自然湿地氮排放与气候变化关系研究进展

赵姗，周念清，唐鹏

1. 上海海事大学，上海 201306；2. 同济大学，上海 200092

氮素是组成生命体蛋白质和遗传物质最重要的元素之一，其在自然界中的存在形式多样且转化途径不一（Zhou et al.，2014）。氮在不同形态、不同环境之间的迁移转化称为氮循环，而发生在湿地生态系统中的氮循环则为湿地氮循环（周念清等，2014）。湿地系统中的自然湿地是指天然形成的长久或者暂时性的滨海湿地、河流、湖泊、沼泽湿地等（邵媛媛等，2018）。氮是自然湿地系统中重要的组成成分和重要的生态因子，对湿地的初级生产力具有重要影响；而湿地是氮素重要的源、汇和转化器，氮素通过固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化等过程在湿地生态系统中进行着不间断的循环（Reddy et al.，2008）。氮循环过程中释放各种含氮气体的行为被称为氮排放，其中N2O是一种常见的温室气体。有研究显示湿地释放的N2O量正逐年增加（Burgin et al.，2012），对全球气候变化的影响正受到越来越多的关注。

气候变化指长时期内气候状态的变化，据联合国政府气候变化专门委员会IPCC第五次评估报告（2013年）统计，1880—2012年全球地表平均温度大约升高了0.85 ℃，且本世纪前10年是最暖的10年，全球大气CO2、CH4和N2O等温室气体的浓度已上升至过去80万年来的最高水平（IPCC，2014）。可见，全球正经历着以气候变暖为突出标志的气候变化（徐雨晴，2017），只是不同学者根据不同模型计算出的增温幅度结果略有差异（Cox et al.，2000；Ganopolski et al.，2001；Smith et al.，2007）。此外，气候变化不仅仅是指温度的变化，还包括降雨量、降雨频次（Trenberth，2011）以及辐射强度（Sitch et al.，2007）和风速大小（England et al.，2014）的变化。IPCC预测，气候变化背景下，极端气候、水文事件频率和强度也会增加（IPCC，2014）。已有数据表明，近 50年来中国的降水格局已经发生了明显的变化（中华人民共和国国务院新闻办公室，2011），这些变化都将会对敏感的自然湿地排放产生重要的影响。

近年来，关于氮排放与气候变化关系的研究发展迅速，发文量逐年增加，如张金屯（1998）研究了全球气候变化对自然土壤碳氮循环的影响，沈菊培等（2011）研究了碳氮循环对全球气候变化的响应，但由于涉及内容复杂，目前尚无针对湿地氮排放与气候变化关系的系统总结分析。因此，本文基于ISI Web of Science核心数据库和中国知网CNKI数据库，针对“自然湿地氮排放与气候变化”进行文献检索，利用文献分析工具 CiteSpace软件和Origin 9.0进行分析，旨在为缓解气候变暖和湿地生态水环境管理提供一定的理论支持，同时为后人了解前人研究成果、总结研究经验、开拓研究方向提供有益参考和借鉴。

1 整体态势分析

截止至2018年5月，以ISI Web of Science核心数据库中全部文献为检索对象，检索关键词为“nitrogen emission”和“climate change”，共检索到2326篇 SCI论文；而以“wetland/marsh/swamp nitrogen emission”和“climate change”为关键词，没有检索到相关文献。在中国知网CNKI数据库，截至目前，以“氮排放和气候变化”为关键词，共检索到相关文献65篇；而以“湿地氮排放”和“气候变化”为检索词，也没有检索到相关文献。从整体来看，氮排放和气候变化的关系已经得到国际和国内学者较为广泛的关注，但是目前为止学者们对湿地氮排放和气候变化关系的研究较少，因此对自然湿地氮排放和全球气候变化的关系仍有很大的研究空间。

从图1可以看出，20世纪末国际上就有关于氮排放和气候变化关系的研究报道，发文量呈持续增长的发展态势，但 2000年前发展较为缓慢，年发文量均在50篇以下；2000年以后，相关研究发文量增长迅速，年增长率平均在20%左右，2017年年发文量突破300篇。国内对氮排放和气候变化关系的研究起步较晚，2004年首次发表相关文章1篇，之后也逐年增加，到2016年发表9篇文章。从发文量年增长率可以看出，IPCC评估报告对氮排放和气候变化关系的研究起较大的促进作用，从1990年IPCC发布第一次评估报告开始，除了1995年第二次外，2001年第三次、2007年第四次以及2012年第五次会议结束后，氮排放和气候变化相关文章的发文量都大幅增长。可见，随着全球气候变化加剧，生态环境安全所受到的威胁更加严重，尤其在目前严峻的氮肥资源滥用及水体富营养化的形势下，越来越多的专家开始关注氮排放与气候变化的相互影响。

