高强度人为活动区域小型水体反硝化与生态系统呼吸的耦合关系

作者：常熟站  更新时间：2026-01-19

   在水体环境中，生态系统呼吸与反硝化存在很强的耦合作用机制，一方面，生态系统呼吸的本质是好氧微生物分解有机物（消耗O2释放CO2），这个过程既产生反硝化菌需要的碳源，又创造厌氧环境。另一方面，反硝化本质是厌氧呼吸，当O2耗尽时，反硝化菌改用NO3⁻作电子受体，同时氧化有机碳，所以呼吸强度直接决定反硝化底物供应和环境条件。尽管部分研究在湿地和河流系统中观察到两者间的统计相关性，但是在受人类活动密集影响的小型水体（如池塘、溪流、沟渠等）中，还存在以下关键科学问题：1）尽管反硝化作用对氮去除至关重要，但它与生态系统碳循环（特别是呼吸作用）的相互作用和贡献程度研究不足；2）现有的反硝化作用测量技术和模型存在成本高、复杂性强或预测不准等挑战，如何能够有效地利用生态系统呼吸的测量指标（如BOD5和CO2）来更准确地估算和预测反硝化速率？

   为此，本研究采用机理研究与贝叶斯建模相结合的方案，选取典型高强度人为活动区内的池塘、溪流和沟渠，开展季节性采样，获取生态呼吸指标（五日生化需氧量-BOD5、CO2通量）、NO3⁻-N浓度及其他关键环境因子，同时监测沉积物反硝化速率，探讨生态系统呼吸与反硝化之间的耦合机制；在此基础上，创新性地构建耦合生态系统呼吸的水体反硝化预测模型，从而深化小型水体碳氮生物地球化学循环耦合机制的理解。

小型水体中生态系统呼吸驱动的反硝化机制

    本研究通过对江苏省25个典型小型水体的系统监测与实验室分析，在区域尺度上揭示了生态系统呼吸与反硝化速率之间存在显著的耦合关系。实测数据显示，反硝化速率范围为19.16–252.44 μmol N2·m⁻2·h⁻1；呼吸指标如CO2通量最高达64.97 mg C·m⁻2·h⁻1，BOD5值最高达51.00 mg·L⁻1，且反硝化速率与CO2通量之间呈显著线性相关（R2= 0.22，p < 0.01）。研究表明，微生物在分解有机物过程中产生的呼吸作用不仅释放了大量可利用碳源，同时加速了水体中氧的消耗，从而降低氧化还原电位，为反硝化提供了有利的底物与环境条件。特别是在有机碳输入丰富、水动力条件较弱的小型水体中，这一过程更为显著，易于在底泥–水界面形成稳定的厌氧环境，为反硝化微生物提供了适宜的生态位，有效提升氮素去除能力。

耦合生态系统呼吸的水体反硝化预测模型构建

    在明确生态系统呼吸对反硝化具有显著驱动作用的基础上，研究进一步将这一机制引入模型构建中，开发了三种贝叶斯反硝化预测模型，分别为：基于呼吸指标的ERD模型、基于传统环境因子的CEFD模型，以及融合二者的EERD模型。结果显示，EERD模型在预测精度上表现最佳，决定系数（R2）达0.74，显著优于ERD（0.46）和CEFD（0.62），且在RMSE和MAPE等误差指标上也明显优化，表明将生态系统呼吸动态纳入建模体系，能够显著提升反硝化预测的准确性与适应性。

    贝叶斯方法在处理生态系统复杂性与不确定性方面表现出明显优势。模型通过引入先验信息并结合MCMC采样，获得了各参数的后验分布和不确定性估计。在此基础上开展的敏感性分析结果表明，呼吸相关指标（CO2通量和BOD5）具有较高的敏感性指数，说明其在模型中对反硝化速率的预测贡献较大。这一结果从建模角度支持了生态系统呼吸在反硝化过程中的重要作用，结合前期实测的相关性分析，进一步印证了碳代谢过程在调控反硝化中的关键意义。该研究建立的EERD模型不仅为碳氮耦合过程的定量刻画提供了新工具，也为多因子生态过程建模提供了方法参考。

科学意义

    本研究从碳氮耦合视角出发，深化了对小型水体中反硝化生物地球化学机制的认识，证实生态系统呼吸在反硝化调控中具有重要作用，为理解富营养水体中碳氮联动过程提供了实证支撑。基于此提出的EERD贝叶斯模型，兼顾生态系统呼吸指标与传统环境因子，预测精度高、适应性强，为评估高负荷区域水体氮素滞留与去除能力提供了可靠工具。

    研究进一步指出，通过增强有机碳输入（如建设滨岸缓冲带、种植湿地植被、调控底泥有机质）可有效提升水体反硝化潜力，为面源污染防控与水质改善提供了可行的生态管理策略。在技术路径上，本研究结合现场原位监测、实验室指标分析与贝叶斯建模，兼顾生态代表性与数据可靠性，为在受干扰生态系统中研究复杂氮循环过程提供了实用方法参考。

    本研究通过野外监测和机理分析，发现人类活动密集区域内小型水体中生态系统呼吸与反硝化作用之间存在显著的耦合关系。反硝化作用占生态系统呼吸的0.75%，这一比例远高于以往在其他水生系统中的报道。为了更准确地预测反硝化速率，我们开发了一个贝叶斯模型（EERD），该模型整合了生态系统呼吸指标（CO2和 BOD5）与环境因素，其对反硝化速率的预测精度达到74%，验证了将碳代谢动态纳入反硝化建模体系的必要性与有效性。本研究增进了我们对小型水体系统中碳氮耦合的理解，为高强度人为活动区小型水体的氮素去除预测与水质管理提供了科学依据与可行路径。