水位變化下長江下游圍墾集約養(yǎng)殖魚塘消落帶溫室氣體排放影響機(jī)制：以南京地區(qū)為例

摘要：為了研究水位變化對淡水養(yǎng)殖魚塘消落帶沉積物溫室氣體（GHGs）排放的影響，結(jié)合前期野外觀測數(shù)據(jù)，選取南京市溫室氣體高排放的養(yǎng)殖魚塘消落帶沉積物為研究對象，通過室內(nèi)微宇宙培養(yǎng)實驗，設(shè)置高水位、低水位、先高后低和先低后高4個不同水位的處理組，并結(jié)合氣相色譜法、紫外—可見光光譜法和三維熒光光譜技術(shù)（3D-EEMs）等方法探討其影響機(jī)制。結(jié)果表明：靜態(tài)高水位組的CH4累積排放量是靜態(tài)低水位組的3.46倍，靜態(tài)低水位組的C02累積排放量是靜態(tài)高水位組的1.21倍，靜態(tài)低水位組的N2O表現(xiàn)為持續(xù)吸收。動態(tài)組中，水位上升和下降均促進(jìn)了CO2、CH4和N2O的排放，其中水位上升組的CO2和CH4累積排放量分別是靜態(tài)低水位組的1.15倍和2.53倍，水位下降組CO2、CH4和N2O累積排放量分別是靜態(tài)高水位組的1.25、1.08倍和2.84倍。研究表明：水位變化差異和變化影響下的消落帶沉積物溶解性有機(jī)質(zhì)對溫室氣體的產(chǎn)生和排放起到了關(guān)鍵作用。CO2排放與可溶性有機(jī)碳濃度相關(guān)性最高。CH4排放與C/N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時與溶解性有機(jī)質(zhì)定性光譜指數(shù)[腐殖化指數(shù)（HIX）和SUVA254（254 nm波長處的紫外吸光度與總有機(jī)碳的比例）]有顯著相關(guān)關(guān)系。N2O的排放主要受水位變化引起的硝化與反硝化作用的影響。

關(guān)鍵詞：消落帶；養(yǎng)殖魚塘；水位變化；溫室氣體；沉積物

中圖分類號：X143 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）08-1928-11 doi：10.11654/jaes.2023 -0868

大氣中溫室氣體（GHGs）濃度升高導(dǎo)致全球氣候變暖。甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）的濃度屢創(chuàng)新高，數(shù)據(jù)表明2021年其相應(yīng)濃度分別是1750年的1.5、2.6倍和1.2倍。氣候變暖可直接誘發(fā)生態(tài)環(huán)境變化和極端降水、干旱等自然災(zāi)害。故探討極端天氣引發(fā)水位變化下水生生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體源和匯的角色轉(zhuǎn)變意義重大。在陸地水生生態(tài)系統(tǒng)中，圍墾集約養(yǎng)殖塘水體（以下簡稱養(yǎng)殖塘）對溫室氣體減排有重大貢獻(xiàn)，而相關(guān)貢獻(xiàn)被嚴(yán)重低估。因此，養(yǎng)殖塘溫室氣體排放特征及其影響因素的研究對削減溫室氣體排放具有重要的意義。

