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河流水资源是生态系统健康的基础，尤其在农业和城市发展中扮演着关键角色。随着人类活动的增加，水体污染问题日益严重，营养物质（如氮）的过量输入导致了水体富营养化，进一步引发了水生态系统的退化。
四川中部丘陵区的紫色土因其特性，易发生水土流失，导致污染物随径流进入水体，影响水质和生态健康。为了应对这一问题，地方政府实施了沉积物清淤措施，通过去除沉积物中积累的污染物来改善水质。然而，沉积物的清淤会导致河流系统内源氮释放的变化，随着外源氮的持续输入，引起水体氮的动态变化，河流生态系统的自然平衡遭到破坏，重塑微生物群落，影响其功能和氮循环过程。
因此，深入理解清淤对沉积物-水界面氮交换及水生微生物群落的影响对研究氮转化过程至关重要。本研究旨在评估沉积物清淤前后对水质的长期影响，阐明氮动态变化与氮转化的微生物机制，并分析影响氮转化的关键环境因素。本研究采用稳定同位素和微生物宏基因组技术相结合，突破了流域和微环境的尺度限制，全面评估清淤对河流生态系统氮动态、微生物群落及功能的影响。
1、清淤对河流生态系统氮动态的长期影响
清淤过程去除了沉积物中大量污染物，破坏了沉积物-水界面的氮平衡。清淤后，初期河水中总氮含量显著减少，DO和pH水平显著提高。利用mixSIAR模型计算沉积物对水体的贡献，清淤有效的去除了部分来自肥料、牲畜粪便和污水的沉积物，δ18ONO3−与δ18OH2O之间的关系表明，水体中存在明显的反硝化特征。随着时间的增加，来自农田和果园的大量外源氮负荷再次进入河流。尽管清淤初期带来了积极影响，外源氮输入的持续增加最终导致河水氮含量上升。
2、清淤重塑了河流生态系统的微生物群落
清淤后，氧化还原条件和营养状态变化，导致微生物的丰富度和多样性显著下降。河流水体和沉积物中分别减少了39个纲和10个纲，同时各出现了12个新纲。微生物类群的多样性和丰度变化导致功能贡献发生显著变化。在河流水体中，反硝化和DNRA过程显著增加了1.0%和1.6%，在沉积物中，反硝化和硝化分别显著增加了1.7%和0.2%。尽管微生物种类学上发生了变化，但微生物群落在清淤后功能的变化有限，河流系统对清淤等外部干扰表现出较强的适应性和稳定性。
3、清淤显著影响氮还原的微生物机制
清淤后，河水和沉积物中的反硝化和DNRA过程显著增加，主要体现在nosZ等基因及其相关氧化还原酶（1.7.2.4）、norBC（1.7.2.5）和narGHI等功能基因的丰度显著增加。另外，有机碳的可用性在决定反硝化与DNRA之间的效率分配中起着关键作用。清淤后，水体DOC/NO3−-N和沉积物中SOC/NO3−-N比率均有提高，表明DNRA相对于反硝化过程去除硝酸盐的效率更高。清淤显著影响微生物氮的还原机制，建立了氮转化相关功能酶之间新的平衡关系。
这项研究揭示了清淤对河流生态系统氮动态的即时和长期影响，强调了微生物群落、微生物功能及其在氮转化中所涉及的复杂性和相互作用。清淤打乱了河流的氮动态和氧化还原条件，导致总氮和硝酸盐氮浓度降低，溶解氧增加，同时提高了氮矿化和氨积累。微生物群落在清淤后功能的变化有限，河流系统对清淤等外部干扰表现出较强的适应性和稳定性。清淤后反硝化和DNRA过程显著增强，建立了氮转化相关功能酶之间的新平衡关系。
尽管清淤科研有效的去除内部氮负荷，但效果是短暂的，外源氮的持续输入对河水的氮含量仍造成威胁，清淤的长期效果依赖于对外源氮输入的管理。最终，河流系统会逐渐恢复到最初的平衡状态，实现不同氮转化过程之间的再稳定。
本研究成果以“From reduction to rebalancing: Insights into the long-term effects of sediment dredging on nitrogen transformations in river ecosystems”为题发表在《Water Research》上，该研究得到了国家自然科学基金（42107083）等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122460
来源： 农环视界
