人为干扰将小型农业灌溉蓄水池转化为被忽视的温室气体排放热点

《Environmental Research》：Anthropogenic disturbance transforms small agricultural irrigation impoundments into overlooked greenhouse gas hotspots

　　

摘要
小型水体日益被认为是温室气体（GHG）排放不成比例的主要来源，然而许多嵌入农业景观中的人为水系统仍未能在区域碳评估中得到充分体现。小型农业灌溉蓄水池（SAIIs）广泛分布于山地农业区，但其排放通量及其潜在控制因素仍知之甚少。在此，我们对 12 个具有不同人为干扰水平的 SAIIs 进行了全年 CO2、CH4 和 N2O 浓度及通量的监测。所有调查的 SAIIs 均表现为净温室气体源，单位面积总排放量达到 8.2 ± 6.9 kg CO2 当量 m?2 yr?1。这一平均排放速率显著高于大多数其他农业水系统报告的数值，突显了其对农业景观温室气体预算的潜在重要贡献。所有三种温室气体的通量在人为干扰梯度上表现出强烈的空间变异性，与弱干扰的林地型 SAIIs 相比，高度干扰的村庄型 SAIIs 的 CO2、CH4 和 N2O 通量分别高出 3.4 倍、4.0 倍和 2.5 倍。人为影响增加促进了水柱和沉积物中的碳和养分积累，从而刺激了微生物碳氮转化过程及温室气体排放潜力。此外，人为干扰重塑了每种温室气体的主要控制因素。CO2 的调节机制从主要受沉积物碳矿化控制转变为与水柱碳可用性 和理化条件更强的耦合，而 CH4 和 N2O 仍与沉积物碳氮可用性及微生物过程密切相关。季节性变化对总体排放通量的影响相对有限。这些发现将 SAIIs 确定为农业景观中此前被忽视的温室气体热点，并强调了将这些广泛分布的水基础设施纳入区域温室气体清单及可持续农业水管理策略的必要性。

引言
内陆水已被广泛认为是全球碳和氮生物地球化学循环的活跃组成部分，也是大气中包括 CO2、CH4 和 N2O 在内的温室气体（GHGs）的重要来源（Bastviken 等，2011；Cole 等，2007；Raymond 等，2013）。目前的估计表明，全球内陆水每年可通过水 - 气界面向大气排放约 14.3 Pg CO2（Drake 等，2018；Raymond 等，2013），以及作为 CH4 的 6.03 Pg CO2 当量（CO2-eq）yr?1（Rosentreter 等，2021；Zheng 等，2022）和作为 N2O 的 0.05 Pg CO2-eq yr?1（Lauerwald 等，2019）。这些排放总量将完全抵消全球陆地碳汇，甚至与总人为排放量的量级相当（Friedlingstein 等，2023），这使得内陆水成为全球温室气体清单中关键且不可忽略的组成部分。尽管其重要性已得到认可，但这些估计仍存在巨大不确定性，特别是因为小型水体（小湖泊、池塘和蓄水池）在区域和全球内陆水温室气体排放评估中代表不足（Grinham 等，2018；Holgerson 和 Raymond，2016；Ollivier 等，2019；Peacock 等，2021；van Bergen 等，2019）。

越来越多的证据表明，由于浅水深度、强烈的沉积物 - 水界面交换、有限的环境容量以及大量的异源养分负荷，小型静水水体是温室气体产生和排放的不成比例的热点（Bauduin 等，2024；Natchimuthu 等，2014；Wang 等，2017）。尽管这些小型水体单个表面积较小，但它们在景观中数量极其丰富（Lv 等，2022；Verpoorter 等，2014），其中小于 0.1 hm2的水体约占全球所有湖泊型湿地斑块的 90%（Verpoorter 等，2014）。其高累积丰度结合较高的单位面积排放速率，使其成为全球水温室气体预算中显著但仍未得到充分代表的组成部分（Macedo，2026；Yan 等，2024）。此外，由于对环境变化高度敏感，小型水生态系统中的温室气体排放动态通常表现出显著的空间时间变异性及复杂的生物地球化学控制（Holgerson 和 Raymond，2016；Lv 等，2022）。特别是，鉴于其分类和功能多样性以及日益加剧的人为压力，对不同小型水体类型的温室气体排放表征不足仍然是区域和全球温室气体清单中不确定性的主要来源（Ge 等，2025；Malerba 等，2022；Yan 等，2024）。

小型农业灌溉蓄水池（SAIIs）是小型人工水体（0.02–4 ha），构成了季节性干旱易发丘陵地区农业水基础设施的重要组成部分（Downing 等，2006；Ngigi 等，2005）。除了提供灌溉水、生活用水供应和洪水调节外，SAIIs 还调节农业集水区内的水、养分和有机物的截留、储存和转化（Xie 等，2016），从而参与区域生物地球化学循环。与管理集约的水产养殖池塘不同，后者主要由人工投喂和管理措施驱动（Boyd 等，2010；Chanda 等，2019；Yuan 等，2019；Zhang 等，2026b），大多数 SAIIs 作为小型集水区和开放水文系统运行，拦截来自周围景观的地表径流（Xie 等，2024）。因此，它们整合了来自不同周围集水区的养分和有机物输入，并强烈受到陆 - 水界面物质交换的调节（Holgerson，2015；Jensen 等，2023；Rubbo 等，2006）。尽管与传统农业池塘相比，这些 SAIIs 表现出相对较大的水深度和更大的环境容量（Holgerson 和 Raymond，2016；Rosentreter 等，2021），但高效的陆 - 水物质交换使其成为陆地碳和氮的关键汇（Webb 等，2019；Xie 等，2024），并且由于其对陆地环境变化和人为干扰的高度敏感性，成为不确定的温室气体排放源（Osuoha 等，2026；Peacock 等，2021）。然而，尽管具有这些独特的生态特征，SAIIs 作为农业景观中温室气体源的作用仍缺乏量化并被 largely 忽视。