目前國內(nèi)外對于水體溫室氣體排放的相關(guān)研究主要集中在河流、湖泊與水庫等濕地。研究表明，濕地水位與CH4排放溫度敏感性呈正相關(guān)關(guān)系；未來溫度升高對濕地CH4排放的刺激作用并不總強(qiáng)于CO2，其取決于濕地水位變化。值得注意的是，淡水濕地干濕交替垂直帶（消落帶）中微生物的活性很高，可導(dǎo)致相應(yīng)生源要素周轉(zhuǎn)速度快，消落帶既是濕地生源要素生物地球化學(xué)過程終端產(chǎn)物輸出的關(guān)鍵帶，同時也是大氣沉降物終端匯集的關(guān)鍵帶，因此探究養(yǎng)殖塘消落帶生源要素的生物地球化學(xué)交互機(jī)制生態(tài)學(xué)意義重大。淡水養(yǎng)殖水體溫室氣體排放的研究主要在通量觀測方面，相關(guān)結(jié)果表明：受水文氣象因子變化影響，溫室氣體排放的年交換量估算存在較大不確定性，養(yǎng)殖池塘在排水期間會由C02的吸收匯[（-0.006±0.001） mg·m-2·s-1]轉(zhuǎn)變?yōu)榕欧旁碵（0．009±0.002） mg·m-2·s-1，其相關(guān)影響機(jī)制尚不明確。淡水養(yǎng)殖中投放餌料等行為使得大量有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入養(yǎng)殖魚塘，造成魚塘水體碳、氮元素失衡，該過程刺激魚塘水體中微生物的代謝過程，使得水體中產(chǎn)生CO2、CH4和N2O，并使其處于飽和、甚至過飽和狀態(tài)，淡水養(yǎng)殖水體因此成為溫室氣體的重要排放源。前期研究表明，影響魚塘水體溫室氣體排放的因素有溫度、水體中溶解氧（DO）、氮營養(yǎng)鹽濃度、溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）等。較高的溫度可以促進(jìn)DOM的分解，從而促進(jìn)碳排放；較高的DO濃度會將CH4氧化成CO2，降低CH4排放，促進(jìn)CO2排放；氮營養(yǎng)鹽會為N2O的產(chǎn)生提供原料；DOM是水體中微生物的直接碳源，在水體溫室氣體排放中起著重要作用。三維熒光光譜技術(shù)（3D-EEMs）可以基于有機(jī)質(zhì)的組分峰團(tuán)等信息，確定DOM的熒光特性和來源，該技術(shù)是定量研究DOM對溫室氣體排放影響的有效手段。極端天氣的增加，會在較短的時間內(nèi)通過改變水位來影響DO等環(huán)境變量，從而更加顯著地改變相關(guān)水體和濕地的環(huán)境狀況?；谇捌谙嚓P(guān)研究和水產(chǎn)養(yǎng)殖水體溫室氣體通量觀測，研究極端天氣水位動態(tài)變化下養(yǎng)殖塘溫室氣體排放機(jī)制十分重要。

本研究以2020年7月至2021年7月野外溫室氣體排放通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取南京市滁河與長江交匯處溫室氣體高排放（11月份CO2排放通量為36.71mmol·m-2·d-1，CH4排放通量為0.39 mmol·m-2·d-1）的養(yǎng)殖魚塘消落帶為研究對象，并采集其沉積物進(jìn)行微宇宙培養(yǎng)實驗，探究極端天氣引發(fā)的水位變化對養(yǎng)殖塘消落帶沉積物溫室氣體排放的影響及響應(yīng)機(jī)制，以厘清水位變化下淡水養(yǎng)殖塘碳、氮循環(huán)機(jī)制，為區(qū)域溫室氣體排放估算提供數(shù)據(jù)支撐，為養(yǎng)殖塘低碳排放管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域概況及樣品采集

南京（31°17＇-32°37＇N，118°22＇-119°14＇E）是長江下游中部的重要城市，屬北亞熱帶濕潤氣候，四季分明。全年氣溫變化明顯，年平均溫度15.4℃。全年平均降雨117 d，平均降雨量高達(dá)1 106.5 mm。南京全年超一半的降水集中在5-8月，尤其在梅雨期間（6月下旬至7月上旬）降水量最大。研究地為南京市江北新區(qū)滁河附近的一處養(yǎng)殖魚塘（圖1），該養(yǎng)殖魚塘所處地區(qū)地勢平坦，魚塘占地面積廣，且養(yǎng)殖魚類、投放飼料相同，土壤沉積物本底性質(zhì)相近，集約化管理程度高，水資源調(diào)蓄統(tǒng)一。該養(yǎng)殖魚塘主要養(yǎng)殖鱸魚等，鱸魚是南京市養(yǎng)殖魚塘主要養(yǎng)殖品種。魚塘投放全價配合飼料，以提供生長所需的各類氨基酸、脂肪、維生素、碳水化合物、礦物質(zhì)等。10月份是鱸魚快速育肥的階段，11月份采樣水體中的有機(jī)質(zhì)含量較高。

