閩江河口養(yǎng)蝦塘沉積物氧化亞氮產(chǎn)生及影響因素研究

金寶石，閆鴻遠，楊 平，曾從盛

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閩江河口養(yǎng)蝦塘沉積物氧化亞氮產(chǎn)生及影響因素研究

金寶石1,2，閆鴻遠1，楊 平2，曾從盛2※

（1. 安慶師范大學資源環(huán)境學院，安慶 246011；2. 福建師范大學地理科學學院，福州 350007）

氧化亞氮（N2O）是一種重要的痕量溫室氣體，對全球氣溫升高和酸雨形成起著重要作用，并對臭氧層造成嚴重損害。水產(chǎn)養(yǎng)殖是N2O的潛在釋放源，該研究以中國東南沿海的閩江河口濕地圍墾養(yǎng)蝦塘為研究對象，采用過程抑制法，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗區(qū)分N2O不同產(chǎn)生過程及其對沉積物N2O總產(chǎn)生速率的貢獻，在此基礎上分析沉積物理化性質對N2O產(chǎn)生的影響。結果表明：養(yǎng)蝦塘沉積物N2O總產(chǎn)生速率在養(yǎng)殖初期、中期和末期的均值分別為1.80、5.95和8.70 nmol/(kg·h)，其中硝化作用、反硝化作用、硝化細菌反硝化作用和非生物作用的貢獻率均值分別為?162.04%、327.52%、?239.45%和90.27%，從而得出結論：反硝化作用和非生物作用是產(chǎn)生沉積物N2O的主要來源，硝化作用和硝化細菌反硝化作用則對沉積物N2O的產(chǎn)生有所削弱；養(yǎng)蝦塘沉積物N2O總產(chǎn)生速率在高溫低鹽條件下最大，在低溫高鹽條件下出現(xiàn)最小值，總體呈現(xiàn)隨著溫度升高而增加，隨著鹽度升高而降低的趨勢；相關分析表明N2O總產(chǎn)生速率與總碳（total carbon，TC）、土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、NH4+-N含量和C∶N比均呈顯著正相關關系，而在其不同產(chǎn)生過程中僅有非生物過程受到TC、SOC含量的顯著影響。

氧化亞氮；排放控制；產(chǎn)生過程；圍墾養(yǎng)殖；閩江河口；影響因素

0 引 言

氧化亞氮（N2O）是3種重要的溫室氣體之一，百年尺度上其增溫潛能約為CO2的265倍[1]。據(jù)估算，2016年全球大氣N2O濃度已增至328.9×10-9，是工業(yè)化前水平（270×10-9）的122 %，且目前仍以每年0.25%～0.30%的速率增長[1]。N2O濃度的增加導致地表及海洋表面平均溫度上升，進而導致海冰減少、海平面上升以及一系列極端氣候問題的發(fā)生，并會引起酸雨形成和對臭氧層造成嚴重損害[2]。而水產(chǎn)養(yǎng)殖中，由于人為定時定量施加餌料，養(yǎng)殖水體的高氮負荷促進了N2O排放，從而成為N2O的潛在釋放源。據(jù)估算，2009年全球水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的N2O排放量達到0.19 Tg，2030年將達到1.01 Tg，相當于海洋排放量的17%[3]。目前中國沿海地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖面積已達12 099.52 km2[4]，其規(guī)模及增加速率均居世界首位，是中國海岸帶重要的土地利用類型之一，故養(yǎng)殖區(qū)N2O的釋放對于大氣中溫室氣體濃度的影響不容忽視。近些年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)N2O釋放已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關注，Yang等[5]在閩江口圍墾養(yǎng)蝦塘和魚蝦混養(yǎng)塘測得N2O排放通量均值分別為0.24和0.27mol/(m2·h)，宋紅麗等[6]在黃河口養(yǎng)蝦塘測得N2O排放通量均值分別為0.06mol/(m2·h)，另外南京農(nóng)業(yè)大學實驗基地的蟹-魚復合養(yǎng)殖塘N2O排放通量達到1.09mol/(m2·h)[7]，但這些研究主要側重于水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的水-氣界面N2O交換通量，而關于沉積物N2O產(chǎn)生的研究鮮見報道。因此，有必要在已有研究的基礎上，進一步開展水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的N2O產(chǎn)生過程及其釋放研究?；诖耍疚囊灾袊鴸|南沿海的閩江河口濕地圍墾養(yǎng)蝦塘為研究對象，采用過程抑制法，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗區(qū)分沉積物的N2O不同產(chǎn)生過程及其影響機制，以便不斷完善水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體清單的編制工作，并為減少溫室氣體排放提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

