河口连续体中与氮相关的氧气消耗策略的季节性偏好：对水质管理的意义

《Journal of Environmental Management》：Seasonal preferences of nitrogen–associated oxygen depletion strategies in the river–estuary continuum: Implications for water quality management

　　

摘要

河流-河口连续体中溶解氧（DO）的减少是一个日益严重的全球性问题，然而，与氮（N）相关的氧气减少是否表现出不同的季节性策略，目前通过实地观察仍知之甚少。为了解决这一空白，我们整合了高频监测、多同位素追踪、¹⁵N标记的硝化反应测定以及水动力模型。我们的研究结果支持了存在两种不同且具有季节性偏好的氧气减少策略的假设。在旱季，主要的点源（例如，生活污水排放，占47.8±8.3%）直接排入河流并与河水迅速混合。强烈的盐水入侵延长了河流中的停留时间，使得氮能够在河道内发生硝化作用（上限通量为2.90±0.66 μmol N/L），即使在低速率下也是如此。这促进了硝酸盐的产生，并同时导致了河道内的氧气减少，支持了直接的、“原位”氧气减少机制。相比之下，非点源（例如，农业肥料和土壤中的氮，占54.9±8.7%）在雨季通过径流间接进入河流。这些氮可能已经在河道外通过矿化-硝化作用转化为硝酸盐。由于河流停留时间较短，河道内的硝化潜力有限（上限通量为1.84±0.30 μmol N/L），并且多种证据表明地下水流增加，可能将“预先形成的”硝酸盐和低氧水输送到河流中，这强烈支持了间接的、受传输限制的、“异地”氧气减少机制。我们的研究挑战了基于浓度或速率的传统范式，并通过基于过程的关系重新塑造了河流-河口连续体中与氮相关的氧气减少的季节性动态。因此，我们提出了适应性管理措施来缓解氧气减少：在旱季控制点源和调节流量（例如，优化上游水库的运行），在雨季进行流域级别的干预。

引言

河流生态系统中的溶解氧（DO）是维持水生群落健康和生态功能的关键指标（Keister和Tuttle，2013；Froehlich等人，2015；Ficklin等人，2023）。然而，近年来，由于人类活动和气候变化，许多河流经常出现季节性低氧甚至缺氧现象（Li等人，2020b；Huang等人，2021；Blaszczak等人，2023；Zhi等人，2023）。缺氧不仅会导致鱼类死亡和生物多样性下降，还可能促进沉积物中重金属和营养物质的释放，从而加剧水污染。

许多研究表明，河流中的氮（N）循环，特别是硝化作用——即铵向硝酸盐的微生物氧化——是驱动氧气减少的关键过程（Appelo和Postma，2005；Bush等人，2017；Ye等人，2022；Wen等人，2025）。传统观点认为，与氮相关的氧气减少是由氮负荷、河流中的硝化速率以及amoA基因的丰度决定的（Bush等人，2017；Li等人，2020b；Lin等人，2022）。然而，这种观点通常忽略了两个限制因素。首先，氧气减少是由生化动力学和水文停留时间共同决定的（Barnard等人，2005），而不仅仅是简单的线性浓度效应（Geeraert等人，2021；Zhang等人，2022a；Zhang等人，2022b）。氮在河流系统中的命运反映了转化和传输之间的动态竞争，这从根本上决定了随后的氧气减少潜力（Briggs等人，2014；Wen等人，2025）。例如，即使硝化活性很高，如果水体快速流过系统，也可能只导致轻微的氧气减少；而当停留时间延长时，适度的硝化活性则可能导致显著的氧气减少。其次，以前的研究尚未系统地阐明不同的氮源（例如，点源排放与非点源径流）如何与水文条件相互作用，共同调节氧气减少的策略（Marwick等人，2014；Bernal等人，2020；Qu等人，2024）。点源和扩散源进入河流的不同途径部分决定了氧气减少的模式，这对有效管理具有重要意义。

