiàn)為隨冬、春和夏季的演替逐漸升高而后在秋季下降的變化特征。水體中(圖 2G)含量有著明顯的季節(jié)性變化特征, 冬季的含量最高, 春季相對(duì)較低,夏、秋季節(jié)緩慢升高, 且整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間處理組間的含量顯著不同(P＜0.01), 其中P組的N含量顯著低于T組(P＜0.05)和V組(P＜0.05)。水體中(圖 2H)的含量隨季節(jié)交替呈現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢(shì), 但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)處理組間的含量無(wú)顯著差異(P＞0.05)。

藻類與水生植物的變化在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間,控制系統(tǒng)中處理組間的水體Chl.a含量(圖 2I)在夏秋季節(jié)均顯著升高, 同時(shí)C組的Chl.a含量顯著低于T組(P＜0.05)、P組(P＜0.05)和VP組(P＜0.01)。系統(tǒng)中沉水植物與浮葉植物的季節(jié)性變化特征如表 1所示, 沉水植物的優(yōu)勢(shì)種為菹草(Potamogeton crispus),主要出現(xiàn)于冬、春季節(jié), 沉水植物PVI指數(shù)(冬春)的變化范圍為0—91.29%, 均值為(44.69±2.25)%, 處理組間在冬季的沉水植物PVI指數(shù)顯著不同(P＜0.01),表現(xiàn)為C和P組低于T、TP、V和VP組; 而在春季,處理組間沉水植物PVI指數(shù)無(wú)顯著差異(P＞0.05)。此外, 系統(tǒng)中的浮葉植物主要為菱(Trapa bispinosaRoxb.)和芡實(shí)(Euryale ferox), 生長(zhǎng)期集中于夏秋2個(gè)季節(jié), 浮葉植物蓋度(夏秋)為0—98.33%, 均值為(25.35±2.15)%, 處理組間在夏、秋季的浮葉植物蓋度均表現(xiàn)為P組＞C組＞T組＞V組＞TP組＞VP組。

2.2 控制系統(tǒng)內(nèi)處理組間N2O交換通量的變化特征

N2O交換通量的季節(jié)性變化十分顯著。冬季各處理組均表現(xiàn)為N2O吸收, 控制系統(tǒng)內(nèi)所有的處理組均表現(xiàn)為N2O的匯; 春季N2O交換通量與全年的變化趨勢(shì)一致, C組、T組和V組呈現(xiàn)出N2O從水體向大氣排放, 而P組、TP和VP組則呈現(xiàn)為水體吸收大氣中的N2O, 其中T組的N2O交換通量顯著高于P組(P＜0.05)和TP組(P＜0.05); 夏季期間N2O在水-氣界面間的交換過(guò)程更為復(fù)雜, T和TP組表現(xiàn)為水體向大氣吸收N2O的狀態(tài), 而C、V、P和VP組則表現(xiàn)為水體向大氣排放N2O的狀態(tài); 秋季控制系統(tǒng)內(nèi)(特別是升溫的T組和V組)水-氣界面間N2O的交換則表現(xiàn)出十分強(qiáng)烈的排放現(xiàn)象(圖 3)。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明(表 2), V組的全年平均N2O交換通量顯著高于添加了磷營(yíng)養(yǎng)鹽的P組(P＜0.01)、TP組(P＜0.05)和VP組(P＜0.05), 表現(xiàn)出添加磷營(yíng)養(yǎng)鹽之后控制系統(tǒng)內(nèi)水-氣界面N2O的排放量顯著減少,這與水-氣界面N2O年累積交換量得到的結(jié)果相一致(圖 4), C、T和V組的N2O年累積交換量分別為0.0039、0.0094和0.0200 g/(m2·y), 而P組、TP組和VP組的N2O年累積交換量分別為–0.0049、–0.0065和–0.0018 g/(m2·y), 磷營(yíng)養(yǎng)鹽的添加促進(jìn)控制系統(tǒng)內(nèi)水-氣界面間N2O由排放向吸收的轉(zhuǎn)換。

2.3 控制系統(tǒng)內(nèi)處理組間N2O交換通量與不同環(huán)境因子的相關(guān)性分析

圖 2 控制系統(tǒng)內(nèi)處理組間環(huán)境因子的季節(jié)性變化特征Fig. 2 Seasonal variation of environmental factors between experimental treatments in the mesocosms