尽管小型水体作为温室气体排放热点的重要性日益得到认可（Ge 等，2025；Grinham 等，2018；Holgerson 和 Raymond，2016；Malerba 等，2024；Ollivier 等，2019；Peacock 等，2021；van Bergen 等，2019），现有研究主要集中在管理集约的水产养殖池塘或富营养化小型湖泊（Kosten 等，2020；Yan 等，2024；Yang 等，2021；Yang 等，2019；Yang 等，2024；Yuan 等，2019；Zhang 等，2026a）。这些系统中的温室气体排放动态主要由人工投喂、 stocking 密度、人为污染和管理措施调节（Dong 等，2023；Yang 等，2026；Zhang 等，2025b）。相比之下，SAIIs 在水体内接受较少直接的人为输入。然而，在高度开放边界条件下，由径流介导的输入和强烈的景观 - 水相互作用驱动沉积物中高有机碳固存，为温室气体产生提供了丰富的底物（Cui 等，2024；Xie 等，2024；Zhong 等，2020）。因此，与传统管理池塘相比，SAIIs 中的温室气体动态预计会对陆地环境和人为干扰做出更直接的响应（Fan 等，2022；Xie 等，2024；Zhang 等，2022a）。在中国南方，山地农业扩张在跨越超过 350,000 km2的丘陵地区创造了数百万个 SAIIs（Fu 等，2018）。然而目前，在这些不同干扰梯度下的 SAIIs 中的温室气体排放通量及其潜在的多个维度的调节机制仍知之甚少。这一知识空白限制了我们对抗农业水基础设施中碳氮循环的理解，并为内陆水和农业生态系统中的碳中和评估引入了相当大的不确定性（Wu 等，2023；Xie 等，2024）。

为了解决这些知识空白，本研究对代表三种具有不同人为干扰强度的功能类型的 12 个典型 SAIIs 进行了全年季节性温室气体通量监测。具体目标是：(1) 量化 SAIIs 中 CO2、CH4 和 N2O 排放的时空动态；(2) 阐明影响这些特殊水基础设施中温室气体排放动态的关键因素；(3) 确定人为干扰如何影响温室气体排放通量并重塑关键环境控制因素。本研究为农业灌溉蓄水池的温室气体排放动态提供了新见解，并推进了我们对人为干扰如何调节小型农业水体中碳氮循环的理解，从而支持更全面的农业温室气体清单。

章节片段
研究区域与采样设计
本研究在重庆市璧山区（106°02′–106°20′ E, 29°17′–29°53′ N）开展，该地区是中国西南部一个具有代表性的丘陵区域，以低山、谷地和农业梯田组成的碎片化景观为特征。由于亚热带湿润季风气候和显著的降水季节性变异性，该区域已建造了众多小型农业灌溉蓄水池（SAIIs）以拦截地表径流并缓解季节性水
SAIIs 表层水和沉积物的理化特征
所有环境参数见表 S1 和图 2。水温（WT）范围为 9.8 °C 至 34.0 °C，季节性波动构成主要模式；未观察到蓄水池间存在统计学显著差异（表 S1）。在整个研究期间，大多数 SAIIs 中的溶解氧（DO）保持在饱和值以下（4.5–7.8 mg L?1），表明普遍存在缺氧限制条件。叶绿素 a（Chl-a）和电导率（EC）在 SAIIs 之间变化显著，范围分别为 0.4–87.2 μg L?1 和 181.2–942.7 μS cm?1，
小型农业灌溉蓄水池作为温室气体排放热点
先前的研究一直表明，小型静水系统表现出不成比例的高温室气体排放速率，这主要归因于其浅水深度、高效的沉积物截留、强烈的沉积物 - 水相互作用以及活跃的微生物生物地球化学过程（Borges 等，2022；Holgerson 和 Raymond，2016；Peacock 等，2021）。然而，现有研究主要集中在水产养殖池塘和小型湖泊（Chanda 等，2019；Chiriboga 等，2024；Liu

结论
本研究提供了不同人为干扰梯度下小型农业灌溉蓄水池 CO2、CH4 和 N2O 排放的系统评估。我们的结果表明 SAIIs 代表大量的温室气体源，全年表现出持续的高温室气体浓度和排放通量。人为干扰的增加显著增强了 CO2、CH4 和 N2O 排放，其中村庄型和梯田型蓄水池显示出显著
作者贡献声明
白兴贵：撰写 - 原稿，项目管理，方法，调查。萧作林：撰写 - 审阅与编辑，方法，资金获取。王晓峰：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原稿，调查，资金获取，数据整理，概念构思。李威：方法，调查。曾媛：软件，资源，调查。张岳维：撰写 - 审阅与编辑，资金获取，数据整理。刘双双：监督，
利益冲突
作者声明与本研究生成的结果相关的无利益冲突。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（32371680）、中国教育委员会重庆市科学技术研究项目（KJZD-M202600506）和中国重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-LZX0150, 2022NSCQ-MSX2598）的资金支持。
白兴贵 | 张岳维 | 刘双双 | 李威 | 曾媛 | 萧作林 | 王晓峰
重庆山地生态系统碳循环与碳调控重点实验室，重庆师范大学地理与旅游学院，重庆，401331，中国