福建閩江河口潮灘濕地位于119°34′12″～119°40′40″E，26°00′36″～26°03′42″N，地處中亞熱帶和南亞熱帶海洋性季風氣候的過渡區(qū)，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫和降水量分別為19.3 ℃和1 380 mm，該區(qū)域分布有眾多的水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)。選擇3個典型的對蝦養(yǎng)蝦塘，每個養(yǎng)蝦塘均由灘涂濕地圍墾而成，且養(yǎng)殖年限相近，養(yǎng)殖水域養(yǎng)殖面積大約為7 500 m2，平均水深1.25 m，水體鹽度為5‰左右。這些養(yǎng)蝦塘通常是在5月底至6月初投放蝦苗，10月中下旬將蝦全部收獲后養(yǎng)殖結束，養(yǎng)殖品種均為南美白對蝦（）。養(yǎng)殖期間，每天向養(yǎng)蝦塘投放人工配合餌料，養(yǎng)分組成如下：蛋白質42%、粗灰分15.0%、水分 11%、粗脂肪4.0%、粗纖維3.0%、賴氨酸2.3%、鈣1.0%～3.0%、總磷1.0%、食鹽0.5%～2.5%。日投餌量約為蝦體質量的3%～10%，具體餌料投放量根據(jù)蝦的生長及攝食情況進行調(diào)整。待10月底對蝦全部收獲之后開始曬塘和消毒處理，養(yǎng)殖塘每隔3～5 a進行沉積物清淤。

1.2 研究方法

1.2.1 沉積物采集及其理化性質測定

鑒于對蝦養(yǎng)殖周期情況，本研究分別在養(yǎng)殖初期（6月中旬）、養(yǎng)殖中期（8月中旬）、養(yǎng)殖末期（10月上旬）完成養(yǎng)殖塘沉積物的野外采集以及相關環(huán)境參數(shù)觀測。土壤pH值采用便攜式pH計（STARTER 300，USA）測定（水土比為5:1）；電導率采用便攜式電導計（2265FS，USA）測定（水土比為5:1）；TC和TN采用元素分析儀測定；沉積物NH4＋-N、NO3－-N含量用2 mol/L的KCl浸提后通過連續(xù)流動分析儀（SKALAR SAN++，Netherlands）測定；土壤粒徑采用激光粒度分析儀（Master Sizer 2000，UK）測定，按國際分類方法分為黏粒（<2m)、粉粒（2～20m）和砂粒（>20m）。

1.2.2 試驗方法與計算

1）試驗方法：試驗采用Wrage 等[8]報道的研究方法，即通過氣體抑制劑來區(qū)分N2O的不同產(chǎn)生過程及其貢獻（表1）。稱取10 g左右過2 mm孔篩的供試土樣（3個養(yǎng)殖塘（各取3個樣，最后取其平均值代表該養(yǎng)殖塘）、3個不同養(yǎng)殖期（初期、中期和末期）、4種處理，共108份）放入300 mL的血清瓶中，添加適量的去離子水調(diào)整到100%田間持水量，置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)瓶中預培養(yǎng)24 h后，按照表1所列的4種處理，分別對土樣不添加任何氣體作空白對照、添加不同濃度的C2H2、O2及兩者混合氣體，然后在0、6和24 h抽取定量氣體，立刻用氣相色譜儀（GC-2014，Japan）測定N2O含量。根據(jù)養(yǎng)蝦塘鹽度和養(yǎng)殖期溫度的變化范圍，設置2個鹽度（3‰、8‰）和3個溫度梯度（20、25、30 ℃），稱取6種供試沉積物樣品，設3個重復進行空白對照處理和3種氣體抑制劑添加（共72份），以研究鹽度、溫度以及兩者的交互作用對養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生過程的影響。

表1 抑制劑對沉積物N2O產(chǎn)生過程的影響

注：＋表示此過程可以發(fā)生，－表示此過程被抑制。

Note: + shows process can take place, －shows process is blocked.

