城市小型景觀水體溶存N2O濃度及排放通量特征

龐吉麗,王曉鋒,劉婷婷,吳勝男,黃 婷,趙舒寧,吳文潔,陳彥蓉

1 長江上游濕地科學研究重慶市重點實驗室, 重慶 401331 2 三峽庫區地表生態過程重慶市野外科學觀測研究站, 重慶 405400 3 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331 4 華東師范大學河口海岸研究所, 上海 200241

全球氣候變化已成為世界性的環境問題,溫室氣體排放量不斷增加所引發的一系列問題引起人們的廣泛關注。氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體之一,其百年全球增溫潛勢(GWPs)是CO2的298倍[1],對全球變暖貢獻率約占6%[2],并對臭氧層有極強的破壞作用[3]。淡水生態系統作為陸源及人為源氮素的“匯”和生物地球化學循環場所,是大氣N2O的重要排放源[4]。據估算,全球淡水生態系統每年向大氣排放N2O總量達1.51 Tg[5],約占全球總排放量的25%—30%[6],尤其隨著人工固氮量的持續增長,全球氮循環過程被改變,淡水系統被認為是人為N2O排放的間接途徑,受到全球廣泛關注。然而,當前對淡水系統N2O排放特征的研究大多集中于大型的河流、水庫、湖泊等,而對小型水體(小型湖泊或水塘)關注較少,成為淡水系統N2O排放清單估算中較薄弱的環節。

小型水體面積較小,但環境容量小,且具有較大的周長/面積比,加之數量龐大,因此受納、存儲了大量的陸源碳氮元素,在全球碳氮循環中發揮著重要作用[7]。已有研究肯定了小型湖泊、水塘具有較強的CO2、CH4排放通量[8-9],因此得到廣泛研究。然而,目前對小型水體N2O排放的研究則僅關注到人工養殖塘[10- 12]及水田[13]等,對自然小型水體的關注不足。小型淺水水體沉積層的反硝化作用產生的N2O能夠快速輸移至表層形成水-氣界面的排放,因此具有較強的N2O排放潛勢[14]。Harrison等人發現小型湖泊占所有湖泊氮去除量的65%[15]。Gao等[16]研究表明,小型水塘N2O飽和度高達879%,是極強的N2O排放源。Samarkin等[17]研究指出,小型淺水水體中,沉積層氧化還原過程受到光照輻射影響,一定程度上抑制了反硝化過程的徹底進行,有利于N2O的積累；同時,光照刺激可能加速水體硝化作用,為反硝化進行提供充足的底物,也為N2O的產生提供了條件[18]。此外,研究認為,小型水體的水深較淺,為水生植物生長和藻類的繁殖提供了條件[19],進而為沉積層提供豐富的碳源,刺激氮轉化微生物活性[20],加速N2O的產生。據估算,全球面積<1 km2的水體數量多達3億個,其總面積約占全球湖泊總面積的54%[21],因此在全球淡水系統N2O排放清單中的貢獻不容忽視。然而,由于緩沖能力較差,對環境變化的敏感性較強,尤其是人類活動不斷增強,小型水體N2O排放成為目前淡水系統N2O排放中最不確定的關鍵節點。

