自然濕地氮排放與氣候變化關(guān)系研究進(jìn)展

趙姍，周念清，唐鵬

1. 上海海事大學(xué)，上海 201306；2. 同濟(jì)大學(xué)，上海 200092

氮素是組成生命體蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)最重要的元素之一，其在自然界中的存在形式多樣且轉(zhuǎn)化途徑不一（Zhou et al.，2014）。氮在不同形態(tài)、不同環(huán)境之間的遷移轉(zhuǎn)化稱為氮循環(huán)，而發(fā)生在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)則為濕地氮循環(huán)（周念清等，2014）。濕地系統(tǒng)中的自然濕地是指天然形成的長久或者暫時(shí)性的濱海濕地、河流、湖泊、沼澤濕地等（邵媛媛等，2018）。氮是自然濕地系統(tǒng)中重要的組成成分和重要的生態(tài)因子，對(duì)濕地的初級(jí)生產(chǎn)力具有重要影響；而濕地是氮素重要的源、匯和轉(zhuǎn)化器，氮素通過固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化等過程在濕地生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行著不間斷的循環(huán)（Reddy et al.，2008）。氮循環(huán)過程中釋放各種含氮?dú)怏w的行為被稱為氮排放，其中N2O是一種常見的溫室氣體。有研究顯示濕地釋放的N2O量正逐年增加（Burgin et al.，2012），對(duì)全球氣候變化的影響正受到越來越多的關(guān)注。

氣候變化指長時(shí)期內(nèi)氣候狀態(tài)的變化，據(jù)聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(huì)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（2013年）統(tǒng)計(jì)，1880—2012年全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃，且本世紀(jì)前10年是最暖的10年，全球大氣CO2、CH4和N2O等溫室氣體的濃度已上升至過去80萬年來的最高水平（IPCC，2014）。可見，全球正經(jīng)歷著以氣候變暖為突出標(biāo)志的氣候變化（徐雨晴，2017），只是不同學(xué)者根據(jù)不同模型計(jì)算出的增溫幅度結(jié)果略有差異（Cox et al.，2000；Ganopolski et al.，2001；Smith et al.，2007）。此外，氣候變化不僅僅是指溫度的變化，還包括降雨量、降雨頻次（Trenberth，2011）以及輻射強(qiáng)度（Sitch et al.，2007）和風(fēng)速大小（England et al.，2014）的變化。IPCC預(yù)測(cè)，氣候變化背景下，極端氣候、水文事件頻率和強(qiáng)度也會(huì)增加（IPCC，2014）。已有數(shù)據(jù)表明，近 50年來中國的降水格局已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化（中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室，2011），這些變化都將會(huì)對(duì)敏感的自然濕地排放產(chǎn)生重要的影響。

近年來，關(guān)于氮排放與氣候變化關(guān)系的研究發(fā)展迅速，發(fā)文量逐年增加，如張金屯（1998）研究了全球氣候變化對(duì)自然土壤碳氮循環(huán)的影響，沈菊培等（2011）研究了碳氮循環(huán)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)，但由于涉及內(nèi)容復(fù)雜，目前尚無針對(duì)濕地氮排放與氣候變化關(guān)系的系統(tǒng)總結(jié)分析。因此，本文基于ISI Web of Science核心數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫，針對(duì)“自然濕地氮排放與氣候變化”進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，利用文獻(xiàn)分析工具 CiteSpace軟件和Origin 9.0進(jìn)行分析，旨在為緩解氣候變暖和濕地生態(tài)水環(huán)境管理提供一定的理論支持，同時(shí)為后人了解前人研究成果、總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)、開拓研究方向提供有益參考和借鑒。

