湖泊和水庫氧化亞氮通量分析

謝燕紅,張 彌*,肖 薇,王 偉,李旭輝,卞 航

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湖泊和水庫氧化亞氮通量分析

謝燕紅1,2,張 彌1,2*,肖 薇1,2,王 偉1,2,李旭輝1,2,卞 航1,2

(1.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

內(nèi)陸水體中,湖泊與水庫作為重要的N2O潛在排放源,在氮循環(huán)中扮演著重要的角色.通過調(diào)研文獻(xiàn),在獲取全球479個(gè)湖泊和83個(gè)水庫N2O通量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,主要分析了湖泊和水庫所處的緯度、面積、深度以及營養(yǎng)狀況4個(gè)因素對(duì)N2O通量的影響,并估算全球湖泊和水庫N2O年總通量.結(jié)果表明,湖泊和水庫表現(xiàn)為N2O的源,湖泊N2O平均通量[(3.21±5.71)μmol/(m2?d)]低于水庫N2O平均通量[(20.82±113.94)μmol/(m2?d)].在全年尺度上,湖泊和水庫N2O通量隨緯度增加呈下降的趨勢(shì);湖泊N2O平均通量隨著面積的增加而增加,水庫N2O平均通量隨著面積的增加而下降;深水湖泊的N2O通量大于淺水湖泊;富營養(yǎng)湖泊及水庫的N2O通量高于貧營養(yǎng)湖泊及水庫.湖泊和水庫N2O年平均總通量分別為0.12和0.06Tg N/a,占到內(nèi)陸水體N2O排放的12%和7%.

湖泊；水庫；N2O通量；影響因子；N2O年通量

N2O作為第3大溫室氣體,其百年增溫潛勢(shì)是當(dāng)量CO2的298倍[1],同時(shí)還是消耗平流層臭氧的重要物質(zhì)[2].由于化學(xué)氮肥的大量使用,大量的氮(N)進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng),使得水生生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存的N增多[3-4].全球湖泊和水庫的面積為3.0×106~4.8×106km2[5-7],占到內(nèi)陸水體的83%~89%.并且,這兩類水體作為內(nèi)陸水體最終的氮匯聚地,被認(rèn)為是N2O潛在的排放源.因此,湖泊和水庫向大氣中釋放的N2O受到了重點(diǎn)的關(guān)注.

目前,對(duì)湖泊和水庫N2O通量進(jìn)行了大量的研究.Mccrackin等[4]在2011年首次利用模型和IPCC方法估算得出全球湖泊和水庫N2O平均排放量達(dá)到0.6Tg N/a,但該研究的估算方法只考慮了大氣N輸入對(duì)湖泊和水庫N2O排放的影響,并沒有包括農(nóng)田氮肥徑流和污水輸入的影響,因而估計(jì)值可能偏低.也有學(xué)者通過文獻(xiàn)調(diào)研的方式對(duì)全球湖泊或者水庫的N2O排放進(jìn)行了估計(jì),但由于并沒有考慮湖泊及水庫N2O的時(shí)間代表性問題,可能導(dǎo)致其估計(jì)值偏差較大[8-9].因此,在對(duì)全球湖泊及水庫N2O排放進(jìn)行估算時(shí)還存在不確定性,需要考慮湖泊、水庫的空間及時(shí)間的代表性.

水體N2O主要是由微生物的硝化和反硝化過程產(chǎn)生,并通過擴(kuò)散途徑釋放到大氣中[10],在其產(chǎn)生和排放過程中會(huì)受到諸多因子的影響.對(duì)于單個(gè)湖泊和水庫,N2O主要受到水體物理化學(xué)參數(shù)的影響.研究表明,N2O濃度與水溫、含氮無機(jī)鹽(DIN、NO3-、NH4+)呈正比,與溶解氧(DO)、pH呈反比[11-12].在全球尺度上,不同湖泊和水庫的地理位置、形態(tài)特征以及營養(yǎng)狀況的不同差異可能決定著N2O的排放量.因此,在全球尺度上,得到影響湖泊與水庫N2O排放的因素成為準(zhǔn)確估算全球湖泊及水庫N2O排放的關(guān)鍵問題.

