《Journal of Hydrology》：Artificial interventions temporarily influence bacterial community spatial patterns along a natural river continuum
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摘要河岸网络越来越多地将自然河段与人工河段连接起来，然而这些连通栖息地之间近岸沉积物细菌群落的空间变化仍存在较大不确定性。本研究调查了枯水期大清河河流域自然—人工连续体沿岸表层沉积物中细菌群落的空间动态。入海口的α多样性比上游河段低22.58%。群落组装指标、网络拓扑结构和来
摘要
河岸网络越来越多地将自然河段与人工河段连接起来，然而这些连通栖息地之间近岸沉积物细菌群落的空间变化仍存在较大不确定性。本研究调查了枯水期大清河河流域自然—人工连续体沿岸表层沉积物中细菌群落的空间动态。入海口的α多样性比上游河段低22.58%。群落组装指标、网络拓扑结构和来源归属在不同采样河段间也存在差异。在汇合处，来自人工渠道的中位来源归属为24.2%，而来自上游河流的为15.1%；在更下游地区，上游河流是最大的已识别来源（38.4%）。本研究阐明了复杂河—湖系统中细菌群落的动态，支持优先保护自然水文连通性以维护京津冀地区的生态系统健康。
引言
河流生态系统是陆地环境与水环境之间的重要纽带，在物质循环、能量流动和维持生态平衡方面发挥着至关重要的作用（Battin等，2023）。微生物，特别是细菌，是生物地球化学过程的关键驱动者（Bhattacharyya等，2022），并在河流生态系统中污染物的降解中发挥着不可替代的作用（Feng等，2022）。因此，了解细菌群落的分布模式及其潜在的驱动机制，对于评估河流生态系统的健康和功能至关重要。
随机过程（如扩散、生态漂移）和确定性过程（如环境过滤、物种间相互作用）共同控制着微生物群落的组装（Zhou和Ning，2017；Liu等，2021b）。在这些群落中，复杂的物种间相互作用，包括竞争等负相互作用，进一步塑造了群落的结构和功能（Romdhane等，2022）。尽管已有大量研究记录了各种河流中微生物的多样性和分布模式（Li等，2021；Liu等，2024），但在复杂水文连续体中塑造微生物群落结构的具体机制仍未得到充分阐明。此外，现有研究主要集中在原始自然生态系统或孤立的施设（如污水处理厂）上。然而，随着人类干预的增加——包括大坝和闸门的建设以及河道工程——河湖系统正逐渐演变为自然与人工栖息地交织的复杂镶嵌体（Wu等，2019；Gao等，2021；Feng等，2021；Zhu等，2022）。这些人工改造从根本上改变了水文连通性（Wei等，2024；Gianuca等，2024；Cai等，2026），可能重塑微生物的扩散模式和群落韧性。这种自然—人工相互作用对河流网络尺度上的微生物群落结构、组装机制和韧性的影响，构成了一个重要的知识空白。
水文可以通过多条相关联的途径影响沉积物细菌群落。流量和流速调节下游扩散、稀释、床面剪切和颗粒分选，而停留时间控制细胞、有机物和矿物表面之间的接触。河道形态创造具有不同粒径、有机碳保留、氧气渗透和氧化还原条件的沉积和侵蚀斑块。水文条件还可以影响气—水交换和氧气可用性，从而限制好氧异养作用和氧化还原敏感的代谢过程。近期的水文—水质研究将复氧与无量纲流动特征联系起来，并显示五日生化需氧量（BOD5）模式可与河流阶次、蜿蜒度和河道旅行时间协同变化（Arzhangi等，2026；Arzhangi和Partani，2025）。然而，在自然河流中，水文、养分、盐度、土地利用和沉积物性质往往协同变化；因此，微生物空间关联性无法分离出单一的水文机制。
在此，我们整合环境测量、水文记录、群落组成分析、零模型和中性模型、共现网络以及来源追踪，以研究近岸沉积物细菌群落如何随连通的自然与人工栖息地而呈现空间变化。本研究的新颖之处在于在单一空间框架内评估这些互补维度。本研究确定了协调的空间模式和可检验的生态水文假设；但不推断时间演替或因果干预效应。
章节片段
研究区域与采样
大清河自西向东流，是京津冀地区协同发展的重要生态廊道。本研究范围始于大清河河流域的南拒马河和白沟河。两河汇合后，一部分流入白洋淀，然后通过赵王新渠流出，而另一部分进入大清河旧河道。这两条河随后从杜里间河再次汇合。
微生物群落多样性分析
经过质量过滤后，共获得2,531个ASVs（扩增子序列变体）。α多样性在不同河段间存在显著差异（Kruskal-Wallis检验：Shannon指数，P = 0.034；Chao指数，P = 0.001）。下游河口段（DQHE）的多样性显著低于上游河段，所有涉及DQHE的两两比较均显示出较大的效应量（Cliff's δ > 0.474；表S4；图2A-B）。在未受限制的群落组成在采样的河段类别间存在差异。
自然—人工连续体沿线细菌多样性和组成的空间模式
结果支持了最初的假设，揭示从大清河上游河段到河口，细菌α多样性显著下降（Shannon指数降低22.58%，图2A-B），并伴随群落组成的显著分化（图2C-D）。这种空间模式与河流连续体概念一致，该概念认为环境条件和资源可用性沿河流纵向梯度呈现系统性变化。这些……
结论
枯水期大清河河流域采样的自然—人工连续体中，近岸表层沉积物细菌群落存在差异。河口多样性较低，组装指标表明下游确定性过程的相对贡献更大，不同河段间的网络协方差结构不同，来源归属总体上与水文连接一致。这些观测描述了空间关联性，但不证明……
CRediT作者贡献声明
Han Gao：撰写初稿、调查研究。Yujia Zhai：撰写审稿与编辑、资源、项目管理。Yanci Zhang：撰写初稿、可视化。Hongjie Wang：撰写审稿与编辑、资源、项目管理。Baoshan Cui：撰写审稿与编辑、资源、项目管理。
未引用参考文献
Chuckran等，2023；Greenblum，2024；国际标准化组织，2017；Kilinc等，2023；Shabarova等，2021；Yu等，2024。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本论文报告的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作由中国国家自然科学基金[资助号42330705、52670216和52300190]、京津冀区域综合环境改善—国家科技重大专项（2026ZD1210005）以及白洋淀流域生态保护和京津冀可持续发展协同创新中心支持。Yujia Zhai获得北京师范大学唐学者资助。
Han Gao | Yujia Zhai | Yanci Zhang | Hongjie Wang | Baoshan Cui
