背景介紹:永久濕地被認(rèn)為是全球生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，可以通過光合作用和植物生物量和土壤中有機(jī)物質(zhì)的積累來固碳。在不到10%的全球表面積內(nèi)，天然濕地平均每年可以封存830 Tg的碳。然而，由濕地的人為改變（即種植和放牧、排水、開墾）引起的干擾會促進(jìn)先前儲存的土壤碳以溫室氣體的形式釋放到大氣中，從而降低其碳儲存能力。農(nóng)業(yè)開發(fā)有助于增加未受干擾的濕地的氮輸入（即添加氮肥以改善土壤和養(yǎng)分徑流），因此改變了生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的有效性并影響了參與溫室氣體生產(chǎn)的土壤微生物的活動。雖然有關(guān)于氮肥、排水和水文恢復(fù)關(guān)于濕地溫室氣體排放的研究，很少有研究調(diào)查氮肥添加和淹沒制度的結(jié)合及其對溫室氣體排放的潛在交互影響。本研究采用模擬微觀世界的方法，調(diào)查了濕地農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化對淡水濕地CO2、CH4和N2O排放的生物地球化學(xué)影響，進(jìn)一步旨在提供有關(guān)快速恢復(fù)工作如何影響退化濕地的信息。通過使用微傳感器土壤剖面分析系統(tǒng)（unisense）和氣相色譜法測試了排水和高銨基氮負(fù)荷對濕地縮影環(huán)境中溫室氣體排放的單獨(dú)和綜合影響。并研究了在存在和不存在氮負(fù)荷的情況下通過淹沒水文恢復(fù)的初始響應(yīng)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每個土壤芯的頂部0-1厘米處測量，使用帶有電動顯微操作器設(shè)置的電化學(xué)微傳感器。Clark型氧氣(O2)微傳感器和一氧化二氮(N2O)微傳感器（尖端直徑=100μm，90%響應(yīng)時間<8 s，攪拌靈敏度<1%）用于測量O2和N2O微觀分布。在剖面測量之前，將O2微型傳感器暴露于H 2 S作為預(yù)污染以避免測量期間校準(zhǔn)漂移。并在0%和100%空氣飽和水中進(jìn)行校準(zhǔn)，而N2O微型傳感器在水中進(jìn)行校準(zhǔn)，使用N2O飽和溶液作為N 2 O源的O濃度為0和100μM N 2 O。通過將微型傳感器尖端定位在土壤核心表面（使用立體顯微鏡進(jìn)行可視化）進(jìn)行剖面測量，直到土壤深度達(dá)到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通過使用連接到運(yùn)行專用定位和數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦控制自動微操作器。對于每個核心，測量不同位置的三個重復(fù)，然后平均每個微傳感器類型的每個核心產(chǎn)生一個重復(fù)。

實驗結(jié)果

研究結(jié)果表明，物理（即水的變化）和化學(xué)（即銨基氮肥添加）人為干擾對溫室氣體的產(chǎn)生和排放有重大影響。研究發(fā)現(xiàn)，無論養(yǎng)分處理如何，排水條件下的土壤樣品的O 2消耗率總體較低，而CO 2排放量高于潮濕和淹沒的土壤。添加氮肥后，在潮濕和淹沒的土壤中檢測到最高的N 2 O排放和O 2擴(kuò)散吸收，而最高的CH 4排放僅在淹沒土壤中測量?？傮w而言水文恢復(fù)的第一反應(yīng)有助于減少CO 2排放。然而，氮肥添加和水分存在的綜合影響導(dǎo)致GWP增加了近14倍。

圖1、濕地中的碳和氮循環(huán)。綠色箭頭代表N循環(huán)過程，而藍(lán)色箭頭代表C循環(huán)過程。增加水位促進(jìn)電子受體（即NO3-）的可用性，創(chuàng)造產(chǎn)甲烷所需的厭氧條件，并限制甲烷氧化對CH4的消耗。肥料（NO3-或NH4+）的輸入可以通過影響將CH4氧化成CO2的甲烷氧化細(xì)菌(MOB)的活性來影響CH4的產(chǎn)生和排放（紅色虛線箭頭）（甲烷氧化）并通過限制可用于產(chǎn)甲烷的底物。

圖2、實驗設(shè)計a)將每個淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕和排水）的三個復(fù)制品放置在六個652×413×282毫米的塑料容器中，容器中裝滿大約12-13厘米深的雨水。三個容器用作對照（對照），其余三個用作營養(yǎng)處理，向每個容器中加入114 mL液態(tài)銨基氮肥（富氮）；b)用于分析沉積物中O2和N2O濃度的電動顯微操作器裝置；c)微型分析站由一個裝滿雨水的小水族箱組成，并配備了水泵和熱水器，以保持一致的水流量和水溫。

圖3、O2和N2O濃度的深度微觀剖面。a)O2濃度分布按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。b)N2O濃度分布按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。

圖4、O2消耗量和N2O排放量和凈產(chǎn)量。a)O2流入量(DOU)(mmolm-2d-1)根據(jù)測量的O2曲線計算并按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。b)體積比O2消耗率(R)(mol m-3 d-1)，由測量的O2分布除以滲透深度計算得出，并按養(yǎng)分處理（對照，富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒，潮濕，排水）。O 2無法獲得富氮排水土壤的消耗率(NA)，因為無法確定相應(yīng)的穿透深度，因為O2穿透剖面提前停止以最大限度地降低傳感器破損的風(fēng)險（達(dá)到的最大深度=12毫米）。c)凈N2O產(chǎn)量(mmolm-2d-1)從測量的N2O曲線計算并按養(yǎng)分處理(對照，富含N)和淹沒狀態(tài)(淹沒、潮濕、排水)分組。d)N2O排放量(mmol m-2 d-1)從測量的N2O計算剖面并按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。

圖5、溫室氣體排放a)擴(kuò)散性CO2和CH4排放按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。b)100年CO2、CH4和N2O排放的全球變暖潛能值，按養(yǎng)分處理（對照、富氮）和淹沒狀態(tài)（淹沒、潮濕、排水）分組。

結(jié)論與展望

淡水濕地是碳的天然匯，然而將濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用途可以將這些碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)闇厥覛怏w的主要來源。濕地水文的人為改變和氮肥的廣泛使用可以改變生物地球化學(xué)循環(huán)，但是它們對溫室氣體交換的綜合影響程度仍有待進(jìn)一步研究。此外最近通過改善自然水流和尋找營養(yǎng)輸入的替代解決方案，對濕地恢復(fù)和保護(hù)產(chǎn)生了興趣。在一個縮影環(huán)境中，研究人員通過添加高氮負(fù)荷（300 kg ha-1)來模擬物理和化學(xué)干擾。之后研究人員使用了unisense微剖面系統(tǒng)測量了模擬濕地土壤中的N2O和O2濃度以及CO2和CH4排放率的深度微觀剖面，以確定水文變化和氮輸入如何影響內(nèi)陸濕地土壤的碳和氮循環(huán)過程。與對照土壤相比，氮肥在排水條件下增加了40%的CO2排放，在淹水條件下增加了90%以上的CH 4排放。富含氮的潮濕和淹沒土壤的N2O排放量分別增加了17.4倍和18倍。本研究強(qiáng)調(diào)了在制定恢復(fù)退化濕地的恢復(fù)計劃時評估各種干擾對生物地球化學(xué)過程的潛在交互影響的重要性。本研究的結(jié)果將促進(jìn)我們對濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)引起的物理和化學(xué)變化影響濕地功能的程度以及濕地恢復(fù)實踐以抵消碳排放的效率的理解。