本文基于文獻(xiàn)調(diào)研,在收集全球不同區(qū)域湖泊與水庫N2O排放通量數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析湖泊和水庫所處緯度、形態(tài)特征(面積和深度)、營養(yǎng)狀況對(duì)N2O通量的影響;并對(duì)全球湖泊和水庫N2O排放量進(jìn)行估算,通過與河流、濕地等水生生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放量進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而評(píng)價(jià)湖泊和水庫在內(nèi)陸水體N2O排放中的水平.從而為全球不同水體的N2O排放的準(zhǔn)確估算提供基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及特征描述

本文通過調(diào)研已發(fā)表的文獻(xiàn),獲取湖泊和水庫N2O通量的直接測(cè)量數(shù)據(jù).共篩選了43篇文獻(xiàn),包括479個(gè)湖泊和83個(gè)水庫,其分布見圖1(詳細(xì)信息見表1和表2),可以看出選取的湖泊和水庫主要集中在北美、歐洲和中國這3個(gè)地區(qū),緯度跨度為70°S~70°N.調(diào)研的北半球的湖泊和水庫為549個(gè),南半球的湖泊和水庫為12個(gè).參考Soued等[9]對(duì)湖泊的緯度劃分,本文調(diào)研的湖泊和水庫位于熱帶地區(qū)(緯度<24°)的有23個(gè),占到調(diào)研湖泊和水庫總數(shù)的4%;位于溫帶地區(qū)(緯度在24°~55°之間)有451個(gè),占到調(diào)研湖泊和水庫總數(shù)的80%;位于高緯度地區(qū)(緯度>55o)有88個(gè),占到調(diào)研湖泊和水庫總數(shù)的16%.

本文選取的文獻(xiàn)測(cè)定湖泊和水庫N2O通量的方法有2種:箱式法和頂空平衡法,分別占到40%和60%.篩選的湖泊和水庫中,觀測(cè)時(shí)間最早從1977年,最新至2017年;最短為1個(gè)月,最長(zhǎng)為7a,具有全年觀測(cè)的占到29%.空間采樣點(diǎn)最少有1個(gè),最多有29個(gè),其中,觀測(cè)點(diǎn)數(shù)>3的占到30%左右.

圖1 本文選取湖泊及水庫的地理位置

不同符號(hào)代表位置比較集中的湖泊

1.2 數(shù)據(jù)提取與處理

1.2.1 湖泊和水庫N2O通量數(shù)據(jù)提取及處理 本文篩選的湖泊和水庫的N2O通量既有全年的平均值,又有不同季節(jié)的平均值(表1、表2).具有全年觀測(cè)的湖泊有116個(gè),占到調(diào)研湖泊的24%.其中102個(gè)湖泊包含在12個(gè)區(qū)域內(nèi),文獻(xiàn)僅給出該12個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的N2O平均通量,故在之后的結(jié)果分析中用該12個(gè)平均觀測(cè)值代表對(duì)應(yīng)區(qū)域的湖泊[28];另外14個(gè)湖泊具有其各自的年N2O通量,其中太湖和Dendre stone pit lake的年N2O通量通過4個(gè)季節(jié)平均獲得[19,29],Muskegon Lake的年N2O通量通過月平均獲得[23],Lake Neusiedl的年N2O通量通過月份和空間平均獲得[27],其余均是文獻(xiàn)中給出的年平均值.對(duì)于進(jìn)行季節(jié)觀測(cè)的湖泊,Lake Huahu的N2O通量通過空間平均獲得[21],其余也均是文獻(xiàn)中給出的平均值.