1 整體態(tài)勢(shì)分析

截止至2018年5月，以ISI Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中全部文獻(xiàn)為檢索對(duì)象，檢索關(guān)鍵詞為“nitrogen emission”和“climate change”，共檢索到2326篇 SCI論文；而以“wetland/marsh/swamp nitrogen emission”和“climate change”為關(guān)鍵詞，沒有檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。在中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫，截至目前，以“氮排放和氣候變化”為關(guān)鍵詞，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)65篇；而以“濕地氮排放”和“氣候變化”為檢索詞，也沒有檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。從整體來看，氮排放和氣候變化的關(guān)系已經(jīng)得到國際和國內(nèi)學(xué)者較為廣泛的關(guān)注，但是目前為止學(xué)者們對(duì)濕地氮排放和氣候變化關(guān)系的研究較少，因此對(duì)自然濕地氮排放和全球氣候變化的關(guān)系仍有很大的研究空間。

從圖1可以看出，20世紀(jì)末國際上就有關(guān)于氮排放和氣候變化關(guān)系的研究報(bào)道，發(fā)文量呈持續(xù)增長的發(fā)展態(tài)勢(shì)，但 2000年前發(fā)展較為緩慢，年發(fā)文量均在50篇以下；2000年以后，相關(guān)研究發(fā)文量增長迅速，年增長率平均在20%左右，2017年年發(fā)文量突破300篇。國內(nèi)對(duì)氮排放和氣候變化關(guān)系的研究起步較晚，2004年首次發(fā)表相關(guān)文章1篇，之后也逐年增加，到2016年發(fā)表9篇文章。從發(fā)文量年增長率可以看出，IPCC評(píng)估報(bào)告對(duì)氮排放和氣候變化關(guān)系的研究起較大的促進(jìn)作用，從1990年IPCC發(fā)布第一次評(píng)估報(bào)告開始，除了1995年第二次外，2001年第三次、2007年第四次以及2012年第五次會(huì)議結(jié)束后，氮排放和氣候變化相關(guān)文章的發(fā)文量都大幅增長。可見，隨著全球氣候變化加劇，生態(tài)環(huán)境安全所受到的威脅更加嚴(yán)重，尤其在目前嚴(yán)峻的氮肥資源濫用及水體富營養(yǎng)化的形勢(shì)下，越來越多的專家開始關(guān)注氮排放與氣候變化的相互影響。

圖1 氮排放和氣候變化關(guān)系發(fā)文量年代分布和年增長率Fig. 1 The time distribution and annual rate of growth of papers

2 研究進(jìn)展分析

2.1 自然濕地氮排放對(duì)氣候變化的影響

濕地氮排放對(duì)氣候變化的影響可分為直接影響和間接影響。直接影響主要包括濕地氮排放過程中釋放的溫室氣體對(duì)氣候產(chǎn)生的影響；間接影響主要是指發(fā)生氮排放的氮循環(huán)過程與碳循環(huán)的耦合關(guān)系，氮循環(huán)通過影響二氧化碳（CO2）的釋放和吸收而對(duì)氣候變化產(chǎn)生間接影響。

2.1.1 直接影響

自然濕地氮排放對(duì)氣候變化的直接影響主要是通過濕地土壤中發(fā)生的硝化和反硝化過程中釋放的大量的溫室氣體——氧化亞氮（N2O）而產(chǎn)生的（Bateman et al.，2005）。盡管N2O是一種低含量溫室氣體，它的增溫效果卻是C2O的298倍，且在大氣中的存留時(shí)間較長，可達(dá)100多年（Harrison et al.，2005）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物圈向大氣釋放的N2O有 80%～90%來源于土壤（Chapuis-Lardy et al.，2006），而高溫、濕潤、中性酸堿度、高碳氮含量的濕地土壤則是N2O的重要排放源。

