图片摘要
成果简介
近日，北京师范大学王圣瑞、董越团队联合三峡大学肖尚斌团队、美国俄克拉荷马大学王琤浩在Nature旗下杂志Communications earth & environment上发表了题为“Wastewater-influenced estuaries are characterized by disproportionately high nitrous oxide emissions but overestimated IPCC emission factor”的研究论文。文中结合高分辨监测技术与生物信息学分析，发现珠江口受污水排放影响已成为N2O排放的重要的源，污水排放通过引入丰富的营养物质、改变C/N化学计量比、影响生物化学反应过程极大地促进了N2O排放。进一步通过全球尺度分析发现污水氮排放已经引起全球河口N2O排放的广泛增加，但是其排放因子却显著低于受污水氮排放低影响的河口，也低于IPCC对河口排放因子的建议值。研究揭示了IPCC对全球河口N2O排放因子系统性高估了一个数量级，这源于N2O排放对氮输入响应简单的线性假设，亟需基于反应动力学机制准确构建N2O排放与反应底物的时空动态关系，修正IPCC对河口排放因子建议值并对全球河口N2O排放进行准确估算。
引言
N2O作为一种强效温室气体，全球变暖潜能是CO2的273倍。全球河口用海洋面积的0.4%贡献了33%的N2O排放，对全球N2O生物地球化学循环产生了重要的影响。人为影响，特别是污水排放，极大地改变了河口营养物质、有机碳、溶解氧以及微生物活动水平，亟需探索污水排放对全球河口N2O的影响作用。IPCC采用排放因子Emission factor（EF）对全球河口N2O排放估算给出建议，其假设N2O-N和NO3-N之间存在线性关系，估计值为0.0026 kg N2O-N/kg NO3-N，但人为影响下N2O对NO3-N的响应模式更加复杂，简单的线性假设存在相当大的不确定性。本研究从珠江口切入，通过实时高分辨监测精确刻画了珠江口连续的N2O排放分布，结合污水排放分布发现珠江口受污水排放影响已成为N2O排放的重要的源，年释放通量达到1.05（0.92-1.23）Gg yr-1，污水排放通过引入丰富的营养物质、改变C/N化学计量比、影响生物化学反应过程极大地促进了N2O排放。进一步地通过全球河口面板数据分析发现受污水氮排放高影响的河口N2O高释放通量但低排放因子的独特排放模式。全球范围内，污水氮排放已经引起全球河口N2O排放的广泛增加，人为氮排放使全球河口每年额外N2O排放增加2.6–9.9 Gmol；但受污水影响的河口N2O排放因子显著低于目前IPCC估计值。据估算，IPCC对全球河口N2O排放因子系统性高估了一个数量级，这源于N2O排放对氮输入响应简单的线性假设，污水氮负荷的增加会引起N2O排放的增加，而随着反应生物的渐进式饱和其产生效率会降低。亟需基于反应动力学机制构建N2O排放与反应底物的时空动态关系，修正IPCC对全球河口N2O排放因子建议值，提升全球河口N2O排放估算的准确性。
图文导读
珠江口N2O释放及污水排放影响
图1：珠江口(a) N2O浓度、(b) 饱和度、(c) 排放通量空间分布图
研究使用了先进的快速水-气平衡装置技术，对水体溶解性N2O浓度进行实时高分辨率测量，获得~30, 000个N2O浓度数据。基于此计算得到珠江口N2O平均排放强度为58.5 ± 65.7 μmol m–2 d–1，达到全球河口平均水平的3倍（18.2 μmol m–2 d–1）。珠江口年N2O年释放通量达到1.05（0.92-1.23）Gg yr-1，是N2O排放的巨大的源，占用全球河口1.4‰的面积的贡献了4.6‰的N2O排放，其碳排放可抵消全中国海岸带~9.3%的碳汇能力。
