地下水位波动条件下的微生物分布与氮转化：来自非饱和带-饱和含水层的见解

《Groundwater for Sustainable Development》：Microbial distribution and nitrogen transformation under groundwater table fluctuations: Insights from the vadose zone–saturated aquifer

氮转化过程与微生物驱动机制研究|地下水表波动带|微生物群落垂直分异|反硝化与DNRA作用占比|功能基因模块分析

　　

郑世达|王成志|刘欣|徐东辉|王书芳|陈天飞|王金生|吴观兰|左瑞

北京师范大学水科学学院，中国北京100875

摘要

集约化的农业活动会释放大量氮素，这些氮素会渗透到表层土壤中，并通过非饱和带迁移后进入地下水。然而，连接非饱和带和饱和含水层的地下水位波动（GTF）区域内的氮转化过程仍不够清楚。本研究在一个受氮污染的地点进行了高垂直分辨率的水文、地球化学和微生物分析，以解析GTF区域内的氮转化过程。通过结合功能（模块级别）和酶（基因级别）的宏基因组分析，我们描述了氮转化途径及其微生物驱动因素。GTF区域表现出溶解有机氮和硝酸盐浓度升高，以及微生物丰富度和空间异质性高，表明微生物介导的氮转化活动活跃。宏基因组结果显示，反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）共同占据了氮转化功能潜力的大部分，其中DNRA约占40%，其次是硝化和同化还原。反硝化和DNRA在较深的GTF区域占主导地位，而在上层区域则以硝化作用为主。对15种关键酶的基因水平分析证实了还原酶活性的普遍存在，而分类学鉴定显示Gemmatimonas是主要的反硝化菌，Solibacte和Arthrobacter是关键的DNRA菌，Nitrospira和Nitrososphaera在硝化过程中起核心作用。氮物种、环境因素和优势类群之间的强相关性进一步突显了微生物氮循环对GTF条件的敏感性。总体而言，本研究为GTF区域内垂直分层的氮转化过程提供了基于实地的机制见解，对农业系统中的地下水氮污染管理具有指导意义。

引言

地下水中的氮污染对人类健康和环境构成了日益严重的威胁（Jia等人，2023年），并已成为一个全球性的环境和地质问题（McDermid等人，2023年）。尽管实施了综合氮管理策略和地下水保护措施，但全球许多地区的地下水氮浓度仍在持续上升（Karunanidhi等人，2024年；Manu等人，2022年；Morrissy等人，2021年）。人们越来越认识到，监测工作不应仅限于地下水中的氮浓度，还应扩展到整个相互连接的非饱和带-饱和含水层系统（Chen等人，2026年；Xin等人，2021年）。由人类活动（包括化肥、粪肥和废水排放）引入的氮会从表层土壤向下渗透到非饱和带（Shen等人，2023年；Xin等人，2019年），在那里长期滞留和积累形成了大量的氮库（Li等人，2023c；Weitzman等人，2022年）。地下水位波动（GTF）区域作为连接非饱和带和饱和含水层的关键过渡区（Liu等人，2025年；Zhang等人，2024b），其水文和生物地球化学条件具有显著的变化性。在地下水位升降引起的氧化还原环境变化下，GTF内的氮积累、转化和潜在的再迁移对地下水质量保护构成了持续且重大的挑战（Hornero等人，2025年；Raij-Hoffman等人，2024年；Turkeltaub等人，2021年）。

GTF区域作为连接非饱和带和饱和含水层之间的关键界面（Meng等人，2021年；Wei等人，2024年），在调节氮循环和地下水污染方面起着关键作用，它通过调节水流、氧化还原转换和微生物驱动的转化过程来发挥作用（Collins等人，2024年；Mosley等人，2024年）。GTF区域的主要影响在于其对水流的控制。GTF区域的参与有助于不同深度土壤水分含量的空间变化，进一步改善了非饱和带的水分分布（Oh等人，2023年）。随着地下水位的变化，GTF区域调节水流和毛细边缘的移动（Zhang和Furman，2021年），这反过来又影响了地下水中氮的平流和扩散。此外，GTF引起的强烈氧化还原梯度倾向于促进氮的转化（Li等人，2022年）。当地下水位下降时，好氧硝化细菌驱动NH₄⁺向NO₃^-的转化；相反，地下水位上升则促进反硝化和厌氧铵氧化细菌将NO₃^-还原为NH₄⁺、NO₂^-或N₂（Chen等人，2022年；Wilson等人，2024年）。值得注意的是，GTF驱动的环境扰动不仅显著增强了微生物的代谢活动（He等人，2024年；Sheng等人，2021年），还通过重构微生物群落组成促进了功能多样性（Deb等人，2025年；Xia等人，2020年）。这种适应性进化导致了高度复杂的氮转化网络的形成（Liu等人，2023a；Quinodoz等人，2024年），其独特的微生物相互作用机制和生态功能已成为GTF区域氮循环研究的前沿焦点。