2）不同過程N2O產(chǎn)生速率的計算方法：

N2ONi=N2OO?N2OCO；N2ODe=N2OCH?N2OCO；

N2OOS=N2OCO；

N2OND=N2OCK?N2ONi?N2ODe?N2OOS

=N2OCK?N2OCH?N2OO+N2OCO

式中下標Ni、De、ND和OS分別為表1中所列的各種N2O產(chǎn)生過程；下標CK、CH、O和CO分別為表1中所列的添加不同氣體抑制劑以區(qū)分N2O產(chǎn)生過程的各種處理。計算結果為正值表示該過程釋放N2O，負值則表示存在其他過程與該過程產(chǎn)生競爭反應基質，使得該過程表現(xiàn)為吸收N2O；另外，不同過程N2O貢獻率為該過程N2O產(chǎn)生速率與總產(chǎn)生速率比值[9]。

3）N2O產(chǎn)生速率的計算：測定4種不同處理的0、6和24 h培養(yǎng)瓶中氣體N2O濃度（L/L），根據(jù)下式計算沉積物的N2O產(chǎn)生速率[9]

式中為N2O產(chǎn)生速率，L/(L·h)；d/d為培養(yǎng)瓶中氣體N2O濃度隨時間的變化速率，L/(L·h)；為培養(yǎng)瓶中上方氣體的體積，L；為沉積物干質量，g；M為N2O的摩爾質量，g/mol；M為標準狀態(tài)下1 mol氣體的體積（22.4 L/mol）；為培養(yǎng)溫度，K。其中，一組N2O濃度變化數(shù)據(jù)只有在其關于時間的線性函數(shù)的回歸系數(shù)2>0.80時才視為有效。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007和Origin8.0軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理和繪圖；運用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件中的單因素方差分析和差異性檢驗進行不同樣品間的比較，Pearson相關分析分析沉積物理化性質對N2O產(chǎn)生的影響。

2 結果與分析

2.1 沉積物理化性質

養(yǎng)蝦塘沉積物理化性質分析表明（表2），pH值在各養(yǎng)殖期沒有顯著性差異（>0.05），容重則在養(yǎng)殖末期顯著高于養(yǎng)殖初期和中期（<0.05），電導率、含水率和孔隙度在養(yǎng)殖中期和末期顯著高于養(yǎng)殖初期（<0.05），沉積物粒徑方面僅有黏粒組成在養(yǎng)殖中期和末期存在顯著差異（<0.05）。沉積物SOC、TC含量和C∶N均表現(xiàn)為養(yǎng)殖中期和末期顯著高于養(yǎng)殖初期（<0.05）。TN在養(yǎng)殖中期顯著高于養(yǎng)殖初期，NH4＋-N則在養(yǎng)殖末期顯著高于養(yǎng)殖初期和中期，NOX--N則在養(yǎng)殖末期顯著高于養(yǎng)殖中期（<0.05）。

表2 養(yǎng)蝦塘沉積物的理化性質

注：同行不同小寫字母表示在<0.05上差異顯著。

Note: Means followed by the different letters at the same row were significantly different at the 5% level.

2.2 沉積物N2O產(chǎn)生過程及貢獻分析

不同處理下養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生速率如表3所示，未添加氣體（CK）的沉積物N2O產(chǎn)生即總產(chǎn)生速率（NTP）變化于1.80～8.70 nmol/(kg·h)，均值為5.48 nmol/(kg·h)，方差分析表明養(yǎng)殖末期的沉積物N2O總產(chǎn)生速率顯著（<0.05）高于養(yǎng)殖中期和初期，養(yǎng)殖中期又顯著高于養(yǎng)殖初期（<0.05）。添加低濃度C2H2的沉積物N2O產(chǎn)生速率變化于10.58～12.53 nmol/(kg·h)，均值為11.29 nmol/(kg·h)，時間上表現(xiàn)為養(yǎng)殖中期顯著高于養(yǎng)殖初期和末期（<0.05）。添加高濃度O2的沉積物N2O產(chǎn)生速率變化于?1.30～?6.17 nmol/(kg·h)，均值為?3.12 nmol/(kg·h)，添加低濃度C2H2和高濃度O2混合氣體的沉積物N2O產(chǎn)生速率變化于0.64～2.44 nmol/(kg·h)，均值1.84 nmol/(kg·h)，均呈現(xiàn)養(yǎng)殖末期極顯著低于養(yǎng)殖初期和中期（<0.01）。根據(jù)不同處理下沉積物N2O產(chǎn)生速率可計算得到不同過程的N2O產(chǎn)生速率如圖1所示。

表3 不同處理的養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生速率

注：同行不同小寫字母表示在<0.05上差異顯著。

Note: Means followed by the different letters at the same row were significantly different at the 5% level.