图1 氮排放和气候变化关系发文量年代分布和年增长率Fig. 1 The time distribution and annual rate of growth of papers

2 研究进展分析

2.1 自然湿地氮排放对气候变化的影响

湿地氮排放对气候变化的影响可分为直接影响和间接影响。直接影响主要包括湿地氮排放过程中释放的温室气体对气候产生的影响；间接影响主要是指发生氮排放的氮循环过程与碳循环的耦合关系，氮循环通过影响二氧化碳（CO2）的释放和吸收而对气候变化产生间接影响。

2.1.1 直接影响

自然湿地氮排放对气候变化的直接影响主要是通过湿地土壤中发生的硝化和反硝化过程中释放的大量的温室气体——氧化亚氮（N2O）而产生的（Bateman et al.，2005）。尽管N2O是一种低含量温室气体，它的增温效果却是C2O的298倍，且在大气中的存留时间较长，可达100多年（Harrison et al.，2005）。据统计，生物圈向大气释放的N2O有 80%～90%来源于土壤（Chapuis-Lardy et al.，2006），而高温、湿润、中性酸碱度、高碳氮含量的湿地土壤则是N2O的重要排放源。

由于人类固氮作用、化石燃料燃烧、城市化等活动（图2），进入地球的活性氮已经出现大幅增加（Galloway，2005；Galloway et al.，2004），使得进入湿地系统中的氮也随之增加。土壤和水体N2O释放速率与有效氮浓度呈正相关（Williams et al.，1992），因此湿地中活性氮的增加会增强硝化和反硝化作用，进而加剧湿地土壤N2O的排放。研究表明，人工固氮能力增加会使大气N2O含量也相应增加，如果向地球表面输入1000 kg自然或者人为来源的活性氮，其中的1%～5%就会变成N2O气体而进入大气层（Crutzen et al.，2008）。此外，不断增长的固氮能力可能使湿地生态系统中氮供应量超过生物需求量，产生湿地氮饱合问题（Galloway et al.，2002；Hanson et al.，1994；Vitousek et al.，1997），这将使湿地活性氮含量和N2O排放增长迅速。随着人们对CO2和CH4产生的温室效应的重视，湿地生态系统中CO2和CH4释放增长率可能呈下降趋势，但氮肥和化石燃料使用量的持续增长可能使 N2O释放大幅度提高（Galloway et al.，2008）。如果人工固氮增长率保持不变，N2O有可能代替CH4成为第二大温室气体。

图2 人类活动对氮排放与气候变化关系的影响（改编自Zhao et al.，2016）Fig. 2 Impacts of human activities on relationships of nitrogen emission and climate change

2.1.2 间接影响

湿地生态系统中各个子系统都是相互联系、相互耦合的。湿地氮循环和碳循环也是密切相关、高度耦合的统一关系（Reddy et al.，1987）（图3）。氮素影响植物光合作用、有机碳分解、同化产物的分配以及生态系统对大气CO2浓度升高的响应等多方面生态过程，氮素的任何变化都可能导致碳贮量和碳通量的变化（任书杰等，2006）。氮碳耦合对湿地生态系统的影响是通过碳氮比（C∶N）来实现的。通常情况下，25∶1被认为是C∶N的分界值，当C∶N＞25时，N2O 的排放量则为零（Hunt et al.，2007）。新鲜枯落物中的C∶N一般比较高，尤其是在一些木质的枯落物中，随着时间的变化C∶N降低，在未被扰动的生态系统中，土壤C∶N最终趋近14。此外，由于氮氧化合物和挥发性有机化合物的排放在对流层形成的臭氧会减弱植物的生产力，从而减少植物从大气中吸收的CO2（周智敏等，2017）。

