长江三角洲河网水体氧化亚氮产生机制及其排放通量

以典型亚热带季风气候区长江三角洲河网为研究对象，通过野外采样、现场观测，使用静态顶空法研究河流水体氧化亚氮浓度和饱和度水平，计算河网水－气界面氧化亚氮排放通量及其时空变化特征；将野外现场培养和实验室微域模拟培养试验相结合，分析亚热带季风气候复杂环境条件下环境因子对氧化亚氮产生和排放的影响和相关关系，探究亚热带季风区河口三角洲河网水体和沉积物氧化亚氮的产生机制，辨识主要环境控制因子；通过空间数据分析和插值，估算长江三角洲河网水体氧化亚氮排放量和排放系数，为全球氧化亚氮源汇清单估算和大气层氧化亚氮平衡研究提供可靠的分区数据；水体和沉积物氧化亚氮产生机制和与环境因子相关关系的探讨将丰富和发展河流等水体环境氧化亚氮地球化学循环理论内容。

在项目执行的3年中，以长江三角洲河网为研究对象，在上海市区域布设覆盖各种用地类型采样点87个。于2009年8月至2011年10月期间，隔月采集河流表、底层水样及现场气样，使用气相色谱仪分析其中N2O浓度，计算表层水体N2O饱和度和水-气界面N2O扩散通量，用以研究其时空变化特征；从87个河流采样点中选出8个具有代表性的采样点，于2011年12月至2012年10月，隔月采集河流水样和沉积物柱样，通过实验室模拟培养，测定沉积物-水界面N2O交换通量，分析其时空变化特征，并阐明河流N2O的产生机制；在上海市城区和郊区各选择一个采样点，采集河流水样和沉积物柱样，室内人工控制水环境因子（DO、NH4+、NO3-）的变化，探究主要水环境因子对水体和沉积物N2O产生速率的影响机制。3年的研究表明：长江三角洲河网表层水体N2O浓度均值在(8.26±0.16)~ (6358.65±130.46) nmol∙L-1之间，饱和度均值在(109±15.1)~ (61813.21±1268.18)%之间。表层水体N2O浓度严重过饱和，表现出冬春季较高、夏秋季较低的特征；在水环境较好的崇明区显著低于其他区域。底层水体N2O浓度常大于表层，一定程度上可反应出河流水体存在N2O的垂直扩散过程。相关分析发现河流表层水体的N2O浓度主要受水体DO浓度、NH4+浓度和NO3-+NO2-浓度的影响，与DO成负相关，与NH4+和NO3-+NO2-成显著正相关。控制因子模拟实验结果表明，N2O的产生途径不是水体及沉积物表层的硝化作用，而是沉积物亚表层的反硝化作用。长江三角洲河网水-气界面N2O通量在0.015~68.0 μmol∙m-2∙h-1之间，均值为2.61±1.08 μmol∙m-2∙h-1，处于较高水平，说明长江三角洲河网是大气N2O的源。河流水-气界面的N2O通量在夏季处于较高水平，季节变化不明显；空间特征与浓度相同，在水环境较好的崇明区排放通量最小，而在水污染严重的宝山区排放量最高。长江三角洲河网沉积物-水界面N2O通量范围在(-0.76±0.17)~(2.21±1.39 ) μmol∙m-2∙h-1之间，均值为0.27±0.28 μmol∙m-2∙h-1。河流沉积物-水界面N2O通量时间差异明显，秋冬季较低、春夏季较高；空间特征仍与浓度一致，污染严重的市区高于环境良好的郊区。