城市景觀水體是在城市建設過程中人工改造或建造的特殊水體,是城市區特有的水體類型。城市景觀水體作為城市海綿體的重要組成,除景觀功能外,還發揮蓄水、削峰滯洪、緩流、攔截污染物、調節小氣候等多種生態功能。城市景觀水體封閉性強、自凈能力弱,其碳、氮等生源要素的輸入及生化過程受城市環境影響強烈,且受到人為活動如植物種植、環境治理以及岸線硬化等干擾,具有與自然水體不同的碳氮循環過程。然而,目前對城市景觀水體溫室氣體排放特征的研究相對缺乏。鄧煥廣等[22]對聊城市面積較小的鈴鐺湖進行研究,并提出城市內的小型湖泊是極強的N2O排放源；Wang等[23]的研究也指出城市內的小型水庫N2O排放通量比林地區高15倍以上。Preeti等[24]研究指出城市小型水體具有較強的N2O排放潛勢。然而,目前僅少數學者對城市小型水體N2O排放開展了相關研究[23],對受人為干擾強烈的景觀水體的關注仍然極為薄弱,成為當前淡水系統溫室氣體排放研究體系的知識洼地。隨著“小微濕地”[25]、“城市海綿體”[26]、“城市濕地”等概念的提出,小型水體生態過程及功能研究開始得到關注。全球城市化過程中,大量自然水體轉變為景觀水體,這些水體在區域氮循環及N2O排放中的貢獻需要更多關注。為初步闡明城市小型景觀水體N2O排放特征,本文選擇了重慶市大學城8個景觀水體和2個城市外圍的自然水體為研究對象,通過頂空模型法和漂浮箱法對水體N2O溶存濃度及排放通量進行季節性監測,并從水環境因子、水生植物種植、監測方法、物理結構等方面,探討了影響小型景觀水體N2O排放的關鍵因素,為科學認識變化環境下城市淡水生態系統氮循環研究提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶西部新城核心區(圖1),屬亞熱帶濕潤季風氣候,雨熱同期,雨量充沛,年平均氣溫18.3℃,年降雨量為1082.9 mm。研究區域地處縉云山脈和中梁山脈之間,屬典型的低山丘陵地貌。復雜的地貌類型和充足的降雨孕育了數量龐大的小型水塘和湖泊,在大學城城市建設過程中被改造成城市景觀水體。

1.2 樣點設計

在研究區域內,通過實地踏查,選取8個小型景觀水體和2個城市外圍的小型水體作為調查對象(圖1)。8個景觀水體中5個位于校園內(分別在重慶大學-CD、重慶師范大學-CS、重慶醫科大學-CY、重慶科技學院-CK、四川美術學院-CM),3個位于居民小區內(師大苑-SDY、富力城小區-FLC、東橋郡-DQJ)；2個城市外圍的小型水體作為對照水體,分別為石馬山水庫(SMS)、礦產溝水庫(KCG)。10個調查水體的基本特征如表1所示。所選水體水域面積在0.003—0.090 km2,平均水深范圍為1—6 m,屬于典型的小型景觀水體。每個水體設置3個平行采樣點進行采樣分析,共計30個采樣點。

同時,根據不同水體人工種植的景觀植物的分布特征,在CD、CS、CM、SDY、FLC等5個水生植物分布較多的水體,除開敞水域設置樣點外,植物分布集中的區域增設3個重復采樣點,共計15個采樣點。

圖1 研究區土地利用類型及樣點分布Fig.1 Land use types in the study area and the location of sampling sitesCD：重慶大學；CS：重慶師范大學；CY：重慶醫科大學；CK：重慶科技學院；CM：四川美術學院；SDY：師大苑；FLC：富力城小區；DQJ：東橋郡；SMS：石馬山水庫；KCG：礦產溝水庫

表1 所選水體生境特征及基本物理參數

1.3 樣品采集

分別于2019年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)對樣點進行季節性采樣,每個季節選擇天氣晴朗的時間對每個樣點采樣3次,每次采樣時間盡量保持在晝間10點至14點。每個樣點首先用有機玻璃采水器采集表層水樣(0.5 m深處)500 mL裝于聚乙烯樣品瓶中,置于4℃低溫保存,用于水體碳、氮、磷等營養含量的測定。同時,使用矯正的多參數水質分析儀(MantaTM2 Multiparameter System, Eureka Company, USA)現場測定水體電導率、溶解氧、pH、水溫等物理參數,利用水深儀測定監測點的水深。現場記錄各水體周圍的生境特征、植被覆蓋狀況、有無明顯污染等情況。

