Combined effects of oxygen and temperature on nitrogen removal in a nitrate-rich ex-paddy wetland

氧氣和溫度對富含硝酸鹽的前水稻濕地脫氮的綜合影響

來源：Science of the Total Environment 779 (2021) 146254

 

一、摘要概述

 

本研究通過三年田間監測，結合土壤巖心氧微剖面測量，揭示了富硝酸鹽（NO??）棄耕稻田濕地中溶解氧（DO）與溫度對氮去除率（NR）的聯合影響。核心發現包括：

 

氧滲透深度（OPD）：觀測到異常深的OPD（最深42.9 mm），并發現地下氧飽和層（"O?-max層"，OML），證實光合微生物棲息地的存在（圖4）。

 

 

氮去除機制：NR主要通過亞表層厭氧層反硝化實現（平均332 kg N ha?1 year?1），洪水DO濃度與溫度分別對NR產生負/正影響（圖3B, 圖6）。

 

 

 

微生物作用：微生物光合作用常年活躍，增加土壤碳庫（TC↑），支撐長期氮去除（>20年）。

 

管理建議：周期性裸土（無植被遮蔭）管理可優化NR。

 

二、研究目的

 

闡明O?與溫度的交互作用：量化DO（尤其光合微生物供氧）和溫度對NR的影響機制，填補自然條件下富NO??淹沒土壤研究的空白。

 

解析OPD的生態意義：探究異常深OPD的成因及其對反硝化的調控作用。

 

評估yatsu濕地可持續管理：為日本"yatsu"河岸濕地（棄耕稻田）的氮污染治理提供策略。

 

三、研究思路

 

采用 "長期田間監測 + 土壤巖心高分辨率分析" 方法：

 

實驗設計：

 

場地：日本茨城縣Ami的棄耕稻田濕地（35°59′N, 140°16′E），長期裸土管理（圖1）。

 

監測周期：2014–2016年，每周水質監測 + 11次專項采樣（測O?微剖面）。

 

關鍵測量：

 

水質/水量：TN、NO??、DO、pH、溫度、水流速率（圖3）。

 

O?微剖面：使用Unisense微電極測土壤OPD（OPD?.?、OPD?.??）和OML（圖4）。

 

反硝化活性（DA）：分層（好氧/厭氧層）測定乙炔抑制法。

 

數據分析：

 

相關性分析（表1, 表2）與多元回歸建模（NR = 0.149N輸入 + 0.00347溫度 - 0.00798DO + 0.090）（圖6）。

 

 

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 氧滲透深度（OPD）與O?-max層（OML）（圖4, 圖5）

 

數據來源：Unisense電極測量的O?微剖面（圖4），OPD?.?（DO=1.0 mg L?1深度）、OPD?.??（DO=0.01 mg L?1深度）。

 

結果：

 

OPD?.?最深27.1 mm，OPD?.??最深42.9 mm，遠高于文獻值（通常<10 mm）。

 

發現OML（DO飽和平臺層，最深4.2 mm），指示地下光合微生物棲息地（圖4B.2）。

 

意義：修正OPD僅作為"NO??擴散屏障"的傳統認知，揭示其同時是光合微生物的生態位。

 

2. 氮去除率（NR）與環境因子（圖3, 表1）

 

數據來源：周監測TN平衡（式2）、溫度、DO（圖3），多元回歸（圖6）。

 

結果：

 

NR與溫度正相關（r=0.776**）、與DO負相關（r=-0.512）（表2）。

 

溫度每升1°C → NR增0.00347 g N m?2 d?1；DO每升1 mg L?1 → NR降0.00798 g N m?2 d?1（式4）。

 

 

意義：量化O?-溫度對NR的拮抗效應，為模型預測提供參數。

 

3. 反硝化活性（DA）分層差異

 

數據來源：好氧層（0–OPD?.?）vs. 厭氧層（>OPD?.??+10 mm）DA測定。

 

結果：厭氧層DA（16.6 μg N g?1 d?1）是好氧層（1.2 μg N g?1 d?1）的53倍。

 

意義：證實厭氧層是NR主力，需分層采樣以避免低估DA。

 

4. 土壤碳氮動態（方法2.7）

 

數據：好氧層TC（44 g C kg?1）>厭氧層（40 g C kg?1），C/N≈7。

 

意義：微生物光合作用提升土壤碳庫，支撐長期NR（20年裸土仍維持高TC）。

 

五、結論

 

溫度與O?的拮抗效應：溫度↑→擴大厭氧區→促進反硝化；DO↑（尤其光合作用驅動）→擴大OPD→抑制NO??擴散至厭氧層。

 

微生物光合作用的核心角色：

 

維持地下OML，導致超常OPD。

 

提供有機碳支撐反硝化，使裸土濕地20年持續除氮。

 

管理啟示：yatsu濕地采用 周期性裸土（無植被遮蔭）+ 定期除草，可維持高溫（↑NR）與高土壤碳庫（↑微生物活性）。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與實驗設計

 

原理：

 

Unisense OX-N微電極：Clark型傳感器，檢測限0.01 mg L?1，垂直分辨率0.2 mm（方法2.4）。

 

原位測量：直接插入未擾動土壤巖心，實時獲取O?微剖面（圖2）。

 

 

設計：

 

空間分層：區分好氧層（OPD?.?以上）、過渡層（OPD?.?–OPD?.??）、厭氧層（OPD?.??以下）。

 

時間動態：11次采樣覆蓋溫度梯度（0.8–40.4°C），捕捉季節變化。

 

2. 關鍵發現與科學意義

 

發現1：OPD的溫度依賴性（圖5B）

 

數據：溫度↑→OPD↓（e.g., 32°C時OPD比9°C時淺50%）。

 

機制：溫度升→土壤呼吸（O?消耗）↑→氧滲透深度收縮。

 

意義：揭示溫度通過調控OPD間接影響NR，補充實驗室無光合作用體系的結論（de Klein et al., 2017）。

 

發現2：OPD的DO依賴性（圖5A）

 

數據：洪水DO↑→OPD↑（e.g., DO=11.5 mg L?1時OPD比DO=9.2 mg L?1時深4倍）。

 

機制：高DO增強O?向下擴散，擴大好氧區。

 

意義：首次在田間證實光合微生物通過提升DO深化OPD，抑制NR。

 

發現3：O?-max層（OML）的存在（圖4）

 

數據：土壤表層0–4.2 mm存在DO飽和平臺（OML），DO濃度恒定（圖4B.2）。

 

機制：光合微生物在地下產O?，平衡O?消耗。

 

意義：推翻"O?僅靠擴散進入土壤"的假設，揭示地下光合生態位。

 

3. 研究意義

 

方法論創新：Unisense電極實現 原位、高分辨率O?監測，克服傳統破壞性采樣的局限，為土壤微生態研究提供技術標桿。

 

生態機制突破：

 

明確OPD在光合系統中的雙重角色（擴散屏障 + 微生物棲息地）。

 

為濕地NR預測引入DO與溫度的定量耦合模型（式4）。

 

應用價值：支撐yatsu濕地"裸土管理"建議，為全球富氮濕地修復提供范例。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極揭示富硝酸鹽濕地中氧動態的復雜性：溫度與溶解氧通過調控OPD深度，以拮抗方式影響氮去除。微生物光合作用形成的O?-max層導致異常深OPD，同時提供碳源維持長期反硝化。周期性裸土管理可平衡溫度促進效應與DO抑制效應，為河岸濕地氮污染治理提供優化路徑。Unisense電極數據的關鍵價值在于 原位解析土壤氧微環境，推動濕地生物地球化學過程研究進入高分辨率時代。