2022年11月，在研究區(qū)選取5個相似的養(yǎng)殖魚塘（圖1）。利用重力采樣器在各魚塘消落帶處，隨機(jī)選取5個點采集沉積物樣品。采樣完成后立即將樣品密封于聚乙烯袋中混合均勻，裝入帶冰袋的保溫箱，盡快運(yùn)回實驗室。將沉積物樣品放于（20±3）℃且通風(fēng)良好的環(huán)境中風(fēng)干4-5 d，使沉積物樣品達(dá)到干燥的狀態(tài)。人工去除石子、植物殘體、根系及雜物后，將樣品過篩（篩徑2 mm），混合均勻，在4℃環(huán)境下保存。沉積物的上述處理和短期保存對微生物群落組成和結(jié)構(gòu)沒有顯著影響。

1.2 實驗設(shè)置及樣品測定

實驗開始前，稱取100 g干燥沉積物均勻鋪于250 mL GL-45透明聚乙烯培養(yǎng)瓶中，按此操作，得到24個培養(yǎng)瓶。將其隨機(jī)分為4個組，即高水位組（A1組）、水位下降組（A2組）、低水位組（B1組）和水位上升組（B2組），每組6個平行樣。A1、A2組各加入125mL去離子水，B1、B2組各加入50 mL去離子水，作為不同的初始水位處理組（圖2）。在瓶口處蓋上封口膜（Parafilm PM-996）并用錫紙包裹瓶身進(jìn)行避光處理，并于20℃恒溫培養(yǎng)箱（Bluepord LRH-250F，中國）中預(yù)培養(yǎng)3d，以恢復(fù)沉積物中微生物的活性。

預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，在第1、5、10、15天采集氣體和液體樣本。采集氣體樣品時，在每次實驗的前1天19時用膠塞對所有樣品瓶進(jìn)行密封，用注射器分別抽取10 mL氣體注入預(yù)先抽好真空的血清瓶；實驗當(dāng)天7時，使用注射器混勻瓶內(nèi)氣體后，抽取10 mL瓶內(nèi)氣體注入另一批相同的血清瓶。每次采集氣體后，用注射器分別從A1和A2組培養(yǎng)瓶中收集15 mL液體樣本。每次取出液樣后補(bǔ)充相同體積的去離子水。

在第22天，分別從A1和A2組培養(yǎng)瓶中收集15mL液體樣本。隨后改變A2和B2組干濕條件，將A2組上覆水取出至瓶內(nèi)水量為50 mL，將B2組培養(yǎng)瓶加入去離子水至125 mL，A1組加入15 mL去離子水，B1組不作處理，以形成動態(tài)與靜態(tài)的對照實驗（圖2）。

在第24、29、34天采集所有培養(yǎng)瓶中氣體，并且在A1和B2組培養(yǎng)瓶中各收集15 mL液體樣本，每次取出液樣后補(bǔ)充相同體積的去離子水。由于培養(yǎng)實驗沉積底物的限制，采樣檢驗時間和頻次的選擇已經(jīng)很好地囊括了相關(guān)物質(zhì)的變化響應(yīng)過程和溫室氣體的增減動態(tài)。

使用氣相色譜儀（GC，Agilent7890B，美國）測定C02、CH4和N20的濃度并計算累積排放量。液體樣品用孔徑0.45 μm的針式過濾器（津騰，中國）過濾，其中3個平行樣品用于DOM、溶解性有機(jī)碳（DOC）和溶解性無機(jī)碳（DIC）的相關(guān)測定，另外3個平行樣品用于營養(yǎng)鹽[總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4-N）和硝態(tài)氮（N03-N）]濃度的測定。其中DOC、DIC和TN濃度使用總有機(jī)碳分析儀（Shimadzu TOC-L，日本）測定，NH+4-N和N03-N的濃度使用分光光度法測定（HachDR6000，美國）。有機(jī)組分使用熒光分光光度計（Agilent Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer，美國）測定。在實驗結(jié)束后使用質(zhì)多參數(shù)探針（WTWMulti 3630 IDS，德國）測定所有處理組的DO含量。

