控制农业排水系统和池塘中温室气体产生的机制与因素

《Water Research》：Mechanisms and factors controlling greenhouse gases production in agricultural drains and ponds

农业排水沟和池塘作为温室气体排放热点，其甲烷、二氧化碳和一氧化二氮生成机制及水文事件影响被系统研究。采用多同位素技术（δ13C-CH?、δ13C-CO?、δ1?N-N?O、δ1?O-N?O及氮位点偏好值）结合水文事件监测，发现池塘CH?通量是排水沟的17倍，且δ13C-CH?值揭示灌溉期以氢载体甲烷生成为主，降雨期因短暂氧化存在甲烷氧化及乙酰甲烷生成混合过程。一氧化二氮主要由异养反硝化产生，SP值显示池塘存在显著N?O还原。管理上需关注高排放池塘的碳输入调控及排水系统优化，并建议将此类水体纳入国家温室气体清单。

　　农业排水沟和池塘作为温室气体（GHG）的来源，在全球碳氮生物地球化学循环中扮演着重要角色。然而，这些系统在温室气体排放方面的研究仍显不足。本文通过应用多同位素分析框架，包括δ13C-CH?、δ13C-CO?、δ1?N-N?O、δ1?O-N?O以及氮同位素位偏（SP），揭示了澳大利亚东南部农业排水沟和池塘在降雨和灌溉事件期间温室气体生成过程。研究发现，池塘的温室气体浓度和通量普遍高于排水沟，其中甲烷（CH?）是主要的排放来源。

同位素数据表明，灌溉期间，δ13C-CH?值较低，意味着氢营养型甲烷生成（HM）在甲烷生成过程中占据主导地位。相比之下，降雨期间较高的δ13C-CH?值则暗示了部分甲烷氧化的发生，这可能是因为短暂的氧气条件促使了甲烷氧化细菌的活动，同时可能伴随着乙酸营养型甲烷生成（AM）的增强。δ1?N和δ1?O同位素以及SP值的分析进一步支持了异养硝化作用在氮氧化物（N?O）生成中的主导地位，同时表明在池塘中可能存在部分N?O的还原过程。

此外，二氧化碳（CO?）的浓度在降雨和灌溉期间均较高，但表现出更大的波动性，这与水文事件密切相关。整体而言，农业池塘在温室气体排放中占据重要地位，成为动态的生物地球化学反应器，其中营养物质输入、氧化还原条件和水文事件共同调控温室气体的循环。从管理角度出发，小型高排放池塘和排水沟对农场尺度的温室气体排放贡献不成比例，这强调了将这些水体纳入国家温室气体排放清单的紧迫性。

本研究的实施地点是澳大利亚维多利亚州南部的Macalister灌溉区（MID），这是澳大利亚最大的灌溉区之一，主要依赖于乳制品生产，同时伴有显著的园艺和畜牧业活动。研究团队选择了该区域内的12个农业排水沟和池塘，通过在降雨和灌溉事件期间进行采样，收集了温室气体和营养物质的数据。水文参数如水温、电导率、溶解氧、pH值和浊度在现场进行了测定，而温室气体浓度和同位素数据则通过气密玻璃瓶采集，并在实验室条件下进行分析。

研究结果揭示了排水沟和池塘在不同水文事件下的温室气体浓度和通量差异。池塘中的甲烷和二氧化碳浓度普遍高于排水沟，且氮氧化物浓度表现出明显的空间异质性。在降雨期间，池塘的甲烷浓度范围从0.06至186 μmol L?1，其中Farm A的甲烷浓度最高，而Farm D的氮氧化物浓度则显著高于其他地点。灌溉期间，池塘和排水沟的二氧化碳浓度呈现出更高的空间变化，Farm A和Farm D的池塘二氧化碳浓度分别达到了220和150 μmol L?1。这些结果表明，农业池塘在温室气体排放中扮演着重要角色，特别是在降雨和灌溉事件期间。

研究还发现，营养物质的富集和溶解氧的减少是驱动温室气体生成的主要因素。在降雨和灌溉期间，高浓度的铵（NH??）和可溶性活性磷（DRP）与低溶解氧水平相关，这为厌氧过程如甲烷生成和硝化作用提供了有利条件。同时，溶解氧与甲烷浓度之间存在显著的负相关关系，进一步支持了甲烷生成在缺氧条件下的优势。此外，硝酸盐（NO??）浓度与氮氧化物浓度之间的正相关关系表明，硝化作用可能是氮氧化物生成的重要途径。

同位素分析还揭示了不同水文事件下甲烷生成路径的转变。在灌溉期间，池塘中的甲烷同位素值较低，表明氢营养型甲烷生成主导。而在降雨期间，较高的甲烷同位素值则可能反映了乙酸营养型甲烷生成和部分甲烷氧化的共同作用。这种变化可能与降雨期间短暂的氧气条件有关，这些条件促进了甲烷氧化细菌的活动，同时由于降雨带来的可溶性有机物质，可能增强了乙酸营养型甲烷生成。

研究还发现，氮氧化物的同位素特征主要由异养硝化作用主导，而非自养硝化作用。氮同位素位偏（SP）值的范围表明，异养硝化作用是主要的氮氧化物生成机制，而自养硝化作用通常会产生更高的SP值。这些结果与先前的研究一致，进一步支持了异养硝化作用在农业排水沟和池塘中作为主要的氮氧化物生成路径。

总体而言，本研究强调了农业排水沟和池塘作为温室气体来源的重要性，并指出了它们在水文事件中的动态响应。通过多同位素分析，研究团队能够识别出不同的温室气体生成和转化路径，并揭示了这些过程如何受到水文条件和营养物质输入的影响。研究结果对于制定更有效的温室气体减排策略和改进温室气体排放清单具有重要意义。未来的研究可以结合分子生物学工具，如宏基因组学和定量PCR，以更深入地理解微生物群落结构与温室气体生成路径之间的关系，从而进一步提高温室气体排放评估的准确性。