利用漂浮箱法進行水-氣界面N2O排放通量的測定：漂浮箱箱體由PVC材質組成,長30 cm、寬30 cm、高40 cm,箱體表層用鋁箔包裹以防止采樣過程中太陽輻射引起箱內溫度變化過快。漂浮箱頂部開有2個小孔,分別連接保持箱體內外氣壓穩定的銅管和供采樣用的氣體導管。漂浮箱底座用泡沫板制成,安裝在箱底6—9 cm處。采樣前,將漂浮箱倒置通風將泡沫板底座安裝在箱體,隨后將箱體倒置于水面,箱體底部浸入水面9 cm,開始運行。分別在箱體安裝完成后0,5,10,15,20 min時,用10 mL真空采樣管采集箱內氣體,帶回實驗室進行N2O濃度測定。

此外,利用頂空振蕩法測定水體溶存N2O濃度及飽和度[27]。首先利用注射器吸取表層水樣(水深20 cm以內)注入提前準備好的氣密性有機玻璃管中(玻璃管體積為54 mL),確保完全注滿并保證無氣泡。隨后,打開有機玻璃管下端額排水閥,利用注射器從頂端緩慢注入24 mL已知濃度的標準空氣,形成頂空。最后,通過劇烈振蕩玻璃管5 min,并靜置2 min待氣-液相達到平衡后采集頂空氣體,進行N2O濃度測定。

1.4 樣品分析

所有氣體樣品帶回實驗室后采用氣相色譜儀(磐諾A90)進行N2O濃度測定。N2O檢測器為電子捕獲檢測器(ECD),載氣為高純度氮氣(N2),以氫氣(H2)為燃氣,空氣為助燃氣,工作溫度為350℃,采用標氣濃度為3 μmol/L。

1.5 數據計算

1.5.1漂浮箱法測定N2O排放通量

漂浮箱法測定水-氣界面氣體排放通量計算公式如下[28]：

Fa= dc/dt×M/V0×P/P0×T0/T×H

(1)

式中,Fa表示漂浮通量箱法測定的N2O的排放通量(μmol m-2d-1),dc/dt為漂浮箱氣室內N2O氣體的濃度隨時間變率,M為被測氣體摩爾質量(66 g/mol),P為實測采樣點的氣壓值(hPa),T為采樣時絕對溫度,V0、T0、P0分別為標準狀況下的氣體摩爾體積、絕對溫度及氣壓(1013 hPa),H為浮于水面以上的采樣箱高(30 cm)。

1.5.2水體N2O溶存濃度計算及邊界層模型法氣體排放通量的估算

利用Henry定律計算水體溶存N2O濃度公式如下[29]：

Cw=(ca×Va+cw×Vw-c0×Va)÷Vw

(2)

cw=ca×Hc

(3)

式中,Cw是N2O溶存濃度(μmol/L),ca是頂空中氣體濃度(μmol/L),Va是頂空體積,cw是頂空平衡時水體氣體濃度(μmol/L),Vw是玻璃管中水體體積(L),c0是初始標準空氣中的氣體濃度,Hc為實測溫度下N2O在水中的溶解度系數。

為比較經典的漂浮箱法和邊界層模型法(氣體濃度梯度法)在對城市小型景觀水體N2O排放通量監測結果的影響,本研究進一步利用邊界層模型法和氣體傳輸速率經驗模型估算水-氣界面N2O排放通量[30],計算公式為：

Fb=k0× (Cw-Ca)

(4)

k0=1.91 × e0. 35×U×(Sc/600)-0.5

(5)

Sc(N2O)=2301.1-151.1t+4.7364t2-0. 059431t3

(6)

式中,Fb表示邊界層模型法估算的N2O排放通量(μmol m-2d-1),Cw表示表層水體溶存氣體濃度(μmol/L),Ca指水氣平衡時的大氣濃度(μmol/L)。k0表示水-氣界面的氣體交換系數(cm/h),本研究k0參考溫度-風速模型計算[31]：U表示研究區10 m高空常年的平均風速,本研究利用1996—2016年采樣月(1、3、7、9月)風速的多年平均值(分別為1.15,1.36,1.41 m/s及1.21 m/s)進行模型計算,Sc為溫度矯正的施密特數,t為實測水溫(℃)。

