研究簡介：濕地是自然的碳匯，但濕地的轉換用于農業用途可能會將這些碳匯轉變為溫室氣體（GHG）的大量來源。人類對濕地水文的改變以及廣泛使用氮肥可以改變生物地球化學循環，但這些干擾對溫室氣體交換的綜合影響仍需進一步研究。此外最近對濕地修復和保護的興趣增加，主要是通過改善自然水流并尋求替代的營養輸入解決方案。在微宇宙實驗中，研究人員通過施加高氮負荷（300 kg/ha）來模擬物理和化學干擾，研究了水文改變和氮輸入對內陸濕地土壤中碳和氮循環過程的影響。與對照土壤相比，氮肥在排水條件下使CO?排放增加了40%，在淹沒土壤中使CH?排放增加了90%以上。濕潤和淹沒土壤中富含氮的N?O排放分別增加了17.4倍和18倍。總體而言，物理和化學干擾的結合使全球變暖潛能（GWP）增加了7.5倍。水文修復的初始響應雖然通常有助于減少CO?排放，但在高氮輸入的條件下，會加劇CH?和N?O的排放。因此本研究強調在制定修復計劃時，需要評估各種干擾對生物地球化學過程的潛在交互影響，以恢復退化的濕地。

Unisense微電極分析系統的應用

Unisense微電極被用于測量土壤核心中的氧氣（O?）和氧化亞氮（N?O）濃度微剖面。土壤核心被放置在微剖面站中，該站由一個小水族箱組成，內有循環水和加熱器，以保持恒定的水溫和水流。微電極通過電機化微操縱器（Unisense A/S,Denmark）進行定位，該操縱器連接到運行專用定位和數據采集軟件的筆記本電腦上。通過這種設置，研究人員能夠精確控制微電極的插入深度，并實時記錄氣體濃度的變化。O?微電極用于測量土壤核心中氧氣的濃度分布。通過將微電極插入土壤核心表面以下的不同深度，研究人員能夠獲取從土壤表面到一定深度（0-9 mm）的氧氣濃度變化。這些數據對于理解土壤的氧化還原條件至關重要，因為氧氣的存在與否直接影響微生物的代謝活動和溫室氣體的產生。N?O微電極：用于測量土壤核心中氧化亞氮的濃度分布。N2O微電極也被插入土壤核心表面以下的不同深度（0-8 mm），以獲取N?O濃度的變化。數據有助于評估氮肥添加對N?O產生和排放的影響。

實驗結果

研究通過微宇宙實驗，探討了短期水文變化和施氮肥操作對濕地二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亞氮（N?O）排放的綜合影響。研究結果表明，物理（水文變化）和化學（施氮肥）干擾對濕地溫室氣體的產生和排放具有顯著影響。排水土壤表現出較低的氧氣消耗率和較高的CO?排放，這表明排水條件促進了土壤的氧化作用，增加了土壤呼吸作用。濕潤和淹沒土壤表現出較高的氧氣消耗率，這與土壤中較高的微生物活動和有機物分解有關。淹沒土壤在施氮肥后表現出最高的CH?排放，這可能是由于淹水條件限制了甲烷氧化菌的活動，同時促進了甲烷生成菌的增殖。施氮肥顯著增加了N?O排放，尤其是在濕潤和淹沒土壤中。水文條件和施氮肥的結合對溫室氣體排放產生了顯著的交互作用。特別是，施氮肥和淹沒條件的結合導致了最高的全球變暖潛能（GWP），表明這種組合對溫室氣體排放的影響最為顯著。

圖1、濕地的碳氮循環。綠色箭頭表示N-循環進程，藍色箭頭表示c-循環進程。增加水位促進了電子受體的可用性（即NO3