丹江口水库扩散温室气体通量差异的物理化学与微生物调控因子

《Environmental Research》：Physicochemical and microbial regulators of contrasting diffusive greenhouse gas fluxes in Danjiangkou Reservoir

　　

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  CO₂以排放为主；CH₄和N₂O呈现源汇混合特征。
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  TDS一致性地预测了CO₂、CH₄和N₂O的扩散通量。
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  pH、氧气和无机氮表现出与气体种类相关的通量关联。
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  低水位样本中碳固定标志物的相对比例更高。
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  高水位样本中氮转化标志物的相对比例更高。

引言

内陆水体（包括水库和水库湾）是区域和全球碳氮循环中的活跃界面，可作为二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的源或汇。全球综合研究估计内陆水体CO₂逸出量约为2.1 Pg C yr^-1，水库温室气体排放量约为0.8 Pg CO₂-当量 yr^-1（Raymond等，2013；Deemer等，2016）。因此，水库排放在全球尺度上具有重要意义，但由于气体交换、水文和生物活性在不同地点和季节间存在强烈差异，排放估算仍存在较大不确定性。解决这种时空变异性对于判断水库表现为源还是汇至关重要。

水库中的温室气体受共同的环境因素约束，但其时空动态变化并非由可互换的生物地球化学过程调节。CO₂交换受碳酸盐形态、水文输送以及初级生产、微生物呼吸和外源有机碳输入之间平衡的共同调控（Tranvik等，2009；Zhang等，2024）。CH₄的积累和排放取决于有机碳供应、产甲烷作用、氧化作用以及沿氧和氧化还原梯度的输运过程（Bastviken等，2004；Bastviken和Johnson，2025）。N₂O更直接地与无机氮的可用性以及调节硝化、反硝化、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）和N₂O还原的pH和氧气条件相关（Kuypers等，2018；Wrage等，2001）。尽管已有大量研究量化了水库中的温室气体通量，但同时在单一水库系统中解缠CO₂、CH₄和N₂O耦合动态的研究较少。

水柱中的微生物为这些环境条件与温室气体转化之间提供了生物联系。具有碳固定和碳处理功能的微生物可以改变溶解CO₂库；甲烷氧化微生物可以在CH₄向大气传输之前将其去除；参与硝化、反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）的微生物群落可以产生或消耗N₂O（Kuypers等，2018；Wrage等，2001）。宏基因组学能够实现分类学轮廓和功能基因谱系的表征。因此，本研究使用了预定义的碳氮循环KEGG直系同源物（KO）标志物，结合属水平分类学注释，建立了理解丹江口水库微生物过程的解释框架。

本研究利用薄边界层（TBL）模型在丹江口水库多个点位测量了水-气界面的CO₂、CH₄和N₂O扩散通量。我们将通量测量与宏基因组测序及理化分析相结合，以研究温室气体交换的相关因素。研究目标为：（a）表征CO₂、CH₄和N₂O通量的时空变化；（b）利用相关性分析、混合效应模型和随机森林识别共同的环境预测因子和气体特异性预测因子；（c）表征不同水位条件下与温室气体循环相关的微生物功能潜力。

章节摘要

研究区域

丹江口水库（32°36′-33°48′N，110°59′-111°49′E）位于汉江流域上游。它是南水北调中线工程的水源地，是亚洲最大的人工淡水湖，跨越汉江中上游，跨越湖北和河南省。其流域面积约95,200 km²，总库容339.1亿m³，最大水深80 m（

理化特征的季相变化

丹江口水库的温度条件、氧化还原状态和营养组成在各采样期之间差异显著（图2）。水温从3月的16.07 ± 0.51°C上升至5月的22.48 ± 1.10°C，8月达到峰值30.68 ± 1.14°C，随后降至11月的16.48 ± 0.54°C。相比之下，溶解氧（DO）从3月的10.64 ± 0.26 mg·L^-1下降至8月的8.78 ± 0.34 mg·L^-1，随后在11月回升至9.97 ± 0.23 mg·L^-1。ORP呈现类似的季节变化模式，

温室气体通量的环境约束

与已发表数据相比，丹江口水库CO₂、CH₄和N₂O的平均气-水交换通量总体低于中国另一主要水库——三峡水库的数值。丹江口水库平均F(CO₂)（32.06 mg·m^-2·h^-1）比三峡水库（60.32 mg·m^-2·h^-1；Li等，2023）低约47%。平均F(CH₄)为0.0075 mg·m^-2·h^-1，约为三峡水库报告值的十四分之一

结论

尽管水化学关联较为一致，丹江口水库的温室气体交换在不同气体、季节和点位间存在差异。在库区尺度上，CO₂主要表现为排放源，而CH₄和N₂O在不同点位间交替表现为释放或吸收。TDS在所有三个混合效应模型中均被保留，并排名在随机森林预测因子前列，而pH、氧气和无机氮则区分了各气体的特异性响应。分别对低水位和高水位宏基因组的研究进一步

作者贡献声明

李一萱（Yixuan Li）：监督指导、项目管理、研究方法、调查研究、经费获取。董昊（ Hao Dong）：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化。陈兆金（Zhaojin Chen）：资源。严路（Lu Yan）：经费获取。Beata Messyasz：研究方法。Nicola Fohrer：监督指导。宋明浩（Minghao Song）：监督指导。Parezat Aziz：调查研究。李宇颖（Yuying Li）：资源、经费获取、概念构思。

数据可用性

原始宏基因组测序数据已存入NCBI SRA数据库，登录号为SRP738985（BioProject PRJNA1533140；https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/?term=SRP738985）。数据将在出版时发布。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（42507558和42407386）及"南水北调中线工程水源区流域生态安全学科创新海外引智中心"（D23015）的资助。

董昊|李宇颖|Parezat Aziz|宋明浩|严路|陈兆金|Nicola Fohrer|Beata Messyasz|李一萱