1.6 統計分析

采用EXCEL 2010和SPSS 25.0軟件進行數據處理和統計分析,采用顯著性水平為P<0.05。利用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進行不同水體間和不同季節間N2O排放的差異顯著性；利用成對t檢驗分析有-無植物覆蓋水域N2O排放通量的差異顯著性；利用相關分析得到N2O排放通量與水環境因子之間的相關關系；采用回歸分析建立關鍵水環境因子與N2O排放通量的回歸關系,最后通過逐步多元回歸分析探索影響水體N2O通量變異的關鍵驅動因子。所有圖件均利用GraphPad Prism8.0完成。

2 結果與分析

2.1 水環境特征

水體TC和DTC含量變化范圍分別為24.3—67.5 mg/L和15.6—53.1 mg/L,除CY水體較高外,其他景觀水體間無顯著差異,但所有景觀水體TC、DTC含量均顯著高于2個對照水體(SMS與KCG,P<0.05)。水體無機碳是總碳的主要組成部分,水體間的差異與總碳相似。TIC與DIC在景觀水體中顯著高于外圍的對照水體。所有水體TOC和DOC含量略低,變化范圍分別為7.1—17.9 mg/L和4.6—17.0 mg/L,景觀水體較外圍水體具有更高的有機碳含量(圖2)。本研究8個景觀水體TP含量平均值為(0.038±0.021) mg/L,約為2個對照水體TP含量(0.015±0.011) mg/L的2.5倍。但所有水體TP含量與DTP含量普遍較低,均低于0.06 mg/L,達到國家《地表水環境質量標準(GB3838—2002)》中的III類水標準。

圖2 所有水樣碳、磷含量特征 Fig.2 Characteristics of C、P contents in all water samples柱狀圖上方小寫字母表示不同水體間養分含量的差異顯著性(P<0.05)

圖3 各水體不同形態氮含量特征Fig.3 Characteristics of different forms of N content in different water bodies

2.2 城市小型景觀水體N2O溶存濃度時空特征

小型景觀水體N2O溶存濃度變化范圍為25.88—159.0 nmol/L(相應的飽和度為187%—2261%),平均值為(51.2±21.7) nmol/L(飽和度為611%±346%),均處于過飽和狀態。各水體之間N2O溶存濃度差異顯著(圖4)：DQJ和CM水體溶存N2O濃度年均值分別為(77.5±44.8) nmol/L和(63.0±27.6) nmol/L,顯著高于其他景觀水體；分布于居民區和校園區的水體N2O濃度總體無顯著差異；各景觀水體N2O濃度及飽和度均顯著高于兩個對照水體(SMS (20.7±5.0) nmol/L和KCG (27.9±6.9) nmol/L)(P<0.05),比對照水體平均高出2.2倍。

季節模式看(圖4),所有水體N2O濃度的平均水平在夏季((63.5±34.6) nmol/L)顯著高于其他季節(P<0.05),秋季((46.7±11.0) nmol/L)略高與春季((41.8±9.70) nmol/L)和冬季((38.3±11.3) nmol/L)。不同環境下的景觀水體N2O濃度季節模式與對照水體相似,全年景觀水體的N2O濃度均高于對照水體。

圖4 不同景觀水體與對照水體N2O溶存濃度特征及季節變化Fig.4 Seasonal variation and characteristics of N2O dissolved concentration in different landscape water bodies and contrast water bodies左圖中箱型圖下方小寫字母表示不同水體間N2O濃度在P<0.05水平的差異顯著性,大寫字母表示不同環境之間的差異顯著性；右圖中柱狀圖上方小寫字母表示同一季節中居民區、校園區、對照區之間水體溶存N2O濃度在P<0.05水平的差異顯著性,大寫字母則表示同一環境區的水體不同季節間的差異顯著性