表 1 實(shí)驗(yàn)期間控制系統(tǒng)內(nèi)不同處理的沉水植物PVI指數(shù)和浮葉植物蓋度的季節(jié)性變化特征(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab. 1 Submerged plant PVI index and floating-leaf plant coverage of each treatment in mesocosms during the different seasons (Mean±SD)

3 討論

3.1 升溫對(duì)水-氣界面N2O交換的影響

現(xiàn)有的研究表明, 淺水泊生態(tài)系統(tǒng)中N2O的生成與排放過(guò)程均會(huì)受到水溫升高的顯著影響。例如當(dāng)水溫高于5℃時(shí), 沉積物界面的反硝化菌群活性與自然水溫表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性[36]。水體中N2O的飽和溶解度也會(huì)隨著溫度的升高而降低, 這可能有利于水-氣界面N2O排放量的增加[37]。本研究的結(jié)果顯示, 處理組間N2O交換通量的季節(jié)性變化十分顯著, 6個(gè)處理組在冬季均表現(xiàn)為N2O由水體向大氣的吸收, 而其他季節(jié)(尤其是T和V組)則主要表現(xiàn)為N2O由水體向大氣的釋放。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明(表 2), 整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間V組的年均N2O交換通量顯著高于添加磷營(yíng)養(yǎng)鹽的各處理組, 而恒定升溫與波動(dòng)升溫處理中水-氣界面N2O年累積交換量也相對(duì)較高。這種效應(yīng)與代謝理論具有一致性, 代謝理論認(rèn)為溫度升高與溫室氣體排放速率的增加有顯著相關(guān)性[38,39]。Soued等[40]對(duì)加拿大魁北克地區(qū)不同類型水體的N2O交換通量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)并結(jié)合全球區(qū)域性湖、庫(kù)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 總體上熱帶地區(qū)的年N2O排放量最高, 分別是溫帶地區(qū)的10倍和寒帶地區(qū)的23倍, 表明溫度是影響N2O排放的一個(gè)重要因素。對(duì)北歐地區(qū)的湖泊[8,41]、我國(guó)太湖[42]及三峽水庫(kù)[43]等水體N2O季節(jié)性排放規(guī)律的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn), N2O的排放量在平均水溫更高的夏、秋季要高于處于全年平均水溫最低時(shí)候的冬季。在近期的一項(xiàng)控制實(shí)驗(yàn)中也得到類似結(jié)果, Audet等[14]在長(zhǎng)期運(yùn)行的控制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)模擬夏季熱浪會(huì)顯著促進(jìn)溫室氣體(尤其是CH4和N2O)的排放。進(jìn)一步說(shuō)明水溫的升高通常能夠?qū)此wN2O的排放起到促進(jìn)作用。

圖 3 控制系統(tǒng)內(nèi)不同處理N2O交換通量的月度變化特征Fig. 3 Monthly N2O fluxes of each treatment in the mesocosms

表 2 控制系統(tǒng)內(nèi)不同季節(jié)N2O交換通量的組間變化特征(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab. 2 N2O fluxes of each treatment in mesocosms during the different experiment periods (Mean±SD)

圖 4 控制系統(tǒng)中不同處理水-氣界面間N2O年累積交換量Fig. 4 Total annual N2O flux in water-air interface of different treatments in the mesocosms