注：圖中小寫字母表示不同養(yǎng)殖期各產(chǎn)生過程在P<0.05上差異顯著。NTP 為N2O總產(chǎn)生速率。

根據(jù)N2O各產(chǎn)生過程的產(chǎn)生速率可計算出它對總產(chǎn)生速率的貢獻，其中硝化作用（Ni）表現(xiàn)為削弱作用，其貢獻率變化于?116.41%～?250.96%，均值為?162.04%；反硝化作用（De）是沉積物N2O的主要產(chǎn)生過程，其貢獻率變化于226.19%～502.88%，均值為327.52%；硝化細菌反硝化作用（ND）大部分表現(xiàn)為削弱作用，削弱貢獻變化于?144.17%～?334.74%，均值為?239.45%，在養(yǎng)殖末期均表現(xiàn)為促進作用，平均貢獻率達到45.36%；非生物作用（OS）均表現(xiàn)為促進作用，貢獻率變化于53.09%～140.97%，均值為90.27%。由此可見，閩江河口養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生速率主要來源于反硝化作用和非生物作用，而硝化作用和硝化細菌反硝化作用主要起到削弱作用。

相關分析表明（表4），養(yǎng)蝦塘沉積物N2O總產(chǎn)生速率與硝化作用呈極顯著負相關（<0.01），與反硝化作用和硝化細菌反硝化作用分別呈現(xiàn)極顯著（<0.01）和顯著（<0.05）正相關；此外，硝化作用與反硝化作用和硝化細菌反硝化作用分別呈現(xiàn)極顯著（<0.01）和顯著（<0.05）負相關，硝化細菌反硝化作用與非生物作用表現(xiàn)極顯著負相關（<0.01）。

表4 沉積物N2O不同產(chǎn)生過程間相關分析

注：**. 在0.01 水平（雙側）上顯著相關，*. 在 0.05 水平（雙側）上顯著相關。下同。

Note: *, ** Significant at< 0.05 and< 0.01, respectively. Same as below.

2.3 溫度和鹽度對沉積物N2O產(chǎn)生的影響

如圖2所示，沉積物N2O總產(chǎn)生速率在高溫（30 ℃）低鹽（3‰）條件下取得最大值（8.91 nmol/(kg·h)），而最小值（4.09 nmol/(kg·h)）出現(xiàn)低溫（20 ℃）高鹽（8‰）條件下。另外，低鹽和高鹽條件下，沉積物N2O總產(chǎn)生速率均表現(xiàn)為30 ℃>25 ℃>20 ℃，但低鹽條件下溫度之間差異性不顯著（>0.05），而高鹽條件下30與20 ℃之間存在顯著差異（<0.05）。而在3種溫度（20、25、30 ℃）條件下，沉積物N2O總產(chǎn)生速率在低鹽度3‰時均顯著高于高鹽度8‰（<0.05）。雙因素方差分析表明（表5），對沉積物N2O總產(chǎn)生速率，僅有鹽度存在顯著影響（<0.05）；對N2O的各產(chǎn)生過程，鹽度均產(chǎn)生顯著（<0.05）或極顯著（<0.01）影響，而溫度未產(chǎn)生顯著影響（>0.05）；溫度及鹽度的交互作用分別對硝化細菌反硝化和非生物作用產(chǎn)生顯著影響（<0.05）。

圖2 溫度和鹽度對養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生過程的交互影響

表5 溫度和鹽度交互作用下N2O產(chǎn)生速率與產(chǎn)生過程的方差分析

2.4 沉積物N2O產(chǎn)生與理化性質相關分析

養(yǎng)蝦塘沉積物理化性質對N2O總產(chǎn)生速率和產(chǎn)生過程的影響如表6所示，其中NTP與TC、SOC含量和C: N比呈顯著正相關（<0.05），與NH4+-N含量呈極顯著正相關（<0.01）；在不同產(chǎn)生過程中僅有非生物過程受到TC、SOC含量的顯著影響（<0.05）。

