浅水湖泊水体和沉积物氮去除异质性模式及其对湖泊管理的启示

针对大型浅水湖泊氮去除机制不清的问题，研究人员以太湖为对象，揭示了水体和沉积物中反硝化(denitrification)和厌氧氨氧化(anammox)的时空差异规律，发现水体贡献43%年氮去除量且以anammox为主，而沉积物以denitrification主导，NO3 ? -N和NH4 + -N是关键驱动因子，为湖泊氮污染治理提供新视角。

　　

随着化肥使用和化石燃料燃烧导致活性氮过量输入，全球44%的大型湖泊出现藻华加剧现象。氮元素不仅通过支持浮游植物生物量加剧富营养化，还会促进蓝藻上浮形成表面水华，直接威胁饮用水安全。尽管磷限制在湖泊中更为常见，但最新调查显示全球2849个湖泊中氮限制现象显著。如何有效去除水体中的氮成为湖泊治理的核心挑战。传统认为深水湖泊的水体是氮去除热点，而浅水湖泊则以沉积物为主导。然而，大型浅水湖泊受风浪扰动影响显著，悬浮颗粒物可能成为微生物氮去除的新载体，这一假说亟待验证。

针对这一科学问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所的研究团队以我国第三大淡水湖太湖为研究对象，系统探究了水体和沉积物中反硝化(denitrification，将NO₃
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转化为N₂
的过程)和厌氧氨氧化(anammox，利用NO₂
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和NH₄
⁺
直接生成N₂
的过程)的时空分异规律。研究发现，浅水湖泊水体年氮去除贡献高达43%，颠覆了传统认知。相关成果发表在《Journal of Environmental Management》上。

研究采用季节性采样结合同位素标记技术，对太湖三个典型区域进行四季监测。通过随机森林分析识别关键环境驱动因子，并采用稳定同位素配对技术量化两种氮去除途径的速率。

研究结果

1. 水柱与沉积物氮去除过程的差异
   数据显示水体中anammox速率在春秋季较高（春季达4.12 nmol N g^?1
   h^?1
   ），而沉积物denitrification在春季峰值显著（8.76 nmol N g^?1
   h^?1
   ）。水柱anammox贡献率比沉积物高21%，表明悬浮颗粒物携带的微生物群落对氮循环具有特殊作用。

2. 理化指标的季节特征
   水温从冬季7.7°C到夏季29.3°C波动，pH呈现双峰型变化（春夏10.1→6.6→10.0）。溶解氧(DO)与叶绿素a(Chl a)显著相关（r=0.82），后者被证实是沉积物denitrification的关键预测因子。

3. 关键驱动因子解析
   随机森林模型显示NO₃
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   -N和NH₄
   ⁺
   -N共同调控水柱denitrification与anammox，而沉积物anammox主要受NH₄
   ⁺
   -N支配。这解释了为何春季藻类衰亡期沉积物denitrification活性最强——腐烂藻体提供了充足有机碳源。

结论与意义
该研究首次量化了大型浅水湖泊水体氮去除的显著贡献（43%），修正了"沉积物主导"的传统模型。发现anammox在水柱中的优势地位（占水体去除量的61%）为浅水湖泊治理提供了新靶点：通过调控NH₄
⁺
-N/NO₃
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-N比例可定向增强氮去除效率。研究还建立了Chl a作为沉积物denitrification的生物标志物，这对预测湖泊自净能力具有重要实践价值。成果为制定差异化的水体-沉积物协同管理策略提供了科学依据，尤其对太湖这类多重服务功能的大型浅水湖泊的生态修复具有指导意义。