3.2 磷添加對(duì)水-氣界面N2O交換的影響

有研究表明, 富營(yíng)養(yǎng)鈣質(zhì)湖泊的N2O含量與CH4含量分布特征類似, 均呈較高的濃度水平[44],表明湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與溫室氣體濃度關(guān)系密切, 進(jìn)一步說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化可能導(dǎo)致溫室氣體排放量的增加, 而在本研究中所得到的結(jié)果與其不同, 表現(xiàn)為磷營(yíng)養(yǎng)鹽的添加反而引起了N2O排放量的降低。究其原因, 磷添加對(duì)于N2O交換過(guò)程的影響仍存在許多不確定性。N2O的產(chǎn)生首要受到水體中氮循環(huán)的限制[45], 但有關(guān)氮素循環(huán)中產(chǎn)生N2O的過(guò)程受到的影響因素十分復(fù)雜, 其中與本研究相關(guān)的主要討論磷添加對(duì)于湖泊水體N2O產(chǎn)生速率和排放量的結(jié)果仍有待進(jìn)一步補(bǔ)充。而現(xiàn)有的陸地生態(tài)系統(tǒng)中磷元素添加對(duì)N2O排放影響的研究結(jié)果表明, 磷驅(qū)動(dòng)N2O排放減少的主要機(jī)制是由于磷的高有效性使植物增強(qiáng)了對(duì)土壤中氮的吸收, 降低了硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌反應(yīng)過(guò)程中氮的有效性,從而抑制了N2O的排放[46]。此外, Zheng等[47]的研究發(fā)現(xiàn)在熱帶森林中長(zhǎng)期增加磷元素可能會(huì)使N2O的排放減少。盡管水域環(huán)境與陸地之間存在極大的差異性, 但仍可提供一定的參照, 依據(jù)現(xiàn)有的研究推測(cè)可能是由于磷營(yíng)養(yǎng)鹽的增加對(duì)水生植物與浮游植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用, 初級(jí)生產(chǎn)者的大量生長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)氮的利用, 導(dǎo)致水體中氮營(yíng)養(yǎng)元素水平降低, 從而降低了控制系統(tǒng)內(nèi)水-氣界面間N2O的交換量。

表 3 整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間不同處理組的N2O交換通量與環(huán)境因子的Spearman相關(guān)性分析Tab. 3 Spearman correlation analysis of N2O fluxes and environmental factors during the whole experiment period

3.3 升溫與磷添加交互作用對(duì)水-氣界面N2O交換的影響

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果表明, 升溫與磷添加顯著促進(jìn)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間電導(dǎo)率、pH、DOC和TN含量的升高, 而顯著抑制了浮葉植物的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明, N2O生成與消耗的過(guò)程與溶解氧、有機(jī)物含量、pH、溫度和無(wú)機(jī)氮可利用性等多重環(huán)境因素的調(diào)節(jié)密切相關(guān)[48]。本研究中控制系統(tǒng)水-氣界面N2O交換通量與升溫與磷添加交互作用下的DO、和沉水植物PVI指數(shù)(冬春)等環(huán)境因子具有顯著的相關(guān)性。不同的環(huán)境因子在控制系統(tǒng)內(nèi)受到升溫與磷添加的交互作用而表征出十分顯著的變化。同時(shí), 環(huán)境因子對(duì)于溫度和磷營(yíng)養(yǎng)鹽的迅速響應(yīng)將進(jìn)一步改變湖泊水體N2O的交換過(guò)程。

Kortelainen等[9]在芬蘭87個(gè)湖泊中發(fā)現(xiàn)N2O含量在pH為6.5左右時(shí)最高, 這反映了水體中N2O累積的適宜pH。且有研究表明N2O還原酶更適宜在較高的pH環(huán)境中生存[49], 因此在偏堿性的水體中可能更易于消耗掉N2O。在本研究中, 升溫與磷添加交互作用的影響下絕大多數(shù)時(shí)間水體pH表現(xiàn)為中偏堿性狀態(tài), 水體并未處于N2O生成過(guò)程中最適宜的pH范圍之內(nèi), 這很可能導(dǎo)致水體中N2O的生成過(guò)程受到抑制。

DO是平衡水體中硝化和反硝化反應(yīng)的重要環(huán)境因子, 影響水體中N2O的產(chǎn)生過(guò)程[50], 有研究表明湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的N2O排放通量與水深和DO濃度具有顯著的相關(guān)關(guān)系, 在水深較淺的區(qū)域, DO濃度相對(duì)較高, 因而湖濱帶的N2O排放量通常最高[51]。此外, 對(duì)氧氣需求相反的硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌在整個(gè)氮素循環(huán)中均起到重要作用, 因而N2O產(chǎn)生速率與DO的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜[52], 在本研究中N2O交換通量與DO顯著負(fù)相關(guān), 控制系統(tǒng)內(nèi)冬、春季的DO濃度高于夏、秋季, 較高的DO濃度能夠抑制水體中的反硝化作用[12]。因此, 在本研究期間, 控制系統(tǒng)內(nèi)冬、春季水-氣界面間N2O主要吸收趨勢(shì)為主, 而在夏、秋季則表現(xiàn)出漸強(qiáng)的N2O排放趨勢(shì)。

