靠近水体的河岸带区域具有独特的氮循环微生物群落结构
河流和农田的双重影响共同导致了反硝化潜力（DP）的降低
该研究聚焦于农业河岸带土壤中氮循环微生物群落的时空动态变化。随着全球农业用地扩张和氮肥施用过量，陆地与水体系统普遍出现氮饱和，导致水体富营养化、地下水硝酸盐污染及温室气体N₂O排放增加。河岸带作为陆地与水体之间的过渡地带，是非点源污染削减和氮素去除的重要“生态缓冲区”，其中微生物驱动的氮循环过程（如反硝化、硝化、厌氧氨氧化等）在氮的转化与去除中起关键作用。然而，现有研究多集中于反硝化过程，对其他氮转化途径的群落结构特征及其受环境因素调控机制了解有限。此外，河岸带环境具有明显的季节性水位波动和空间异质性，这种动态环境如何影响氮循环微生物网络结构、群落组装过程及反硝化潜力仍不清楚。
因此，本研究以华北农区北运河河岸带为对象，通过在不同距离与深度采样，并结合宏基因组测序与反硝化潜力测定，系统分析了氮循环微生物群落在季节与空间梯度上的分布规律及其环境驱动因素。研究旨在揭示（1）氮循环微生物群落及反硝化潜力的时空变化特征；（2）主要环境因子对氮循环过程的调控机制；（3）河岸带氮迁移转化与去除的微生物学机制。
本研究以华北农区北运河河岸带为研究对象，旨在揭示河岸带土壤氮循环微生物群落在季节与空间尺度上的动态变化及其环境调控机制。研究区位于河北省下游河段，河岸带宽约50 m，邻近农田种植区。依据距水体距离设置4个采样剖面（A、B、C、D，分别距河岸1、20、40、50 m），每个剖面分为0–20、20–40、40–60、60–80 cm四个深度层（D1–D4），并在旱季（3月）与雨季（7月）各采样一次。每层样品经混合后分为理化分析、反硝化潜力（DP）测定和DNA提取三部分。
土壤理化性质包括pH、水分含量、全氮、无机氮（NH₃⁺-N、NO₃⁻-N、NO₂⁻-N）、有机质、全磷、全碳及颗粒组成等指标。DP通过乙炔阻断法在不同温度条件下测定，以反映干湿季差异下的最大反硝化能力。微生物DNA经提取后在Illumina NovaSeq平台进行宏基因组测序，并基于KEGG数据库鉴定氮循环功能基因的丰度和分类组成。
为探究微生物群落结构与环境因子的关系，研究结合多种统计与生态网络分析方法。采用主坐标分析（PCoA）、Shannon多样性指数和LEfSe识别差异类群；通过分子生态网络分析评估群落互作与稳健性；利用中性群落模型（NCM）和随机性比率（NST）判定群落组装机制；并结合随机森林模型、Mantel检验和结构方程模型定量解析环境因子对微生物群落与DP的驱动作用。
图1. 北运河河岸带采样点分布示意图。
研究结果显示，北运河农业河岸带土壤中氮循环微生物群落在季节与空间上均表现出显著差异。土壤理化性质随深度变化明显，表层（0–20 cm）全氮、有机质和无机氮含量最高，随深度递减；沿河向陆地方向，水分含量下降而pH升高。氮循环相关功能基因中，反硝化与反硝化硝酸盐呼吸（DNRA）基因丰度最高，表明体系具有较强的硝酸盐还原潜力。靠近水体的A剖面基因组成最为独特，N₂固定、反硝化、厌氧氨氧化和羟胺还原基因显著富集，而陆侧剖面中硝化与DNRA基因更活跃。
微生物群落多样性在雨季高于旱季，且随土层加深而显著降低。网络分析表明，湿季群落关联更复杂、稳定性更强；空间上从河岸到农田，网络复杂性逐渐减弱。中性群落模型与NST结果显示，湿季及表层土壤中决定性过程占主导，而陆侧和深层土壤以随机性组装为主。土壤水分和硝酸盐含量被识别为影响群落结构与反硝化潜力（DP）的关键环境因子。DP在空间上呈明显梯度，B、C剖面最高，A剖面次之，D剖面最低，且随深度递减。结构方程模型揭示，季节与空间变化通过调控土壤理化条件间接影响反硝化微生物丰度及DP。总体而言，河岸带中部区域（B、C剖面）氮去除能力最强，湿润环境与高硝态氮共同促进了微生物网络的复杂性与氮去除效率。
图2. 参与氮代谢途径各步骤关键酶编码基因的相对丰度。(a) 氮代谢途径示意图；(b) 基于 KEGG 数据库的氮循环功能基因在季节和空间变化下的丰度分布。
图3. 不同季节与空间条件下氮循环微生物群落的结构与多样性特征。(a) 门水平上氮循环基因的分类组成，不同颜色表示不同的氮转化过程，圆圈大小表示该类群在总丰度中的百分比；(b) 基于主坐标分析（PCoA）的属水平氮循环群落结构；(c–e) 不同季节、土层深度及剖面下属水平氮循环群落的Shannon多样性指数；(f) 基于随机森林模型预测的环境因子对氮循环群落多样性的影响。
图4. 季节与空间变化对氮循环微生物共现网络的影响。(a–j) 不同季节与空间条件下微生物共现网络的可视化结果；(k–n) 网络拓扑参数在季节和空间上的变化，包括节点数（node）、边数（edge）、平均连接度（average K）和平均聚类系数（average CC）。
图5. 氮循环群落的季节与空间分布差异及组装过程。(a–c) 基于Bray-Curtis距离的群落差异性分析；(d–f) 通过归一化随机性比率（NST）指数判定群落组装过程，当NST值<50%表示以确定性过程为主，>50%表示以随机性过程为主；不同字母标记的数据集表示差异显著（p < 0.001，Kruskal-Wallis多重比较）。
图6. 影响氮循环微生物组成及反硝化潜力（DP）的环境因子。(a) 氮循环群落与土壤理化性质、季节及空间特征之间的相关关系（Mantel检验结果）；(b) 方差分解分析区分土壤氮含量、其他理化参数及时空特征对氮循环群落的影响；(c) 结构方程模型（SEM）展示季节与空间变化对土壤理化性质、反硝化微生物群落及DP的直接与间接作用。红线表示显著路径（p < 0.05），蓝线为不显著路径，灰色虚线表示DP、氮循环网络复杂度及NST值之间的Pearson相关关系。
本研究通过系统解析农业河岸带氮循环微生物的时空动态特征，揭示了水分、硝酸盐等关键环境因子对微生物网络结构与反硝化潜力的调控机制，深化了对河岸带氮迁移与去除过程的微生物学理解。结果表明，河岸带中部区域（20–40 m）是氮去除的关键功能带，其丰富的微生物多样性与较高水分含量共同维持了系统的氮转化效率。研究从微观过程层面阐明了农业非点源氮污染削减的生态机制，为优化河岸带植被与水文管理、提升氮去除效率及维护水环境安全提供了科学依据，对促进农田生态系统的可持续管理和流域氮循环平衡具有重要参考价值。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479725037855
