本研究聚焦于河流生态系统中氮循环的动态变化与其多元素耦合机制。氮污染已成为全球性环境问题，过量的氮输入导致河流富营养化、缺氧及生态退化。氮素在水体中的迁移与转化主要由微生物介导，包括硝化、反硝化、厌氧氨氧化和固氮等关键过程，这些过程不仅控制氮的去除与保留，还与碳（C）和硫（S）循环密切耦合，形成复杂的多元素生物地球化学网络。然而，现有研究多集中于单一过程或静态特征，对气候变化和水文波动下多元素协同作用的动态响应认识不足。

在全球气候变化背景下，降水与径流的周期性变化显著改变河流的营养盐浓度、氧化还原状态和微生物生境，进而影响氮循环的途径与速率。现有研究尚未系统揭示水文过程如何驱动氮循环功能基因的时空分布及其与C–N–S循环的耦合机制。为此，本研究以黄河重要支流——渭河为对象，利用宏基因组测序、随机森林与结构方程模型等方法，探讨不同水期下微生物介导的氮循环变化规律及其多元素耦合效应。研究旨在揭示水文变化对氮循环微生物群落及功能基因的驱动机制，明确C–N–S元素间的协同关系，从而为富营养化河流氮污染治理与生态系统养分调控提供理论基础与管理参考。

图文摘要

本研究以黄河最大支流——渭河为研究对象，构建了系统的研究方案以揭示水文周期变化下微生物介导的氮循环动态特征及其与碳（C）、硫（S）循环的耦合机制。研究首先在渭河干流及两条典型支流（泾河、灞河）设置15个采样点，分别于2023年5月（平水期）、8月（丰水期）和12月（枯水期）采集水样，共计45个样品。依据月均径流量进行水文期划分，并同步测定温度、pH、溶解氧、电导率、营养盐（NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、TN、TP等）及有机碳等理化指标，以刻画环境因子的时空变化。

样品经过滤后提取DNA，采用Illumina NovaSeq高通量测序平台进行宏基因组测序，利用NCycDB、SCycDB与KEGG数据库识别氮、碳、硫循环相关功能基因，并以TPM标准化基因丰度。通过多元统计与网络分析方法（包括主坐标分析PCoA、随机森林模型、冗余分析RDA及偏最小二乘结构方程模型PLS-SEM），解析不同水期下氮循环功能基因的组成差异、主要驱动因子及与微生物群落的关联机制。同时，构建N–C–S多元素功能基因共现网络，分析其协同作用与生态效应。

研究结果显示，渭河流域氮循环在不同水文时期表现出显著的空间与功能差异。丰水期氮固定与有机氮矿化过程占主导，而枯水期硝化与厌氧氨氧化（anammox）活性增强，说明水文波动显著调控氮转化路径。冗余分析（RDA）显示，氮循环功能基因在丰、枯水期对基质变化更敏感，而平水期受理化条件控制较强。结构方程模型（SEM）进一步揭示气候条件、水体理化性质与微生物群落均正向影响氮循环（标准效应分别为0.154、0.347和0.603），其中微生物与功能基因的协同作用是关键驱动力。

在多元素耦合方面，C–N–S功能基因网络呈强正相关，表明元素间存在紧密协同。平水期网络最为复杂、关联最强，系统代谢效率最高；而枯水期网络松散、模块独立性增强，表现出适应性分化与耦合效率下降。研究还发现，硫氧化与有机硫分解可为DNRA提供电子供体，形成典型的硫驱动氮还原过程。总体而言，渭河氮循环受水文动态与跨元素代谢耦合共同调控。研究指出，氮污染治理应结合水文节律与多元素相互作用，实施动态精准管理，以增强河流自净与生态恢复能力。