1.3 統(tǒng)計分析

CO2、CH4、N2O的氣體排放速率計算公式為：

式中：F為氣體排放速率，μmol·L-1·d-1；M為氣體摩爾質(zhì)量，g·mol-1；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積，22.4L·mol-1；V為培養(yǎng)瓶內(nèi)氣體所占的有效體積，m3；m為土壤質(zhì)量，kg；dc/dt為單位時間瓶內(nèi)氣體濃度變化量，CO2為10-6·d-1，CH4、N2O為10-9·d-1；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的絕對溫度，K；T為培養(yǎng)溫度，K。

沉積物CO2、CH4、N2O累積排放量的計算公式為：

式中：F累積表示氣體累積排放量，μmol·L-1；Fi表示相鄰兩次氣體樣品的平均排放速率，μmol·L-1·d-1；及表示兩次樣品的采樣間隔時間，d；n表示采樣次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水位條件下沉積物CO2、CH4和N2O排放特征

從CO2排放情況來看（圖3a），所有處理組的CO2累積排放量均隨時間延長持續(xù)升高。在前15 d，水位較低組沉積物累積排放量比水位較高組升高更快。水位突然降低后，A2組CO2累積排放量明顯高于A1組，且保持至實驗結(jié)束。B1組與B2組在前29 d幾乎保持相同變化，可見水位突然升高對于沉積物CO2排放的影響不大，僅在29 d后B2組累積排放量快速升高。最終A2組、B2組、A1組和B1組的CO2累積排放量分別為5 459.75、6 122.25、4 380.59 μmol·L-1和5 291.16 μmol·L-1。

從CH4排放情況來看（圖3b），A1組和A2組CH4累積排放量均呈現(xiàn)出持續(xù)升高趨勢，在前24 d兩組幾乎保持相同排放量，至實驗結(jié)束，A2組沉積物的CH4累積排放量均高于高水位組，可見水位下降刺激了CH4的排放。B2組CH4累積排放量在實驗期間均高于B1組，且在改變干濕條件后差距更加明顯，說明水位上升同樣刺激了CH4的排放。24-29 d是B2組和B1組CH4吸收期，10-15 d，B1組也表現(xiàn)為CH4吸收。最終A2組、B2組、A1組和B1組的CH4累積排放量分別是15.90、10.76、14.67 μmol·L-1和4.24 μmol·L-1.

從N2O排放情況來看（圖3c），在改變干濕條件前，各組N2O累積排放量變化平緩，改變干濕條件后，除B1組持續(xù)吸收外，各組累積排放量明顯增加。前24 d，A1組和A2組排放量幾乎相同，且均先微弱排放，后微弱吸收；而B1組和B2組均表現(xiàn)為N20吸收。實驗24 d后，A1組、A2組和B2組的N2O累積排放量迅速增加。最終B2組N2O累積排放量最高，為6.01μmol·L-1，A2組次之，為4.17 μmol·L-1，A1組再次，為1.47 μmol·L-1，B1組持續(xù)吸收最終累積排放量為-0.64μmol·L-1。

2.2 上覆液理化性質(zhì)變化特征

由于實驗設(shè)置原因，實驗全程可采集到A1組上覆液樣品，在實驗前22 d，可采集到A2組的上覆液樣品，在實驗22 d后，可采集到B2組的上覆液樣品，但在實驗中無法采集到B1組的上覆液樣品。