由于人類固氮作用、化石燃料燃燒、城市化等活動(dòng)（圖2），進(jìn)入地球的活性氮已經(jīng)出現(xiàn)大幅增加（Galloway，2005；Galloway et al.，2004），使得進(jìn)入濕地系統(tǒng)中的氮也隨之增加。土壤和水體N2O釋放速率與有效氮濃度呈正相關(guān)（Williams et al.，1992），因此濕地中活性氮的增加會(huì)增強(qiáng)硝化和反硝化作用，進(jìn)而加劇濕地土壤N2O的排放。研究表明，人工固氮能力增加會(huì)使大氣N2O含量也相應(yīng)增加，如果向地球表面輸入1000 kg自然或者人為來源的活性氮，其中的1%～5%就會(huì)變成N2O氣體而進(jìn)入大氣層（Crutzen et al.，2008）。此外，不斷增長的固氮能力可能使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中氮供應(yīng)量超過生物需求量，產(chǎn)生濕地氮飽合問題（Galloway et al.，2002；Hanson et al.，1994；Vitousek et al.，1997），這將使?jié)竦鼗钚缘亢蚇2O排放增長迅速。隨著人們對(duì)CO2和CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的重視，濕地生態(tài)系統(tǒng)中CO2和CH4釋放增長率可能呈下降趨勢(shì)，但氮肥和化石燃料使用量的持續(xù)增長可能使 N2O釋放大幅度提高（Galloway et al.，2008）。如果人工固氮增長率保持不變，N2O有可能代替CH4成為第二大溫室氣體。

圖2 人類活動(dòng)對(duì)氮排放與氣候變化關(guān)系的影響（改編自Zhao et al.，2016）Fig. 2 Impacts of human activities on relationships of nitrogen emission and climate change

2.1.2 間接影響

濕地生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)都是相互聯(lián)系、相互耦合的。濕地氮循環(huán)和碳循環(huán)也是密切相關(guān)、高度耦合的統(tǒng)一關(guān)系（Reddy et al.，1987）（圖3）。氮素影響植物光合作用、有機(jī)碳分解、同化產(chǎn)物的分配以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)等多方面生態(tài)過程，氮素的任何變化都可能導(dǎo)致碳貯量和碳通量的變化（任書杰等，2006）。氮碳耦合對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響是通過碳氮比（C∶N）來實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，25∶1被認(rèn)為是C∶N的分界值，當(dāng)C∶N＞25時(shí)，N2O 的排放量則為零（Hunt et al.，2007）。新鮮枯落物中的C∶N一般比較高，尤其是在一些木質(zhì)的枯落物中，隨著時(shí)間的變化C∶N降低，在未被擾動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤C∶N最終趨近14。此外，由于氮氧化合物和揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放在對(duì)流層形成的臭氧會(huì)減弱植物的生產(chǎn)力，從而減少植物從大氣中吸收的CO2（周智敏等，2017）。

圖3 碳氮耦合對(duì)氣候變化的影響（改編自Thornton et al.，2009）Fig. 3 The impacts of coupled nitrogen-carbon cycle on climate change

生物圈可以吸收排放到大氣中的50%的CO2，而活性氮會(huì)影響濕地生態(tài)系統(tǒng)從大氣中吸收 CO2（Heimann et al.，2008）。濕地中活性氮增加會(huì)改變濕地的 CO2匯，因?yàn)榈墓?yīng)情況和植物的光合作用密切相關(guān)，濕地中氮增加后會(huì)促進(jìn)植物的光合作用，使植物吸收更多的 C2O（Luo et al.，2004），從而增加濕地植被的固碳能力（呂超群等，2007）。據(jù)估計(jì)，至2030年，活性氮的增加會(huì)使碳排放的截獲量增加10%左右（Reay et al.，2008）。活性氮的增加也會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)中CH4的產(chǎn)生和消耗（方華軍等，2014），如濕地中的氮沉降會(huì)刺激維管植物的生長，進(jìn)而增加該系統(tǒng)內(nèi)碳的供給量和 CH4的產(chǎn)生量（曾競(jìng)等，2013）；也可能會(huì)改變微生物的消耗量，從而改變濕地系統(tǒng)中 CH4的總排放量（胡敏杰等，2015）。另外，反芻動(dòng)物可以將其所攝取食物的3%～8%轉(zhuǎn)化為CH4（Lassey，2007），活性氮的增加會(huì)產(chǎn)生更多易消化的食物，從而可能減少反芻動(dòng)物的CH4產(chǎn)生和排放。研究顯示，CH4轉(zhuǎn)化率隨飼料質(zhì)量和動(dòng)物生產(chǎn)效率的提高而降低（Kumar et al.，2014），因此活性氮增加可以使?jié)竦靥峁└鄡?yōu)質(zhì)飼料，間接減少 CH4的排放及其對(duì)氣候的影響。