2.3 不同水體N2O排放通量

利用漂浮箱法測定景觀水體N2O排放通量變化范圍為40.3—354.3 μmol m-2d-1,平均值為(125.0±52.1)μmol m-2d-1。與水體N2O溶存濃度相似(圖4,5),DQJ與CM排放通量較高,分別為(187.0±127.0) μmol m-2d-1與(152.8±42.0)μmol m-2d-1,CS與FLC相對較低。居民區與校園區小型景觀水體N2O排放通量無顯著差異(圖5),表明小型景觀水體所在周圍環境條件對N2O排放影響并不明顯。兩個對照水體SMS與KCG排放通量分別為(55.6±25.2)μmol m-2d-1和(81.3±13.0)μmol m-2d-1,顯著低于城市景觀水體(P<0.01)。

小型景觀水體N2O排放通量夏季高達(154.0±71.0)μmol m-2d-1,春、秋季分別為(117.8±37.6)、(125.0±37.7)μmol m-2d-1,冬季較低,為(103.2±49.2)μmol m-2d-1,季節模式與N2O溶存濃度一致(圖4,5)。居民區、校園區及對照水體N2O排放通量的季節變化模式保持一致,表明周圍環境對小型水體N2O排放通量的季節變化模式的影響較弱。

圖5 漂浮箱法測定小型景觀水體N2O排放通量特征及季節變化Fig.5 Seasonal variation and characteristics of N2O fluxes in small landscape water bodies based on floating chamber method

2.4 水生植物對城市小型景觀水體N2O排放通量的影響

利用成對t檢驗法對研究區5個有水生植物覆蓋的水體進行無植物區(NP)和有植物區(P)水體N2O溶存濃度及水-氣界面排放通量進行比較,如圖6所示。水生植物覆蓋的水域水體溶存N2O濃度均顯著高于無植物分布的水域(FLC除外),即使冬季植物枯亡期,有植物與無植物區仍存在顯著差異(P<0.05),春、夏、秋季差異極顯著(P<0.01)。進一步分析,有植物分布的水域N2O排放通量比無植物水域平均高1.4倍,是影響景觀水體N2O溶存濃度與排放的重要因素。

圖6 各水體有植物水域(P)與無植物水域(NP)水-氣界面N2O排放通量的差異分析Fig.6 Variation analysis of N2O fluxes at different water-air interfaces between plant-free water(NP)and vegetated water (P)對各水體不同季節N2O排放通量進行有無植物的成對t檢驗以分析差異顯著性,*表示組間差異顯著,**表示組間差異極顯著

2.5 漂浮箱法與邊界層模型估算法測定城市小型景觀水體N2O排放通量的比較分析

基于水體溶存N2O濃度和邊界層模型法,計算得到10個水體N2O排放通量為5.1—483.4 μmol m-2d-1,平均值為(103.6±79.9)μmol m-2d-1,與漂浮箱法監測結果((117.5±57.2)μmol m-2d-1)接近。邊界層模型法計算8個景觀水體N2O排放通量均值為(114.6±79.9)μmol m-2d-1(23.9—483.4 μmol m-2d-1),對照水體為(32.4±24.9) μmol m-2d-1(5.1—77.8 μmol m-2d-1),景觀水體排放強度比對照水體高3.5倍。

邊界層模型法和漂浮箱法測得的N2O排放通量結果的回歸分析表明(圖7),兩種方法測得結果具有良好的線性關系(R2>0.48,冬季除外),表明兩種方法對景觀水體N2O排放通量的監測結果具有較好的一致性。然而,邊界層模型法在夏季個別樣點出現明顯高估,冬、春季則出現一定程度的低估,特別是冬季結果比漂浮箱法低了近44%,可見兩種方法的監測結果均受到季節變化的影響。從N2O排放的年平均水平看,兩種方法在8個景觀水體中估算結果基本一致,但在兩個對照水體中出現較大偏差,邊界層模型法結果顯著低于漂浮箱法。

圖7 漂浮箱法和邊界層模型法對景觀水體N2O排放通量估算結果的回歸分析Fig.7 Regression analysis of the N2O fluxes deduced by floating chamber method and boundary layer model method