2.2.1 可溶性碳和營養(yǎng)鹽變化特征

從可溶性碳來看（圖4），前22 d A2組與A1組的DOC和DIC濃度變化趨勢相同：DOC濃度一直增大，DIC濃度先增大后減小。A1組上覆液DOC濃度在第22天達(dá)到最高值，隨后開始下降，第24天后回升；而DIC濃度在第22-24天小幅上升后，開始大幅下降。剛改變?yōu)楦咚粻顟B(tài)的B2組的DOC與DIC濃度快速上升，這是由于B2組的沉積物向上覆液擴(kuò)散了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，并且在第29天時濃度達(dá)到較高水平，其上覆水中DOC濃度的平均值與A2組相近，DIC濃度的平均值甚至已經(jīng)高于水位下降組（表1）。

從營養(yǎng)鹽濃度來看（圖5），在前22d，A2組和A1組的TN、NH+4-N和NO-3-N濃度均呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢。第24天起，B2組上覆液3種參數(shù)濃度均增大，這是由于沉積物中高濃度的TN、NH+4-N和NO-3-N向上覆液中擴(kuò)散占主導(dǎo)。在第24天，A1組上覆液中TN、NH+4-N濃度達(dá)峰值，各類有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，致使其濃度降低；而B2組的擴(kuò)散現(xiàn)象仍在進(jìn)行，因此濃度呈上升趨勢。B2組改變水位狀態(tài)后，其上覆水中TN與NH+4-N濃度的平均值與水位下降組相近，NO-3-N濃度的平均值高于水位下降組（表1）。

如圖6所示，與CO2排放速率呈顯著正相關(guān)的是DOC濃度（P＜0．05）和NO-3-N濃度（P＜0．05），DIC濃度與TN濃度也存在與CO2排放速率的正相關(guān)關(guān)系，而C/N則與CO2排放速率無明顯相關(guān)關(guān)系。與CH4排放速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系的水化學(xué)參數(shù)有DOC濃度（P＜0.05）、TN濃度（P＜0．05）、NH+4-N濃度（P＜0．05）與N03-N濃度（P＜0．05），C／N則與CH4排放速率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0．05）。N2O排放速率與各水化學(xué)參數(shù)都沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 DOM的熒光特征

DOM易被氧化分解，是河流水體微生物的直接碳源，也是河流水體溫室氣體排放源之一。3D-EEMs可以識別出DOM中的熒光組分，熒光平行因子分析（PARAFAC analysis）可將有機(jī)質(zhì)解析為獨立的類腐殖質(zhì)、類富里酸、類蛋白質(zhì)和類酪氨酸等組分。A1組、A2組和B2組的水樣主要由3種DOM組分（C1、C2和C3）組成（圖7）。組分CI由占比較大的酪氨酸類物質(zhì)與占比較小的蛋白質(zhì)等微生物副產(chǎn)物組成，可為某些微生物過程提供原料；組分C2由占比較大的富里酸類物質(zhì)與占比較小的胡敏酸類物質(zhì)組成，富里酸類物質(zhì)來源于陸生腐殖類物質(zhì)，胡敏酸大多是植物降解與人類活動影響產(chǎn)生的腐殖類物質(zhì)，富里酸類物質(zhì)與胡敏酸類物質(zhì)多是有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物分解利用后的產(chǎn)物；組分C3含有少量的酪氨酸類物質(zhì)（表2）。雖然組分C3有其他的發(fā)射波長和激發(fā)波長波峰，但這些波峰對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)類型不在本實驗的分析范圍之內(nèi)。

圖8表明，在第22天前，A1組和A2組各組分相對豐度有一致的變化規(guī)律：C1相對豐度下降，而C2與C3持續(xù)上升，其中C2上升幅度更為顯著。這表明大量的酪氨酸類物質(zhì)與蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)不斷降解成腐殖類物質(zhì)，最后兩次實驗各組分相對豐度達(dá)到穩(wěn)定。第23天后，B2組的各組分相對豐度變化與A1組和A2組前兩次實驗結(jié)果相似：C1相對豐度迅速降低，C2和C3相對豐度逐漸增大。

