亚热带河流N2O排放对土地利用与水坝建设的季节性响应机制研究

《Interventional Cardiology Clinics》：Seasonal responses of nitrous oxide emissions in a subtropical river to land use and dam construction

本研究针对人类活动如何影响河流氧化亚氮(N2O)排放的科学问题，通过系统监测亚热带河流水化学参数与N2O通量，揭示土地利用类型（城市>农田>森林）与季节（夏季最高）对N2O排放的调控规律，并首次发现大型水坝对N2O通量的影响显著强于小型水坝。该研究为全球温室气体核算提供了关键区域数据，对流域环境管理具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化背景下，氧化亚氮(N₂O)作为一种温室效应强度可达二氧化碳(CO₂)298倍的温室气体，其排放源解析已成为环境科学领域的热点。河流作为重要的N₂O排放源，其通量极易受人类活动干扰，尤其是土地利用方式改变和水坝建设等行为会显著改变水体营养盐水平和环境参数，进而影响微生物主导的硝化与反硝化过程。然而，现有研究对亚热带河流N₂O排放的时空异质性及其驱动机制尚缺乏系统认知，特别是不同规模水坝的差异化影响亟待深入探索。

为厘清上述问题，张艳华等研究人员以中国南方典型亚热带河流——溈水河为研究对象，于2023年分四季（春、夏、秋、冬）沿河道布设51个采样点，涵盖森林、农田和城市三种土地利用类型区域，并针对大型水坝（黄材水库）和8座小型水坝开展上下游对比观测。研究团队综合运用薄边界层模型（TBL）计算N₂O扩散通量，结合逐步多元回归（SMR）和结构方程模型（SEM）解析环境因子与N₂O排放的因果关系。通过测定水体营养盐（TN、TP、NH₄⁺、NO₃^?、TOC、DOC等）及环境参数（DO、WT、pH、ORP等），揭示了人类活动影响下河流N₂O排放的动态规律。

3.1 水体营养盐与环境参数的时空变异

研究发现，营养盐浓度呈现显著空间分异：城市河段NH₄⁺、NO₃^?、TN、TP等指标最高，森林河段最低。季节上，多数营养盐在春夏季较高，而TIC、DIC在冬季峰值突出。环境参数中，城市河段溶解氧（DO）、电导率（Con）等显著高于森林河段，流速（FV）则呈现相反趋势。

3.2 N₂O浓度与通量的时空格局

溈水河全年N₂O平均通量为59.0±64.5 μmol/m²/d，表现为大气N₂O的源。空间上，城市河段通量（96.9±87.4 μmol/m²/d）显著高于农田（52.2±51.0 μmol/m²/d）和森林河段（28.8±37.6 μmol/m²/d）；时间上，夏季通量最高，冬季最低，但森林河段在春季出现峰值，暗示其驱动机制异于城市与农田区域。

3.3 N₂O排放的影响因子解析

SEM模型表明，土地利用类型通过调控营养盐（尤其是NH₄⁺和NO₃^?）间接影响N₂O通量，解释度达56%-84%。夏季NO₃^?主导反硝化过程，冬季NH₄⁺则通过硝化作用主导，而森林河段受低氮限制，其N₂O排放主要响应NO₃^?动态。

3.5 水坝建设对N₂O排放的影响

大型水坝对N₂O通量的影响具有季节依赖性：夏季下游通量高于上游，与下游NO₃^?积累促进反硝化有关；冬季则因上游NO₃^?浓度更高，导致上游通量显著高于下游。小型水坝则未引起显著差异。

本研究通过多维度观测与模型模拟，明确了亚热带河流N₂O排放的时空分异主要受土地利用类型和水坝规模调控，其中营养盐负荷变化是关键中间环节。研究成果不仅为区域温室气体清单编制提供了实证依据，更揭示了大型水坝在河流N₂O排放中的突出作用，对未来流域水资源管理与碳中和策略制定具有重要参考价值。后续研究可结合同位素示踪与分子生物学技术，进一步量化硝化与反硝化过程的相对贡献，以深化对N₂O生成机制的理解。