水位变化驱动大型水库生态系统中的微生物相互作用以及碳氮循环过程

《Journal of Hydrology》：Water-level drives DOM-microbe interactions and carbon–nitrogen cycling in a large reservoir ecosystem

水文学波动调控三峡水库DOM组成与微生物群落互作机制研究，揭示高水位期（HWL）以陆源输入为主，DOM富集芳香族和腐殖酸类物质，微生物群落对DOM异质性响应较弱；低水位期（LWL）积累自源易分解DOM，促进DOM-微生物耦合，专性细菌强化有机物矿化与反硝化，导致碳源汇功能切换及氮素去除效率变化。

　　

李桥桥|马华|黄海|曹明星|叶一轩|李胜奥|江宇涵|李哲|李国伟|崔富义

环境与生态学院，教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆400045，中国

摘要

大型河流水库中的水位波动由于一年内降雨分布不均，会从根本上改变有机物的动态和微生物生态系统过程。在这项研究中，我们探讨了高降水量期（定义为高水位，HWL）和低降水量期（定义为低水位，LWL）如何驱动三峡水库（TGR）中溶解有机物（DOM）组成和微生物群落结构的耦合变化。在高水位期间，陆地输入占主导地位，DOM富含芳香族和腐殖质化合物，微生物群落对DOM异质性的响应较弱。相比之下，在低水位期间，本土的、易分解的DOM积累增加，DOM与微生物之间的耦合更加紧密，专门的细菌活跃地降解DOM。这些DOM-微生物相互作用的变化对碳和氮循环产生了连锁效应：低水位期间促进了微生物对DOM的矿化和反硝化作用，导致CO₂排放增加和氮去除效果增强；而高水位期间则促进了DOM的储存，减少了呼吸作用和硝酸盐积累。我们的研究结果表明，三峡水库在低水位期间表现为碳源（释放先前储存的碳），在高水位期间表现为碳汇（吸收外来的碳），同时氮去除效率也相应变化。本研究揭示了水位调节如何在大规模水库生态系统中调控DOM组成、微生物代谢和生物地球化学过程的具体机制。

引言

大型水坝形成的水库在全球生物地球化学循环中扮演着双重角色。它们可以捕获和储存有机物和营养物质（Zhao等人，2013年），同时也是向大气释放温室气体的重要来源（Chen等人，2011年）。最近的全球估计显示，水库水面每年释放约8亿吨二氧化碳当量的温室气体（Deemer等人，2016年）。这些排放物主要是甲烷和二氧化碳，来源于水库从其流域捕获的有机物分解（Ni等人，2022年）。同时，通过捕获沉积物和有机碳，水库也可以作为生物地球化学汇，改变碳和营养物质的下游传输（Yang等人，2014年）。水库作为净碳源还是碳汇的平衡通常很复杂，取决于水文条件、生产力和管理操作等因素（Battin等人，2009年）。作为世界上最大的水力发电水库，三峡水库极大地改变了长江的流量，并显著减少了河流的总碳输出和CO₂排放（Barros等人，2011年；Hu和Cheng，2013年）。理解驱动这些变化的过程至关重要，因为现在许多世界河流流域都被水库淹没，这些水库共同影响了区域和全球的碳预算（Li和Zhang，2014年）。

解读水库的生物地球化学过程在很大程度上取决于理解DOM与微生物群落之间的相互作用（Jiao等人，2010年；Neumann等人，2014年）。DOM是水中数千种有机分子的复杂混合物，是异养微生物代谢的主要底物，将水文过程与碳循环联系起来（Amaral等人，2021年；Moran等人，2022年）。当微生物代谢DOM，将其转化为生物量和CO₂时，它们决定了水库是作为碳源还是碳汇（Knoll等人，2013年；Kraus等人，2011年）。DOM的组成和来源强烈影响微生物的降解能力（McCarren等人，2010年；Traving等人，2017年）。然而，DOM-微生物相互作用对极端环境变化的精确机制仍不完全清楚（Lu等人，2025年；She等人，2022年）。尽管如此，已经明确的是，陆地来源的DOM输入在很大程度上决定了长江流域DOM的数量和质量（Zhang等人，2025年），而降雨引起的季节性变化进一步塑造了这种陆地来源有机物的物理化学特性（Sullivan等人，2025年），从而为后续的微生物反应奠定了基础（Fang等人，2025年；Qin等人，2021年）。由于降水量的显著变化导致的水位波动，在三峡水库边缘形成了一个广阔的水位波动区（Bao等人，2015年），为研究DOM-微生物耦合提供了自然平台。虽然已知这些波动影响了许多过程（如营养循环和温室气体排放（Gao等人，2015年），但对水位变化如何通过DOM动态和微生物代谢影响碳和氮循环的综合性理解仍然不足。

鉴于此，本研究调查了三峡水库在高水位和低水位（HWL和LWL）条件下DOM特征和微生物功能的交互变化，重点关注碳和氮循环过程。我们在水库的不同区域选择了五个代表性采样点（JL、FD、YY、WS、ZG），以覆盖潜在的环境梯度，并在高水位和低水位期间收集水样。利用高分辨率质谱（HRMS）分析了DOM的分子组成。我们还通过16S rRNA基因测序结合功能预测，研究了微生物群落结构及其潜在的碳和氮代谢功能（特别是KEGG碳-氮代谢途径的丰度）。我们的目标是阐明降雨引起的水位调节如何驱动DOM特征和微生物群落结构的变化，并确定这些变化对水库中碳处理（如CO₂释放或保留）和氮循环的影响。这项研究不仅揭示了三峡水库水位管理的系统级效应，还突出了在波动环境中DOM与微生物之间的基本相互作用，这对全球大型河流水库的生物地球化学循环具有重要意义。

研究区域和采样

研究区域和采样

本研究聚焦于三峡水库，这是一个关键的国家基础设施，既是长江上游流域的战略性淡水资源，也是防洪、航运和水力发电的多功能系统。采样点战略性地选在水库流域内的长江主干道上，包括九龙坡区的九龙滩（JL）、奉都县的奉都港（FD）以及云阳码头

水位对三峡水库中DOM分子变化的影响

三峡水库的水位波动对水质和DOM性质产生了复杂的影响。与简单的稀释预期相反，高水位（HWL）和低水位（LWL）下的营养物质浓度和DOM分子丰度显示出不同的模式。在高水位期间，包括总氮（TN）、氨氮（NH₄-N）和总磷（TP）在内的营养物质浓度显著升高（图S1）。这种现象可能是由于外源输入的增加，如径流和土壤侵蚀（图S2. e，特定相关性

结论

通过整合DOM变化、微生物功能响应以及碳-氮代谢的分析，我们阐明了“三峡水库水位-DOM差异-微生物群落差异-碳/氮代谢差异-碳源/汇”之间的连锁反应。水位调节作为主要驱动因素，直接影响了DOM的来源和性质以及水的物理化学条件，进而影响了微生物群落及其代谢功能。

首先，水位波动

作者贡献声明

李桥桥：撰写——初稿、软件开发、方法论设计、实验实施、数据分析、数据管理。马华：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、实验实施、资金获取、数据管理、概念构思。黄海：数据可视化、结果验证、软件应用、方法论设计、实验实施、数据管理。曹明星：数据可视化、结果验证、方法论设计、实验实施、数据管理。叶一轩：方法论设计、实验实施、数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52470001）。