解耦的硝化-反硝化过程能够减少受船舶活动影响的运河中一氧化二氮的排放

《Water Research》：Uncoupled nitrification-denitrification reduces nitrous oxide emissions in canals affected by ship disturbance

本研究通过对比京杭大运河与邻近未受船只影响的河流，发现船运引起的沉积物悬浮使氮循环热点从沉积物转移到水体，因高溶解氧抑制反硝化并削弱硝化-反硝化耦合，导致运河N?O排放降低59.1%。

　　在人类活动日益频繁的背景下，水体中的氮氧化物（N?O）排放已成为全球气候变化的重要因素之一。N?O作为一种温室气体，其全球变暖潜能值是二氧化碳的273倍，因此对环境的影响不容忽视。特别是在河流生态系统中，N?O的产生与氮循环密切相关，其排放量不仅受到物理环境的调控，还受到微生物活动的深刻影响。近年来，随着内河航运的发展，船舶活动对河流生态系统的影响逐渐引起科学界的关注。研究表明，船舶航行带来的水动力扰动可能会显著改变水体中的氮循环过程，从而影响N?O的排放。为了深入理解这一现象，本研究选取了中国最长的人工运河——京杭大运河（BHGC）作为研究对象，并将其与周边未受船舶影响的河流进行对比，以探讨船舶活动对N?O排放的具体影响机制。

京杭大运河是中国重要的内河运输通道，不仅连接了南北水系，还承载着大量的货物运输任务。然而，随着船舶数量的增加，其对运河水体环境的扰动也日益加剧。船舶航行过程中产生的波浪、水流变化以及对底泥的扰动，可能会改变水体中的氧气浓度、氮浓度分布以及微生物群落结构，进而影响N?O的生成和释放。与之相对，周边未受船舶影响的河流则具有相对稳定的水动力条件，其氮循环过程主要依赖于自然的物理和生物机制。因此，对比研究这两种环境下的N?O排放情况，有助于揭示船舶活动对氮循环和温室气体排放的潜在影响。

在本研究中，通过实地采样和实验室分析，我们发现京杭大运河中的N?O排放量比未受船舶影响的河流低59.1%。这一结果表明，船舶活动可能在一定程度上抑制了N?O的排放。进一步分析发现，这种抑制作用主要与水体中的氧气浓度和微生物活动有关。在未受船舶影响的河流中，氮循环的热点通常集中在底泥中，其中厌氧条件有利于反硝化作用，而好氧条件则促进硝化作用。硝化和反硝化过程的耦合通常能够实现高效的氮循环，从而导致中间产物N?O的积累。然而，在京杭大运河中，由于船舶活动引起的底泥再悬浮，氮循环的热点被转移到了水体中，导致水体中的氧气浓度升高，而厌氧条件减少，从而削弱了硝化与反硝化过程的耦合，抑制了N?O的生成。

这一发现具有重要的生态和环境意义。首先，它表明船舶活动可能对水体中的氮循环产生显著影响，从而改变N?O的排放模式。其次，它揭示了水动力扰动在河流生态系统中的关键作用，特别是在调节氮循环和温室气体排放方面。最后，它强调了在评估人类活动对环境的影响时，需要考虑水动力条件的变化及其对微生物活动的间接影响。这一研究结果不仅有助于加深我们对船舶活动与氮循环关系的理解，也为未来在内河航运管理中采取措施减少N?O排放提供了科学依据。

此外，本研究还发现，京杭大运河中的水体和底泥在温度、溶解氧、浊度以及总氮（TN）、氨氮（NH??-N）、硝酸盐（NO??-N）等指标上表现出显著的时空变化。这种变化可能与自然的季节性因素有关，也可能与人为活动的影响有关。例如，在夏季，水体中的温度较高，溶解氧含量较低，可能导致N?O排放量减少；而在秋季，温度下降，溶解氧含量上升，可能促进N?O的排放。这种季节性的变化模式与未受船舶影响的河流有所不同，表明船舶活动可能在一定程度上改变了水体中的氮循环过程。

在微生物活动方面，本研究通过定量聚合酶链反应（qPCR）技术分析了硝化菌和反硝化菌的丰度变化。结果显示，在京杭大运河中，硝化菌的丰度明显低于未受船舶影响的河流，而反硝化菌的丰度则相对较高。这种微生物群落的变化可能与水体中的氧气浓度和氮浓度分布有关。硝化菌主要在好氧条件下活动，而反硝化菌则在厌氧条件下发挥作用。因此，船舶活动引起的水动力扰动可能通过改变水体中的氧气浓度，进而影响硝化菌和反硝化菌的活性，从而改变N?O的生成路径。

进一步分析发现，船舶活动对水体中的氮循环过程产生了深远的影响。在未受船舶影响的河流中，氮循环的热点通常集中在底泥中，其中硝化和反硝化过程的耦合能够实现高效的氮转化，从而导致N?O的积累。然而，在京杭大运河中，由于船舶活动引起的底泥再悬浮，氮循环的热点被转移到了水体中，使得水体中的氧气浓度升高，而厌氧条件减少，从而削弱了硝化与反硝化过程的耦合。这种变化不仅影响了氮的转化效率，还可能改变了N?O的生成路径，使其更多地依赖于其他微生物过程，如硝酸盐还原成铵（DNRA）等。

此外，船舶活动还可能通过改变水体中的物理条件，如波浪幅度和水流速度，影响氮的迁移和转化。在本研究中，京杭大运河中的水体波浪幅度显著高于未受船舶影响的河流，这可能与船舶航行带来的水动力扰动有关。波浪幅度的增加可能会促进底泥中氮的释放，从而增加水体中的氮浓度。然而，这种氮浓度的增加可能并不一定会导致N?O的增加，因为水体中的氧气浓度较高，可能抑制了反硝化作用，从而减少了N?O的生成。

在生态和环境管理方面，这一研究结果具有重要的应用价值。首先，它表明船舶活动可能对水体中的氮循环产生显著影响，因此在制定内河航运管理政策时，需要考虑其对环境的潜在影响。其次，它强调了水动力条件在调节氮循环和温室气体排放中的关键作用，因此在进行水体环境管理时，需要关注水动力条件的变化。最后，它为未来在内河航运中采取措施减少N?O排放提供了科学依据，例如通过优化船舶航行路径、减少船舶数量或采用更环保的船舶设计，以降低对水体环境的扰动。

综上所述，船舶活动对水体中的氮循环和N?O排放具有复杂的影响。一方面，船舶航行带来的水动力扰动可能会促进底泥中氮的释放，从而增加水体中的氮浓度；另一方面，这种扰动也可能通过改变水体中的氧气浓度，抑制反硝化作用，从而减少N?O的生成。因此，在评估船舶活动对环境的影响时，需要综合考虑水动力条件、微生物活动以及氮浓度分布等多重因素。这一研究不仅有助于加深我们对船舶活动与氮循环关系的理解，也为未来在内河航运管理中采取措施减少N?O排放提供了科学依据。