2.2 氣候變化對(duì)自然濕地氮排放的影響

氣候變化對(duì)自然濕地氮排放的影響主要是通過氣候因子影響發(fā)生氮排放的主要氮循環(huán)過程（硝化和反硝化）而產(chǎn)生的。這些氣候因子包括溫度、降水、輻射、光速和光照等。氣候變化通過這些因子對(duì)濕地氮排放產(chǎn)生影響，最終會(huì)對(duì)濕地環(huán)境產(chǎn)生影響（圖4）。

圖4 氣候變化對(duì)濕地氮排放的影響（改編自夏星輝等，2012）Fig. 4 The impacts of climate change on nitrogen cycle of wetlands

2.2.1 溫度

溫度是一種時(shí)時(shí)刻刻都對(duì)生態(tài)系統(tǒng)在起重要作用的氣候因子。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的所有的生物地球化學(xué)循環(huán)都必須在一定的溫度范圍內(nèi)才能進(jìn)行。當(dāng)環(huán)境溫度超過或低于適宜的溫度時(shí)，就會(huì)影響氮循環(huán)某個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)速率，甚至?xí)种颇硞€(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)生，從而擾亂濕地氮循環(huán)，打破濕地系統(tǒng)內(nèi)的氮平衡狀態(tài)，最終可能會(huì)因?yàn)闈竦貎?nèi)活性氮大量減少而影響濕地的初級(jí)生產(chǎn)力（Elser et al.，2007），也可能會(huì)造成濕地內(nèi)活性氮大量富集，引發(fā)濕地富營養(yǎng)化（Morris，1991）。

濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)氮循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)也都有各自的適宜溫度范圍。在 5～35 ℃的溫度范圍內(nèi)，氮的礦化速率與溫度呈正相關(guān)，溫度的升高可提高土壤有機(jī)氮的礦化率，從而顯著提高土壤有效氮的含量（Cassman et al.，1980）。硝化作用最適宜溫度為25～35 ℃，＜5 ℃或＞40 ℃均抑制硝化作用發(fā)生（Sahrawat，2008）；而反硝化作用的適宜溫度為5～67 ℃（Bachand et al.，2000；Stanford et al.，1975），溫度范圍較廣。溫度升高從宏觀上也會(huì)影響濕地面積和時(shí)空分布，但面積變大或變小與濕地所在地區(qū)氣候有關(guān)。孟煥等（2016）發(fā)現(xiàn)溫度升高使得以冰雪融水為主要補(bǔ)給源的濕地面積逐年增加，使半濕潤區(qū)的濕地面積減少，在一定程度上減緩了干旱區(qū)濕地面積的萎縮。位于中國青藏高原的若爾蓋濕地也發(fā)現(xiàn)面積總體呈下降趨勢(shì)，這與當(dāng)?shù)仄骄鶞囟让芮邢嚓P(guān)（李國明等，2017）。溫度升高引起的濕地面積大小變化會(huì)影響氮在濕地的停留時(shí)間，進(jìn)而影響濕地氮循環(huán)的周期，最終對(duì)氮排放也會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2.2 降雨

