《Journal of Hydrology》：Metagenomic insight reveals the microbial structure and function of nitrous oxide emission from agricultural ditches
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氮氧化物高效排放机制及环境驱动因素研究——基于长江三角洲农业沟渠的宏基因组学分析
张木静|李青倩|涂胜强|魏艳杰|彭源|刘晓玲|高红杰
自然资源部第三海洋研究所海洋生态保护与修复重点实验室，中国福建省厦门市361005
摘要
一氧化二氮（N?O）是一种强效的温室气体，其主要来源是农业活动。然而，农业活动产生一氧化二氮的机制尚未得到充分研究。本研究采用宏基因组分析方法，揭示了长江三角洲河流和沟渠系统中与N?O排放相关的微生物群落结构及其功能潜力。河流中N?O的溶解浓度（0.08 ± 0.03 μmol N·L?1）显著低于沟渠中的浓度（0.21 ± 0.14 μmol N·L?1）（P < 0.05）。根据八个基于风的模型计算，农业沟渠的排放量是河流的3.53–4.70倍。所有模型均显著高估了排放通量（P < 0.05），这表明使用政府间气候变化专门委员会（IPCC）的方法时存在系统性的高估。颗粒有机碳为微生物活动提供了能量和附着位点，而电导率（EC）作为来自周围土地利用的离子输入的指标，在沟渠中是一氧化二氮排放通量的关键非生物驱动因素。共现网络显示，反硝化基因（norB、nirS、nosZ）在沟渠中形成了一个紧密聚集的亚网络，表明这些系统中的反硝化菌具有更广泛的生态位和更强的功能耦合。宏基因组证据表明，N?O排放通量与反硝化基因（尤其是napAB、nirK、norBC和nirK/nosZ）显著相关（P < 0.05），这进一步证实了反硝化作用是一氧化二氮产生的主要生物驱动因素。这些发现展示了宏基因组方法在揭示N?O排放背后的微生物机制方面的价值，并有助于更准确地估算农业景观中的温室气体排放量。
引言
一氧化二氮（N?O）是一种强效的人为温室气体，其全球变暖潜力大约是二氧化碳（CO?）的265倍（Ravishankara等人，2009年）。2023年，大气中N?O的浓度达到了约333亿分之一（ppb），并且每年增加0.25–0.31%（Wang等人，2023年）。在各种排放源中，内陆水体已成为重要的贡献者。1900年至2010年间，全球内陆水体的N?O排放量从0.4 Tg N·yr?1增加到1.3 Tg N·yr?1，占总全球N?O排放量的约7%（Wang等人，2023年）。农业活动，特别是氮肥的使用，是内陆水体氮输入增加的主要原因。这些输入显著改变了营养条件，促进了N?O的产生和释放（Ge等人，2025年；Wu等人，2023年）。据估计，全球有1.3亿至2亿公顷的农田，其中28%的农田通过地表渠道（即沟渠）进行排水（Castellano等人，2019年）。农业沟渠具有独特的物理特性，如浅水、低坡度和低流速。这些条件有利于形成广泛的氧化-缺氧过渡带，并促进富含有机物的沉积物积累（Ge等人，2025年）。这些条件为将无机氮转化为N?O的微生物过程创造了理想的环境，导致沟渠中的排放通量显著高于其所连接的较大河流（Veraart等人，2017年）。
目前，关于内陆水体和河口地区一氧化二氮排放的全球估计仍存在相当大的不确定性。这主要是由于实证数据的有限以及现有测量数据的空间分布不均。许多研究未能充分区分不同的N?O排放途径或标准化测量技术，进一步增加了准确量化排放量的难度（Zheng等人，2022年）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的指南将地表排水（包括农业沟渠）的一氧化二氮排放与地下水排放归为一类。这种分类基于这样的假设：地表排水中观察到的一氧化二氮主要来源于地下水（Tian等人，2019年）。为了估算区域性的水传播N?O排放量，IPCC建立了一套通过水生系统传输的氮的排放因子。其中，河流网络间接排放因子（EF?r）和地下水及排水排放因子（EF?g）是IPCC排放因子框架下定义的两个因子（De Klein等人，2006年）。EF?r是根据河流系统中发生的硝化和反硝化反应的假设比例以及由此产生的N?O排放量推导出来的。经过几轮评估和修订后，其值在2019年被更新为目前应用的默认值0.26%（Zhang等人，2020年）。相比之下，EF?g旨在表示由于氮渗入地下水和人工排水而产生的一氧化二氮排放。其默认值（EF?g = 0.6%）最初主要是基于地下水测量数据估算的（De Klein等人，2006年）。然而，最近的区域研究表明，当前的IPCC方法可能高估了农业沟渠的一氧化二氮排放量（Wu等人，2024年）。