图2：(a)珠江口污水排放、上游河流及海底地下水氮输入示意; (b)(c)(d)珠江口分区域N2O与DOC:NO3-N，NO3-N和NH4-N的关系；(e)氨氧化和反硝化功能基因丰度及区域分布差异显著性；(f)(g)分区域N2O浓度与反硝化功能基因、氨氧化功能基因的线性拟合关系
污水排放向珠江口口输入了大量的氮源，据估算珠江口每年接收污水排放 6.80 × 109吨，DIN负荷(0.16–2.00) × 107 mol d–1，与上游河流、海底地下水共同构成了河口氮输入的三大来源，极大地促进了珠江口N2O排放。此外，污水排放还改变了珠江口的C/N化学计量比，使得DOC/NO3-N比值降低，而N2O浓度与C/N成反比，表明氮还原产生N2O排放过程的主导地位，当C相对于N为限制因子时，反硝化过程会终止在N2O而非N2，从而促进N2O排放。而上游N2O与NO3-N显著的正相关关系以及更高的反硝化细菌nirS和nirK基因丰度，也提示了反硝化在上游N2O产生过程中的重要作用，这也加剧了珠江口N2O分布的空间异质性。
全球受污水排放高影响的河口N2O高释放通量但低排放因子的独特排放模式
图3：全球83个河口污水氮排放分布提取与计算
图4：全球河口N2O排放受污水氮排放的影响。(a) N2O浓度与污水氮排放关系，(b) 排放因子与污水氮排放关系，(c) 全球河口不同污水氮排放水平下的N2O浓度、饱和度、排放通量和排放因子差异显著性分析
全球范围内，河口N2O浓度与污水氮排放成正比，受污水氮排放高影响的河口N2O浓度、饱和度、释放通量均显著高于受污水氮排放低影响的河口，人为氮排放使全球河口每年额外N2O排放增加2.6–9.9 Gmol。但受污水氮排放高影响的河口N2O排放因子显著低于受污水氮排放低影响的河口，且均高于目前IPCC建议值。据估算，IPCC对全球河口N2O排放因子系统性高估了一个数量级，如果使用IPCC建议值，全球河口N2O排放估计值将达到220 Gg N yr-1，远高于基于反应动力学机制估计的60-155 Gg N yr-1。
IPCC对全球河口N2O排放因子的系统性高估源于N2O排放对氮输入响应简单的线性假设
图5：基于linear model, efficiency loss model 和Michaelis-Menten kinetics model拟合全球河口N2O和NO3-N的关系。(a)全球河口，(b)欧洲河口，(c)亚洲河口，(d)欧洲河口
IPCC对全球河口N2O排放因子的系统性高估源于N2O排放对氮输入响应简单的线性假设，污水氮负荷的增加会引起N2O排放的增加，而随着反应生物的渐进式饱和其产生效率会降低。全球范围内，N2O产量与NO3-N浓度关系符合efficiency loss model，即N2O的生产效率随着NO3-N利用率的增加而降低；在亚洲和欧洲河口，Michaelis–Menten model 拟合效果最好，N2O产量最初随NO3-N增加线性增加，但当NO3-N浓度超过~3mgL-1时，N2O产量在1600nmol L-1左右趋于稳定，出现被动生物饱和；而linear model仅在北美以及大洋洲等低NO3-N浓度情况下有较好的拟合程度。研究建议亟需修正IPCC 对河口排放因子建议值并对全球河口N2O排放准确估算。在这个过程中要重视反硝化过程对全球河口N2O排放的贡献，要基于反应动力学机制准确构建N2O排放与反应底物的时空动态关系，而全面的、自下而上的监测工作对于准确估计N2O排放也至关重要。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金委，广东省联合基金以及粤港水安全保障联合实验室项目的资助。
同时对参与现场调研以及实验室分析工作的袁行宇、马煜、郑祥旺、胡杰茗、郭颖、赵志龙、黄煜祺、王红英、刘帅、朱占亮等人致以衷心的谢意。