表1 湖泊的地理位置及觀測(cè)時(shí)間

續(xù)表1

續(xù)表1

表2 水庫的地理位置及觀測(cè)時(shí)間

續(xù)表2

續(xù)表2

全年觀測(cè)的水庫有49個(gè),占到調(diào)研水庫的60%.其中Lake Wivenhoe、Lake Baroon和Little Nerang Dam的年N2O通量通過4個(gè)季節(jié)平均獲得[35], Harsha Lake的年N2O通量通過月份和空間平均獲得[45],玉渡山水庫的年N2O通量通過季節(jié)和空間平均獲得[47],其余均是文獻(xiàn)中給出的年平均值.對(duì)于季節(jié)觀測(cè)的水庫,Lake Lungern、High C reservoir site、Medium C reservoir site和Low C reservoir site的N2O通量通過日平均獲得[49-50],Gold Creek Reservoir的N2O通量通過空間平均獲得[10],2nd Baoshan、Liyutan和Tsengwen的N2O通量通過月和空間平均獲得[40],其余是文獻(xiàn)中給出的平均值.

在調(diào)研的湖泊中,Great Lakes和Lake Baldegg給出N2O通量范圍,本文用所給范圍值中最大值和最小值的平均值代替[24,26];Muskegon Lake、Lake Neusiedl和玉渡山水庫的通量數(shù)據(jù)以圖的方式給出[23,27,47],本文用Get Data Graph Digitizer軟件提取所需數(shù)據(jù);另有在加拿大Québec地區(qū)、中國天津市、北美五大湖地區(qū)、愛爾蘭地區(qū)以及英國的Upper Thurne catchment分別進(jìn)行了多個(gè)湖泊的觀測(cè),但只給出了區(qū)域的平均值,本文用平均值來代替這5個(gè)區(qū)域湖泊的N2O通量[9,22,24,28,30-31];有3個(gè)湖泊(太湖、鄱陽湖和Lake Daming)、加拿大Québec地區(qū)湖泊以及1個(gè)水庫(三峽水庫)出現(xiàn)了重復(fù)觀測(cè),本文選取采樣點(diǎn)更多和觀測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)的來代表該湖泊(區(qū)域湖泊)或水庫的N2O通量,但是對(duì)于有不同季節(jié)觀測(cè)的,會(huì)保留以便于體現(xiàn)季節(jié)變化對(duì)N2O通量的影響[9,12-13,15-20,28,42];對(duì)于在湖濱帶測(cè)量得到的N2O通量,只選取了長(zhǎng)期淹水區(qū)域的數(shù)值[21,48].

盡管具有季節(jié)觀測(cè)的湖泊和水庫占到71%,但由于N2O通量存在季節(jié)差異[17,29,43],因此,主要對(duì)具有全年觀測(cè)的湖泊和水庫N2O通量進(jìn)行探討,并用全年觀測(cè)得到的數(shù)值進(jìn)行全球估算.

1.2.2 湖泊和水庫特征數(shù)據(jù)提取及處理 除了統(tǒng)計(jì)湖泊和水庫的N2O通量外,本文還收集了湖泊和水庫的地理位置信息、面積、容量、滯留時(shí)間、水庫庫齡、深度(包括平均深度和最大深度)、水溫、營養(yǎng)狀態(tài).對(duì)于文獻(xiàn)沒有提及的,通過其研究相關(guān)的文獻(xiàn)或相關(guān)網(wǎng)站獲取.對(duì)于仍無法獲取經(jīng)緯度的湖泊或水庫,選擇用其所在地區(qū)的經(jīng)緯度信息代替.