表6 N2O產(chǎn)生與沉積物理化性質的相關分析

3 討 論

3.1 養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生速率與產(chǎn)生過程

本研究中，閩江河口養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生速率于0.75～9.53 nmol/(kg·h)范圍內(nèi)，均值為5.48 nmol/(kg·h)；表現(xiàn)為N2O釋放源。相關研究表明，閩江河口短葉茳芏濕地和互花米草濕地土壤N2O的總產(chǎn)生速率分別為?0.51和38. 38 nmol/(kg·h)[10]。與此相比較，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動不同程度地增加和減少了濱海濕地沉積物產(chǎn)生與釋放N2O。但是，相對于黃河口不同恢復階段濕地土壤各土層的N2O總產(chǎn)生速率（0.02～9.75 nmol/kg/h）而言[9]，則增加了N2O的釋放。此外，研究中N2O總產(chǎn)生速率和各產(chǎn)生過程均存在變化范圍較大的問題，一方面是由于試驗中N2O是濃度非常低，儀器測定結果存在一些波動；另一方面可能與養(yǎng)殖塘沉積物的重復樣品的處理方法有關。因此，在以后的研究中應該提高儀器的穩(wěn)定性和樣品處理的科學性，同時加強數(shù)據(jù)處理分析，增強數(shù)據(jù)的可釋性。

多數(shù)研究認為，硝化作用和反硝化作用是土壤N2O產(chǎn)生的主要過程。黃國宏等[11]用乙炔抑制技術證明了，在農(nóng)田土壤含水量較高的情況下N2O產(chǎn)生主要來自反硝化過程，含水量較低時N2O主要是通過硝化過程產(chǎn)生，而在中等含水量條件下，土壤微生物硝化和反硝化過程產(chǎn)生的N2O相當。這主要是因為土壤的水分狀況可以影響其氧分壓和通氣狀況，進而影響到好氣性硝化細菌的活性。本研究表明，養(yǎng)蝦塘沉積物N2O來源于反硝化作用，這主要是由于培養(yǎng)試驗中設置的較高含水量，使得沉積物處于厭氧環(huán)境，從而有利反硝化過程進行；同時，試驗中較高的水分條件會對硝化作用產(chǎn)生一定的抑制作用，從而使得絕大多數(shù)結果表現(xiàn)為較大的削弱作用，僅有個別情況，硝化作用對沉積物N2O產(chǎn)生有貢獻。張樹蘭等[12]發(fā)現(xiàn)，土壤水分含量為80%時會抑制硝化作用進行；Allen等[13]也發(fā)現(xiàn)，濕地土壤總硝化速率與濕度呈顯著負相關。

硝化細菌反硝化作用作為硝化作用的一個特殊過程，在高的氨或銨鹽含量、低碳低氧含量以及低pH值環(huán)境下有利于硝化細菌反硝化的進行，Wrage等[14]通過18O-15N雙同位素標記法和乙炔抑制法測得硝化細菌反硝化對土壤N2O生成的貢獻分別為44%和40%。然而，Webster和Hopkins[15]研究發(fā)現(xiàn)，在草原砂質土壤中硝化細菌反硝化產(chǎn)生的N2O與土壤水分顯著相關，在低含水量條件下，它對土壤N2O產(chǎn)生的貢獻率高達29%，而在較高含水量時，它對土壤N2O產(chǎn)生的貢獻率僅有3%。本研究中，硝化細菌反硝化作用大部分表現(xiàn)為削弱作用，削弱貢獻變化于?144.17%～?334.74%，均值為?239.45%，但在養(yǎng)殖末期均表現(xiàn)為促進作用，平均貢獻率達到45.36%，這可能是由于養(yǎng)殖末期沉積物的氨態(tài)氮含量較高，從而有利于硝化細菌反硝化的進行。因此，硝化細菌反硝化作用也應作為養(yǎng)蝦塘沉積物的N2O排放的一個重要產(chǎn)生過程，同時其作用又存在極大的不確定性，需要在以后的研究中對硝化細菌反硝化的發(fā)生條件及其貢獻進行更深入的研究。