2.6 城市小型景觀水體N2O濃度、排放通量與水環境因子的關系

表2 N2O通量與監測點水環境因子之間的Pearson相關性

表3 小型景觀水體N2O通量及濃度與關鍵水環境因子的預測關系

3 討論

3.1 城市小型景觀水體N2O排放強度

本研究10個小型水體N2O排放通量范圍為40.3—354.3 μmol m-2d-1,均值為(117.5±53.2) μmol m-2d-1,均表現為凈排放源,這與大部分淡水水體的研究結果一致[22-23,34-35]。本研究景觀水體N2O排放通量與Wang等[23]對農業主導的小型水體研究結果一致,略低于熱帶水庫Samuel Reservoir及Tucurui Reservoir[36](表4),但遠高同緯度的太湖[37]、鄱陽湖[34]、洞庭湖[38]、密云水庫[39]、三峽水庫[40]等大型湖、庫,甚至比溫帶、寒帶的小型湖泊的排放通量高出2個數量級[41-42](表4)。同時,本研究結果遠高于Li等[43]估算的中國湖泊((10.5±14.9)μmol m-2d-1)和水庫((36.3±51.2)μmol m-2d-1)排放的平均水平,達到全球水庫N2O排放通量均值的11倍多[44],約為McCrackin等[45]估算的全球自然湖泊平均排放通量的5.5倍,呈極強的N2O排放源。值得注意的是,本研究中兩個小型的對照水體的N2O排放通量也高于大部分已有研究結果,與Wang等[23]對森林區的小型水體的監測結果一致。Preeti等[24]研究指出,面積越小的水體,陸源碳氮的沉積率較高,氮素的積累速度快,生物地化過程較活躍,加之水體較淺,沉積層產生的N2O容易傳輸至表層形成排放,因此具有較高的N2O排放通量。Yuan等[5]對淺水水塘的研究指出,快速的碳氮周轉及兼性厭氧環境使得小型淺水水體(<0.1 km2)N2O排放通量遠高于大型水體。

表4 國內外部分湖、庫N2O氣體排放通量對比

3.2 城市小型景觀水體N2O排放通量的季節模式

3.3 城市小型景觀水體N2O排放與水環境因子的關系

本研究所選景觀水體本身DOC、TP含量普遍較低,因此盡管其與N2O排放通量存在正相關關系,但影響較弱。考慮到景觀水體對外源C、P源的敏感性,一旦受到污染,其N2O排放可能進一步增強。本研究DQJ水體在春季和秋季DOC和TP含量較高時,N2O排放通量也達到最高水平。此外,與大部分研究結果不同[39,46-47,57],由于水深較淺,本研究所有水體溶解氧均處于過飽和狀態,因此與N2O排放通量無顯著相關關系。總之,景觀水體中氮豐度是決定N2O排放強度的關鍵因子,可以作為N2O排放熱點的重要指示因子；而碳、磷的輸入可能在一定程度上進一步增強景觀水體的N2O排放。