基于Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)湖泊和水庫的N2O通量均不符合正態(tài)分布,因此在結(jié)果部分不同面積、深度以及營養(yǎng)狀態(tài)對(duì)N2O通量的影響均采用非參數(shù)檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊和水庫N2O通量

基于篩選,本文得到34個(gè)湖泊站點(diǎn)年N2O通量數(shù)據(jù)(表3),得出N2O通量的變化范圍為-5.32~ 21.28μmol/(m2?d),平均值為(3.21±5.71)μmol/(m2?d).其中,71%的數(shù)值為正,說明湖泊主要表現(xiàn)為N2O的源;29%的數(shù)值為負(fù),說明有小部分湖泊表現(xiàn)為N2O的匯,其原因可能是這部分湖泊的N2O處在極其厭氧的環(huán)境下被進(jìn)一步還原成N2,或是由于NO3-濃度水平受到限制,抑制反硝化速率,進(jìn)而影響N2O產(chǎn)生,N2O濃度在水中的濃度減小,從而導(dǎo)致N2O從大氣進(jìn)入水體.不同于自然湖泊,水庫作為人工水體,受到人類的干擾更大,基于50個(gè)水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù)(表4),N2O通量數(shù)值波動(dòng)較大,變化范圍為-2.50~ 815.50μmol/(m2?d),平均值(20.82±113.74)μmol/ (m2?d),98%是正通量,說明水庫也主要是N2O的源.綜上所述,水庫N2O通量變化范圍較湖泊的大,并且水庫的N2O平均通量也高于湖泊的N2O平均通量.

表3 開展全年觀測(cè)的湖泊N2O平均通量

表4 開展全年觀測(cè)的水庫N2O平均通量

2.2 影響 N2O通量的因素

2.2.1 緯度對(duì)N2O通量的影響 從圖2(a)可以看出:將文獻(xiàn)調(diào)研的所有數(shù)據(jù),包括全年、不同季節(jié)的數(shù)據(jù)與緯度建立關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著緯度的增加,湖泊N2O通量的變化趨勢(shì)不明顯,N2O通量在-5.46~ 38.70μmol/(m2?d)范圍內(nèi).由于對(duì)湖泊N2O通量的觀測(cè)主要集中在夏季和全年,分析緯度對(duì)湖泊夏季和全年N2O通量的影響發(fā)現(xiàn):北半球湖泊夏季N2O通量與緯度呈線性減小(2=0.34,<0.05,=13)[圖2(b)].圖2(b)中圈出來的點(diǎn)是由74個(gè)湖泊的N2O通量數(shù)值平均獲得,這74個(gè)湖泊的N2O通量隨緯度增加呈指數(shù)遞減(2=0.13,<0.001,=74).基于湖泊全年的數(shù)值,在北半球N2O通量與緯度也存在著較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.21,<0.01,=33)[圖2(c)].

(a)~(c)分別代表湖泊所有時(shí)間段、夏季、全年;(d)~(f)分別代表水庫所有時(shí)間段、夏季、全年

對(duì)水庫的分析與湖泊相似,將所有調(diào)研數(shù)據(jù)與緯度建立關(guān)系時(shí),水庫N2O通量隨著緯度的增加也并無明顯的變化趨勢(shì),N2O通量的范圍為-3.18~ 815.50 μmol/(m2?d)[圖2(d)].相比湖泊,夏季水庫N2O通量并未隨緯度增加而有明顯的變化趨勢(shì)[圖2(e)];全年水庫N2O通量盡管隨緯度增加呈下降的趨勢(shì)[圖2(f)],但是在北緯40o附近,出現(xiàn)兩個(gè)較高的值.

2.2.2 面積對(duì)N2O通量的影響 基于湖泊和水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù),湖泊和水庫面積大小范圍分別為0.03~3210km2和0.5~4318km2.參照Downing等[6]的研究對(duì)湖泊和水庫面積大小的分級(jí),分成6個(gè)等級(jí)(<0.1km2、0.1~1km2、1~10km2、10~100km2、100~ 1000km2和>1000km2).圖3(a)、3(b)所示,湖泊N2O通量最低出現(xiàn)在0.1~1km2范圍內(nèi),為(2.15± 3.06)μmol/(m2?d),最高值出現(xiàn)在面積>1000km2范圍內(nèi),為(7.77+8.65)μmol/(m2?d);湖泊面積大于0.1km2后,N2O通量隨湖泊面積增加而增加,但不同面積大小等級(jí)之間的N2O通量并無顯著差異.

