河流N2O排放的影響因素研究進展

劉　賽，張　珊河南師范大學生命科學學院

河流N2O排放的影響因素研究進展

劉賽，張珊
河南師范大學生命科學學院

氧化亞氮（N2O）是一種重要的溫室氣體，可以加劇全球變暖，是《京都議定書》規定的6種溫室氣體之一。據估計，大氣中N2O濃度的增加所表現的溫室效應占總體溫室效應增強的10%左右。文中對N2O的產生機制；對N20的排放的時候，受各種因素的影響，包括環境因子，環境因素，人類活動因素等；最后對目前研究所存在的問題進行闡述以及對未來的研究進行展望。

河流是陸地上最重要的水域體系，是物質從陸地進入海洋的重要載體，在全球物質能量循環中扮演著十分重要的角色，并且其自身體系中包含的碳氮組分是大氣中溫室氣體的主要來源之一，其中N2O的排放受到重視。有研究對全球河流N2O的排放量進行了估算，表明全球河流N2O的排放占全球人為排放的N2O的量的15%，而到2050年，大氣中約四分之一的N2O將來源于河流系統的釋放［1］。如果不加以控制，N2O對全球氣候的增溫效應在未來必將越來越顯著。然而，這些估算的數據存在著很大的不確定性，因為水生生態系統中N2O的產生以及排放極容易受到環境因子的變化所影響，因而具有很大時間和空間的差異［2］。目前，針對N2O的排放的研究雖然很多，但是大多數都僅僅進行了初步統計分析，而對河流生態系統N2O的排放的影響因子等方面的研究還存在著許多的欠缺。

1.河流中N2O的產生機制

河流中的溫室氣體的來源目前認為有可能是底部沉積物中所含有的各種微生物產生，也可能是匯入河流中的水體中所攜帶的溶解N2O，如地下水上升流、污水處理廠和工廠排放的廢水、農業灌溉徑流等。

1.1反硝化作用

通過微生物的各種生命活動，把硝態氮轉變成氣態氮，反硝化細菌能夠直接作用于硝酸，使其還原為N2。當處于有氧條件下的時候，反硝化細菌體內進行有氧呼吸，氧作為最終電子受體，不發生反硝化作用。當處于缺氧的條件下，反硝化細菌利用NO3-為最終電子受體，將NO3-還原為NO2-，最終還原為N2。反硝化作用所需的氧氣方面條件與硝化作用所需的條件相反，一般應在缺氧條件。

1.2硝化作用

通過微生物的各種生命活動，將銨態氮轉化為硝態氮的氧化過程。對于硝化作用而言，根據目前的研究，未發現有一類菌能一步把氨轉化為硝酸，必須通過兩類菌的共同作用才能完成這個過程。因此硝化作用主要有兩個階段，第一階段是在亞硝化細菌的作用下，銨被氧化成亞硝酸；第二階段是在硝化細菌的作用下，亞硝酸進一步被氧化為硝酸，其間生成N20。硝化作用是由一類好氣性微生物進行的，硝化過程中釋放部分N2O。從銨態氮轉化為硝態氮一般要求氧化還原電位（Eh）在400mV左右［3］，因此如果Eh不高，則即使形成了硝態氮，也將很快被還原。

1.3硝酸根異化還原作用

在無氧或微氧條件下，微生物進行硝酸鹽呼吸，即以NO3-或NO2-代替O2作為電子受體進行呼吸代謝，但是硝酸鹽不是末端電子受體，進行不完全還原，NO3-還原為NO2-和NH4+，NH4+為主導的產物，其本質上可以說是發酵性能量代謝過程。反應中也涉及到N2O的產生。

此外，有些N2O可能是從周圍的水體中由于水系連通而使得氣體輸入到河流中。水體在N2O的匯的方面仍發揮一定的作用，可以使得部分溫室的氣體在產生后蓄存于河流生態系統之中從而減少釋放。當然，當外界環境條件如溫度發生變化時，河流的N2O排放可能增強，但相關結論并不一致，還有待深入研究。

