香港科技大学（广州）刘易STOTEN：中国水体沉积物通过反硝化作用去氮概述

      氮（N）循环是自然界中存在的基本生物地球化学过程之一，其中反硝化是水体生态系统中去除过量氮的重要组成部分。中国是最大的氮肥生产和消费国家，但在综合研究水体生态系统中的反硝化过程以及大范围、长时间尺度时空变化规律方面缺乏研究。因此，本研究旨在综合现有数据结果，分析中国水体系统中的反硝化情况。我们通过对中国水体生态系统近20余年989条数据进行沉积物硝化速率的研究，揭示了中国水体中反硝化的时空变化规律和系统差异。

      反硝化热点区域主要出现在河流下游以及河口和沿海地区。对中国的不同流域（西北河流域无数据）来说，西南河流域的反硝化速率水平最低；而珠江流域的反硝化速率平均值和中位数都是最高的，且远远超过了整体平均水平。平均氮肥施用率与七个流域的反硝化速率的空间分布一致，并且呈显著正相关，这表明人为氮肥施用强度与水体反硝化速率之间存在着密切的关系。

图1 反硝化速率空间分布及2010年前后反硝化速率概率分布图。

Fig.1 Denitrification rate data distribution and frequency analysis of denitrification rate before 2010 and after 2010.

图2 中国不同流域反硝化速率分布图。空心圈表示流域平均氮肥施肥率。

Fig.2 Box plot of denitrification rate in different river basins across China. The blank circles represent the mean N fertilization rate.

      在过去的近二十多年中，中国水体中的反硝化速率呈现出略微下降的趋势（图1），这归功于全国范围内水质的整体向好恢复的趋势。然而，不同系统中的变化存在差异（图3）。

图3 各水体生态系统2010年前后反硝化速率变化情况。（a）河流，（b）湖泊，（c）河口与海岸。

Fig.3 Comparison of denitrification rate before and after 2010 through ecosystems. (a) river denitrification rate change; (b) lake denitrification rate change; (c) estuary & coast denitrification rate change.

      总体而言，河流中的反硝化速率最高，多种综合原因造成了这一结果，包括人为氮和碳源的持续快速输送、河流悬浮颗粒沉积物以及潜流交换等。而中国水体生态系统中，大陆架的反硝化速率最低。中国水体生态系统中的沉积物总反硝化量估算大约为每年12.3 ± 5 百万吨氮/年。

图4 水体生态系统中主要的水力学和反硝化模式的示意图。(a) 不同生态系统中的反硝化作用总量估计；(b) (c) 和 (d) 分别是河流、湖泊、河口和海岸以及大陆架生态系统中的主要水文动力学和反硝化等微生物过程。

Fig.4 Schematic diagram of dominated hydrodynamics and major denitrification patterns across aquatic ecosystems. (a) total denitrification across ecosystems; (b) (c) and (d) are dominated hydrodynamics and denitrification processes in the river, lake, estuary & coast, and continental shelf ecosystem, respectively.

      研究水体反硝化对于理解生态系统中的氮去除过程至关重要，尤其是对于中国这个全球最大的氮肥生产和消费国家。本研究是中国水体系统反硝化的综合性概述，研究发现过去二十年间反硝化速率呈下降趋势。反硝化的空间分布表明热点区域位于河流下游、河口和海岸地区。相比全球平均水平更高的反硝化速率反映了中国更强烈的人类活动影响。