(a)湖泊,(b)水庫;不同字母表示差異顯著(<0.05),相同字母表示差異不顯著

水庫N2O通量最低出現(xiàn)在面積>1000km2范圍內(nèi),為(1.25±2.10)μmol/(m2?d),最高值出現(xiàn)在1~10km2范圍內(nèi),為(173.72±321.33)μmol/(m2?d);水庫面積大于1km2后,隨著水庫面積的增加,N2O通量呈下降的趨勢(shì),但不同面積大小等級(jí)之間的N2O通量也并無顯著差異.

2.2.3 深度對(duì)N2O通量的影響 根據(jù)明尼蘇達(dá)州污染控制機(jī)構(gòu)給出的標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為當(dāng)湖泊最大深度<4.6m時(shí),為淺水湖泊.基于獲取的湖泊和水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù),本文將最大深度￡4.6m的湖泊及水庫歸為淺水湖泊及水庫,將最大深度>4.6m的湖泊及水庫歸為深水湖泊及水庫.深水湖泊的平均N2O通量[(5.22±6.41)μmol/(m2?d)]要大于淺水湖泊[(2.26± 2.64)μmol/(m2?d)], 但二者差異并不顯著(圖4);由于本文統(tǒng)計(jì)到的淺水水庫最大深度的樣本量小于3,因此并未對(duì)水庫進(jìn)行分析.

圖4 湖泊N2O通量隨深度的變化

不同字母表示差異顯著(<0.05),相同字母表示差異不顯著

2.2.4 營養(yǎng)狀態(tài)對(duì)N2O通量的影響 根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研的湖泊和水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù),湖泊和水庫營養(yǎng)狀態(tài)有4種:貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、中富營養(yǎng)和富營養(yǎng).由于在調(diào)研的湖泊與水庫中只有1個(gè)水庫是中富營養(yǎng),因此在后面的結(jié)果與分析中沒有考慮.如圖5(a)所示,雖然湖泊N2O平均通量是中營養(yǎng)湖泊[(11.62± 10.87)μmol/(m2?d)]>富營養(yǎng)湖泊[(3.89±5.24)μmol/ (m2?d)]>貧營養(yǎng)湖泊[(0.75±1.21)μmol/(m2?d)],但不同富營養(yǎng)程度之間無明顯差異.對(duì)于水庫 [圖5(b)], N2O通量平均值是富營養(yǎng)水庫[(109.63±285.62) μmol/(m2?d)]>中營養(yǎng)水庫[(3.28±0.64)μmol/(m2?d)]>貧營養(yǎng)水庫[(1.73±0.98)μmol/(m2?d)],但其相互之間也沒有顯著性差異.

(a)湖泊, (b)水庫; 不同字母表示差異顯著(<0.05),相同字母表示差異不顯著

2.3 估算全球湖泊和水庫N2O年通量

基于湖泊和水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù)得到的N2O平均通量值,即(3.21±5.71)μmol/(m2?d)和(20.82±113.94)μmol/ (m2?d),再根據(jù)文獻(xiàn)得出的全球湖泊和水庫的面積,分別為2.7×106~4.5×106km2[5-7]和0.3×106km2[52],按平年(=365d)計(jì)算,最后估算得出全球湖泊和水庫N2O年總通量分別為0.09~0.15Tg N/a和0.06Tg N/a.

3 討論

3.1 湖泊和水庫N2O通量的對(duì)比

水生生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存的氮主要有以下3個(gè)過程:反硝化過程、沉淀到底泥以及被水生植物吸收.其中,反硝化作用是最主要的機(jī)制[53],即大部分的N會(huì)以N2O或N2的形式釋放到大氣中.相對(duì)于湖泊,由于水庫具有更高的徑流系數(shù)和N表觀沉降速度,以及更大的N平均負(fù)荷率,使得水庫單位面積上每年儲(chǔ)存的N要大于湖泊的N[54].由于水庫有更多的可利用N,更有利于發(fā)生反硝化作用[55],進(jìn)而導(dǎo)致水庫N2O平均通量要大于湖泊的N2O平均通量.本研究結(jié)果與此一致,即水庫的N2O通量高于湖泊.