2.河流中N2O排放的影響因素

通過查閱相關資料可以看出不同區域的河流N2O的濃度、排放通量有很大差異，且同一河流不同季節的N2O的濃度、排放通量也有很大差異。綜合目前國內研究結果，總結了以下因子對河流N2O的影響機制。

2.1溶解氧濃度對N2O的排放的影響

有關研究表明，河流水體中溶解氧含量決定了水體中如何降解與將產生什么樣產物，并對水體中各種元素的循環有重要的影響。在氮循環中，水生生態系統的水體溶解氧（DO）濃度控制著N2O的濃度與排放通量。N2O產生速率與DO之間的關系是非常的復雜，因為產生N2O的微生物既有好氧的硝化細菌，又有厭氧的反硝化細菌。而DO對N2O的產生控制也分為兩個情況，首先在充足的DO供給時，硝化作用占主導地位，N2O主要由硝化反應產生，其產量濃度的大小將取決于硝化作用的基質NH4+的濃度［4］。其次在缺乏DO時，硝化反應會大大減弱，如果水體又沒有外源氮的輸入，此時反硝化作用也會被限制，這是因為硝化反應的產物NO3-是反硝化作用的反應物。在富營養化淡水中，深水層和沉積物表而通常缺氧，此時DO的可利用性會限制硝化作用。因此在這種情況下DO的缺乏會減少淡水沉積物中N2O的產生［5］。但是當水中有足夠的NO3-和外源氮輸入時，并且DO含量很少時，則會發生很好的反硝化作用，產生大量的N2O。而在現實的河流生態系統中這些反應過程可能同時存在，因此DO對N2O的產生及釋放的影響極為復雜。據相關的研究顯示，河流水體中的DO與N2O的濃度與排放量成負相關［6］。

2.2溶解無機氮濃度對N2O的排放的影響

水生生態系統中溶解無機氮以NH4+、NO3-+NO2-離子作為主要的存在的形式。而硝化和反硝化作用以NH4+、NO3-+NO2-作為反應基質，因此它們的含量決定這水體中N2O的產生。據目前的研究，NH4+、NO3-+NO2-濃度與N2O產量成正相關關系。例如：我國長江三角洲區域河網［7］和環渤海河流［8］等。有研究報道NO3-可以直接抑制還原酶的活性，但是又不影響將NO3-轉化為N2O的酶的活性［10］。因此高濃度的NO3-除了能提高反硝化速率外，還能抑制N2O還原酶的活性，限制反硝化過程中N2O向N2的轉化。

2.3有機碳的含量對N2O的排放的影響

研究表明，河流生態系統中N2O的產生速率通常也與有機碳的含量呈正相關。作為微生物能源物質的有機碳則是產N2O菌的能源物質，另外有機碳含量還可以從另一方面間接影響N2O的產生，它的增加可以促進水體中好氧微生物對環境中DO的消耗導致缺氧環境，從而有利于產生N2O的厭氧微生物過程［9］。

2.4水體中的溫度對N2O的排放的影響

河流中N2O的濃度、排放通量都隨著季節變化，當溫度的升高時候增大。而這是因為溫度可以直接影響微生物的活性，當溫度升高的時候，增強硝化細菌、反硝化細菌的活性，促進N2O產量增加。而且，當溫度變化的時候，沉積物中的耗氧速率會隨著改變，溫度升高，溶解氧濃度降低，則會導致硝化速率下降，溫度對硝化細菌的抑制作用大于反硝化菌［10］。但是溫度的影響并不是絕對的，由于硝化速率和DO濃度也可能隨著溫度有所改變，因此可以說溫度對N2O的影響作用是十分復雜的，不能進行單獨的定義。另外有研究表明，N2O還原酶對環境異常敏感，河流中N2O的濃度、排放通量也可能因溫度升高而降低［11］。

