文献分享 | PNAS：地表和地下过程在沿河网核算氧化亚氮排放的作用
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文献分享
2022.5.15
地表和地下过程在沿河网核算氧化亚氮排放的作用
题目: Role of surface and subsurface processes in scaling N 2 O emissions along riverine networks
杂志：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
文章简介
河流环境（如溪流和河流）是氧化亚氮的来源之一，主要通过微生物介导的反硝化作用进入大气。本研究基于对近地表河床沉积物（潜流带）、底栖和水柱对于控制N 2 O产生相对作用的机理认识，沿河流网络对于N 2 O排放进行了大尺度预测。分析了全球不同大小，形态，土地覆盖，气候条件下的溪流和河流的N 2 O排放。研究表明，N 2 O排放的主要来源随溪流和河流大小尺度不同相应变化，主要贡献从源头溪流的潜流底栖带到河流的水柱带转变。分析表明，N 2 O产生受两个主要过程控制。通过理解沿河域网的N 2 O产生的尺度效应，该研究框架可通过化学和水文形态数据集来预测河流N 2 O排放，同时量化人类活动和自然过程对N 2 O产生的影响。
原理及主要结论
河流产生的氧化亚氮通过扩散释放方式和大气进行交换，主要取决于水中氧化亚氮浓度（大气平衡，水动力，温度，气-水交换速率），通过建立氧化亚氮排放和地貌、水动力、水体生物地球化学特征等之间的关系，将河段尺度的过程扩大至整个河系。
根据417条溪流和河流数据结果，平均单位面积上氧化亚氮排放通量FN 2 O (微克每平方米每小时)沿源头溪流到河流的梯度变化，可根据排放梯度分类将溪流河流划为三个类型，类型1：宽度(W)小于10米的小溪流，随着溪流尺寸增加，排放急剧减小；类型2：宽10-30米的河流，随河流尺寸的增加，排放逐渐减小；类型3：宽度大于 30 m 的河流，N 2 O 排放不依赖于河宽。水体中反硝化产生过程一般发生在两个生物地球化学反应热区：Benthic（sediment-water interface）水底，河床；hyporheic zone: 潜流带。不同大小河流中几个主要区域氧化亚氮排放的贡献差异是不同大小河流排放分异的主要原因。
氧化亚氮排放计算方法 ：
无量纲的氧化亚氮通量值F*N 2 O=实测的氧化亚氮通量/DIN通量。
F*N 2 O可通过Da值计算（与河流形态大小相关，根据不同河宽进行划分）
考虑潜流区、底栖带和水柱在控制N 2 O产生的主要贡献大小。针对不同大小的河流（W为河宽），建立对应函数关系；Da值和河流大小和水文特征相关。达姆科勒数(Damköhler number, Da) 用于描述同一系统中化学反应相比其它现象的相对时间尺度，定义为无量纲反应时间或化学反应速率与传质速率之比。
这种尺度方法（scaling law）可以利用河流形态以及养分浓度数据在流域尺度量化氧化亚氮排放。河流形态在控制N 2 O排放中作用的相关研究，有助于改进相关概念模型，通过考虑河流形态，来约束和联系河流河段不同部分(如，潜流带、底栖带、水柱和河岸带)的作用。
借鉴意义
在总结机理、探讨关键影响机制的基础上构建模型的思路值得借鉴学习，同时对于机理过程的深入认识有助于改进相关方程，提升模拟效果；实测数据缺乏的情况下，可以考虑在利用流域模型输出营养物浓度数据的基础上，利用该PLS模型计算水体氧化亚氮排放，在大尺度流域推广应用上可借鉴此研究框架。
文章信息 : Alessandra, Marzadri, Martha, et al. Role of surface and subsurface processes in scaling N 2 O emissions along riverine networks[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(17).
DOI: 10.1073/pnas.1617454114
分享人介绍
张子奇，2020级博士生
研究方向：流域碳氮循环及温室气体排放
邮箱：202031180014@mail.bnu.edu.cn
张子奇 | 供稿
颜小曼 | 编辑
陈磊 | 审核
【 往期回顾 】
流域面源污染控制与水环境修复
陈磊
团队负责人
本公众号由北京师范大学面源污染团队运营，重点分享水利工程、环境科学与工程、生态工程、环境系统工程等领域的学术前沿、科普知识，特别是创建了科学家分享系列《失败集》和文献俱乐部；荣获2020年全国百强学术公众号。
团队负责人陈磊，教授，博士生导师，第五批中组部“万人计划”青年拔尖人才获得者，流域非点源污染过程学科团队负责人（2017-2020）。中国水利学会、中国环境科学学会水环境分会、国际水学会（IWA）、中国地理学会理事。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复、海绵城市机理及设计、流域综合管理等领域研究，在非点源污染过程机理、核算模型和防控模式等方面取得多项关键突破。发表学术论文130余篇，其中在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等权威期刊发表第一/通讯作者SCI检索论文64篇，出版学术专著3部，授权软著/专利10项，获省部级奖励3项。担任Journal of Hydrology等多个国际期刊副主编/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会、SWAT2016等重要会议，为30余个本领域顶级刊物提供审稿服务，取得了一定的国际影响力。
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