灌溉农业区富营养化浅水湖泊的氧化亚氮排放以气泡释放为主导

《Agricultural and Forest Meteorology》：Ebullition dominates N 2O emissions from eutrophic shallow lakes in irrigated agricultural region

　　

摘要

内陆水域的氧化亚氮（N₂O）排放仍存在高度不确定性，尤其是在农业景观区，高强度的氮输入和持续加剧的富营养化可能会增强沉积物中的氮转化过程。尽管扩散通常被认为是水环境中N₂O释放的主要途径，但气泡介导输运的贡献仍然缺乏充分的约束。本研究对中国北方河套灌区内六个浅水富营养化湖泊中溶解态N₂O浓度及其排放途径进行了定量分析。所有采样期间，溶解态N₂O均持续处于过饱和状态，表明这些湖泊是持续的大气N₂O排放源。平均扩散通量和气泡逸出通量分别为11.8 ± 0.4 μmol m^?2d^?1和28.0 ± 5.0 μmol m^?2d^?1。气泡逸出通量约占测量总通量的70%，尽管该估算值存在与通量分配方法相关的 uncertainty。气泡逸出N₂O释放与沉积物氮有效性、沉积物温度及大气压相关，表明生物生产过程和物理气体释放过程共同调控该途径。本研究结果解决了农业浅水水体广泛存在的情况下关于N₂O排放途径的关键不确定性，并表明预期升温以及持续的富营养化可能会进一步加剧这些系统中的N₂O释放。

引言

N₂O是一种强效且长寿命的温室气体，也是平流层中重要的耗臭氧物质（Ravishankara等，2009；IPCC 2021）。近几十年来，大气中N₂O浓度显著上升，主要归因于与农业活动相关的人为氮富集（Tian等，2024；Zhu等，2025）。然而，全球N₂O收支仍存在高度不确定性，尤其是对于静水生态系统而言，原因包括观测空间覆盖范围有限、直接测量数据稀缺、显著的时空异质性以及调控机制尚不充分量化（Lauerwald等，2019；Borges等，2022；Zheng等，2022；Tian等，2024；Gao等，2025）。

与传统认知不同，湖泊在全球N₂O排放中的贡献通常被认为是次要的，相较于陆地系统而言（Lauerwald等，2019），但这一认知可能并不适用于嵌入高强度管理农业景观中的湖泊。农业水体通过化肥径流、灌溉回归水和排水途径接收到大量氮输入，为强化硝化和反硝化过程创造了有利条件（Webb等，2019；Wang等，2023）。浅水富营养化湖泊尤其敏感，因为强烈的沉积物-水体相互作用、高营养盐有效性和频繁的氧含量波动可刺激快速的氮转化和N₂O生产（Davidson等，2018；Zhang等，2023）。湖泊N₂O释放主要通过跨越水-气界面的气体扩散、气泡介导输运以及植物介导途径发生（Zheng等，2022；Geng等，2025；Sun等，2026；Xiong等，2025）。在这些途径中，扩散受到的关注最多，因为N₂O的溶解度明显高于甲烷（CH₄）（Rosentreter等，2021；Sander 2023），由此导致了一种假设，即气泡介导的N₂O排放相对次要（Zheng等，2022；Zhang等，2026）。因此，大多数湖泊N₂O收支研究依赖于基于扩散的测量（Yang等，2020；Zheng等，2022；Xiao等，2023），而气泡相关N₂O输运的直接定量仍然有限。

然而，气泡逸出N₂O释放的重要性可能强烈取决于生态系统特征。在浅水系统中，沉积物可积累大量溶解气体（Sun等，2022），而降低的大气压、沉积物气体过饱和以及低静水压力等物理扰动可能促进气泡形成和逸出（Tokida等，2007；Liu等，2016；Zhang等，2020, 2024）。重要的是，气泡介导的N₂O输运不一定需要形成以N₂O为主的气泡。相反，N₂O可能被夹带在微生物产气过程中产生的沉积物来源混合气体气泡中（Higgins等，2008；Baulch等，2011）。尽管存在这种可能性，仍有几个不确定性尚未解决。首先，气泡介导的N₂O排放强度很少被量化，尤其是对于浅水富营养化湖泊而言。其次，由于生物N₂O生产与物理气泡释放过程往往被分别研究，因此调控该途径的环境因素尚不清楚。第三，由于农业景观中包含多样化的水体，且在营养盐负荷、形态和水文连通性方面具有强烈的空间异质性，区域评估仍然有限。因此，阐明气泡介导N₂O排放的强度及其主要驱动因素，对于预测未来环境变化下的排放动态以及制定有针对性的减缓策略至关重要。

为填补上述知识空白，本研究调查了分布于中国北方河套灌区的六个浅水富营养化湖泊，该灌区是一个以灌溉密集和氮广泛富集为特征的农业区域。具体而言，我们的研究目标包括：（1）量化溶解态N₂O浓度，并区分扩散和气泡介导的排放组分；（2）识别与N₂O积累和气泡介导输运相关的环境因素；（3）在考虑方法学和空间不确定性的同时，评估气泡逸出排放对农业浅水湖泊N₂O释放的潜在贡献。通过结合季节性野外观测与沉积物和流域尺度的环境分析，本研究为气泡介导输运在水环境中N₂O排放中的作用提供了新见解，并强调了在农业水景观中未来氮循环评估中纳入该途径的必要性。

章节摘要

研究区域与样点描述

我们在一个农业灌区（河套灌区）对六个湖泊进行了空间调查（图1）。所选湖泊在灌区内大致均匀分布（有关湖泊相关数据，参见支持表S1）。河套灌区是一个大型灌溉区，位于中国内蒙古自治区巴彦淖尔市黄河"几"字弯顶部的北岸，利用黄河水

持续过饱和的N₂O与季节性解耦的浓度和通量

所有采样期间，溶解态N₂O浓度均持续处于过饱和状态，饱和度范围为112%至3288%，平均为297% ± 26%。溶解态N₂O浓度范围为5.0至52.0 nmol L^?1，平均为20.1 ± 0.4 nmol L^?1（图2a, b），约为已报道农业水库平均值的两倍（Webb等，2019）。这些观测结果表明，所研究的湖泊始终作为大气N₂O排放源发挥作用。N₂O浓度

结论

本研究提供了证据，表明农业景观中的浅水富营养化湖泊可以充当持续的大气N₂O排放源，且气泡介导输运可能是其排放途径中的重要组成部分。所有采样期间溶解态N₂O均保持过饱和状态，且估算的气泡逸出通量对基于静态箱法的总通量贡献显著。本研究观测到的环境模式表明，气泡介导的N₂O输运源于

作者贡献声明

孙赫洋：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，资源，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据管理，概念构思。李祥伟：验证，软件，调查。吴家航：验证，监督，软件，调查。张林香：验证，软件，调查，概念构思。于瑞红：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，资金获取，

孙赫洋 | 李祥伟 | 吴家航 | 张林香 | 于瑞红 | 卢惜惜 | 刘庭喜

内蒙古大学生态环境学院，内蒙古河湖生态学重点实验室，呼和浩特，010021，中国