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文章荐读
全球河流氧化亚氮(N2O)排放量在上个世纪增加了4倍多。然而，控制河流生态系统中低循环N2O产生的机制和途径尚不清楚。近日，Wang et al(2024)在Nature Communications上发表论文“Ammonium-derived nitrous oxide is a global source in streams”，该论文利用同位素示踪和宏基因组分析等方法在站点和区域尺度上研究了白洋淀河网N2O生成的时空特征，有利于今后准确估计和预测河流N2O排放。
文章简介
全球河流氧化亚氮(N2O)排放量在上个世纪增加了4倍多。据估计，仅小河中的潜流带就可能贡献约85%的N2O排放。然而，控制河流生态系统中N2O产生的机制和途径尚不清楚。在这里，我们报告了氨源途径，而不是硝酸盐源，是世界各地农业溪流中主要的潜流带N2O来源(69.6±2.1%)。N2O通量主要与氨呈正相关。宏基因组组装基因组(MAGs)潜在的N2O代谢途径提供了证据，证明硝化细菌比反硝化细菌含有更多的N2O生产相关基因。综上所述，本研究强调了在低阶农业溪流中减少农业衍生铵对控制N2O排放的重要性。全球河流生态系统模型需要更好地代表氨衍生途径，以便准确估计和预测河流N2O排放。
研究背景
氧化亚氮(N2O)是一种强有力的温室气体和主要的臭氧消耗物质，自1750年以来，其大气摩尔分数增加了23%。自1900年以来，河流N2O排放量增加了四倍，是全球N2O预算的重要组成部分。2020年的一项全球模拟研究表明，小河(低阶河流而不是高阶河流)贡献了全球河流氧化亚氮(N2O)排放量的85%，其中大部分产生于潜流带(在河床下面，水流与邻近沉积物交换)。然而，在目前基于工艺的N2O模型中，N2O/N2比率用于表示反硝化过程中N2O的产率。与微生物介导的低氧N2O生成相关的模型参数没有得到很好的表征。虽然IPCC国家温室气体清单指南包括硝化作用产生的N2O，但以前的研究主要集中在量化反硝化作用和硝酸盐(NO3−)产生的N2O排放。此外，很难区分硝化反硝化、硝化偶联反硝化和异养反硝化N2O产生途径，因为这些过程在相似的条件下(如低氧条件下)通过同源基因发生。低循环N2O的产生已被证明是非常不均匀的，但这种不均匀性在模型中极难解释，因此经常被排除在外。目前，在低氧交换区产生N2O的微生物机制在很大程度上是未知的。这些过程可能对全球N2O预算产生重大影响，并可能被严重低估。因此，本研究的目的是探讨河床和河岸带沉积物中产生N2O的微生物来源和机制。本文首先利用15N- 18O和15N同位素示踪、RT-qPCR和宏基因组分析，在站点和区域尺度上研究了白洋淀河网(华北平原最大的河网)N2O生成的时空特征。华北平原面积30万平方公里，占中国耕地面积的23%。它们占全球氮肥使用量的25%以上，使其成为全球N2O排放热点。然而，中国农业河流的N2O排放，特别是华北平原的N2O排放仅在少数研究中报道。我们进一步将这些结果与全球温带和热带河流的测量结果进行比较，以获得全面的结论。
研究结果
图1 站点尺度下河流潜流带样带河岸带和河床沉积物N2O时空排放通量和微生物生产源。
图2 区域尺度下河流潜流带样带河岸带及河床沉积物微生物N2O产源的生物地理分布。(a)白洋淀河网及采样点概况;(b)白洋淀5条河网(46 ~ 273 km) NH4+和NO3-衍生N2O生产潜力速率的时空分布;(c)区域尺度上NH4+源和NO3−源潜在速率和贡献的时空异质性分析;(d)唐江河流潜流带沉积物中硝化物硝化(NN)、硝化物反硝化(ND)、硝化耦合反硝化(NCD)和异养反硝化(HD)途径的潜在速率和贡献。
图3 代谢N2O产生机制。
图4 NH4+产生途径在全球(a)、区域(b)和时间(c)尺度上对河流N2O生成的意义和贡献以及速率和贡献的统计分析(d)。
文章来源：Wang, Shanyun, Bangrui Lan, Longbin Yu, Manyi Xiao, Liping Jiang, Yu Qin, Yucheng Jin, et al. 2024. “Ammonium-Derived Nitrous Oxide Is a Global Source in Streams.” Nature Communications 15 (1): 4085.
编辑：李宇方
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