疏浚改变了浅水湖泊中 N2O 排放的控制因素、途径及环境敏感性

《Journal of Environmental Management》：Dredging changes the controls, pathways and environmental sensitivity of N 2O emissions in shallow lakes

　　

摘要

疏浚被广泛用于减少湖泊的内源营养负荷，然而其对一氧化二氮（N₂O）排放和环境敏感性的影响仍知之甚少。本研究进行了沉积物 - 水柱培养实验，以调查疏浚如何改变浅水湖泊的 N₂O 排放，重点关注生物地球化学特性、氮循环功能基因、生产途径以及对变暖和富营养化的响应。疏浚减少了沉积物有机碳（33%）、总氮（41%）、无机氮（18–28%）、氨单加氧酶基因（amoA）的丰度（19%）以及反硝化基因（nirK 和 nirS）与 N₂O 还原基因（nosZ）的比率（14%）。这些减少共同抑制了硝化和反硝化的潜在 N₂O 产生速率（分别为 12% 和 41%），导致沉积物 N₂O 通量减少 48%，并监管模式从反硝化主导转变为硝化主导。溶解性有机质成为连接沉积物生物地球化学与微生物过程的关键驱动因素，从而控制 N₂O 的变异性。疏浚还将水 - 气界面的 N₂O 通量减少了 41%，对冒泡（51%）的抑制强于扩散（30%），确立了扩散为主导排放途径。此外，底物可用性和功能基因丰度的降低使沉积物中 N₂O 通量的表观活化能降低了 19%，水 - 气界面降低了 11%，表明对变暖的正反馈减弱。在模拟富营养化条件下（2 mg L^?1 TN 和 0.2 mg L^?1 TP），疏浚抵消了近一半的营养诱导的 N₂O 排放增加。本研究提供了机制性证据，支持在气候变化和富营养化背景下缓解 N₂O 排放的综合湖泊管理策略。

引言

一氧化二氮（N₂O）是一种强效温室气体，其 100 年全球变暖潜势是二氧化碳的 273 倍（Wang et al., 2023）。湖泊、池塘和水库等内陆淡水生态系统为氮生物地球化学循环提供了多样化的栖息地，并作为大气 N₂O 的重要自然来源（Lauerwald et al., 2023）。尽管湖泊合计仅占全球陆地面积的 2.3%（Downing et al., 2006），据估计，它们贡献了内陆水体总 N₂O 排放量的 18–38%（Lauerwald et al., 2023; Li et al., 2024; Maavara et al., 2019）。浅水湖泊（平均深度 < 6 m），约占全球湖泊的 89%（Xiong et al., 2026），被广泛认为是 N₂O 排放热点，特别是在气候变暖和富营养化条件下（Li et al., 2024）。由于水深有限和水动力条件弱，这些系统倾向于保留营养物质并维持强烈的生物地球化学处理，从而为 N₂O 产量增加及随后排放到大气中创造了有利条件（Xiong et al., 2025; Qin et al., 2023）。

全球已采用一系列修复策略以缓解日益严重的湖泊富营养化并恢复退化生态系统，包括外部污染减排、引水、植被恢复以及内源污染控制或清除（Abell et al., 2022; Kim, 2025）。在这些方法中，疏浚已被广泛采用作为富营养化浅水湖泊的修复策略（例如中国的太湖和巢湖）， primarily because of its direct effectiveness in removing internally contaminated sediments（Riza et al., 2023）。沉积物构成了一个主要的生物地球化学反应区，支持湖泊生态系统中的碳和氮循环以及 N₂O 的产生（Yang et al., 2026; Salazar-Gámez et al., 2025）。然而，疏浚不可避免地改变了沉积物的物理结构、化学特性和微生物群落组成，从而重塑湖泊碳氮循环（Hao et al., 2024; Zhong et al., 2021）。在此背景下，一个未解决的科学问题涉及疏浚沉积物能否以及在多大程度上有效缓解浅水湖泊的 N₂O 热点。

沉积物中的 N₂O 产生主要由硝化和反硝化驱动，这些过程受底物可用性、功能基因丰度、氧化还原电位和温度的共同控制（Wang et al., 2026）。太湖和南湖的先前实地调查显示，疏浚后沉积物总氮、总磷和有机质分别下降 12%–61%、45%–78% 和 17%–48%（Riza et al., 2023; Zhong et al., 2021）。此外，疏浚改变了与氮转化相关的微生物功能潜力。南湖的研究报告称，反硝化功能基因 nirK 和 nosZ 的丰度分别下降了 53% 和 58%（Wan et al., 2020），而太湖的研究表明，硝化细菌丰度增加，同时反硝化细菌丰度普遍下降（Yu et al., 2016b）。此外，疏浚提高了沉积物 - 水界面的溶解氧浓度并优化了沉积物氧化还原条件（Zhong et al., 2021）。这些级联生物地球化学响应调节了沉积物硝化和反硝化动态，可能重塑各途径对总 N₂O 通量的相对贡献。尽管存在这些机制联系，但关于疏浚如何影响 N₂O 排放、生产途径和微生物驱动因素的定量证据仍然稀缺。