3.2 湖泊和水庫N2O通量的影響因子

對(duì)于湖泊夏季、全年以及水庫全年,N2O通量均隨著緯度的增加而呈下降的趨勢(shì).即緯度是N2O變化的影響因子,這主要是因?yàn)榫暥戎苯佑绊憸囟?溫度的改變導(dǎo)致N2O通量的變化.但本文調(diào)研的湖泊(包括水庫)N2O通量與水溫卻不相關(guān)(=0.04,=0.78,=62),這說明N2O排放還受到其他因素的影響.由于低緯度地區(qū)湖泊和水庫的N平均表觀沉降速度要高于高緯度地區(qū),表明低緯度地區(qū)湖泊和水庫保留的N比高緯度地區(qū)的多[54],再加上低緯度地區(qū)的溫度高于高緯度地區(qū),更有利于硝化和反硝化過程,進(jìn)而使得低緯度地區(qū)湖泊和水庫N2O通量要高于高緯度地區(qū).由于本文提取到的南半球湖泊和水庫較少,南半球湖泊和水庫N2O通量與緯度的關(guān)系并不明顯[圖2(a)、2(d)].

湖泊及水庫面積的大小,決定了湖泊及水庫與周圍生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的交換量.在全球尺度上,小型湖泊和水庫單位面積上每年儲(chǔ)存的N要大于大型湖泊和水庫[54],并且每年由反硝化過程釋放的N也要大于大型湖泊和水庫[55],因此小型湖泊和水庫單位面積上產(chǎn)生的N2O可能要比大型湖泊和水庫的多.本文得出小型水庫的N2O平均通量高于大型水庫的結(jié)論與上述解釋一致.對(duì)于湖泊而言,由于面積在1~10km2范圍的湖泊中,Lake Baldegg的N2O通量主要由數(shù)值范圍的最大值和最小值平均獲得[26],面積在1~10km2和100~1000km2范圍的湖泊中,Muskegon Lake和Lake Neusiedl的N2O通量是通過提取數(shù)據(jù)的平均獲得[23,27],會(huì)導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生一定的不確定性;面積>1000km2的湖泊主要來自于中國大型的富營養(yǎng)湖泊,根據(jù)2.2.4結(jié)果可知富營養(yǎng)湖泊具有較高的N2O通量,從而導(dǎo)致湖泊N2O通量與面積的關(guān)系與之前的研究不相符,因此湖泊N2O通量與水域面積的關(guān)系還會(huì)受到湖泊富營養(yǎng)化程度的影響.

本文分析發(fā)現(xiàn),深水湖泊的N2O通量大于淺水湖泊,即深水湖泊有利于N2O的產(chǎn)生和排放.對(duì)于深、淺水湖泊,一個(gè)很重要的區(qū)別在于水體溶解氧含量,即湖泊深度越接近底泥,溶解氧越低.對(duì)于淺水湖泊,溶解氧含量較高,有利于硝化作用的發(fā)生,而由深水湖泊營造的厭氧環(huán)境則更有利于反硝化作用[56].盡管極厭氧環(huán)境下,N2O反而會(huì)被消耗而生成N2[57],且N的去除與湖泊的平均深度呈負(fù)相關(guān)[58],但在深水湖泊,N2O除了主要由底泥產(chǎn)生外[26],也有研究發(fā)現(xiàn)變溫層是N2O的第二個(gè)源,并且這部分N2O是由硝化作用產(chǎn)生[59],因此可能使得深水湖泊釋放的N2O通量較高.

