长江沉积物N₂O从哪里来？上中下游与八大支流的氮循环分异
全球气候变化和人类活动加剧的背景下，大型河流的生源要素循环正在发生显著变化。长江作为世界第三大河，氮输移和循环不仅影响流域水生态系统健康，还产生温室气体氧化亚氮。近日，华东师范大学河口海岸全国重点实验室李小飞研究员团队以长江干流及其主要支流为研究区，采用多学科交叉技术方法，深入探究了长江及主要支流沉积物硝化和氧化亚氮产生潜力，发现硝化潜力在空间上变异大，总体贡献了34%的氧化亚氮产生。相关成果以High spatial variations of potential nitrification and N2O production across the Yangtze River and associated major tributaries为题，发表于Water Research。
主要研究内容与启示
1、一句话解读：N2O来源空间异质性大
同一条长江，不同河段沉积物的氮循环并不相同：上游N2O主要来自硝化，中下游则主要来自反硝化；中游因粗颗粒、低有机碳和低氮而呈现最低的潜在硝化与N2O生成活性。全流域尺度上，反硝化约贡献66%，硝化约贡献34%。乌江和汉江是潜在氮转化活性较高的支流。
2、先辨清：潜在速率不等于实测排放通量
测得的是潜在硝化速率和潜在N2O生成速率，在统一、底物充足且便于比较的培养条件下，不同沉积物样品具有多大的微生物转化能力；而不是河流此刻向大气排放了多少N2O。这样的设计能减少环境条件差异，突出空间样品本身的潜在功能；但也无法复现天然界面的水体交换、底栖扰动、昼夜溶解氧波动和流速变化。因此，河流沉积物氮转化潜力的空间地图，不是长江N2O排放通量清单。后续若要评估实际排放，需要原位柱状岩芯、水-气界面通量与不同水文季节的联测。
3、93个样点：把干流和八条主要支流放到同一张图上
长江干流自西向东跨越明显的地形、水文和人类活动梯度；八条主要支流分别为雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、沅江、湘江、汉江和赣江。以流域尺度同时比较干流与支流，是这项研究最重要的设计之一。这种布设避免了只看某一河段时的局部判断：上游的水动力和浅水补给、中游的大型水库对细颗粒输运的影响、下游的人类活动输入，以及支流自身的营养盐背景，都可以在同一框架内比较。
图1 研究覆盖长江干流上、中、下游及八条主要支流，共93个沉积物样点；宜昌和湖口是干流河段划分节点。
4、空间格局：中游为何成了低活性带？
潜在硝化与N2O生成在干流中呈现相同的总体格局：中游显著低于上游和下游。下游潜在硝化速率比中游高一个数量级；支流之间的差异同样显著，汉江平均潜在硝化最高，乌江也表现出较高活性。中游沉积物具有更大的平均粒径，同时总有机碳（TOC）和总氮（TN）最低。粗颗粒较难吸附碳、氮等资源，而细颗粒占比更高的沉积物往往具有更高的潜在硝化和N2O生成。作者认为，三峡大坝改变细颗粒输运，是塑造这一中游沉积物背景的重要因素之一。
图2干流中游的潜在硝化和N2O生成均低于上、下游；支流中汉江的潜在硝化、乌江的N2O生成较高
5、同样产生N2O，路径却在切换
同为N2O生成，硝化与反硝化对应的是不同的氧化还原环境和底物条件。上游中，硝化贡献达到65.5%，说明在较强水动力、氧交换和NH4+供给的共同作用下，氨氧化是主要来源。中游和下游的硝化贡献分别仅为23.2%和17.4%，反硝化转为主要路径；除赣江外，各支流也以反硝化为主。将全流域来看，反硝化约贡献66%，表明只用“硝化强不强”无法概括长江沉积物N2O的来源。上游强调“氧气与氨氧化”，中下游更受“低氧与反硝化”支配。这是空间异质性背后的路径转换，而非单一反应速率的简单升降。
图3 硝化（蓝）在上游和赣江的贡献较高；中下游及多数支流以反硝化（绿）为主
6、从颗粒到氧气：碳、氮和水动力共同定调
颗粒大小并非只是沉积学指标，它决定了有机碳和营养盐的滞留空间。本文中，潜在硝化与N2O生成随粒径增大而下降，并在粉砂占优势的沉积物中较高。中游的高pH、粗颗粒和低TOC/TN共同解释了其低活性。在上游，强水动力有利于沉积物-上覆水界面的氧交换；浅水与地下水补给还可能带来较高的NH4+，从而支持硝化。下游则拥有更高的有机质和营养盐输入，微生物呼吸消耗氧气，较低的DO有利于反硝化过程及N2O的生成与还原并存。因此，DOC的作用并非单向：它可提高N2O生成潜力，也可能通过支持带有nosZ基因的反硝化微生物促进N2O消耗。净生成量本质上取决于“生成端”和“还原端”的平衡。
7、微生物群落：下游网络更复杂，但不等于单独决定N2O
氨氧化细菌（AOB）群落在上、中、下游明显分离。下游AOB的Shannon多样性最高，群落网络拥有最多的连边（1171条），复杂度和稳定性均高于上游和中游；中游的特有OTU最少。潜在硝化与AOB丰度、Shannon指数和Chao1指数呈正相关，但N2O生成与AOB多样性指标的关系较弱。这一点很关键：AOB影响氨氧化的“源端”，而nosZ相关的N2O还原又构成“汇端”，两者共同决定净N2O。
图4 AOB群落在三段干流中分化明显；下游网络连边最多，显示出更高的群落连接度和稳定性
8、谁在控制？两种响应有不同的关键因子
相关分析显示，pH、粒径、含水量、TN、TOC、DOC、NO3-与Fe2+都与潜在硝化有关；相比之下，N2O生成与pH和粒径的显著联系更突出。随机森林进一步指出：Fe2+、pH、TN和含水量是潜在硝化的关键预测因子，而粒径和DOC是N2O生成的重要因子。这组结果提醒我们，硝化潜力和N2O生成虽相关，却不是同一个响应变量。前者对沉积物整体理化背景更敏感；后者还叠加了反硝化、N2O还原等过程，因而更依赖粒径、碳源与氧化还原条件的组合。
图5 多因子关联与随机森林结果表明，潜在硝化和N2O生成的主控因子并不完全相同：前者突出Fe2+、pH、TN和含水量，后者突出粒径与DOC
研究团队及资助
华东师范大学河口海岸全国重点实验室硕士研究生蓝彩霞为论文第一作者;河口海岸全国重点实验室李小飞研究员、地理科学学院李晔副教授为共同通讯作者;硕士毕业生林秋汛、博士研究生漆梦婷、付宇轩，以及张国森老师、侯立军研究员、刘敏教授为共同作者。本研究由国家重点研发计划项目（2023YFC3208404）、国家自然科学基金（42422604, 42271101和42471079）和东方英才计划（QNJY2025068）资助。
文献信息
Caixia Lan, Qiuxun Lin, Mengting Qi, Yuxuan Fu, Guosen Zhang, Ye Li, Min Liu, Lijun Hou, Xiaofei Li. (2026). High spatial variations of potential nitrification and N2O production across the Yangtze River and associated major tributaries. Water Research, 306, 126574.https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126574