與生物作用相比，非生物作用下沉積物產(chǎn)生N2O的研究相對較少，但是它對N2O產(chǎn)生的貢獻卻不可忽視。Wrage等[8]認為，在特定情況下沒有微生物參與的化學反硝化可產(chǎn)生少量的N2O。通常，化學反硝化只有在pH值較低時才被作為N2O的一個產(chǎn)生源而加以考慮，且該過程產(chǎn)生的氣體中N2O量最少，也遠小于硝化或反硝化過程產(chǎn)生的N2O量[16]。Remde和Conrad[17]研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為4的土漿中產(chǎn)生的N2O有6%來自于化學反硝化，Ding 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，化學反硝化對不同施肥處理的砂壤土N2O排放的貢獻介于6.7%～12.7%。然而，孫文廣等[9]研究黃河口濕地N2O產(chǎn)生的結果表明，非生物作用在不同恢復階段濕地土壤的貢獻高達93.38%、229.36%和1194.56%，并認為這與研究區(qū)的高活性鐵有關。本研究中，非生物作用對沉積物N2O產(chǎn)生速率也起著重要作用，平均貢獻率達到90.27%，這可能也與養(yǎng)蝦塘沉積物的高活性鐵有關。相關研究表明，閩江河口圍墾3和15 a的養(yǎng)蝦塘沉積物的Fe2+質量分數(shù)分別為15.44和14.92 g/kg，極顯著高于天然濕地土壤中質量分數(shù)（4.35 g/kg）[19]。此外，非生物作用的貢獻率也與乙炔對生物作用的不完全抑制有關，這樣會使得一部分由生物作用產(chǎn)生的N2O被歸為非生物作用了[12]。

3.2 溫度和鹽度對養(yǎng)蝦塘沉積物N2O產(chǎn)生的影響

溫度主要是通過影響硝化細菌和反硝化細菌活性和代謝活動，進而影響沉積物N2O的產(chǎn)生過程和產(chǎn)生速率。研究表明，硝化細菌生長的適宜溫度范圍是20～35 ℃，低于15 ℃或高于50 ℃硝化作用基本停止，而反硝化作用可在較寬的溫度范圍（5～70 ℃）內(nèi)進行，且隨溫度的升高而增強，但溫度過高或過低均會對其產(chǎn)生抑制作用[20]；另外，不同溫度條件下沉積物有機質分解和氮礦化的過程差異明顯，從而使得N2O產(chǎn)生速率差異較大。本研究表明，2種鹽度下沉積物的N2O總產(chǎn)生速率均在30 ℃時取得最大值，在20 ℃取得最低值，同時溫度對不同鹽度下沉積物N2O產(chǎn)生過程的響應程度存一定差異。首先，作為N2O的主要產(chǎn)生過程，反硝化作用均在25 ℃取得最大值，而在20和30 ℃時，處于明顯抑制狀態(tài)，進一步表明25 ℃是反硝化作用的最適宜溫度[21]；其次，硝化細菌反硝化作用也都在25 ℃取得最大值，這與黃河口濕地土壤的研究結果一致[14]；另外，非生物過程均在30 ℃取得最大值，從而成為N2O產(chǎn)生的重要來源，這可能與化學反硝化中沒有微生物的參與有關，從而沒有受到高溫的抑制。

鹽度作為環(huán)境因子影響著河口濕地沉積物氮轉化過程和氮的釋放。汪旭明[22]認為，鹽度一方面是通過生理機制改變沉積物氮的釋放量，從而影響硝化細菌和反硝化細菌活性，進而影響硝化和反硝化作用的N2O產(chǎn)生速率；另一方面是通過物理化學機制改變沉積物中銨的吸收與釋放，進而影響硝化反硝化作用。關于鹽度對潮汐濕地N2O排放通量的研究存在不確定性，多數(shù)研究認為N2O排放通量表現(xiàn)出隨鹽度增加而減小[13,22]；Marton等[23]研究發(fā)現(xiàn)，Satilla河潮汐洪泛平原土壤的N2O產(chǎn)生速率隨鹽度增加而增大；還有研究表明，鹽度的增加對河口濕地N2O產(chǎn)生和排放無顯著的影響[10,24]。本研究表明，不同溫度條件下沉積物的N2O總產(chǎn)生速率均表現(xiàn)為低鹽（3‰）較高于高鹽（8‰），說明鹽度對不同溫度條件下沉積物N2O產(chǎn)生過程的響應程度基本一致。其中，作為N2O的主要產(chǎn)生過程，反硝化作用均表現(xiàn)為低鹽高于高鹽，且硝化作用的削弱作用具有同樣的特征，由此表明鹽度對硝化反硝化過程具有一定的抑制作用，進一步證實了本研究區(qū)其他相關研究[22]。硝化細菌反硝化作用在20和25 ℃時均為低鹽高于高鹽，但在30 ℃時出現(xiàn)相反的結果，由此表明，鹽度對不同溫度條件下硝化細菌反硝化作用的影響存在一定差異。

