排水调节增强了梯级筑坝河流中碳、氮、磷和硫循环基因及其微生物宿主的空间异质性

《Journal of Environmental Management》：Drainage regulation enhanced the spatial heterogeneity of C, N, P, and S cycling genes and their microbial hosts along a cascade damming river

　　

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  春季排水期显示出 C、N、P、S 循环基因空间异质性增强。
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  调节河段与自然河段之间春季基因不相似度上升了 112%。
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  这种异质性源于水文地球化学参数梯度的增加。
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  微生物宿主从春季的多样化谱系转变为秋季的核心类群。

引言

河流生态系统对于区域生物地球化学循环和能量通量至关重要 (Battin et al., 2008)，特别是在调节碳 (C)、氮 (N)、磷 (P) 和硫 (S) 的转化和通量方面。这些元素的循环通过多种物理、化学和生物机制紧密交织在一起，这些机制调节着营养盐的输送、转化和滞留 (Stüeken and Kipp, 2016)。这些耦合过程直接影响初级生产力和有机物分解 (Zhang et al., 2024b)，最终重塑了河流生态系统的生态结构和功能完整性。然而，随着人为干扰的加剧，C、N、P 和 S 等主要生物源元素的自然循环发生了深刻改变。此类干扰可能引发富营养化 (David et al., 2020; Hautier et al., 2009)，增加温室气体排放 (Shi et al., 2023)，并导致水生生物多样性的大幅损失 (Li et al., 2024b; Zheng et al., 2019)。因此，了解人类活动对多元素生物地球化学过程的干扰机制对于河流生态系统的保护和可持续管理至关重要。

梯级筑坝作为调节河流水资源时空分配的关键方法，已成为河流系统中最重要的人类干预之一。通过将有连续性的河流分割成一系列相对隔离的蓄水区，梯级筑坝将自然河流连续体转变为一系列相互连接的河流 - 水库系统 (Chen et al., 2024a)。这些壅水的库区以显著降低的流速和延长的水力停留时间 (HRT) 为特征，通常会形成稳定的热分层和化学分层 (Shi et al., 2022)。改变后的水动力学和物理化学条件深刻地重塑了物质运输和元素循环过程的模式。研究表明，水库系统有效地截留了超过 1000 亿公吨的悬浮泥沙和 10 至 30 亿公吨的碳 (Syvitski et al., 2005)，大幅减弱了向下游河段输送的营养盐通量 (Yin et al., 2025)。营养盐滞留效应在全球各地的梯级调节河流中均有观察到 (Burford et al., 2012; Yin et al., 2025; Zhao et al., 2024)。这些发现极大地扩展了我们对梯级筑坝河流内营养盐分布的理解 (He et al., 2025a; Xing et al., 2024; Yang et al., 2025b)。然而，目前关于梯级筑坝河流的研究主要关注营养盐的结果导向监测，而对 C、N、P 和 S 循环基因进行机理阐发的关注尚不充分。此外，作为循环基因的生物载体和功能执行者，微生物宿主的组成和变化可能会影响这些循环基因的空间分布。因此，除了调查循环基因本身外，还需要检查其微生物宿主，以便更深入地了解生物地球化学循环背后的微生物机制和生态意义。

梯级筑坝河流的另一个显著特征在于其季节性水文调节制度，这在蓄水和排水运行的交替模式中显而易见。这种调节深刻地改变了河流的水文节律，并对 C、N、P 和 S 功能循环基因的动力学产生强烈影响。青藏高原梯级水库的研究表明，雨季 nirS 型反硝化菌更为普遍 (Wu et al., 2024)，且中部区域 nirS 基因的丰度增加。鄱阳湖平原的研究显示出具体的季节功能转变：旱季微生物潜力表现出更强的异化硝酸盐还原为铵和氨化潜力，而雨季则以较高的固氮、反硝化、甲烷代谢和固碳潜力为主 (Chen et al., 2024b)。这些发现共同强调了季节性水文变化是营养盐循环的关键驱动因素。然而，对于梯级筑坝河流内季节性排水和蓄水调节如何控制多元素循环及相关微生物过程的机理理解仍不清楚。此外，在全球气候变化框架下 (Gao et al., 2023)，高流量期更湿润与低流量期更干燥的共存状态放大了梯级水库在调节排水和蓄水方面的作用。这种增强的调节可能会加剧水文变化，从而放大河流 - 水库系统中 C、N、P 和 S 循环的时空变异性与不确定性。

因此，本研究旨在揭示梯级筑坝对 C、N、P 和 S 生物地球化学循环及其相关微生物宿主的影响，贯穿两个对比鲜明的水库运行阶段，特别是排水期和蓄水期。明确目标是：1) 描绘排水期和蓄水期间 C、N、P 和 S 循环功能的空间动态，并识别其主导分布模式和关键循环过程；2) 阐明与这些对比运行时期相关的水文和物理化学条件变化如何影响 C、N、P 和 S 循环基因；3) 揭示排水期和蓄水期间微生物宿主的响应及其与 C、N、P 和 S 功能基因的耦合。这些努力将增强我们对对比水库运行如何调节梯级调节河流中多元素生物地球化学循环及相关微生物群落的理解。

章节片段

研究区域与采样活动

位于中国西南部的澜沧江 (LC 江) 发源于青藏高原，向东南流经青藏高原、横断山脉和云贵高原。在云南段，该河流显示出约 1800 米的显著高程落差 (图 1)，为水电开发提供了极佳效益。在中国边界下游，它被称为湄公河，是……中一条重要的跨界河流

营养物质的空间与季节变化

澜沧江全流域总氮 (TN)、铵态氮 (NH₄⁺)、硝酸盐氮 (NO₃^?)、亚硝酸盐氮 (NO₂^?)、总磷 (TP) 和可溶性活性磷 (SRP) 的空间分布如图 2 所示，其他水文地球化学数据见附录图 S1 和 S2。除硫酸盐 (SO₄^2?) 外，所有营养盐参数在各季节之间均注意到明显的季节变化 (p < 0.05)。春季观察到 TN、NO₃^?、TP、SRP 和溶解性有机碳 (DOC) 浓度升高，主要归因于蓄水期对营养盐的截留。随着春季排水的开始，

结论

在本研究中，我们通过宏基因组学和宏基因组组装基因组 (MAGs) 揭示了季节性水文调节对梯级筑坝澜沧江 C、N、P 和 S 循环基因的影响。C、N、P 和 S 循环基因显示出显著的季节变化，其中 PC1/PC2 解释了 47.5% 的变化。空间异质性在春季排水期更为明显，特别是在自然河段与梯级调节河段之间，但它倾向于聚类并表现出相对均质化

CRediT 作者贡献声明

邢晓雷：撰写 – 初稿，方法论，调查，正式分析。王培方：撰写 – 审阅与编辑，数据整理，概念化。王勋：撰写 – 审阅与编辑，方法论，调查，正式分析，概念化。袁秋生：撰写 – 审阅与编辑，调查。胡斌：调查。

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，这些利益或关系可能会影响本报告中所述的工作。

6. 致谢

本稿件由国家重点研发计划 (2022YFC3202402)、国家自然科学基金 (U25A20807、92047201、92047303和42377054)、中央高校基本科研业务费 (B230201026) 和国家自然科学基金 (42007149) 资助。我们感谢梁宇博士对本稿件的协助。

邢晓雷|王培方|王勋|袁秋生|胡斌