熒光指數(shù)（FI）、自生源指數(shù)（BIX）、腐殖化指數(shù)（HIX）3種指數(shù)常用于表征DOM的來源。FI是指樣品在激發(fā)波長370 nm下，發(fā)射波長在470 nm與520nm處的熒光強(qiáng)度的比值；BIX是激發(fā)波長在310 nm時，發(fā)射波長在380 nm與430 nm處的熒光強(qiáng)度的比值。研究表明，當(dāng)FI＞1.9時，腐殖質(zhì)主要來源于水體和其自身微生物，反映出微生物活性碳比外源碳更具優(yōu)勢，本實驗不同處理組FI指數(shù)均大于1.9（表3），進(jìn)一步證明本實驗中的DOM主要源于自身微生物過程，呈現(xiàn)出顯著的自生源特征。有研究指出，BIX指數(shù)越高，DOM中自生組分占比越大，由此可知B2組上覆水中DOM的自生組分與微生物活性炭含量高于其他兩個處理組。HIX指數(shù)越高，表明腐殖化程度越高。B2組的HIX指數(shù)較其他兩個處理組低，這表明B2組上覆水DOM的腐殖化程度低，該組沉積物具有較高的溫室氣體排放潛力。SUVA254是指254 nm波長處的紫外吸光度和總有機(jī)碳的比例，可以表征DOM芳香化程度，DOM芳香化程度越高，其有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，同時也說明有機(jī)質(zhì)在某些微生物過程中的活性越強(qiáng)。B2組的SUVA254值相對其他兩個處理組較低。在實驗過程中，HIX指數(shù)隨時間推移而不斷增大，BIX指數(shù)相對穩(wěn)定而SUVA254隨時間推移而減少，這說明在實驗過程中不斷有高活性有機(jī)質(zhì)參與生物地球過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦愁愇镔|(zhì)，這一過程通常會伴隨著溫室氣體的大量排放。

從溫室氣體產(chǎn)率與熒光指數(shù)的相關(guān)性來看（圖6），CO2排放速率主要與HIX呈正相關(guān)關(guān)系；CH4排放速率與HIX呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0．05），與SUVA254呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0．05），而與FI呈微弱正相關(guān)關(guān)系；N2O排放速率與HIX呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0．05）。FI作為表征DOM來源的指標(biāo)，在本實驗的隔絕環(huán)境下，其由沉積物有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)決定，因此與3種溫室氣體排放速率均無顯著相關(guān)關(guān)系。由于BIX在實驗過程中無較明顯變化，因此沒有對該指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。

3 討論

3.1 影響沉積物CO2和CH4排放的因素

總體來看，各組CO2累計排放量均持續(xù)升高并趨于平穩(wěn)，其中B1組排放量高于A1組。A2組和B2組都促進(jìn)了CO2排放，但A2組更加顯著。①從靜態(tài)實驗來看：在實驗過程中多次測定A1組上覆液DO濃度，其濃度為（0.76±0.07） mg·L-1，該濃度在Beutel等研究中被定義為缺氧而非厭氧狀態(tài)，這種高水位條件可抑制好氧微生物活性，減少CO2的產(chǎn)生。B1組為淺層淹水條件，大氣中的氧氣可以滲入沉積物，從而顯著促進(jìn)C±2的排放，這可能與土壤有效碳數(shù)量的變化有關(guān)。②從水位動態(tài)變化來看：B2組水位上升可能導(dǎo)致大量好氧微生物的死亡并被分解為DOC等物質(zhì)，從而刺激微生物的呼吸過程，且在水位上升過程中，空氣與表層水的接觸面積增大，使得DO濃度顯著升高為（0.86±0.03） mg·L-1，兩者均起到促進(jìn)CO2排放的作用。A2組水位下降導(dǎo)致前期高水位狀態(tài)下生成并溶存的CH4被氧化成CO2，導(dǎo)致CO2的大量排放。③從CO2排放影響因素來看：DOM作為重要碳源可為微生物生長、代謝提供養(yǎng)分及能量，進(jìn)而影響微生物活性及群落結(jié)構(gòu)，改變溫室氣體的產(chǎn)生和排放途徑。本研究中，隨著C1組分相對豐度的降低，CO2排放量逐漸增多。C1組分是微生物的產(chǎn)能代謝原料，微生物在將其礦化分解為小分子有機(jī)物的過程中產(chǎn)生CO2，這是沉積物CO2排放的主要來源。實驗?zāi)┢诘腄OC和DOM已被大量消耗，3種有機(jī)質(zhì)的相對豐度趨于平穩(wěn)（圖8a），沉積物中易被分解的有效碳持續(xù)減少，難礦化的惰性碳持續(xù)累積，并且沒有外源碳的補(bǔ)給，從而使得CO2的排放速率逐漸趨于0（圖3a）。CO2排放與DOC濃度具有顯著正相關(guān)性，為上述討論提供了數(shù)據(jù)支持（圖6）。CO2是沉積物分解過程中的重要產(chǎn)物，有機(jī)質(zhì)C/N是反映沉積物有機(jī)質(zhì)分解程度的重要指標(biāo)，在前期研究中CO2常與C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于C/N代表了有機(jī)質(zhì)分解的程度。而本實驗的CO2排放速率與C/N無顯著相關(guān)性，可能原因是實驗水位變化后添加的有微生物死亡的DOC溶液及其濃度變化，對密閉體系的分析造成了較大誤差。