图3 碳氮耦合对气候变化的影响（改编自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气中的50%的CO2，而活性氮会影响湿地生态系统从大气中吸收 CO2（Heimann et al.，2008）。湿地中活性氮增加会改变湿地的 CO2汇，因为氮的供应情况和植物的光合作用密切相关，湿地中氮增加后会促进植物的光合作用，使植物吸收更多的 C2O（Luo et al.，2004），从而增加湿地植被的固碳能力（吕超群等，2007）。据估计，至2030年，活性氮的增加会使碳排放的截获量增加10%左右（Reay et al.，2008）。活性氮的增加也会改变生态系统中CH4的产生和消耗（方华军等，2014），如湿地中的氮沉降会刺激维管植物的生长，进而增加该系统内碳的供给量和 CH4的产生量（曾竞等，2013）；也可能会改变微生物的消耗量，从而改变湿地系统中 CH4的总排放量（胡敏杰等，2015）。另外，反刍动物可以将其所摄取食物的3%～8%转化为CH4（Lassey，2007），活性氮的增加会产生更多易消化的食物，从而可能减少反刍动物的CH4产生和排放。研究显示，CH4转化率随饲料质量和动物生产效率的提高而降低（Kumar et al.，2014），因此活性氮增加可以使湿地提供更多优质饲料，间接减少 CH4的排放及其对气候的影响。

2.2 气候变化对自然湿地氮排放的影响

气候变化对自然湿地氮排放的影响主要是通过气候因子影响发生氮排放的主要氮循环过程（硝化和反硝化）而产生的。这些气候因子包括温度、降水、辐射、光速和光照等。气候变化通过这些因子对湿地氮排放产生影响，最终会对湿地环境产生影响（图4）。

图4 气候变化对湿地氮排放的影响（改编自夏星辉等，2012）Fig. 4 The impacts of climate change on nitrogen cycle of wetlands

2.2.1 温度

温度是一种时时刻刻都对生态系统在起重要作用的气候因子。生态系统内的所有的生物地球化学循环都必须在一定的温度范围内才能进行。当环境温度超过或低于适宜的温度时，就会影响氮循环某个环节的循环速率，甚至会抑制某个环节的发生，从而扰乱湿地氮循环，打破湿地系统内的氮平衡状态，最终可能会因为湿地内活性氮大量减少而影响湿地的初级生产力（Elser et al.，2007），也可能会造成湿地内活性氮大量富集，引发湿地富营养化（Morris，1991）。

湿地生态系统内氮循环的各个环节也都有各自的适宜温度范围。在 5～35 ℃的温度范围内，氮的矿化速率与温度呈正相关，温度的升高可提高土壤有机氮的矿化率，从而显著提高土壤有效氮的含量（Cassman et al.，1980）。硝化作用最适宜温度为25～35 ℃，＜5 ℃或＞40 ℃均抑制硝化作用发生（Sahrawat，2008）；而反硝化作用的适宜温度为5～67 ℃（Bachand et al.，2000；Stanford et al.，1975），温度范围较广。温度升高从宏观上也会影响湿地面积和时空分布，但面积变大或变小与湿地所在地区气候有关。孟焕等（2016）发现温度升高使得以冰雪融水为主要补给源的湿地面积逐年增加，使半湿润区的湿地面积减少，在一定程度上减缓了干旱区湿地面积的萎缩。位于中国青藏高原的若尔盖湿地也发现面积总体呈下降趋势，这与当地平均温度密切相关（李国明等，2017）。温度升高引起的湿地面积大小变化会影响氮在湿地的停留时间，进而影响湿地氮循环的周期，最终对氮排放也会产生影响。

2.2.2 降雨

水分是湿地土壤的重要组成部分，湿地中不断进行的各类物质转化与能量交换都需要在水的参与下才能进行，因此，湿地系统对供水量大小变化和供水水质的变化非常敏感（Erwin，2009）。气候变化会引起降雨强度和降雨频次的变化，从而引起土壤含水量的变化，进而影响湿地土壤的透气性、氧化还原电位（Eh）、pH值、微生物活性以及湿地土壤中N2O等气体向大气扩散的速率等，因此湿地氮循环受到土壤含水率变化的影响（Yu et al.，2009）。在一定的土壤含水量范围内（饱和含水量的57%～78%），矿化速率随含水量的增加而升高，当超过该范围时，净矿化速率随含水量的升高而降低（Sleutel et al.，2008）。同样，在一定范围内，降水量的减少也可导致土壤有效氮含量的减少。例如，有试验发现采用人工控制净降水量时，土壤有效氮浓度显著减少，说明净降水量对土壤有效氮的影响较大（Jonasson et al.，1993）。硝化作用和反硝化作用过程中最易产生 N2O的土壤含水量为饱和含水量的45%～75%（Hansen et al.，1993）。当土壤处于饱和含水量以下时，N2O排放量随土壤水分的增加而增加，此时硝化作用是产生N2O的主要机制（Schuster et al.，1992）；而在饱和含水量以上时N2O的排放逐渐减弱，此时反硝化是N2O的主要来源。