尽管大部分内源污染可以通过疏浚暂时去除，但湖泊生态系统仍然越来越多地暴露在气候变暖和富营养化的双重压力下。最近的一项研究报告称，全球湖泊营养级水平持续上升，平均每十年增加 0.19（Xie et al., 2025）。在全球范围内，模型模拟表明，富营养化水平增加 1.2 倍可使湖泊和水库的 N₂O 排放量增加 25%（Yu et al., 2025）。与此同时，在未来气候情景（RCP2.6–8.5）下，预计到 21 世纪末全球平均湖泊底温将上升 0.86–2.60 °C（Jansen et al., 2022）。培养实验证实，气温升高加速了湖泊 N₂O 排放，沉积物 N₂O 通量随温度呈指数增长趋势（Xiong et al., 2025）。总的来说，这些环境变化显著调节了微生物活性，从而改变了湖泊系统中 N₂O 的产生、消耗和净排放（Liao et al., 2025; Wang et al., 2026）。然而，目前尚不清楚疏浚是否会改变 N₂O 排放对温度和富营养化的响应。因此，阐明疏浚湖泊中 N₂O 排放对这些双重环境压力的不同响应，对于在持续的气候变化和人为干扰下全面评估疏浚的长期生态效益至关重要。

本研究以中国典型的富营养化浅水湖泊太湖为对象，调查疏浚如何改变沉积物和水 - 气界面 N₂O 排放的控制因素、途径和环境敏感性。具体目标为：（a）量化疏浚前后沉积物的物理化学特性、氮循环功能基因丰度、潜在硝化和反硝化速率，以及 N₂O 通量和排放途径；（b）阐明疏浚引起的沉积物特性变化、功能基因动态和 N₂O 生产途径之间的机制联系；（c）评估疏浚和非疏浚湖泊系统中 N₂O 通量对变暖和富营养化的差异敏感性。

章节摘要

研究区域与沉积物采样

太湖（30°55′40″–31°32′58″ N, 119°52′32″–120°36′10″ E）位于长江三角洲南部，是中国第三大淡水湖。覆盖面积约 2388 km²，平均水深仅 1.9 m（最大 3.3 m），是大型浅水湖泊的代表（Xiao et al., 2024）。近几十年来，其流域内密集的工业活动、农业集约化和快速的城市扩张导致外部营养负荷沉重，来自两者

疏浚对沉积物物理化学特性和微生物功能基因的影响

疏浚显著改变了沉积物物理化学特性，包括营养库、有机质组成和物理结构（图 2）。与非疏浚（ND）沉积物相比，疏浚（D）沉积物的 TOC（13.14 ± 0.98 g kg^?1）、TP（360.44 ± 12.59 mg kg^?1）、TON（1.23 ± 0.04 g kg^?1）、NH₄⁺-N（56.18 ± 1.47 mg kg^?1）、NO₃^?-N（21.31 ± 0.58 mg kg^?1）和 DOM（56.50 ± 1.40 mg kg^?1）含量较低，分别减少了 33%、25%、41%、28%、18% 和 36%。相反，C:N

疏浚导致沉积物 N₂O 排放减少的机制

疏浚使沉积物 N₂O 通量减少了 48%（图 5b），这一减少主要归因于沉积物物理化学特性和微生物功能的改变。通过减少沉积物营养物含量，疏浚限制了 N₂O 产生的底物可用性。具体而言，有机碳、有机氮和无机氮显著减少（图 2），进而分别抑制了潜在硝化和反硝化产生的 N₂O 产生速率 12% 和 41%，

结论

本研究揭示，疏浚显著改变了浅水湖泊中 N₂O 排放的控制因素、途径和环境敏感性。通过减少沉积物营养物可用性和关键的硝化及反硝化相关功能基因，疏浚使潜在硝化和反硝化速率分别降低了 12% 和 41%，并使沉积物 N₂O 通量减少了 48%。疏浚改变了调节 N₂O 通量变异性的主导过程，改变了相对

CRediT 作者贡献声明

熊荣威：概念化，调查，撰写 – 初稿，撰写 – 审查和编辑。李勇：资金获取，方法论，撰写 – 审查和编辑。陈铭：数据管理，调查。周志阳：形式分析，调查。蒋正亮：形式分析，调查。车熙辰：形式分析。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金（51879081）、中国中央高校和世界一级大学（学科）基础研究资金以及中国中央高校特色发展指导资金（B22017010204）的支持。

熊荣威 | 李勇 | 陈铭 | 周志阳 | 蒋正亮 | 车熙辰

教育部浅水湖泊综合调控与资源开发重点实验室，河海大学环境学院，南京，210098，中国