水分是濕地土壤的重要組成部分，濕地中不斷進(jìn)行的各類物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量交換都需要在水的參與下才能進(jìn)行，因此，濕地系統(tǒng)對(duì)供水量大小變化和供水水質(zhì)的變化非常敏感（Erwin，2009）。氣候變化會(huì)引起降雨強(qiáng)度和降雨頻次的變化，從而引起土壤含水量的變化，進(jìn)而影響濕地土壤的透氣性、氧化還原電位（Eh）、pH值、微生物活性以及濕地土壤中N2O等氣體向大氣擴(kuò)散的速率等，因此濕地氮循環(huán)受到土壤含水率變化的影響（Yu et al.，2009）。在一定的土壤含水量范圍內(nèi)（飽和含水量的57%～78%），礦化速率隨含水量的增加而升高，當(dāng)超過該范圍時(shí)，凈礦化速率隨含水量的升高而降低（Sleutel et al.，2008）。同樣，在一定范圍內(nèi)，降水量的減少也可導(dǎo)致土壤有效氮含量的減少。例如，有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用人工控制凈降水量時(shí)，土壤有效氮濃度顯著減少，說明凈降水量對(duì)土壤有效氮的影響較大（Jonasson et al.，1993）。硝化作用和反硝化作用過程中最易產(chǎn)生 N2O的土壤含水量為飽和含水量的45%～75%（Hansen et al.，1993）。當(dāng)土壤處于飽和含水量以下時(shí)，N2O排放量隨土壤水分的增加而增加，此時(shí)硝化作用是產(chǎn)生N2O的主要機(jī)制（Schuster et al.，1992）；而在飽和含水量以上時(shí)N2O的排放逐漸減弱，此時(shí)反硝化是N2O的主要來源。

此外，有關(guān)降雨強(qiáng)度和氮流失關(guān)系的研究都表明，降雨徑流中總氮的流失濃度隨著降雨量的增加而增大（吳希媛等，2007；張亞麗等，2004），使得進(jìn)入濕地系統(tǒng)中的氮污染物濃度增加，從而增加非點(diǎn)源污染源對(duì)濕地系統(tǒng)的污染力度，引其濕地氮循環(huán)的紊亂。

2.2.3 其他因子

全球氣候變化除了溫度和降雨的變化，光照、輻射和風(fēng)速風(fēng)向等因子也會(huì)發(fā)生變化，這些氣候因子的變化也會(huì)對(duì)濕地氮循環(huán)過程造成一定的影響。太陽輻射中的紫外射線B（UV-B）輻射能量高、穿透力強(qiáng)，過度的UV-B輻射將給濕地生態(tài)系統(tǒng)帶來重要影響，包括濕地中的氮循環(huán)。李慧麗等（2015）研究了紫外輻射對(duì)人工濕地氮形態(tài)及去除的影響，發(fā)現(xiàn)UV-B輻射促進(jìn)了人工濕地基質(zhì)的硝化強(qiáng)度，但抑制了反硝化強(qiáng)度。風(fēng)向和風(fēng)速會(huì)影響濕地水體中水流的流動(dòng)和濕地上空氮氧化物的流動(dòng)，進(jìn)而影響濕地中氮污染物在水和大氣中的分布。朱兆良等（1985）通過對(duì)稻田肥料損失的研究表明，在光照較強(qiáng)的情況下，氨揮發(fā)將成為氮損失的重要途徑；同樣地，風(fēng)速增大，氨揮發(fā)量也會(huì)增多。受氣壓影響，光照和風(fēng)速對(duì)氮循環(huán)產(chǎn)生的其他氣體如 N2、N2O也會(huì)有相同的影響。光照條件對(duì)濕地沉水植被吸收氮素也有一定的影響，黑暗條件下，苦草（Vallisneria spiralls）和穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）對(duì)銨態(tài)氮的吸收速率在相同外源銨態(tài)氮濃度條件下都低于對(duì)應(yīng)的光照條件下其對(duì)銨態(tài)氮的吸收，說明黑暗條件下植物對(duì)銨態(tài)氮的吸收速率下降（鐘愛文等，2013）。光照越強(qiáng)，稻田里以硝態(tài)氮為氮源的水稻排放的 N2O越多（徐勝光等，2016）。綜上所述，氣候變化的其他因子主要對(duì)濕地植被的生長和發(fā)育有重要影響，而濕地植被又是濕地氮循環(huán)過程中重要的源、匯和轉(zhuǎn)化器（Tanner et al.，1995），因此，氣候變化的其他因子通過影響濕地植被的生長而對(duì)濕地氮排放產(chǎn)生重要影響。

