高碳环境下溶解性CH4与N2O浓度热点共存机制及其生态效应解析

本研究针对内陆水体中溶解性CH4和N2O共现热点的形成机制不明问题，通过洞庭湖区域调查与全球数据建模，揭示高碳环境通过促进CH4生成、抑制氧化及不完全反硝化，驱动两者浓度协同升高40.49%和28.61%。提出DOC对N2O的四阶段作用模型，为全球温室气体管控提供新靶点。

　　

在全球气候变化背景下，内陆水体作为温室气体(GHG)排放的重要源头，其甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的排放量分别占全球总量的50%和8.7%。然而，营养盐输入与温室气体动态的相互作用机制长期存在争议——高碳环境究竟促进还是抑制两者的协同释放？传统单点采样难以反映微生物对长期环境条件的适应特征，而全球尺度上关于溶解性CH₄和N₂O共现热点的环境驱动因子报道不一。

湖南省的研究团队在《Water Research》发表的研究，选取洞庭湖碳氮差异显著的两种区域（碳主导区CR与氮主导区NR），结合34,519个全球采样点数据，揭示了令人意外的发现。通过SWAT-EFDC模型重建长期水文化学特征，配合16S rRNA测序和功能基因定量(qPCR)，研究人员首次证实：当氮供应充足时，高溶解有机碳(DOC)环境会使CH₄和N₂O浓度分别激增40.49%和28.61%，形成被长期忽视的共现热点。

关键技术包括：1）基于SWAT-EFDC耦合模型的长期水文化学模拟；2）洞庭湖典型区域原位采样与全球数据库(34,519站点)比对；3）微生物群落16S rRNA测序与功能基因(mcrA、pmoA等)qPCR检测；4）SHAP算法驱动的CN-EST预测模型构建。

【研究结果】

1. 水生理化特性与溶解GHGs浓度
   CR区域DOC达10.57±9.75 mg/L，显著高于NR(p<0.05)。尽管NR氮含量略高，但CR的CH₄和N₂O浓度分别超出40.49%和28.61%，证实碳氮交互作用的关键影响。

2. 高C/N环境中共存CH₄-N₂O热点
   微生物分析显示：高DOC促进产甲烷菌(mcrA基因)活性，同时抑制甲烷氧化菌(pmoA基因)；不完全反硝化(nirK/nirS基因)在碳充足时加剧，导致N₂O累积。全球响应曲线验证该机制具有普适性。

3. DOC对N₂O的四阶段效应
   SHAP分析揭示：DOC<5mg/L时抑制N₂O；5-15mg/L促进；15-30mg/L转为抑制；>30mg/L再次促进。该模型完美解释了既往研究中看似矛盾的结果。

【结论与意义】
该研究突破性地提出：在氮充足条件下，高碳环境通过三重机制（促进CH₄生成、抑制CH₄氧化、驱动不完全反硝化）形成GHGs共现热点。建立的CN-EST预测模型和DOC四阶段理论，为全球内陆水体温室气体排放清单修订提供新框架。研究警示当前碳减排政策可能低估了高碳水体的N₂O排放潜能，对"双碳"目标下的流域管理具有战略指导价值。