自然湿地氮排放与气候变化关系研究进展

生态环境学报 2018, 27(8): 1569-1575 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@

基金项目：国家自然科学基金项目（41702241）

作者简介：赵姗（1987年生），女，讲师，博士，主要研究方向为湿地氮循环。E-mail: szhao@

*通信作者

收稿日期：2018-01-16

自然湿地氮排放与气候变化关系研究进展

赵姗1

*，周念清2

，唐鹏

1

1. 上海海事大学，上海 201306；

2. 同济大学，上海 200092

摘要：受外界环境因素的影响，自然湿地氮循环过程中排放的氮氧化物气体正在全球范围内不断累积，全球气候也正在经历着前所未有的变化，因此，氮氧化物排放和全球气候变化关系成为了近年来国际上重点关心的环境问题。为了厘清两者关系，该文从以下几个方面进行了综述研究，（1）对Web of Science 核心数据库和中国知网有关氮排放和气候变化的关键词进行检索，结果表明：近年来关于自然湿地氮排放和气候变化关系的文献数量逐年增多，说明氮排放和气候变化关系已经引起相关学者的重视。（2）自然湿地氮排放对气候变化的影响有直接影响和间接影响。直接影响是通过湿地氮循环过程中排放的温室气体（以N 2O 为主）产生的，N 2O 的大量排放加速了气候变暖的趋势；间接影响是通过发生氮排放的氮循环与碳循环耦合关系影响产生的，自然湿地系统中不断增加的活性氮使得两大温室气体——二氧化碳和甲烷的吸收和排放发生了变化，从而对气候变化产生了影响。（3）气候变化主要包括温度、降雨、辐射、光照和风速等气候因子的变化，这些变化对湿地的主要氮循环过程——硝化和反硝化过程产生影响，使得氮排放的程度和速率发生变化。文章最后对湿地氮排放和气候变化关系的研究进行了展望，为更好地理解自然湿地氮排放和气候变化关系提供了一定的研究思路。 关键词：氮排放；气候变化；自然湿地；关系；研究进展 DOI: 10.16258/ki.1674-5906.2018.08.025

中图分类号：X16 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2018）08-1569-07

引用格式：赵姗, 周念清, 唐鹏. 2018. 自然湿地氮排放与气候变化关系研究进展[J]. 生态环境学报, 27(8): 1569-1575. ZHAO Shan, ZHOU Nianqing, TANG Peng. 2018. Advances in relationships between nitrogen emission of natural wetlands and climate change [J]. Ecology and Environmental Sciences, 27(8): 1569-1575.

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N 2O 是一种常见的温室气体。

有研究显示湿地释放的N 2O 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CO 2、CH 4和N 2O 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

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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。

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（CO 2）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（N 2O ）而产生的（Bateman et al.，2005）。尽管N 2O 是一种低含量温室气体，它的增温效果却是C 2O 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N 2O 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N 2O 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N 2O 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N 2O 的排放。研究表明，人工固氮能力增加会使大气N 2O 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N 2O 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N 2O 排放增长迅速。随着人们对CO 2和CH 4产生的温室效应的重视，

湿地生态系统中CO 2和CH 4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N 2O 释放大幅度提高（Galloway et al.，2008）。如果人

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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