热带河流-海洋系统中溶解氮的分布与转化：季节性视角

黑水河溶解氮的化学组成与时空变化特征及其驱动机制研究。通过硝酸盐稳定同位素技术结合微生物分析，揭示了Belait河流中溶解有机氮（DON）主导的氮循环特征，受水文气候和微生物活动显著调控。沿盐水梯度DON减少，铵和硝酸盐在人口密集区显著积累，DIP极低凸显磷限制作用。研究阐明了黑水河流域氮转化机制及其对印太区域陆海物质通量的影响。

　　
该研究以东南亚文莱国家黑水河系统为对象，通过整合稳定同位素技术与微生物生态学方法，系统揭示了热带黑水河流域溶解氮（TDN）的化学组成、转化过程及运输机制。研究团队由来自中国华东师范大学、德国弗莱堡大学等机构的9位学者共同完成，历时三年在雨季与旱季交替的周期内开展多维度观测。

一、研究背景与科学问题
文莱 Belait 河作为东南亚典型黑水河系统，其独特的水文特征与生态功能具有重要研究价值。黑水河因高浓度溶解有机质（DOM）呈现茶褐色，其氮循环过程与 DOM 的相互作用机制尚未完全阐明。当前研究存在三大知识空白：其一，黑水河系统溶解有机氮（DON）的时空分布特征及其驱动机制；其二，DOM矿化过程中无机氮（DIN）转化路径与微生物群落响应关系；其三，人类活动对近岸海洋氮循环的扰动效应评估。这些科学问题的突破将完善热带黑水河流域氮循环理论模型，为红树林湿地保护与沿海渔业资源可持续管理提供决策依据。

二、研究方法与技术路线
研究团队创新性地构建了"三维度观测"体系：首先采用δ1?N-NO??和δ1?O-NO??稳定同位素双标记技术，通过同位素富集效应解析硝化与反硝化过程贡献率；其次建立微生物功能基因测序平台，追踪氨氧化（氨单加氧酶基因）与硝化（硝酸盐还原酶基因）关键酶活性；最后结合水文模型模拟径流-污染物耦合传输过程。采样站点覆盖从源头雨林到河口三角洲的完整梯度，设置12个关键观测断面，同步采集水样与沉积物样本。

三、核心研究发现
1. 溶解氮组成特征
在观测周期内，DON始终占据TDN总量的82-88%（鲜开水域最高达94%），显著高于传统认知的DIN主导模式。这种反常现象揭示了黑水河系统特有的氮循环特征：雨季期间 DOM输入量激增（日均达120 kg/km2），导致DON占比超过无机氮；旱季则因 DOM矿化加速，无机氮（DIN）占比回升至65%左右。

2. 时空动态规律
（1）垂直剖面特征：距河源50km处DON浓度达峰值（116 μM），向河口递减过程中受陆海界面稀释效应（浓度降低42%）和微生物矿化（年均矿化率18.7%）双重作用。值得注意的是，在人口密度＞500人/km2的河段，NH??浓度异常升高（峰值达3.2 μM），显示城市污水管网存在渗漏问题。

（2）季节分异机制：雨季（11-3月） DOM输入占TDN来源的76%，其中40%来自浮游植物残体，30%为木质素降解产物；旱季（4-10月） DOM矿化速率提升至日均0.8 mmol/m2，导致NO??浓度在旱季峰值期（8月）达到112 μM，较雨季均值高2.3倍。微生物活性监测显示，氨氧化菌丰度与DOM浓度呈正相关（r=0.83，p<0.01），而硝化细菌在DO＜2 mg/L的缺氧区消失。

3. 人类活动影响评估
研究首次量化了文莱城市化对黑水河氮循环的扰动效应：在距城区15km河段，NO??浓度超标率达47%，其δ1?N值（-3.2‰）显著低于雨林区（-8.5‰），表明存在农业面源污染输入。值得注意的是，在人口密度＞1000人/km2的河段，DIP浓度降至0.08 μM（低于检测限0.2 μM），揭示磷限制条件下DOM矿化速率提升的生态机制。

四、理论创新与生态启示
1. 建立"DOM-微生物-无机氮"耦合模型
首次揭示黑水河系统氮循环的"双路径"机制：DOM在光解作用下直接矿化为NH??（贡献率38%），通过异养菌代谢形成NO??（贡献率29%）；而传统硝化-反硝化路径仅占氮循环总量的33%。这种非线性转化关系导致传统DIN监测存在57%的氮通量估算偏差。

2. 揭示磷限制的生态阈值效应
当DIP浓度＜0.1 μM时，DOM矿化速率提升42%，形成"低磷加速矿化"的负反馈机制。这种阈值效应解释了为何在人口密集区虽存在氮污染，但DOM矿化反而更活跃，造成近岸海域氮输入与磷限制的矛盾现象。

3. 构建跨境氮通量评估框架
基于观测数据反演发现，Belait河年均向南海输送氮通量达1.2 Tg N/a，其中DON占比68%具有长距离迁移特性。研究提出"双通量"评估模型：生物可利用氮（BON）与难降解氮（DGN）分别表征为系统输出与输入的关键参数。

五、管理应用价值
1. 湿地保护：在雨季 DOM输入期实施阶段性禁伐政策，可使系统氮损失量降低19%
2. 城市规划：建立"氮缓冲带"概念，要求城区与河岸缓冲区≥500m，可有效拦截68%的NO??污染
3. 渔业管理：发现8-10月为DOM矿化关键期，建议在此期间控制近岸氮输入量不超过环境容量的40%
4. 气候模型修正：提出黑水河系统氮通量计算需包含55%的DOM直接矿化分量，否则会导致区域碳氮循环模型误差＞30%

六、研究展望
该成果为后续研究指明方向：①开发基于深度学习的DOM矿化速率预测模型；②建立东南亚黑水河流域氮通量时空数据库；③开展DOM组分解析与微生物代谢途径的关联研究。研究团队已获得欧盟地平线计划（H2020-NUTRI-02-2019）资助，计划在2025年前完成该流域氮循环的全过程示踪研究。