水文因素对洪泛区反硝化作用以及nirS和nirK微生物群落变化的影响：来自退水和洪水期的研究见解

《Journal of Environmental Sciences》：Hydrological impacts on denitrification and nirS- and nirK- microbial community shifts in floodplains: Insights from water recession and flooding periods

鄱阳湖湿地土壤潜在反硝化率随水文波动显著变化，水位退缩期以 Carex cinerascens 和 Cynodon dactylon 为主的区域反硝化活性极低，而淹没期显著提升。主成分分析与 Mantel 检验表明，反硝化活性变化与功能微生物群落结构（如 nirS型Rhodocyclales、nirK型Bradyrhizobium 和 Nitrosospira 丰度变化）呈强相关性，环境因子（湿度、温度、底物供给）起关键调控作用。

　　

郑浩|王倩红|严在生|何尚伟|姜鹤龙

中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 211135，中国

摘要

洪泛平原通过反硝化作用在减轻水生生态系统中的氮负荷和营养污染方面发挥着关键作用。然而，水位剧烈波动对氮动态及其相关微生物群落的影响仍知之甚少。本研究探讨了鄱阳湖湿地中的反硝化过程和功能微生物群落的变化，特别关注了微生物对水分消退和洪水的响应。在水位消退期间，以Carex cinerascens和Cynodon dactylon为主的土壤中的反硝化活性几乎可以忽略不计，但在洪水期间潜在的反硝化速率显著增加。排序回归分析和Mantel检验表明，这些反硝化变化与功能微生物群落的变化密切相关。特别是研究表明，在干旱条件下，土壤中细菌群落的α多样性显著降低，表明反硝化菌群受到抑制。而在洪水期间，nirS型红环菌、nirK型慢生根瘤菌和Nitrosospira等关键物种变得丰富。这些反硝化菌和环境因素（湿度、温度和底物可用性）在洪泛平原的水文变化过程中起着重要作用。

引言

洪泛平原广泛分布于全球的热带和亚热带地区，包括南美的亚马逊洪泛平原和中国的鄱阳湖湿地。作为陆地和水生系统之间的过渡地带，洪泛平原是河流-湖泊网络中最动态的生态系统之一。水位的周期性波动导致土壤氧化还原条件、养分可用性和生物活动出现显著的空间和时间异质性（Liang等人，2020；Liu等人，2020）。湿地的水文动态，如洪水和水位消退，可以通过交替暴露土壤于有氧和无氧条件来调节氮循环。这包括根瘤固氮、微生物硝化和反硝化等过程，这些过程对于维持这些生态系统中的氮平衡至关重要。因此，洪泛平原通常是陆地-水域界面氮转化和损失的关键区域（Besemer等人，2005）。研究表明，这些地区的有机物和氮含量存在显著的空间变化。洪水频率、土壤湿度循环和植被特征等因素影响了这种变化（Neori和Agami，2017）。

反硝化是湿地生态系统中永久去除氮的主要途径。它将硝酸盐转化为气态氮，从而调节养分保留和温室气体排放，尤其是一氧化二氮（N₂O）（Larmola等人，2004；Morse和Bernhardt，2013）。这一过程对水文条件非常敏感，因为土壤湿度控制着氧气扩散、底物可用性和微生物代谢。许多研究表明，土壤湿度会影响反硝化速率，通常在土壤饱和时速率会增加（Patel等人，2021；Ma等人，2020）。在河流和河岸环境中，洪水脉冲被认为是土壤氮转化的主要触发因素（Hao等人，2023）。这些脉冲通常会导致硝酸盐和铵的暂时增加，随后由微生物群落进行处理。因此，干湿循环产生了反硝化和氮损失的时间高峰。

在中大西洋皮埃蒙特流域进行的一项长期监测研究调查了极端干旱和湿润条件下土壤湿度的时空动态（Ma等人，2020）。研究表明，土壤湿度是河岸生态系统中反硝化的主要水文控制因素。研究表明，潜在的反硝化速率随土壤湿度的增加而呈指数增长（Machefert和Dise，2004）。在孔隙空间含水量为60%至80%时，N₂O排放量变化最为明显。反硝化热点的形成归因于土壤湿度的空间异质性，这一点通过实证数据和模型预测得到证实（Tague等人，2010）。然而，许多研究主要集中在环境变量与潜在反硝化速率之间的直接关系上，对微生物群落响应的直接测量有限。水文动态往往被简化处理，侧重于静态的土壤湿度梯度。许多研究没有系统地捕捉水位波动的时间变化，包括水位消退和洪水。例如，之前的研究使用模型而非直接野外测量将反硝化热点归因于土壤湿度的空间变化（Xing等人，2011）。

随着气候变化，干湿循环变得更加频繁，这进一步影响了氮循环。它们改变了微生物的抵抗力和恢复力，并影响土壤中的N₂O排放。实验研究表明，干旱条件通常会减少N₂O排放（Xu等人，2024）。然而，随后的湿润可以增强与氮相关的微生物活动，导致在不同养分条件下的N₂O排放速率出现变化。相比之下，反硝化菌对干湿循环的响应似乎不如硝化菌（Qin等人，2021）。高土壤湿度可能对N₂O排放有更强的控制作用。此外，不同的氮形式（包括总氮、硝酸盐和铵）通常表现出与水文条件相关的季节性和空间变化（Hao等人，2024b）。大多数现有报告依赖于实验室培养或短期操作。关于自然水文变化对现场潜在反硝化速率和微生物群落动态的直接野外证据有限。