此外，有关降雨强度和氮流失关系的研究都表明，降雨径流中总氮的流失浓度随着降雨量的增加而增大（吴希媛等，2007；张亚丽等，2004），使得进入湿地系统中的氮污染物浓度增加，从而增加非点源污染源对湿地系统的污染力度，引其湿地氮循环的紊乱。

2.2.3 其他因子

全球气候变化除了温度和降雨的变化，光照、辐射和风速风向等因子也会发生变化，这些气候因子的变化也会对湿地氮循环过程造成一定的影响。太阳辐射中的紫外射线B（UV-B）辐射能量高、穿透力强，过度的UV-B辐射将给湿地生态系统带来重要影响，包括湿地中的氮循环。李慧丽等（2015）研究了紫外辐射对人工湿地氮形态及去除的影响，发现UV-B辐射促进了人工湿地基质的硝化强度，但抑制了反硝化强度。风向和风速会影响湿地水体中水流的流动和湿地上空氮氧化物的流动，进而影响湿地中氮污染物在水和大气中的分布。朱兆良等（1985）通过对稻田肥料损失的研究表明，在光照较强的情况下，氨挥发将成为氮损失的重要途径；同样地，风速增大，氨挥发量也会增多。受气压影响，光照和风速对氮循环产生的其他气体如 N2、N2O也会有相同的影响。光照条件对湿地沉水植被吸收氮素也有一定的影响，黑暗条件下，苦草（Vallisneria spiralls）和穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）对铵态氮的吸收速率在相同外源铵态氮浓度条件下都低于对应的光照条件下其对铵态氮的吸收，说明黑暗条件下植物对铵态氮的吸收速率下降（钟爱文等，2013）。光照越强，稻田里以硝态氮为氮源的水稻排放的 N2O越多（徐胜光等，2016）。综上所述，气候变化的其他因子主要对湿地植被的生长和发育有重要影响，而湿地植被又是湿地氮循环过程中重要的源、汇和转化器（Tanner et al.，1995），因此，气候变化的其他因子通过影响湿地植被的生长而对湿地氮排放产生重要影响。

3 展望

IPCC于2017年4月在肯尼亚召开了第六次会议，会议确定报告主题为全球升温幅度达到1.5 ℃的影响及温室气体排放途径等。IPCC第六次评估报告完成后必将会推动相关科学研究的发展，使我们更加深入地认识气候和环境关系。因此，随着科学界对全球气候变化影响的重视，自然湿地氮排放与气候变化关系也会受到越来越多的关注。然而，目前已有的研究结果表明，目前关于自然湿地氮排放与全球气候变化的认知是极为有限的，还存在许多的不确定性和未解决问题，已有的科学结论和问题需要更进一步的研究数据来验证和丰富，基于本文所述的研究进展，作者提出如下的研究展望：

（1）加强湿地氮排放和气候变化关系的研究。通过文献计量法可知，全球范围内对湿地氮排放和气候变化关系的研究非常少，建议加强对全球或某一国家湿地系统氮排放的数据采集，从而建立湿地氮排放与全球气候变化的关系。

（2）细化和量化湿地氮排放对气候变化的影响研究。目前大多文献都聚焦于气候变化对湿地氮排放的影响研究，而对湿地氮排放对气候变化的影响有所忽视。虽然目前湿地氮排放对全球变化的影响相较于碳循环对气候变化的影响较小，但如果不引起重视，氮素温室气体的排放也将会成为气候变化的主要因子。

（3）注重气候变化的其他因子对湿地氮排放的影响研究。这些气候因子对湿地植被的生产力有重要影响，而湿地植被又是湿地生态系统重要的组成部分，是湿地氮重要的源、汇和转化器。同时，光照辐射等对湿地富营养化影响也较大，厘清气候变化其他因子对湿地氮排放的影响对提高湿地初级生产力有重要作用。

（4）明确发生氮排放的氮循环过程中的生物、物理、化学作用的交互过程。大气中的氮通过湿地土壤中微生物的固定作用转化为有机氮从而进入生物体，经过矿化（氨化）作用形成铵态氮，再经硝化、反硝化及氨挥发等过程返回大气，这方面研究目前都没有量化，将是以后的研究主题。

（5）湿地氮排放产生的N2O对气候及环境的影响程度将是重点研究领域以及需要突破的技术难点。湿地氮排放对气候系统的影响以及彼此的量化关系、氮排放的区域性特征等问题是今后亟待关注和开展的研究方向和焦点。