3 展望

IPCC于2017年4月在肯尼亞召開了第六次會(huì)議，會(huì)議確定報(bào)告主題為全球升溫幅度達(dá)到1.5 ℃的影響及溫室氣體排放途徑等。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告完成后必將會(huì)推動(dòng)相關(guān)科學(xué)研究的發(fā)展，使我們更加深入地認(rèn)識(shí)氣候和環(huán)境關(guān)系。因此，隨著科學(xué)界對(duì)全球氣候變化影響的重視，自然濕地氮排放與氣候變化關(guān)系也會(huì)受到越來越多的關(guān)注。然而，目前已有的研究結(jié)果表明，目前關(guān)于自然濕地氮排放與全球氣候變化的認(rèn)知是極為有限的，還存在許多的不確定性和未解決問題，已有的科學(xué)結(jié)論和問題需要更進(jìn)一步的研究數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和豐富，基于本文所述的研究進(jìn)展，作者提出如下的研究展望：

（1）加強(qiáng)濕地氮排放和氣候變化關(guān)系的研究。通過文獻(xiàn)計(jì)量法可知，全球范圍內(nèi)對(duì)濕地氮排放和氣候變化關(guān)系的研究非常少，建議加強(qiáng)對(duì)全球或某一國家濕地系統(tǒng)氮排放的數(shù)據(jù)采集，從而建立濕地氮排放與全球氣候變化的關(guān)系。

（2）細(xì)化和量化濕地氮排放對(duì)氣候變化的影響研究。目前大多文獻(xiàn)都聚焦于氣候變化對(duì)濕地氮排放的影響研究，而對(duì)濕地氮排放對(duì)氣候變化的影響有所忽視。雖然目前濕地氮排放對(duì)全球變化的影響相較于碳循環(huán)對(duì)氣候變化的影響較小，但如果不引起重視，氮素溫室氣體的排放也將會(huì)成為氣候變化的主要因子。

（3）注重氣候變化的其他因子對(duì)濕地氮排放的影響研究。這些氣候因子對(duì)濕地植被的生產(chǎn)力有重要影響，而濕地植被又是濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，是濕地氮重要的源、匯和轉(zhuǎn)化器。同時(shí)，光照輻射等對(duì)濕地富營養(yǎng)化影響也較大，厘清氣候變化其他因子對(duì)濕地氮排放的影響對(duì)提高濕地初級(jí)生產(chǎn)力有重要作用。

（4）明確發(fā)生氮排放的氮循環(huán)過程中的生物、物理、化學(xué)作用的交互過程。大氣中的氮通過濕地土壤中微生物的固定作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮從而進(jìn)入生物體，經(jīng)過礦化（氨化）作用形成銨態(tài)氮，再經(jīng)硝化、反硝化及氨揮發(fā)等過程返回大氣，這方面研究目前都沒有量化，將是以后的研究主題。

（5）濕地氮排放產(chǎn)生的N2O對(duì)氣候及環(huán)境的影響程度將是重點(diǎn)研究領(lǐng)域以及需要突破的技術(shù)難點(diǎn)。濕地氮排放對(duì)氣候系統(tǒng)的影響以及彼此的量化關(guān)系、氮排放的區(qū)域性特征等問題是今后亟待關(guān)注和開展的研究方向和焦點(diǎn)。