热分层介导的溶解性有机质转化塑造了有氧高原水库中碳和氮的垂直耦合至解耦过程

《Water Research》：Thermal stratification-mediated DOM transformation shapes the vertical coupling-to-decoupling of carbon and nitrogen in an oxic alpine reservoir

　　

摘要
由于深度和独特的地理环境，高山水库形成了持续的季节性热分层，这种分层重塑了生境并塑造了碳 (C) 和氮 (N) 循环，然而 C-N 耦合的细尺度垂直机制仍未解决。结合傅里叶变换离子回旋共振质谱 (FT-ICR MS)、双 N-O 同位素和多组学微生物分析，我们解析了完整分层周期内的生物地球化学动力学，针对其稳定阶段解密 C-N 耦合与解耦。在表温层，强烈的辐射和充分的氧化维持了活跃的溶解性有机质 (DOM) 转化；其高生物可利用性，而非缺氧，似乎缓解了异养碳限制并加速矿化，支持氨氧化古菌 (AOA) 硝化作用。不完整的反硝化潜力和氧对 nosZ 的抑制有利于通过硝化副产物积累 N2O，反映了与不稳定碳相关的 C-N 耦合。在温跃层，密度屏障拦截了沉降颗粒物并促进了还原性 DOM 转化。由此产生的基质异质性促进了自养 (amoA) 和异养 (nirS) 组之间的生态位分化，共同富集硝化和反硝化潜力，并将该层定义为生物地球化学热点。在底温层，长期隔离形成了贫营养、好氧生境，其中碳匮乏和氧化阻碍了反硝化，而有利于化能无机自养 AOA。碳固定潜力与内源还原脂质共存，暗示通过微生物碳泵 (MCP) 产生的内源有机碳。在很大程度上独立于不稳定碳，氨氧化伴随停滞的反硝化与硝酸盐积累同时发生，表现出 C-N 解耦。本研究建立了一个垂直框架，即表温层耦合、温跃层过渡和底温层解耦，为全球变暖下的元素循环和温室气体管理提供了新见解。

引言
内陆水体是全球碳 (C) 和氮 (N) 生物地球化学循环的关键枢纽 (Cole 等，2007；Battin 等，2023)，内部物质转化受到物理空间结构的深刻限制 (Xia 等，2018；Guo 等，2025)。与混合迅速的浅水环境不同，深水生态系统通常形成持久的季节性热分层，这由太阳辐射衰减和垂直温度梯度驱动 (Woolway 等，2020；Mao 等，2025)，重塑了物理化学生境，并作为垂直 C-N 代谢的基本控制因素。现有的 C-N 耦合理论主要源自温带或富营养水体，认为分层屏障耗竭底层溶解氧，从而引发传统的“底层缺氧”驱动的反硝化 (Jenny 等，2016；Li 等，2026)。然而，高山水库受极端气候（低温、强辐射）和贫营养基线塑造，表现出截然不同的生物地球化学轨迹：它们形成高度稳定的分层，同时维持独特的“好氧且碳匮乏”状态 (Jane 等，2021；W. Wu 等，2025)。这种极端的垂直异质性挑战了传统的以缺氧为中心的范式，可能驱动 C-N 代谢的复杂空间重组，增加了异常活性氮积累和氧化亚氮 (N2O) 排放的风险 (Liang 等，2019)。