2.5人類的活動因素對N2O的排放的影響

人類的活動增加污染物來源，比如直接排污進入河流內，農業活動中化肥施用造成的污染等。增加了大量的無機氮源匯入河流內部，進而導致河流N2O的排放增加。

此外，氣壓，風速，河流的大小，水流量，輻射強度，河流周圍的環境因素等對N2O的排放也有一定的影響。在實際的情況中，每個因素對溫室氣體的產生于排放的影響不是絕對的，通常共同起作用，因此不能簡單的判斷每個因素所產生的影響。這正是未來所需要研究的方向。

3.存在的問題與展望

河流是溫室氣體N2O的重要來源，全球河流水體中的N2O的溶存濃度為2.4～1450.0nmol/L之間，水-氣界面的排放通量為-1.46～542.86μmol（m2?h）-1之間。目前河流生態系統中的N2O的研究還只在排放通量和溶存濃度方面測定，是宏觀角度探究，還缺乏對微觀方面的研究，中國在這方面尤其缺乏。對N2O產生機制，最新研究表明，氨氮可以在完全氨氧化菌（COMAMMOX，Complete Ammonia Oxidizers）的作用下實現一步式硝化，這對解釋硝化過程中N2O的產生提出了新的挑戰。使我們深入思考，是否還存在其他方面的產生機制，還有待研究。水體的溶解氧濃度，溶解無機氮濃度，有機碳的含量，溫度，氣壓，風速，輻射強度等是影響N2O排放的主要因素。是否還存在其他方面的影響因素，仍然是一個謎。雖然目前已經有較多的研究成果，但是研究還不徹底，仍需有待研究。

［1］Beaulieu J J，Tanka J L，Hamilton S K，et al.Nitrous oxide emis?sion from denitrification in steam and river networks［J］.Proceeding of the National Acamdemy of Science of the United States of America，2011，108（1）:214-219

［2］侯翠翠，李英臣，張芳等.衛河新鄉市區段春季溶解CH4與N2O濃度特征［J］.環境科學.2016，37（5）:1891-1899.

［3］袁可能.植物營養元素的土壤化學［M］.科學出版社.1983.

［4］Liikancn A，Martikainen P J.Effect of ammonium and oxygen on methane and nitrous oxide fluxes across sediment-water interface in a eutrophic lake［J］.Chemosphere，2003，52（8）:1287-1293.

［5］Burgin A J，Hamilton S K.Have we overemphasized the role of denitrification in aquatic ecosystems？A review of nitrate removal path?ways［J］.Frontiers in Ecology and Environment，2007，5（2）:89-96.

［6］Rosamond M S，Thuss S J，Schiff S L.Dependce of riverine ni?trous oxide emission on dissolved oxygen levels［J］.Nature geosci?ence.2012，5:715-718.

［7］胡蓓蓓，譚永潔，王東啟等.冬季平原河網水體溶存甲烷和氧化亞氮濃度特征及排放通量［J］.中國科學，2013，43（7）:919-929.

［8］蔡林穎，楊麗標，劉樹慶，雷坤.枯水期環渤海16條河流N2O釋放通量研究［J］.環境科學與技術，2014，37（12）:89-95.

［9］Beaulieu J J，Arango C P，Hamilton S K，et al.The production and emission of nitrous oxide from headwater streams in the midwest?ern United States［J］.Global Change Biology，2008，14（4）:878-894.

［10］馬娟，彭水臻，王麗等.溫度對反硝化過程的影響以及pH值變化規律［J］.中國環境利學，2008，28（11）:1004-1008.

［11］Liikanen A，Aartikainen P J.Effect of ammonium and oxgen on methane and oxide fluxes across sediment-water interface in a eu?trophic lake［J］.Chemosphere，2003，52（8）:1287-1293.

劉賽(1993-),女,漢族,河南鄭州人,河南師范大學生命科學學院2013級生物技術專業在讀本科生；

張珊(1996-),女,漢族,河南濮陽人,河南師范大學生命科學學院2013級生物技術專業在讀本科生。