河-湖生态系统水体-沉积物氮循环机制方面取得进展

作者：栾城站  更新时间：2023-08-13

       河流湖泊沉积物氮的内源释放是水体氮的重要来源之一。氮的内源释放过程涉及多种生物地球化学过程，具有影响因素多、机制复杂、难以定量等特点，因此对河-湖生态系统中氮内源释放过程的研究仍然相对匮乏，特别是缺少完全耦合的生物地球化学机理模型。生态补水是水环境和水生态修复和保护的重要举措，然而，补水条件下富氮河流水体-沉积物界面氮迁移转化的作用机制及其对水体氮素浓度变化的影响更加复杂。
        中国科学院遗传发育所农业资源研究中心王仕琴研究团队在白洋淀及上游典型入淀河流水环境监测数据的基础上，耦合了氮素迁移转化的水动力学和生物化学反应过程，构建了可量化河流水体-底泥界面氮素内源释放过程的模型，并应用于白洋淀上游典型入淀河流。基于该模型计算了氮在水-沉积物界面上的扩散传输和转化通量，明确了降雨、生态补水等造成的河流流量变化对河水氮负荷变化的作用机制，发现雨季厌氧氨氧化作用造成入淀水体铵态氮浓度较高，雨季流量小幅升高底泥铵态氮释放增加的同时抑制了硝态氮沉积，从而增加了河水中的氮负荷；而冬季补水条件下流量急剧增加引起的在悬浮作用使得底泥成为铵态氮的“源”、硝态氮的“汇”影响水质变化。
受人工生态补水等因素影响，河口水域和沉积物的微生物群落组成具有较强的时空差异性。该团队聚焦于白洋淀关键河口区域氮内源释放过程，基于微生物群落组和功能基因组成和氮素动态深入挖掘了河流入淀过程中微生物群落与氮的相互作用，揭示了降雨、生态补水等造成的河流流量变化对河口氮内源释放过程的影响机制，发现降雨期微生物的高NO2--N生产潜力有效增加NO2--N浓度，补水后河口区氮含量和水动力条件急剧变化导致河口水体微生物的功能由氮“生产者”转化为“去除者”，指示流速急剧变化对氮迁移转化过程存在关键阈值，而河口沉积物氮循环活跃且相对完整可有效减少白洋淀的氮输入。 
      以上成果表明在大规模的河流补水过程中，应考虑不同季节的合理流量分配，以减少富氮河流的总氮负荷；同时，河流入淀河口区氮的去除能力也为不同季节和不同补水流量下白洋淀水质保障具有重要意义。

　　研究成果以 “Slight flow volume rises increase nitrogen loading to nitrogen-rich river, while dramatic flow volume rises promote nitrogen consumption”和“Spatiotemporal heterogeneity of nitrogen transformation potentials in a freshwater estuarine system” 为题，在环境领域著名学术期刊Science of the total environment上发表。中国科学院遗传发育所农业资源研究中心、中丹学院联合培养的博士研究生吕嘉丽为第一作者，农业资源研究中心王仕琴研究员为通讯作者，本研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目（2021YFD1700500）、国家自然科学基金（No.42071053）和河北省杰出青年学者科学基金（No.D2019503072）的资助。 

　　论文链接：http://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157013；http://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2022.160335