这些不同的轨迹只能通过了解 C 和 N 循环如何机械耦合来解释。而不是独立元素循环的简单叠加，C 和 N 转化在一个多过程系统中紧密交织，受 DOM 供应、微生物代谢、氮转化路径和氧化还原条件共同调节 (Cole 等，2007；Tranvik 等，2009；Battin 等，2023)。因此，我们对 C-N 耦合的理解逐步深化，从“元素浓度相关性”转向“DOM 特征 - 微生物功能 - 氮转化”之间的机械联系 (Gruber 和 Galloway，2008；Kuypers 等，2018)。关键的是，在这种系统中 DOM 和硝酸盐在地球化学上是耦合的：它们的同源、共输送行为允许 DOM 光学和分子指纹指示硝酸盐来源 (Kim 等，2023)，而含氮 DOM 也作为前体，其脱氨和去聚合调节硝酸盐积累 (Ding，2024)。这种双重作用将 DOM 置于 C 和 N 循环的界面，既记录氮源又调节其转化。这些联系通过氧依赖路径表达：在厌氧水中，不稳定 DOM 为异养反硝化和异化硝酸盐还原为铵 (DNRA) 等还原性转化提供燃料 (Knowles，1982；Zumft，1997；Rütting 等，2011)；在好氧水中，有机物质矿化提供 NH4+ 以维持硝化作用及其相关的 N2O 产生 (Wrage 等，2001；Prosser 和 Nicol，2012；Flynn 等，2025)；在无光、不稳定碳限制条件下，化能无机自养氮氧化与无机碳固定耦合 (Wuchter 等，2006；K?nneke 等，2014)。最近的湖泊研究进一步表明，N2O 产生路径随营养状态和微生物功能结构变化，表明 C-N 耦合是一个受环境条件调节的动态过程，而不是固定模式 (Yang 等，2026)。关键的是，在稳定分层的深水系统中，这些由氧定义的路径不是随机分布的，而是沿表温层、温跃层和底温层由光、氧和碳梯度垂直重组为层特异性组合——但它们表现为耦合还是解耦仍未得到系统解决。

这种垂直重组主要由 DOM 介导，其可利用性是贫营养和好氧生境中微生物 C-N 耦合的关键相关因素 (Kajan 等，2023；Huang 等，2026)。季节性热分层将连续水柱划分为高度异质的反应区，伴随 DOM 差异性降解并诱导功能微生物的垂直分化 (Zhang 等，2023；Zhu 等，2025)。然而，每一层内的微尺度生物地球化学相互作用仍知之甚少。在表温层，虽然强烈辐射释放高生物可利用性碳 (Cory 和 Kling，2018；Wang 等，2026)，但在完全好氧条件下，这种碳补贴如何与微生物氮周转和异常 N2O 积累联系起来仍不清楚。在温跃层，虽然密度屏障拦截沉降物质以创造基质异质性，但该界面如何介导自养生物和异养生物之间的生态位分化和代谢互补性仍不清楚 (Yang 等，2021；Shi 等，2025)。在底温层，缺乏系统理解，即优势分类群——在双重碳匮乏和好氧压力下——如何通过微生物碳泵 (MCP) 效应与难降解 DOM 积累联系起来，并与宏观 C-N 解耦联系起来 (Jiao 等，2010；Jia 等，2025；Liu 等，2026)。解决这些差距需要追踪从物理分层和 DOM 重塑到微生物生态位分化和氮转化的跨尺度链条。

被广泛认为是亚洲水塔，青藏高原拥有受极端气候条件和复杂水动力学控制的高山水库，使其成为调查 C-N 耦合的特殊场所。位于高原东北缘的龙羊峡水库，以其巨大的深度和高度稳定的季节性热分层为特征，独特地全年维持完全好氧的水柱。其表层持续暴露在强烈的太阳辐射下，驱动严重的 DOM 光降解 (An 等，2026)，而深层在高氧压力下不断积累难降解 DOM。总之，这些对比鲜明的机制是高山水体典型的高度异质生境分化的缩影 (Wang 等，2023)。

基于这一背景，我们提出一个核心假设：长期稳定的热分层驱动 DOM 的垂直化学演化，从表层的高度生物可利用到深层的深刻难降解；与完全好氧的水柱相互作用，这种垂直碳梯度选择性地塑造微生物生态位分化，并最终形成一种深度依赖的垂直模式，即“表温层 C-N 耦合——温跃层过渡性共富集——底温层 C-N 解耦”。