微生物介导的硝化、反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）是氮循环中的关键过程，决定了氮的转化和命运（Kuypers等人，2018年；Mosley等人，2022年）。16S rRNA基因测序和宏基因组分析的进步使得在氧化还原和水分条件变化下描述微生物群落动态和氮转化潜力成为可能。因此，地下水位的变化被认识到在调节微生物群落中起着关键作用，并在实验室规模的研究中取得了显著进展（Liu等人，2023b）。通过控制地下水位的变化，研究人员识别出参与氮转化的几种生物标志物，如Arthrobacter、Bacillus、Chloroflexi和Acidobacteria，以及相关的功能基因（Zhang等人，2024a；Zuo等人，2023年）。此外，还通过微宇宙模拟研究了好氧-厌氧转换期间存在的微生物群落和共现网络。这些结果表明，功能微生物之间的相互作用，包括共生和竞争关系，促进了硝酸盐的转化（Liu等人，2021b）。然而，现有的实验室规模研究往往简化了地下水位波动和氧化还原动态，而大多数野外调查缺乏足够的垂直分辨率来解析GTF区域内明显的水文、地球化学和微生物空间异质性（Niu等人，2022年；Zhang等人，2020年）。此外，基于野外的GTF研究主要集中在微生物群落组成上（Borah等人，2025年；Chen等人，2024年），对氮转化途径如何在功能模块和关键酶步骤之间协调提供的机制见解有限。因此，自然地下水位变化下的垂直微生物分布和氮转化机制仍不甚明了。

为了解决这些知识空白，本研究在中国华北平原的一个农业田地进行了研究，整合了非饱和带-饱和含水层连续体上的水文、地球化学和微生物特征分析，特别关注GTF区域。我们假设地下水位的变化在GTF区域内产生了垂直的氧化还原梯度，导致微生物群落分层以及还原性（反硝化和DNRA）与氧化性（硝化）氮转化途径的深度依赖性优势。因此，本研究的主要目标是：（1）确定非饱和带-饱和含水层沿线的水文和地球化学特征；（2）探索这一典型特征下的主导微生物群落组成及其空间变化；（3）进一步聚焦GTF区域，揭示模块和酶级别的氮转化功能，并识别功能微生物种群和环境因素。本研究的结果为GTF下微生物介导的氮转化机制提供了额外的见解，从而有助于减轻地下水氮污染。

研究地点和土壤样本采集

研究地点位于华北平原西北部的通州区，处于潮白河下游的冲积平原上。该地区的土地类型以耕地和不透水土地为主，分别占总面积的55.3%和42.29%，其次是森林和草地（图1）。该地点是中国自然资源部的综合野外研究平台的一部分，包括3口实验井和大约50口监测井（Ma等人，2019年）。

地下水位和水质的时间变化

图2显示了研究地点的月降水量和浅层地下水位波动的情况。降水主要发生在夏季，达到每月286.4毫米的峰值，而冬季降水量很少。地下水位随降水呈季节性波动，存在一定的时间滞后。根据2014年至2019年的地下水位监测数据，研究地点的地下水位在4.7至6.3米之间波动。

结论

本研究在一个农业环境中，对连续的非饱和带-饱和含水层剖面进行了水文、地球化学和微生物特征的综合性野外评估，特别关注GTF区域内的氮转化过程。主要发现总结如下：

(1)

水分条件、环境参数和氮物种在非饱和带-饱和含水层连续体上表现出明显的垂直梯度。

CRediT作者贡献声明

王成志：撰写——审稿与编辑、方法学、调查。郑世达：撰写——初稿、调查、正式分析。徐东辉：软件、数据管理。刘欣：软件、方法学、正式分析。王书芳：可视化、调查。左瑞：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金争取。吴观兰：验证、方法学。王金生：监督、项目管理、概念化。陈天飞：验证、监督、正式分析。

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可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：U2444219和42372292）的支持。