3.4 水生植物分布對城市小型景觀水體N2O排放通量的影響

水生植物越來越多地被應用于城市景觀水體的具體營造之中,影響水體生態要素分配及循環過程[22,58],進而影響景觀水體的N2O排放特征。Gu等[59]研究發現在有蘆葦生長的水域N2O排放通量較無植物的開敞水域高14倍。閆興成[60]等也得到了相似的結論。本研究中,水生植物分布對水體N2O排放通量具有顯著影響。水生植物對水體N2O的產生與排放過程的影響通常存在多種機制：一是水生植物生長過程中凋落物和根系分泌物能夠為沉積層提供豐富的碳源和氮源,激發根際氮轉化微生物活性,提高N2O的產生[22,52]；Soana等[61]研究指出,水生植物根際富集多種微生物類群,其中硝化細菌和反硝化細菌豐度均遠高于根周,具有更強的N2O產生潛勢。二是植物能夠通過多種途徑改變根際環境的厭氧條件,影響N2O的產生。研究認為,低氧而非嚴格厭氧條件下水體N2O的產生效率最高[32,52, 62-63],而水生植物分布能夠將氧氣從葉片輸送至根部,使得沉積層形成兼性厭氧環境,既避免嚴格厭氧下N2O被進一步還原為N2,又利于硝化-反硝化過程的N2O產生[63]。而且,植物根系對沉積物孔隙度的改變,也一定程度調控了沉積層的低氧環境,進而促使反硝化過程的進行[54,64]；三是水生植物覆蓋有利于養分的攔截和滯留,同時改變了局域水體光照、熱量、溶氧、碳/氮等環境條件的再分配,進而影響N的生物地化過程[52,54]。最后,一些挺水或浮葉根生植物的通氣組織還可以作為沉積層N2O向上輸移的直接通道,提高排放通量[32,65]。本研究中盡管未區分植物生活型,但水體中植物分布區溶存N2O均普遍高于無植物分布的開敞水域。水生植物分布導致小型景觀水體內部N2O分布的不均一性。考慮到自然水體向景觀水體轉變過程中,大量景觀植物被人工種植,水體N2O排放潛勢進一步被增強,成為區域淡水系統N2O排放的潛在熱源。

3.5 不同監測方法在城市小型景觀水體N2O排放通量監測的適用性分析

漂浮箱法和邊界層模型法是當前水體溫室氣體排放監測最常用的兩種方法[32,66]。漂浮箱法通常可連接痕量氣體分析儀實現氣體通量的直接監測,可獲得觀測期內較為準確的排放數據。邊界層模型法主要基于水-氣界面氣體濃度差及氣體交換系數估算氣體排放通量的模型方法[67],具有采用快、效率高的優勢,但易受到風速、降雨、水文特征等因素的干擾[32,66-67],適用于水面擾動較弱的水體,在監測樣本量較大的研究中應用較多。本研究表明,邊界層模型法與漂浮箱法所獲N2O通量呈良好的線性關系,表明兩種方法在景觀水體N2O排放通量的觀測中具有一定的相互替代性。城市景觀水體的水深較淺、水質較好,不易形成冒泡,是兩種方法監測結果具有可比性的重要前提。考慮到城市景觀水體數量龐大、形態多樣,漂浮箱法攜帶不便,邊界模型法可能具有更好的應用價值。然而,進一步分析表明,兩種方法監測結果的一致性受季節影響較大。春季和冬季邊界層模型法估算的N2O通量普遍低于漂浮箱法,夏季部分樣點出現高估。一方面,本研究采用各采樣月份多年平均風速進行氣體傳輸系數的計算,冬季風速相較其他季節偏低(1.15 m/s),可能導致氣體通量低估的原因,而夏季風速最高(1.47 m/s),導致一些N2O濃度較高的水體排放通量偏高；另一方面,春季溫度升高,微生物代謝出現冷轉暖的階段性激發效應[47],而氣體溶解度迅速降低,此時基于溶解度系數估算的水體溶存氣體濃度可能偏低,雖然風速較高,但估算的氣體通量仍低于漂浮箱法。因此邊界層模型法在城市景觀水體N2O排放通量監測中的應用仍需進一步優化,特別是探索適應不同季節條件的氣體傳輸系數和溶存濃度的估算方法,對降低邊界層模型的不確定性具有重要意義。

4 結論

(1)城市小型景觀水體N2O全年均處于過飽和狀態,是大氣N2O的凈排放源；與相關研究相比,城市小型景觀水體具有顯著高的N2O排放通量,在全球淡水系統氮排放清單中可能具有不容忽視的貢獻。

(3)城市小型景觀水體N2O排放通量呈夏季最高,春、秋季次之,冬季最低的季節模式,溫度和降雨是驅動該季節模式的關鍵因素。

(4)邊界層模型法在城市小型景觀水體水-氣界面N2O排放通量的監測中具有較好的預測性,是研究區域景觀水體群N2O排放特征的有效方法,但冬季和春季會估算偏低,夏季偏高,未來仍需進一步優化模型,提高估算精度。