總體來看，各組CH4累積排放量均呈現(xiàn)升高趨勢，A1組CH4累積排放量顯著高于B1組，而B1組水位升高和B2組水位下降后均有CH4下降的過程。通常情況下，CH4的主要產(chǎn)生途徑是厭氧條件下沉積物中有機(jī)質(zhì)在微生物作用下的礦化分解，同時也受到氧化還原電位的影響。①從靜態(tài)實驗來看：高水位下的沉積物與低水位相比具有更好的厭氧條件，因此利于CH4的產(chǎn)生和排放。A1組產(chǎn)生大量CH4并以沸騰冒泡的方式傳輸至空氣層，而B1組產(chǎn)生的CH4更容易接觸空氣從而被氧化。②從水位動態(tài)變化來看：B2組水位升高后CH4累積排放量先降低后持續(xù)升高（圖3b），這是由于在加入去離子水的過程中水體與空氣的接觸面積增大，使得表層水DO濃度增大（0.86mg·L-1），部分CH4被氧化。B2組水位上升創(chuàng)造了更好的厭氧條件，上覆液中檢測到較低的HIX（表3），且利于微生物分解的C1組分的相對豐度較高（圖8b），因此B2組具有較高的CH4排放潛力，累積排放量升高。上覆液有較高的DIC濃度，證明了大量有機(jī)碳被微生物礦化分解（圖4b，表1）。A2組在水位迅速降低后CH4累積排放量快速上升，這是由于在高水位狀態(tài)下產(chǎn)生的CH4在水位迅速降低時有良好的排放條件，從而大量排放到空氣層。水位降低對養(yǎng)殖魚塘沉積物CH4排放的促進(jìn)作用更為顯著。③從CH4排放的影響因素來看：CH4排放速率與C/N呈反比，這是因為C/N越低，有機(jī)氮的高比率會提升微生物活性，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解。前期研究表明DOM礦化會消耗更多的DO，進(jìn)而提高CH4溶存濃度，CH4通量與DOM中腐殖質(zhì)類組分關(guān)系更為密切。許多研究表明，DOC含量與CH4排放量呈正相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果一致（圖6），表明沉積物中DOC含量對于CH4排放有著重要作用，可為產(chǎn)甲烷菌提供能源。隨著CH4的產(chǎn)生和排放，其他類有機(jī)質(zhì)大量轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致CH4與HIX呈顯著正相關(guān)關(guān)系；隨著有機(jī)質(zhì)的消耗，水體的芳香化程度也逐漸降低，因此CH4排放速率與SUVA254指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 影響沉積物N2O排放的因素