3.3 養(yǎng)蝦塘沉積物理化性質對N2O產(chǎn)生的影響

養(yǎng)蝦塘沉積物中含有的大量有機質，而豐富的碳源可以增強微生物活性、促進厭氧環(huán)境的形成，從而有利于N2O的產(chǎn)生。本研究中，TC含量與N2O總產(chǎn)生速率、非生物作用均呈現(xiàn)顯著正相關（表6），Chen等[25]在研究中國南方紅樹林沼澤的N2O排放通量也得出沉積物TC含量的影響呈顯著正相關。此外，SOC含量與N2O總產(chǎn)生速率和非生物作用也呈顯著正相關（表6），在其他水生生態(tài)系統(tǒng)研究中，多數(shù)表明N2O的產(chǎn)生和排放與有機質含量成正相關，雖然有機質中可利用有機碳一般較低，但沉積物中有機碳分解12%就能提供反硝化所需的碳源，因此反硝化速率隨著有機碳含量增加而加快。

無機氮是N2O生成過程的最主要驅動因素之一，多數(shù)研究表明水體無機氮濃度與水生生態(tài)系統(tǒng)N2O的產(chǎn)生與排放成正相關。如地中海Rhone河口水體中可利用性NH4+-N可以解釋72%的硝化速率變化[26]，Webster等[15]研究發(fā)現(xiàn)，澳大利亞Krisbane河口紅樹林沉積物的N2O排放速率與其NH4+-N含量顯著正相關。本研究結果進一步證實了以上結論，養(yǎng)蝦塘沉積物N2O總產(chǎn)生速率與NH4+-N呈極顯著正相關，但與NO3--N總體上相關性不顯著，且存在一定的顯著負相關性，同樣的結果也出現(xiàn)在閩江河口濕地其他相關研究中[22]。研究表明，當每千克土壤中NO3--N含量大于25 mg時，土壤的反硝化作用就不再受NO3--N含量影響，其強度主要取決于有機質等其他影響的因素[27]。如Beaulieu等[21]研究美國72條源頭溪流的N2O排放時發(fā)現(xiàn)，來自反硝化作用的N2O產(chǎn)量并沒有隨著NO3--N濃度上升而增加；方芳等[28]應用乙炔抑制－培養(yǎng)法在研究水分、溫度、碳源和氮源等要素對三峽庫區(qū)土壤的N2O產(chǎn)量和反硝化作用的影響時發(fā)現(xiàn)，外加氮源為NO3--N時，反硝化速率隨氮源量的增加有減小的趨勢，過多的硝態(tài)氮會抑制反硝化作用。

此外，C∶N比也是影響N2O產(chǎn)生的重要因素，一般土壤微生物的最適C∶N比為25～30，若比值高于該值，有機質分解緩慢，微生物活性較弱，N2O釋放受到抑制，反之則可促進N2O排放[21]，如Baggs等[29]研究農(nóng)田土壤在施入作物殘渣后對N2O排放的影響時發(fā)現(xiàn)，低C∶N的作物殘渣會增加N2O排放。本研究進一步證明了此結論，養(yǎng)蝦塘沉積物C∶N在10以下（表1），相關分析表明它與N2O呈現(xiàn)顯著正相關（表6）。然而也有研究得到相反的結論，如黃耀等[30]研究發(fā)現(xiàn)，C∶N比在7～12時，N2O的排放隨著C∶N的增加而減少，這可能是由于養(yǎng)蝦塘沉積物與麥田土壤的其他理化性質差異，還有麥田的自然環(huán)境和本研究中培養(yǎng)條件的不同等原因造成的。

4 結 論

1）養(yǎng)蝦塘沉積物的N2O總產(chǎn)生速率在養(yǎng)殖初期、中期和末期的均值分別為1.80、5.95和8.70 nmol/(kg·h)，均表現(xiàn)N2O釋放源，且隨養(yǎng)殖時間增加呈現(xiàn)增加趨勢。

2）N2O產(chǎn)生過程中硝化作用、反硝化作用、硝化細菌反硝化作用和非生物作用的貢獻率均值分別為?162.04%、327.52%、?239.45%和90.27%，因此沉積物N2O產(chǎn)生主要來源于反硝化作用和非生物作用，而硝化作用和硝化細菌反硝化起到削弱影響。

3）養(yǎng)蝦塘沉積物N2O總產(chǎn)生速率在高溫低鹽條件下取得最大值8.91 nmol/(kg·h)，最小值4.09 nmol/(kg·h)出現(xiàn)在低溫高鹽條件下，總體上隨著溫度升高而增加，隨著鹽度升高而降低。

