背景介紹:永久濕地被認為是全球生產力最高的生態系統之一，可以通過光合作用和植物生物量和土壤中有機物質的積累來固碳。在不到10%的全球表面積內，天然濕地平均每年可以封存830 Tg的碳。然而，由濕地的人為改變（即種植和放牧、排水、開墾）引起的干擾會促進先前儲存的土壤碳以溫室氣體的形式釋放到大氣中，從而降低其碳儲存能力。農業開發有助于增加未受干擾的濕地的氮輸入（即添加氮肥以改善土壤和養分徑流），因此改變了生態系統中養分的有效性并影響了參與溫室氣體生產的土壤微生物的活動。雖然有關于氮肥、排水和水文恢復關于濕地溫室氣體排放的研究，很少有研究調查氮肥添加和淹沒制度的結合及其對溫室氣體排放的潛在交互影響。本研究采用模擬微觀世界的方法，調查了濕地農業轉化對淡水濕地CO2、CH4和N2O排放的生物地球化學影響，進一步旨在提供有關快速恢復工作如何影響退化濕地的信息。通過使用微傳感器土壤剖面分析系統（unisense）和氣相色譜法測試了排水和高銨基氮負荷對濕地縮影環境中溫室氣體排放的單獨和綜合影響。并研究了在存在和不存在氮負荷的情況下通過淹沒水文恢復的初始響應。


Unisense微電極系統的應用


氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每個土壤芯的頂部0-1厘米處測量，使用帶有電動顯微操作器設置的電化學微傳感器。Clark型氧氣(O2)微傳感器和一氧化二氮(N2O)微傳感器（尖端直徑=100μm，90%響應時間<8 s，攪拌靈敏度<1%）用于測量O2和N2O微觀分布。在剖面測量之前，將O2微型傳感器暴露于H 2 S作為預污染以避免測量期間校準漂移。并在0%和100%空氣飽和水中進行校準，而N2O微型傳感器在水中進行校準，使用N2O飽和溶液作為N 2 O源的O濃度為0和100μM N 2 O。通過將微型傳感器尖端定位在土壤核心表面（使用立體顯微鏡進行可視化）進行剖面測量，直到土壤深度達到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通過使用連接到運行專用定位和數據采集軟件的筆記本電腦控制自動微操作器。對于每個核心，測量不同位置的三個重復，然后平均每個微傳感器類型的每個核心產生一個重復。


實驗結果


研究結果表明，物理（即水的變化）和化學（即銨基氮肥添加）人為干擾對溫室氣體的產生和排放有重大影響。研究發現，無論養分處理如何，排水條件下的土壤樣品的O 2消耗率總體較低，而CO 2排放量高于潮濕和淹沒的土壤。添加氮肥后，在潮濕和淹沒的土壤中檢測到最高的N 2 O排放和O 2擴散吸收，而最高的CH 4排放僅在淹沒土壤中測量?？傮w而言水文恢復的第一反應有助于減少CO 2排放。然而，氮肥添加和水分存在的綜合影響導致GWP增加了近14倍。

圖1、濕地中的碳和氮循環。綠色箭頭代表N循環過程，而藍色箭頭代表C循環過程。增加水位促進電子受體（即NO3-）的可用性，創造產甲烷所需的厭氧條件，并限制甲烷氧化對CH4的消耗。肥料（NO3-或NH4+）的輸入可以通過影響將CH4氧化成CO2的甲烷氧化細菌(MOB)的活性來影響CH4的產生和排放（紅色虛線箭頭）（甲烷氧化）并通過限制可用于產甲烷的底物。

圖2、實驗設計a)將每個淹沒狀態（淹沒、潮濕和排水）的三個復制品放置在六個652×413×282毫米的塑料容器中，容器中裝滿大約12-13厘米深的雨水。三個容器用作對照（對照），其余三個用作營養處理，向每個容器中加入114 mL液態銨基氮肥（富氮）；b)用于分析沉積物中O2和N2O濃度的電動顯微操作器裝置；c)微型分析站由一個裝滿雨水的小水族箱組成，并配備了水泵和熱水器，以保持一致的水流量和水溫。


圖3、O2和N2O濃度的深度微觀剖面。a)O2濃度分布按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。b)N2O濃度分布按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。


圖4、O2消耗量和N2O排放量和凈產量。a)O2流入量(DOU)(mmolm-2d-1)根據測量的O2曲線計算并按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。b)體積比O2消耗率(R)(mol m-3 d-1)，由測量的O2分布除以滲透深度計算得出，并按養分處理（對照，富氮）和淹沒狀態（淹沒，潮濕，排水）。O 2無法獲得富氮排水土壤的消耗率(NA)，因為無法確定相應的穿透深度，因為O2穿透剖面提前停止以最大限度地降低傳感器破損的風險（達到的最大深度=12毫米）。c)凈N2O產量(mmolm-2d-1)從測量的N2O曲線計算并按養分處理(對照，富含N)和淹沒狀態(淹沒、潮濕、排水)分組。d)N2O排放量(mmol m-2 d-1)從測量的N2O計算剖面并按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。


圖5、溫室氣體排放a)擴散性CO2和CH4排放按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。b)100年CO2、CH4和N2O排放的全球變暖潛能值，按養分處理（對照、富氮）和淹沒狀態（淹沒、潮濕、排水）分組。


結論與展望


淡水濕地是碳的天然匯，然而將濕地轉化為農業用途可以將這些碳匯轉變為溫室氣體的主要來源。濕地水文的人為改變和氮肥的廣泛使用可以改變生物地球化學循環，但是它們對溫室氣體交換的綜合影響程度仍有待進一步研究。此外最近通過改善自然水流和尋找營養輸入的替代解決方案，對濕地恢復和保護產生了興趣。在一個縮影環境中，研究人員通過添加高氮負荷（300 kg ha-1)來模擬物理和化學干擾。之后研究人員使用了unisense微剖面系統測量了模擬濕地土壤中的N2O和O2濃度以及CO2和CH4排放率的深度微觀剖面，以確定水文變化和氮輸入如何影響內陸濕地土壤的碳和氮循環過程。與對照土壤相比，氮肥在排水條件下增加了40%的CO2排放，在淹水條件下增加了90%以上的CH 4排放。富含氮的潮濕和淹沒土壤的N2O排放量分別增加了17.4倍和18倍。本研究強調了在制定恢復退化濕地的恢復計劃時評估各種干擾對生物地球化學過程的潛在交互影響的重要性。本研究的結果將促進我們對濕地轉化為農業引起的物理和化學變化影響濕地功能的程度以及濕地恢復實踐以抵消碳排放的效率的理解。