为了检验这一假设，我们进行了覆盖完整热分层周期（形成期、稳定期、分崩期和混合期）的龙羊峡水库垂直剖面观测。通过整合傅里叶变换离子回旋共振质谱 (FT-ICR MS)、高通量测序、宏基因组测序和双 N-O 同位素追踪，我们旨在：(1) 阐明由热分层驱动的 DOM 分子组成的深度依赖模式；(2) 揭示 DOM 化学重塑与关键氮代谢微生物生态位分化相关的微机制；(3) 确定“碳 - 微生物 - 氮”相互作用塑造 C-N 代谢垂直分异的最终途径。最终，这项工作旨在构建高山深水生态系统中 C-N 耦合的跨尺度理论框架，为全球气候变化下的营养物管理和温室气体减缓提供坚实的科学依据。

章节片段
研究区域与样品采集
为了捕捉完整的热分层周期（混合期、形成期、稳定期和分崩期），使用 Niskin 采样器沿八条断面（包括三个垂直剖面）于 2024 年 1 月、4 月、8 月和 11 月采集了 113 个水样（图 1），并存储在酸洗 HDPE 瓶中，温度为 4 °C。具体而言，113 个样本包括 93 个垂直剖面样本（三个剖面在形成期、稳定期和分崩期的八个深度，0-100 米进行采样）

分层驱动的生境异质性和空间氮分布
全年观测捕捉到了完整的热分层周期（形成期、稳定期、分崩期和混合期），驱动高山水库从垂直均匀状态过渡到高度异质生境。值得注意的是，稳定分层期建立了最显著的生化和物理垂直结构，作为塑造生源元素空间分配的核心阶段。

由强烈的太阳辐射和表面热量驱动

讨论
季节性热分层通过建立高度异质的物理生境（表温层 - 温跃层 - 底温层）来塑造深水生态系统的 C-N 循环。我们的结果表明，这种热力学结构与微尺度生化过程和同位素轨迹密切相关。关键的是，这种调节跟踪分层的季节性演化。随着分层的发展，光、温度、氧气和 DOM 的垂直梯度是

结论
本研究系统阐明了高山深水生态系统中碳氮代谢的物理 - 化学 - 生物级联机制，验证了我们的核心假设。我们证明，长期的季节性热分层建立了强大的物理屏障，伴随着 DOM 的垂直化学演化——从表层的高度生物可利用到深层的深刻难降解。这种基质梯度与完全好氧的水相互作用

CRediT 作者贡献声明
Chen Li: 数据整理，形式分析，资金获取，调查，方法论，软件，可视化，写作 – 原稿。Wei Wu: 概念化，资金获取，方法论，资源，监督，验证，写作 – 审查和编辑。Lei Ren: 形式分析，资金获取，调查，监督。Sheng Xu: 形式分析，调查，软件。Yuxuan Shi: 数据整理，调查，软件。Hui Zhao: 数据整理，调查，验证。

数据可用性
本研究中展示的原始 16S rRNA 基因测序数据已存入 NCBI Sequence Read Archive (SRA) 数据库，BioProject 登录号为 PRJNA1462665。本研究期间生成的其他数据集可在合理要求下从通讯作者处获得。

附录 A. 补充数据
与本文相关的补充数据可在在线版本中找到。

CRediT 作者贡献声明
Chen Li: 写作 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理。Wei Wu: 写作 – 审查和编辑，验证，监督，资源，方法论，资金获取，概念化。Lei Ren: 监督，调查，资金获取，形式分析。Sheng Xu: 软件，调查，形式分析。Yuxuan Shi: 软件，调查，数据整理。Hui Zhao: 验证，调查，数据整理。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金联合基金（项目编号 U2243242）的资助；西安理工大学博士论文创新基金（项目编号 BC202607）；以及干旱区水工程生态与环境国家重点实验室研究基金（项目编号 SKL-ZZ04-2025-10）。

Chen Li|Wei Wu|Lei Ren|Sheng Xu|Yuxuan Shi|Hui Zhao|Baoying Cheng|Menghan Wang
干旱区水工程生态与环境国家重点实验室，西安理工大学，中国西安 710048