微生物群落在调节水生生态系统中的N?O产生过程中起着核心作用（Song等人，2022年）。在导致N?O产生的四种主要微生物途径中，包括硝化作用、不完全反硝化作用、硝化菌反硝化作用以及硝酸盐还原为铵（DNRA）作用（Kuypers等人，2018年；Quick等人，2019年；Song等人，2022年）。其中，沉积物环境中的不完全反硝化作用被认为是全球范围内N?O的主要来源（Mulholland等人，2008年）。由于沉积物特有的陡峭氧化还原梯度，反硝化作用往往不完全进行，这些环境成为N?O积累的主要场所。因此，关注沉积物微生物群落有助于更深入地理解驱动农业沟渠和河流等水生系统中N?O通量的关键微生物过程。这一途径涉及一系列由特定功能基因催化的还原步骤。nirK和nirS编码亚硝酸盐还原酶，将NO??还原为NO；norB编码一氧化氮还原酶，将NO还原为N?O；nosZ编码一氧化二氮还原酶，将N?O还原为氮气（N?）。这些基因的相对丰度对N?O的积累程度有重要影响（Huang等人，2025年；Mao等人，2024年）。这些微生物过程的效率受沉积物条件的显著影响，包括有机碳（OC）的可用性、氮浓度和溶解氧（DO）水平。例如，有机碳不足会导致电子竞争，限制一氧化二氮还原酶的活性，从而导致N?O积累（Liu等人，2022年）。与通常富含氧气的地表水环境相比，沉积物提供了一个相对稳定且还原性较强的环境，有利于反硝化和微生物产生N?O（Wang等人，2024年）。这种以低氧可用性和丰富有机物为特征的沉积物微环境支持产生N?O的反硝化微生物的活动（Wang等人，2024年）。因此，表征沉积物微生物群落的结构和功能潜力对于理解N?O产生的空间和时间动态至关重要。本研究重点关注这些沉积物微生物机制，旨在揭示环境因素如何影响农业排水系统中的N?O排放。
长江三角洲的生态污染引起了广泛关注，已有许多研究致力于调查该地区温室气体的排放、分布、来源和影响因素。本研究旨在：（1）了解河流和沟渠中N?O的产生和排放之间的差异；（2）通过共现网络和功能基因探索河流和沟渠中N?O释放的潜在生物机制；（3）确定农业沟渠对排放因子（EF）值的贡献，并揭示农业沟渠中EF值的非生物和生物驱动机制。我们的发现为改进农业排水系统中N?O排放因子的估算提供了新的证据，并支持制定针对性的缓解策略，以减少集约化农业生态系统中的氮损失和温室气体排放。
样本采集和理化指标测量
采样地点位于长江三角洲的嘉山县（东经120°44′22″–121°1′45″，北纬30°45′36″–31°1′12″），该地区因其密集的水网和密集的水稻种植而被认为是温室气体排放的热点（Shcherbak等人，2014年）。该县拥有223.6平方公里的高标准农田和54平方公里的地表水体（约占总面积的11%），是研究农业沟渠中N?O排放的理想区域（嘉山县农业和农村部门）
N?O浓度和估算的N?O通量的时间变化模式
河流和沟渠中的N?O溶解浓度存在显著差异。河流中的N?O溶解浓度（0.08 ± 0.03 μmol N·L?1）显著低于沟渠中的浓度（0.21 ± 0.14 μmol N·L?1）（P < 0.05）（图2a，表S2）。值得注意的是，沟渠中的标准差远大于河流中的标准差，表明沟渠中不同地点和时间的N?O产生具有更大的变异性。
农业沟渠是一氧化二氮排放的热点
与其他类型的内陆水体相比，农业沟渠是一氧化二氮排放的重要来源（Wu等人，2023年）。沟渠中测得的一氧化二氮溶解浓度（0.21 ± 0.14 μmol N·L?1）显著高于农业河流生态系统中的浓度（表S6）。具体来说，它是河流中浓度的3.53–4.70倍（图3）。此外，沟渠中的一氧化二氮溶解浓度大约是河流中平均浓度的两倍
结论
本研究确定农业沟渠是一氧化二氮排放的关键热点。在嘉山的实地调查中发现，在八个基于风的模型中，农业沟渠的氮氧化物排放量是河流排放量的3.53–4.70倍。当应用IPCC方法时，所有模型均显著高估了河流和沟渠中的N?O通量（P < 0.05），这是由于高估了一氧化二氮排放因子（EF?r/5g）。POC和EC是影响
CRediT作者贡献声明
张木静：写作——审稿与编辑，撰写初稿，数据可视化，研究实施，资金获取，正式分析，概念构思。李青倩：写作——审稿与编辑，方法学设计，资金获取。涂胜强：数据可视化，研究实施。魏艳杰：写作——审稿与编辑，研究实施。彭源：研究实施。刘晓玲：写作——审稿与编辑。高红杰：写作——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了广州市水务局科技项目（HCJC-2025-026）的支持。