水—沉積物體系中N2O的排放主要來源于NH+4-N與NO-3-N相互轉(zhuǎn)化的氧化還原過程，即硝化作用與反硝化作用。硝化作用一般在有氧或缺氧條件下進(jìn)行，反硝化作用則一般在缺氧或強(qiáng)厭氧條件下進(jìn)行。由于采樣時氣溫較低，沉積物中微生物活性較弱，其N2O排放潛力較低，因此實驗前期各組N2O一直處于吸收狀態(tài)（圖3c）。上覆液中NH+4-N與NO-3-N在TN中的占比均較低，硝化、反硝化作用僅貢獻(xiàn)了少量的N2O（圖5，表1）。①從靜態(tài)實驗來看：實驗23 d后，A1組的N2O累積排放量迅速大幅上升（圖3c），這是由于沉積物向水中擴(kuò)散NH+4-N的速率開始穩(wěn)定，而擴(kuò)散NO-3-N的速率仍較高（圖5），缺氧狀態(tài)下反硝化作用占主導(dǎo)地位，培養(yǎng)箱20℃的溫度使得微生物活性得以恢復(fù)，因此產(chǎn)生了大量N2O，最終排放量高于B1組。隨著沉積物向上覆水中的物質(zhì)擴(kuò)散，上覆水的營養(yǎng)程度也不斷升高，在富營養(yǎng)水體中，反硝化作用是N2O的主要來源，這可能是導(dǎo)致反硝化過程增強(qiáng)的原因。②從水位動態(tài)變化來看：在改變水位條件后，B2組和A2組均排放了大量的N2O（圖3c）。對A2組來說，其沉積物厭氧程度降低，硝化作用會相對增強(qiáng)，這導(dǎo)致了大量N2O的排放，且在抽水過程中導(dǎo)致大量O2進(jìn)入上覆水甚至表層沉積物，這也利于硝化作用的進(jìn)行。對B2組來說，上覆液中的含氮有機(jī)物被礦化為NH+4、NO-3等無機(jī)物，NH+4被硝化菌氧化為NO-3的過程中，不穩(wěn)定的NH2OH會不斷地產(chǎn)生與積累，部分可能會被分解生成N2O，導(dǎo)致N2O的大量排放。暴雨天氣下，養(yǎng)殖魚塘上覆液普遍存在懸浮泥沙，多泥沙水體的上覆水體可發(fā)生硝化、反硝化與耦合硝化—反硝化反應(yīng)，并且這些反應(yīng)均隨懸浮顆粒物濃度的增加而加強(qiáng)，N2O排放量亦隨之增加。Beau-lieu等在美國俄亥俄河的研究中發(fā)現(xiàn)上覆水N20的產(chǎn)生速率是沉積物的2倍左右，并計算得到上覆液對N2O排放量的貢獻(xiàn)超過26%，因此水位迅速上升導(dǎo)致上覆液懸浮顆粒物含量增加也是N2O排放升高的重要原因。③從N2O排放的影響因素來看：N2O排放速率與各水化學(xué)參數(shù)均無顯著相關(guān)關(guān)系（圖6），可能的原因是前期沉積物中某些微生物由于休眠等原因?qū)е禄钚暂^低，且水位變化使沉積物快速擴(kuò)散和含氮水化學(xué)參數(shù)濃度迅速變化，從而導(dǎo)致實驗進(jìn)行的大部分時間處于N2O吸收期，進(jìn)而影響了相關(guān)分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）靜態(tài)高水位組沉積物CH4和N2O的累積排放量高于靜態(tài)低水位組沉積物，而CO2的累積排放量低于靜態(tài)低水位組沉積物。靜態(tài)實驗中，消落帶沉積物的CO2和CH4排放主要受CH4氧化和水位差異造成的厭氧環(huán)境的影響，N2O排放主要受硝化作用和反硝化作用的影響。

（2）動態(tài)水位上升組和水位下降組的水位變化均促進(jìn)了CO2、CH4和N2O的產(chǎn)生和排放。動態(tài)實驗中，消落帶沉積物的CO2排放主要受DOM中C1組分礦化分解的影響。CH4排放主要受DOC濃度、C/N的影響。N2O排放主要受硝化和反硝化作用的主導(dǎo)地位調(diào)控。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41877337）；江蘇省科研創(chuàng)新計劃項目（KYCX22_1172）