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反硝化作用調節城市河湖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中N2O排放的時(shí)空格局

更新時(shí)間:2024-03-25      點(diǎn)擊次數:421

 

Image, graphical abstract 

背景圖片

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背景簡(jiǎn)介

前大氣N2O的平均濃度約333 ppb,并以每0.25%-0.31%的速度持續增加。100年的時(shí)間尺度上,N2O的溫室效應潛力CO2265,N2O是影響全球氣候變化的重要因素。城市河流N2O產(chǎn)生和排放的熱點(diǎn)。在中國許多城市,為了改善城市河流的水質(zhì)和水動(dòng)力條件,建設了相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò )。N2O的產(chǎn)生受到內陸水系微生物過(guò)程的強烈控制。最近的研究發(fā)現,硝化和反硝化都N2O產(chǎn)生的主要途徑。反硝化作用N2O的貢獻隨著(zhù)湖泊富營(yíng)養化水平的增加而增加。然而,在廢水處理廠(chǎng)和農業(yè)河流的下游經(jīng)常觀(guān)察到NH4+濃度,時(shí)硝化作用可能主N2O的產(chǎn)生。

本研究的目的是:

1)       N2O濃度和排放的時(shí)空分布;

2)       揭示影N2O排放的潛在因素;

3)       確定各種途徑N2O產(chǎn)生消耗的貢獻,揭示互聯(lián)河湖網(wǎng)絡(luò )N2O排放時(shí)空變化的控制機制。

該研究將促進(jìn)對調節城市地表水N2O排放的微生物過(guò)程的認識,并為水質(zhì)N2O排放綜合管理提供理論依據。

研究方法

站點(diǎn)描述

武漢市的地表水面積占城市總面積的四分之一,是中國地表水面積最大的城市。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長(cháng),該地區的河流和湖泊遭受了不同程度的污染。為了改善水質(zhì)和水量,武漢將河流和湖泊連接起來(lái)形成河湖網(wǎng)絡(luò )。盡管城市中的河流與湖泊通過(guò)渠道進(jìn)行物理連接,但由于水位、水閘和水壩的原因,河流與湖泊之間的實(shí)際連通性大不相同。因此,相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò )中的水質(zhì)和溫室氣體排放在該地區具有很大的時(shí)空異質(zhì)性。

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1. 本研究采樣點(diǎn)的地理位置和土地利用類(lèi)型。城市河流的一端與湖泊相連,另一端與長(cháng)江相連,形成了一個(gè)河湖網(wǎng)絡(luò )。在城市河流與長(cháng)江的連接處安裝了水閘,在河流與湖泊的連接處設置了溢流壩,以調節河流流量。河流采樣點(diǎn)分別設置在農村(綠色周期)和城市(紅色和黃色周期)。湖泊采樣點(diǎn)設置在與河流連接處附近。

樣品采集

樣本采集2021320221月的四個(gè)季節。調查了長(cháng)江以南的七條河流和十一個(gè)湖泊(1)。共設置49個(gè)采樣點(diǎn)。所有研究河流的寬度10m20m,深度1m2m。城市河流長(cháng)度2.3km9.2km,農業(yè)河流長(cháng)度45.1km。本研究將城市區域內的河流分為孤立的城市河流UR)和與湖泊相連的城市河LUR)。

實(shí)驗使用便攜式水質(zhì)參數測量?jì)xHach Company,USA)在現場(chǎng)測量水體的溫度、溶解氧DO、pH值、電導率EC)等物理化學(xué)參數,并收集水樣進(jìn)行δ18O-H2O、TDN(總溶解氮)、DOC(溶解有機碳)等的分析。此外,還通過(guò)提取微生DNA使用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈式反應qPCRRoche LightCycler®480)來(lái)評估與N2O產(chǎn)生相關(guān)的基因豐度(16S rRNA、AOAamoA、AOBamoA、nirS、nirKnosZ)。研究者還使用了同位素模型來(lái)定量估N2O產(chǎn)生和消耗過(guò)程。

 

統計分析

N2O和瑞利分餾模型δ15N-spδ18O的同位素映射方法來(lái)計N2O產(chǎn)生和消耗的途徑(硝化和反硝化)的貢獻(2)。硝化作用和反硝化作用的貢獻比例可以通過(guò)截距和兩個(gè)端元SP值來(lái)計算。

圖示描述已自動(dòng)生成 

2:估N2O混合和減少的映射方法。場(chǎng)1M-R):首先將反硝化和硝化產(chǎn)生N2O混合,然后通過(guò)完全反硝化將混合后N2O還原;場(chǎng)2R-M):通過(guò)異養反硝化產(chǎn)生N2O首先被還原,然后剩余N2O與通過(guò)硝化產(chǎn)生N2O混合。圖的坐標是微生物衍生N2O的同位素值。

 

Picarro 儀器的使用

水樣δ18O-H2O(水的氧同位素比值)通過(guò)水蒸氣同位素分析儀Picarro,L2130-i,USA進(jìn)行測量,δ18O-H2O的分析精度±0.1。

在本研究,δ18O-H2O數據被用于以下幾個(gè)目的:

1)       N2O來(lái)源分析:通過(guò)測量水樣中δ18O-H2O值,研究者可以區分微生物產(chǎn)生N2O和大氣中N2O。這是因為微生物在產(chǎn)生N2O過(guò)程中,會(huì )從水中獲取氧原子,而這個(gè)過(guò)程中水的同位素組成會(huì )發(fā)生變化。通過(guò)比較水樣中δ18O-H2O值和大N2Oδ18O值,可以估計微生物活動(dòng)N2O產(chǎn)生的貢獻。

2)       定量分析N2O產(chǎn)生途徑:研究者使用同位素模型(Rayleigh分餾模型)結δ18O-H2O數據,可以定量分N2O產(chǎn)生途徑,即區分硝化作用和反硝化作用N2O的貢獻。這有助于理解在不同水體N2O產(chǎn)生的主要微生物過(guò)程。

3)       分析環(huán)境因素N2O排放的關(guān)系δ18O-H2O數據還可以幫助研究者理解環(huán)境因素(如溫度、溶解氧濃度等)如何影N2O的產(chǎn)生。例如,溫度和溶解氧濃度的變化會(huì )影響微生物活動(dòng),從而影N2O的產(chǎn)生和排放。

4)       時(shí)空變異性研究:通過(guò)在不同季節和地點(diǎn)收δ18O-H2O數據,研究者可以揭N2O排放的時(shí)空變異性,這對理解城市河湖網(wǎng)絡(luò )N2O排放的動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要。

 

研究結論

文章調查了武漢市一個(gè)相互連接的河湖網(wǎng)絡(luò )的溶N2O濃度和排放。利N2O相關(guān)基因豐度和同位素模型定量估算了微生物產(chǎn)生和消N2O的過(guò)程。研究結果表明,N2O濃度、排放和產(chǎn)生途徑存在顯著(zhù)的空間變化。較高的氮含量和缺氧條件導UR中的N2O產(chǎn)生和排放。然而,有效的河湖互聯(lián)項目增加了溶解氧濃度,降低LURTDN、NO3-NNH4+-N濃度。這些環(huán)境因子的變化通過(guò)抑制硝化和反硝化作用,顯著(zhù)降低N2O濃度和排放通量。這些發(fā)現推進(jìn)了對調節內陸水N2O排放的微生物過(guò)程的認識,并說(shuō)明應調整水閘和水壩的控制來(lái)有效連接城市河流和湖泊,從而改變氧化還原條件和氮含量,進(jìn)而N2O排放。

 

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