總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a是評(píng)價(jià)湖泊和水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)的重要指標(biāo).其中,與N2O直接相關(guān)的是TN.研究表明N2O濃度與TN呈正相關(guān)[11,32].但也有研究發(fā)現(xiàn)在TP濃度較低的情況下,反硝化速率反而更快[56].Knowles等[60]發(fā)現(xiàn)一個(gè)N:P比較低即TP濃度高的富營養(yǎng)化湖泊可能會(huì)使得細(xì)菌的反硝化代謝所需的N和P比例失衡,進(jìn)而影響反硝化速率.本文得出中營養(yǎng)湖泊的N2O通量具有相對(duì)較高的水平,說明這些湖泊TN和TP濃度比例可能更有利于N2O的產(chǎn)生.貧營養(yǎng)湖泊和水庫由于受到N的限制使得到的N2O通量最低,這與其他研究一致[32].

3.3 與相關(guān)研究的比較

本文調(diào)研得到的湖泊N2O通量值為(3.21± 5.71)μmol/(m2?d),年通量為0.12(0.09~0.15)Tg N/a (表5).水庫的N2O通量為(20.82±113.94)μmol/(m2?d),年通量為0.06Tg N/a,由于本文是在Deemer等[8]的研究基礎(chǔ)上再增加了水庫的樣本量,并且采用的是水庫站點(diǎn)年數(shù)據(jù),因而得到的N2O通量的平均值相對(duì)較大,估算的N2O排放量是Deemer等[8]得出的排放量值的兩倍.整合湖泊和水庫得到N2O通量的平均值為12.02μmol/(m2?d),年通量為0.4~0.6Tg N/a,與McCrackin等[4]得到的均值(0.6Tg N/a)比較相近,但由于其采用的是IPCC方法計(jì)算得到的結(jié)果,在使用IPCC方法時(shí),沒有針對(duì)湖泊的排放系數(shù),且給出的排放系數(shù)為0.0075,不確定性范圍較大(0.0005~0.025之間),得到的估算值可能也會(huì)存在較大的不確定性.本文得到的湖泊和水庫N2O年排放量與Soued等[9]得到的結(jié)果接近.

根據(jù)表5,相比于其他水生生態(tài)系統(tǒng),湖泊N2O通量值相對(duì)偏低,尤其對(duì)比河流,湖泊N2O通量低了20倍左右,而水庫N2O通量則處于一個(gè)相對(duì)較高的水平.對(duì)于年排放量,湖泊和水庫N2O年排放量均低于濕地、河口、大陸架以及海洋的排放量.對(duì)于河流N2O排放量的計(jì)算既有單純文獻(xiàn)調(diào)研的方式得到的數(shù)值[9],又有通過模型或IPCC方法計(jì)算得到[3,61-66].由表5可知,本文得到的湖泊N2O排放量與Soued等[9]得到的河流排放的值相當(dāng),但與用模型或IPCC方法得到的排放量相比又處于較低水平.

表5 不同水生生態(tài)系統(tǒng)N2O通量的比較

基于表5不同水生生態(tài)系統(tǒng)的N2O年排放量(湖泊和水庫均用的是本文得到的值,河流采用的是平均值),本文計(jì)算得出湖泊排放的N2O占到內(nèi)陸水體排放的12%,水庫占7%.即在內(nèi)陸水體,湖泊和水庫N2O排放占19%.在計(jì)算總的內(nèi)陸水體排放量時(shí),忽略了池塘這部分小型水體的排放量,因而該比例被高估.如果考慮小型水體的排放量,湖泊和水庫所占比例可能會(huì)降低.此外,根據(jù)Dowing等[6]和Lehner等[52]的估算,全球有3.0×108個(gè)湖泊,1.67×108個(gè)水庫,而本文通過文獻(xiàn)調(diào)研到479個(gè)湖泊和83個(gè)水庫,約占全球湖泊的1.58×10-4%,全球水庫的4.97×10-5%.盡管所占的比例較小,但本文調(diào)研的湖泊和水庫位于中高緯度地區(qū)的占到調(diào)研總數(shù)的90%以上,且包括了熱帶及亞熱帶的湖泊,因而仍具有一定的代表性.由于文獻(xiàn)調(diào)研的方式存在很大的不確定性,因此需要建立模型得出更精確的結(jié)果.

