全球最大红树林生态足迹核算中的生物承载力驱动因素与全球影响

《Journal of Environmental Management》：Drivers of biocapacity and global impact of the world's largest mangrove in ecological footprint accounting

本文系统研究了农业区河岸带土壤氮循环微生物群落（涉及反硝化、硝化、厌氧氨氧化等）的时空动态及其驱动机制。研究发现水体近岸剖面（A剖面）的氮循环微生物群落组成最独特，网络复杂性更高，且确定性组装过程更强；土壤反硝化潜力（DP）随深度增加而显著降低，而在雨季微生物多样性和网络复杂性显著增强。土壤硝酸盐和水分含量是调控氮循环群落和DP的关键环境因子。该研究深化了对河岸生态系统微生物氮去除过程的机理理解。

　　

Highlight

Experimental site and sample collection

北运河发源于中国北京，流经河北省和天津市。上游为山区和丘陵，中下游为华北平原，全长238公里，流域面积6166平方公里（图S1）。华北平原是集约化高投入农业的典型代表。尽管这种高投入、高产出模式保障了粮食安全，但也引发了显著的环境问题，特别是农业非点源污染。本研究地点位于河北省北运河沿岸的河岸带。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温约11.5°C，年平均降水量约550毫米，降水主要集中在6月至9月（雨季）。为了探究河岸带氮循环微生物群落的时空动态，我们分别在旱季（4月）和雨季（8月）进行了采样。沿垂直于水体的方向设置了四个采样剖面（A、B、C、D），分别距离水体1米、20米、40米和50米。每个剖面进一步划分为0-20厘米、20-40厘米、40-60厘米和60-80厘米的土层。共采集了64个土壤样品（2个季节 × 4个剖面 × 4个土层 × 2个重复），用于土壤理化性质分析、微生物群落测序和反硝化潜力（DP）测定。

Soil physicochemical characterization under seasons and spatial variation

季节和空间变化下的土壤理化性质差异如表1和S2所示。按深度来看，土壤养分参数（总氮TN、氨氮NH₃-N、硝酸盐氮NO₃^--N、亚硝酸盐氮NO₂^--N、总碳TC、总磷TP和有机质OM）在表层（D1）最高，并随深度增加而降低。按季节来看，土壤养分通常在旱季高于雨季，其中有机质OM、氨氮NH₃-N和亚硝酸盐氮NO₂^--N的差异最为显著。按剖面来看，土壤水分含量MC从剖面D（靠近农田）到剖面A（靠近水体）逐渐增加。剖面A的溶解氧DO和氧化还原电位ORP波动最大，反映了其动态的水文状况。

Seasonal and spatial patterns of N-cycling community in riparian zones

我们的分析揭示了不同土壤剖面之间氮循环基因丰度和微生物组成的显著差异（图2、图3b、S2和5b）。剖面A（水边带）由于其动态的水文状况，表现出最独特的特征。剖面A水位的频繁波动导致了好氧/缺氧/厌氧微环境的形成以及氧化还原电位的频繁变化，从而形成了特定的栖息地群落组成。厌氧氨氧化（anammox）细菌是严格的厌氧菌，在剖面A的深层土壤中丰度最高。相反，参与硝化作用的氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）在氧气含量较高的表层土壤中更为丰富。反硝化基因（narG, nirK, nirS, norB, nosZ）的丰度在剖面间也存在显著变化，通常在水文连接受限的剖面（如剖面C和D）观察到较低的丰度。垂直分层分析表明，所有氮循环功能基因的丰度以及反硝化潜力（DP）均随土壤深度增加而显著降低。雨季的微生物α多样性、网络复杂性和确定性过程均显著高于旱季。

Conclusion

本研究阐明了河岸带土壤氮循环微生物群落和反硝化潜力（DP）在季节和空间变化下的动态模式。主要发现包括：（1）观察到显著的水平异质性，河流和农田的影响共同导致邻近河岸带土壤DP的降低。值得注意的是，水边带（剖面A）表现出最独特的氮循环微生物组成。（2）垂直分层分析揭示，氮循环微生物多样性和DP均随土壤深度增加而显著下降，表层土壤表现出更高的网络复杂性和更强的确定性过程。（3）季节比较显示，雨季的微生物多样性、网络复杂性和确定性过程显著增强。（4）多种理化因子共同调控氮循环群落和DP，其中土壤硝酸盐和水分含量成为最具影响力的驱动因子。这些发现增强了我们对河岸生态系统微生物氮去除过程的机理理解。