在河流-河口连续体中，与氮相关的氧气减少尤其复杂，因为这个系统面临着淡水-咸水相互作用的问题，这会在不同季节产生氮反应条件（如盐度和氧化还原状态）和水文时间尺度的剧烈变化（Pittroff等人，2017；Gao等人，2018；Miguel，2018；Kamjunke等人，2023；Wu等人，2023）。与氮相关的氧气减少是否表现出不同的季节性策略或偏好（概率性主导），目前通过实地观察仍知之甚少。为了填补这一空白，迫切需要基于过程的理解。我们假设氮源、转化潜力和水文条件的协同限制共同塑造了季节性的氧气减少策略：在低流量下，点源排放直接导致“原位”氧气减少，而快速的径流和强烈的水文连通性可能导致河流中的氮和氧在空间上的分离，即“异地”氧气减少。区分这些路径及其季节性偏好需要一种综合的方法，包括高分辨率的水化学分析、多同位素示踪、硝化动力学研究以及在季节性水文条件下的停留时间建模（Wang等人，2024；Mitchelle等人，2026）。特别是，天然丰度和标记同位素是阐明水文过程和生物地球化学转化的强大工具，因为它们在追踪来源、量化速率和识别复杂机制方面具有独特优势（Denk等人，2017；Jung等人，2021；Guo等人，2023）。这些特性使同位素示踪剂特别适用于研究耦合的水文-生物地球化学系统，在这些系统中，重叠的流动路径和反应使得直接测量方法难以应用（Jiang等人，2022；Ren等人，2024）。

河流-河口连续体是陆地和海洋环境之间的关键接口，也是地球上生产力最高和最动态的水生生态系统之一，但它也表现出与海湾和湖泊相似的显著氧气减少现象（Wang和Zhang，2020）。珠江三角洲的东江流域经历了季节性的氧气减少（Wen等人，2025），其中淡水-咸水的混合改变了水动力，并增强了物质交换，从而形成了环境梯度（Li等人，2020a；Wen等人，2025；Cao，2025）。因此，这个系统为研究季节性的与氮相关的氧气减少策略提供了理想的机会。本研究的目标是（1）确定浓度和同位素组成的时空变化，以识别氮源和水文传输，并量化潜在的硝化速率和通量；（2）评估河流-河口连续体中与氮相关的氧气减少是否表现出不同的季节性策略；（3）提出针对减轻氧气减少的具体季节性措施。

节片

站点描述

东江是珠江（中国第三大河流系统）的主要支流，从东北流向西南，流经江西省和广东省，最终在虎门出口流入南海（图1）。其流域面积为35,340平方公里，具有亚热带湿润季风气候，年平均气温和降水量分别为19.3–20.6°C和1350–1750毫米。雨季（5月至9月）的特点是温度较高

水化学和同位素特征

手动采样数据与自动记录一致，显示出显著的时空变异性（图2、图3；表A.2–A.3）。溶解氧显示出明显的季节性模式，雨季的浓度较低，旱季的浓度较高。例如，下游地区的平均溶解氧浓度在雨季为2.91±0.86 mg/L，比旱季低约4.10 mg/L（图3a）。沿流道的AOU从0增加到2.09 mg/L，而在

关于氮相关氧气减少策略的季节性假设

在本研究中，表观浓度相关性显示出溶解氧（DO）和氮（N）水平之间存在显著的空间（但非季节性）负相关（图2），表明氧气减少不仅取决于氮负荷，还反映了污染物与水文条件的共变。首先，淡水-咸水相互作用改变了季节性的河道内硝化通量。同位素和建模证据证实，河道内的氮转化受到

结论

在河流-河口连续体中，淡水-咸水相互作用和耦合的水文-地球化学过程从根本上重塑了与氮相关的氧气减少的季节性动态，这对传统的水质管理构成了重大挑战。主要发现总结如下。

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  溶解氧水平表现出季节性模式，雨季较低，旱季较高。尽管AOU与表观氮浓度和潜在的河道内硝化作用在空间上相关

CRediT作者贡献声明

Jing Wen：撰写——原始草稿、可视化、调查、资金获取、正式分析、概念化。Xingyu Liu：撰写——原始草稿、调查、正式分析。Changjin Zhao：软件开发、调查、正式分析。Zongyao Zhang：可视化、调查、正式分析。Changyuan Tang：撰写——审查与编辑。Tong Li：数据管理。Huaiyang Fang：监督、资源协调、方法学研究、资金获取。Hongwei Du：撰写——审查与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（42407127）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515110110）以及广东省重点研发计划（2020B1111350001）的财政支持。我们感谢Xing Li博士对稿件语言的改进。

Jing Wen|Xingyu Liu|Changjin Zhao|Zongyao Zhang|Changyuan Tang|Tong Li|Huaiyang Fang|Hongwei Du

中国生态环境部华南环境科学研究院国家水环境模拟与污染控制重点实验室，广州，510535，中国