控制系統(tǒng)內(nèi)N2O交換通量與TN含量的相關(guān)性并不顯著, 而與TP、顯著正相關(guān), 與N顯著負(fù)相關(guān)。這可能是由于水體中TP含量高的富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊會(huì)導(dǎo)致有關(guān)反硝化細(xì)菌代謝需求的N和P比例發(fā)生變化, 進(jìn)而影響反硝化過(guò)程和N2O的生成[13], 由此可能改變水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài), 減弱湖泊應(yīng)對(duì)氣候變化的前哨作用[53]。我們的研究結(jié)果顯示, 升溫能夠顯著提升水體中的含量并且促進(jìn)水-氣界面間N2O的交換, 而添加磷營(yíng)養(yǎng)鹽則表現(xiàn)出對(duì)水體中含量和N2O交換通量顯著的抑制作用。以上表明無(wú)機(jī)氮是N2O生成過(guò)程中重要的環(huán)境因子, 但在氣候變化的趨勢(shì)下對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)水-氣界面間N2O交換的響應(yīng)機(jī)制發(fā)生了變化。

水體DOC含量能夠反映有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)積累過(guò)程[54], 本實(shí)驗(yàn)期間觀察到夏季水體中DOC的含量顯著高于其他季節(jié), 同時(shí)Chl.a的含量亦顯著增加, 表明隨季節(jié)交替控制系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)質(zhì)逐漸積累并且浮游植物的密度逐步升高。初級(jí)生產(chǎn)者本身即是有機(jī)質(zhì)的載體, 同時(shí)也會(huì)顯著影響控制系統(tǒng)內(nèi)的生物地球化學(xué)循環(huán)。Forshay和Dodson[55]發(fā)現(xiàn)在水生植物的生長(zhǎng)過(guò)程中沉水植被豐富的沉積物比無(wú)沉水植被的沉積物具有更高的反硝化速率, 其原因是有沉水植物的沉積物在反硝化過(guò)程中不會(huì)受到碳的限制。在本研究中, 控制系統(tǒng)內(nèi)沉水植物同樣對(duì)沉積物-水界面間N2O的生成產(chǎn)生顯著促進(jìn)作用。水生植物衰亡后產(chǎn)生的大量凋落物也能為硝化細(xì)菌提供充足的碳源和豐富的底物, 亦有利于N2O的生成和排放[56]。控制系統(tǒng)內(nèi)沉水植物與浮葉植物隨季節(jié)的交替, 整個(gè)生命周期內(nèi)有機(jī)質(zhì)不斷積累。因此, N2O交換通量與DOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系表明有機(jī)質(zhì)積累促進(jìn)了沉積物界面N2O的生成。

4 結(jié)論

(1)升溫顯著促進(jìn)了水-氣界面間N2O的排放,表現(xiàn)出與代謝理論的一致性, 而不同的升溫模式間N2O的交換過(guò)程無(wú)明顯差異。(2)磷的添加對(duì)水-氣界面間N2O的排放過(guò)程表現(xiàn)出明顯的抑制作用, 其原因可能是磷的添加促進(jìn)了初級(jí)生產(chǎn)者的生長(zhǎng), 提高了水體環(huán)境中氮的利用。N2O的年累積交換量進(jìn)一步表明, 磷的添加改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)水-氣界面間N2O的源匯轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)。(3)升溫與磷營(yíng)養(yǎng)鹽交互作用下環(huán)境因子與N2O交換通量有著顯著的相關(guān)關(guān)系, 控制系統(tǒng)內(nèi)和沉水植物PVI指數(shù)(冬春)表現(xiàn)為顯著正相關(guān), DO、表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。(4)水-氣界面間N2O的通量與無(wú)機(jī)氮含量顯著相關(guān), 而升溫與磷添加的交互作用下N2O均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),較高的TP含量可能影響反硝化代謝過(guò)程中更為適宜的N和P比例, 導(dǎo)致水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生改變, 進(jìn)而削弱水-氣界面N2O的排放。(5)初級(jí)生產(chǎn)者是有機(jī)質(zhì)的主要載體, 升溫及與磷營(yíng)養(yǎng)鹽添加的交互作用顯著促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)者的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)期間隨著季節(jié)的交替, 有機(jī)質(zhì)逐漸積累, 水-氣界面間N2O的排放也顯著強(qiáng)烈。