在本文調(diào)研的文獻(xiàn)中采用箱式法和頂空平衡法觀測(cè)N2O通量的比例比較接近,并且有觀測(cè)得到N2O在水體里面是以擴(kuò)散方式為主[10],因而本文在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),并沒有考慮觀測(cè)方法的問題,而假定這兩種方法之間是沒有顯著差異的.但也有研究表明水平衡法得到的通量要低估箱式法得到的通量[70],因而觀測(cè)方法的不同仍會(huì)增加N2O通量及排放值估算的誤差.因此,在之后的研究中需要考慮觀測(cè)方法帶來的不確定性.

4 結(jié)論

4.1 湖泊和水庫均主要表現(xiàn)為N2O的源,湖泊N2O通量的變化范圍較水庫的小,其N2O通量的平均值[(3.21±5.71)μmol/(m2?d)]小于水庫的N2O通量[(20.82±113.94)μmol/(m2?d)].湖泊N2O年總通量為0.12Tg N/a,水庫N2O年總通量為0.06Tg N/a,湖泊和水庫N2O年排放量均低于其他水生生態(tài)系統(tǒng)的排放量;通過計(jì)算,湖泊和水庫N2O排放分別占到內(nèi)陸水體排放的12%和7%.

4.2 在年尺度上,無論是湖泊還是水庫的N2O通量,都隨著緯度的增加而呈下降的趨勢(shì).湖泊N2O通量隨著面積大小等級(jí)的增加而增加,而水庫N2O通量隨著面積大小等級(jí)的增加而降低;深水湖泊N2O通量大于淺水湖泊;不同營養(yǎng)狀態(tài)湖泊和水庫的N2O平均通量均無顯著差異.

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致謝：感謝University of Oslo的Dr. Yang Hong提供了北歐74個(gè)湖泊詳細(xì)的經(jīng)緯度、面積、深度、TN、TP和N2O通量數(shù)據(jù).

Analysis of nitrous oxide flux from lakes and reservoirs.

XIE Yan-hong1,2, ZHANG Mi1,2*, XIAO Wei1,2, WANG Wei1,2, LI Xu-hui1,2, BIAN Hang1,2

(1.Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2018,38(9)：3481~3493

Among inland water bodies, lakes and reservoirs are potential N2O sources and play important roles in nitrogen cycle. Based on the N2O flux data of 479 lakes and 83 reservoirs collected from published literatures, the influences of the latitude, area, depth and trophic status of the lakes and reservoirs were analyzed, and the global mean total N2O flux from lakes and reservoirs was estimated. The results indicated that most lakes and reservoirs acted as N2O sources. The mean N2O flux from lakes [(3.21±5.71)μmol/(m2?d)] was lower than that from reservoirs [(20.82±113.94)μmol/(m2?d)]. At the annual temporal scale, N2O flux from lakes and reservoirs decreased with increasing latitude. The N2O flux from lakes increased with increasing area, but opposite for reservoirs. The N2O flux over deep lakes were larger than those over shallow lakes. The N2O flux over eutrophic lakes and reservoirs were higher with comparison to oligotrophic lakes and reservoirs. The annual mean total N2O flux from lakes and reservoirs were 0.12 and 0.06Tg N/a, respectively, and accounted for 12% and 7% of the total N2O emission from inland waters.

lakes；reservoirs；N2O flux；impact factors；annual N2O flux

X511

A

1000-6923(2018)09-3481-13

謝燕紅(1992-),女,廣西桂林人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要研究方向是地–氣溫室氣體交換.發(fā)表論文2篇.

2018-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41575141,41475147);國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(41505005)

* 責(zé)任作者, 講師, zhangm.80@nuist.edu.cn