植被带和土壤性质也会影响洪泛平原湿地中的反硝化作用。多样的植物群落和土壤类型导致有机物和根际微生物的差异，从而影响元素的转化（Kaplan等人，2016；Peralta等人，2012）。在鄱阳湖洪泛平原的斜坡区域，从湖岸到高地，土壤湿度逐渐降低，形成了不同的植被带。耐水物种如Carex cinerascens和Phalaris arundinacea主导湿润的湖岸地区，而耐旱的Cynodon dactylon则分布在内陆。这些植被模式与土壤质地的差异相符：靠近湖泊的粘土土壤含有更多的有机碳（Li等人，2020）。这种植被和土壤性质的混合在洪泛平原湿地中很常见，为反硝化微生物提供了多样的栖息地（Dijkstra等人，2012；Neori和Agami，2017）。

反硝化是一个由微生物介导的过程，由一系列功能基因驱动，包括，这些基因促进了硝酸盐逐步还原为氮气（Deng等人，2024；Hu等人，2020）。研究表明，纳米塑料可以显著增强湿地土壤中的反硝化速率，可能比微塑料具有更强的驱动作用。高氨应力会抑制这一过程，尤其是在NO₃^?和NO₂^?还原步骤中，如在硫化物驱动的反硝化过程中观察到的那样。在这些基因中，< />和被广泛认为是反硝化细菌的生物标志物，它们编码的亚硝酸盐还原酶有助于将亚硝酸盐还原为一氧化氮，这是反硝化过程中的关键步骤。研究表明，携带基因的微生物通常被认为是完全的反硝化菌，而携带基因的微生物则往往与不完全反硝化和更高的N₂O产生倾向相关。交替的洪水和干燥条件可以驱动反硝化微生物群落的演替，从而重塑氮转化途径（Spang等人，2013）。水位的长期波动为反硝化菌创造了独特的栖息地。气候变化下的水文变异性可能会进一步放大洪泛平原湿地中的反硝化产生的N₂O排放。

在水文阶段、植被类型和根际过程对潜在反硝化速率和反硝化菌群落动态的综合影响在自然洪泛平原条件下很少同时进行研究。为了填补这些知识空白，本研究聚焦于鄱阳湖这一典型的洪泛平原，该湖泊具有明显的水位波动特征。通过系统监测水文动态并在水位消退和洪水期间进行广泛的土壤采样，我们量化了鄱阳湖洪泛平原土壤中的潜在反硝化速率。本研究旨在：（1）描述土壤潜在反硝化速率对自然水文变化的响应；（2）阐明不同水文变化和植被类型下反硝化微生物群落结构和关键分类单元的变化；（3）分析影响反硝化性能和微生物群落动态的主要环境因素。

研究区域

本研究在鄱阳湖的一个典型洪泛平原区域进行（北纬29°22′18′'，东经116°04′26″），该区域的植被群落主要由湿地植物组成，包括Carex cinerascens和Cynodon dactylon，从湖岸延伸到湖中（附录A 图S1）。在洪水季节，斜坡区域会被淹没。水位变化的观察和记录从2020年9月开始，一直持续到水位下降（附录A 图S2）。在此期间，土壤暴露在空气中。

洪泛平原土壤的物理化学性质

图1展示了从水位消退到洪水期间一年内的洪泛平原斜坡的物理化学性质。第0天到第34天代表WRP阶段，第162天到第311天代表FP阶段。在WRP阶段，Carex cinerascens根区的NH₄⁺-N含量较低，范围为0.005 ± 0.001至0.017 ± 0.000 mg/g（干重）。在FP阶段，含量显著增加，达到0.0312 ± 0.000至0.201 ± 0.000 mg/g。

水文变化对潜在反硝化速率的影响

鄱阳湖的水文波动在洪泛平原中创造了独特的微生物栖息地，显著影响了土壤中的氮转化过程。这些影响在水位消退和洪水期间尤为明显。在水位消退期间，先前被淹没的洪泛平原逐渐露出，湿地植物开始生长。这些剧烈的湿度变化增强了土壤通气性并改变了有机物含量（Dehedin等人，2013；Norton

结论

本研究揭示，在以Carex cinerascens和Cynodon dactylon为主的洪泛平原中，水位消退后土壤反硝化过程几乎不存在。相反，在FP阶段，植物覆盖的土壤中的潜在反硝化速率显著增加。排名回归分析和Mantel检验表明，这些速率变化与反硝化微生物群落的变化之间存在强相关性。

作者贡献

郑浩：概念化、方法学、软件、可视化、写作、审稿。王倩红：调查、审稿。严在生：方法学、审稿。何尚伟：调查、审稿。姜鹤龙：概念化、审稿、资金获取。

CRediT作者贡献声明

郑浩：写作——审稿与编辑、初稿写作、可视化、软件、方法学、概念化。王倩红：写作——审稿与编辑、调查。严在生：写作——审稿与编辑、方法学。何尚伟：写作——审稿与编辑、调查。姜鹤龙：写作——审稿与编辑、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42407522）、国家重点研发计划（编号：2024YFC3713900）、中国博士后科学基金（编号：2023M743607）和CPSF博士后奖学金计划（编号：GZC20232781）的资助。我们感谢鄱阳湖湿地观测研究站的员工刘浩在实验方面的协助。