4）養(yǎng)蝦塘沉積物總產(chǎn)生速率主要受到總碳（total carbon，TC）、土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、NH4+-N含量和C∶N比影響，在不同產(chǎn)生過程中僅有非生物過程受到總碳（total carbon，TC）和土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量的顯著影響。

5）對濱海水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)而言，通過增加養(yǎng)殖水體與海水的交換頻率，實現(xiàn)其鹽度升高并降低有機碳和無機氮含量，從而降低其N2O產(chǎn)生與排放。

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Study on production processes of nitrous oxide and its influencing factors from sediment of aquaculture ponds in Min River estuary

Jin Baoshi1,2, Yan Hongyuan1, Yang Ping2, Zeng Congsheng2※

(1.246011,; 2.350007,)

Nitrous oxide (N2O) is one of the three important greenhouse gases, which has an important impact on atmospheric environment, such as global warming, acid rain formation, ozone layer destruction and so on. As a special artificial aquatic ecosystem, aquaculture, which is rich in nutrients due to the application of a large amount of food, becomes a potential source of nitrous oxide. The total area and increasing rate of aquaculture in the coastal areas of China ranked first in the world, and the emission of N2O from the aquaculture attracted more and more attention. In order to differentiate the production process of N2O and its contribution to the total N2O production of sediment, this study took the reclamation shrimp ponds of Min River estuary in the southeast coast of China as the research object and adopted the laboratory-incubated experiments by means of inhibited process. On this basis, the influence of physicochemical properties on N2O production of sediment was analyzed and the measures to reduce N2O emission from the aquaculture were put forward. Results showed that the average N2O production rate of sediment from the shrimp pond was 1.80, 5.95 and 8.70 nmol/( kg·h) in the early, middle and final stages of the aquaculture, respectively. The shrimp pond was the N2O sources and the production rate increased with the time of aquaculture. The mean contribution of nitrification, denitrification, nitrifier denitrification and abiotic effect in the three aquaculture period was -162.04%, 327.52%, -239.45% and 90.27%, respectively. The N2O production of the sediments from the shrimp ponds in Min River estuary was generated from the denitrification and abiotic effect, while nitrification and nitrifier denitrification played a negative role. Nitrification was negatively correlated with denitrification and nitrifier denitrification, while nitrifier denitrification was negatively correlated with abiotic effect. The total N2O production rate of sediments in the shrimp ponds increased with temperature and decreased with salinity in general, which reached the maximum under the high-temperature and low-salinity condition and the minimum under the low-temperature and high-salinity condition. Salinity had a significant effect on the total N2O production and the four different production processes, while the interaction of temperature and salinity had a significant effect on the nitrifier denitrification and abiotic effect. The correlation analysis showed that the total N2O production rate was significantly positively correlated with the content of total carbon (TC), soil organic carbon (SOC), NH4+-N and the ratio of C: N. There was only abiotic processes significantly affected by TC and SOC in the four N2O production processes. In order to decrease the production and emission of N2O in the coastal aquaculture ecosystem, the salinity of aquaculture ecosystem would be increased and the contents of organic carbon and inorganic nitrogen would be reduced by increasing the exchange frequency between aquaculture water and seawater.

nitrous oxide; emission control; production process; reclaimed aquaculture; Min River estuary; influencing factor

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.027

X144

A

1002-6819(2019)-02-0213-08

2018-08-29

2018-12-23

國家自然科學基金項目（41671088, 41801031），安徽省高校自然重點項目（KJ2018A0373），安慶師范大學博士科研啟動項目

金寶石，博士，副教授，主要從事濕地生態(tài)環(huán)境研究。Email：jinbsh@aqnu.edu.cn

曾從盛，研究員，博導，主要從事濕地生態(tài)環(huán)境研究。Email：cszeng@fjnu.edu.cn

金寶石，閆鴻遠，楊 平，曾從盛. 閩江河口養(yǎng)蝦塘沉積物氧化亞氮產(chǎn)生及影響因素研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(2)：213－220. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.027 http://www.tcsae.org

Jin Baoshi, Yan Hongyuan, Yang Ping, Zeng Congsheng. Study on production processes of nitrous oxide and its influencing factors from sediment of aquaculture ponds in Min River estuary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 213－220. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.027 http://www.tcsae.org