近日，厦门大学福建台湾海峡海洋生态系统国家野外科学观测研究站、环境与生态学院、福建省海陆界面生态环境重点实验室陈能汪教授团队在海陆界面氮碳循环方面取得新进展，相关成果以“An inundation threshold regulates nitrate reduction pathways in mangrove sediments”为题，发表于Water Research。

该研究率先揭示了亚热带典型河口红树林湿地沉积物中硝酸盐移除的淹水阈值调控机制（图1），为理解滨海湿地生态系统脱氮功能的水文-生物耦合调控机制提供了新视角。

图1. 淹水频率与植物存活共同调控硝酸盐去除与保留机制示意图

研究背景 Background

河口红树林湿地是拦截陆源氮污染的重要天然过滤器。在这一生态系统中，反硝化（DNF）将硝酸盐转化为氮气释放，实现氮去除；而硝酸盐异化还原成铵（DNRA）则将氮以铵态氮形式保留在湿地内部参与循环，实现氮保留。这两条路径的分配比例与相对贡献，直接决定了红树林湿地的脱氮效率（图1）。

近年来，极端气候事件和大坝建设等因素显著改变了河口红树林湿地的淹水格局、沉积物氧化还原条件以及植物存活状态。在这一背景下，淹水增强是否会引发硝酸盐归宿从“去除主导”向“保留增强”发生非线性转变，以及植物存活如何通过环境条件与微生物功能共同调节这一过程，成为了准确评估水文变化下红树林氮过滤功能与修复成效的关键所在。

以往研究多依赖不同站点比较或短期淹水处理，难以区分淹水与植物的长期叠加效应。为此，团队依托漳江口水位梯度平台，设置了6个高程（覆盖约 0%、2%、12%、28%、47% 和 65% 的平均淹水频率），并分别配置白骨壤（代表性红树植物）种植与无植被对照（图2）。通过为期18个月的野外控制实验，结合氮同位素示踪、沉积物理化分析与宏基因组测序，系统解析了淹水与植物共同调控硝酸盐去除与保留的规律及深层机制。

图2. 研究区域、水位梯度实验设计与植物生长情况。(a) 漳江口水位梯度实验平台位置；(b) 不同高程下白骨壤幼苗总生物量，N.A.表示无存活植株；(c)六级高程及其对应的平均淹水频率。

研究结果 Result

高淹水频率削弱了无植被沉积物中反硝化的主导地位

野外控制实验表明，在无植被沉积物（滩涂）中，随着平均淹水频率由0%升至65%，反硝化（DNF）的相对贡献由62%降至48%，而异化还原成铵（DNRA）的贡献则由25%升至34%（图3d）。这说明即使在没有植物参与的环境下，淹水增强也会削弱DNF的相对优势并增加氮保留比例，不过在最高淹水频率下，DNF依然保持着主导地位。

植物存活状态放大硝酸盐路径分化并伴随非线性转折

白骨壤的存活显著放大了硝酸盐还原路径的分化。白骨壤在0%–28%的淹水频率下正常存活，但在高淹水区（47%–65%）全部死亡（图2b）。在种植白骨壤的处理组中，系统硝酸盐还原路径在约24%的平均淹水频率附近出现非线性转折：低于该阈值时，系统以氮去除（DNF，贡献率83%–87%）为绝对主导；而高于该阈值后，氮保留（DNRA）贡献迅速上升至42%–48%，DNF则下降至45%左右（图3d），驱动系统功能从“氮去除”转向“氮保留”。这个24%的转折阈值与植物存活边界（28%–47%）并不完全重合，体现了植物存活对水文驱动响应形式的调控机制。

图3. 不同高程对应淹水条件下硝酸盐还原潜在速率与路径分配。（a-c）反硝化（DNF）、厌氧氨氧化（ANA）和硝酸盐异化还原成铵（DNRA）的潜在速率；（d）三条路径的相对贡献。Plant为白骨壤种植处理，CK为无植被对照。

沉积物环境与微生物代谢潜力共同支持路径分化

随机森林分析表明，氧化还原电位（ORP）、沉积物含水率、高程和植物生物量是预测DNF相对贡献的主要因子（图4b）。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）结果显示，淹水增强提高沉积物含水率，并伴随ORP下降；含水率升高与硝酸盐还原向DNRA保留方向偏移相关，而植物生物量增加则与DNF贡献提高相关（图4c、d）。这表明，淹水引起的沉积物环境变化与植物生长状态共同调节硝酸盐的去除与保留。

微生物分析为上述路径分化提供了具体证据。植物存活且生长良好的处理中，Pseudomonas和Paracoccus等DNF相关微生物类群富集；强淹水处理中，Shewanella和Geobacter等DNRA相关类群则更丰富（图5a、b）。基因组分析进一步表明，DNF相关MAGs更多具有氧化型碳代谢与呼吸能量代谢潜力，而DNRA相关MAGs中氢代谢基因的检出比例更高（46.2%，DNF相关MAGs为13.3%；图5c）。这些结果揭示了两类微生物资源利用潜力的差异，为解释强淹水条件下DNRA介导的氮保留增强提供了基因组层面的证据。

图4. 硝酸盐去除与保留路径分配的主要影响因素。（a）微生物及其代谢潜力与环境和氮转化过程的关联；（b）预测反硝化相对贡献的主要因子及其重要性；（c、d）淹水、沉积物性质和植物生物量与路径分配的关联及模型估计效应。

图5. DNF与DNRA相关微生物的类群分布及代谢潜力。（a、b）不同高程下种植与无植被沉积物中两类功能群的属水平相对丰度；（c）28个宏基因组组装基因组（MAGs）中的碳、能量及硫代谢相关基因，实心与空心圆分别表示基因存在与缺失。组合自原论文图4a、b及图5。

研究意义及展望 Significance and Future Prospects

本研究通过长达18个月的野外水位梯度实验，首次在白骨壤沉积物中识别出~24%平均淹水频率下的硝酸盐还原路径非线性转折阈值。这一发现打破了传统研究仅关注“反硝化速率变化”的局限，从“氮去除与氮保留功能分配”的新视角深刻揭示了红树林脱氮功能的水文依赖性，明确了植被促脱氮作用的水文约束条件。

在实际应用层面，研究成果可为红树林生态修复选址与功能评价提供了坚实的科学依据，提示在工程实践中需综合考量高程、长期淹水频率、植物存活及DNF-DNRA的路径分配。未来，还需结合原位氮通量观测，并通过跨区域、多物种对比与长期监测，深入评估该淹水阈值的普适范围及其脱氮功能的长期稳定性。

研究团队及资助 Research Group and Funding

本论文第一作者为厦门大学2025级博士生陈诗瑶，通讯作者为厦门大学陈能汪教授。共同作者包括厦门大学张宜辉教授、集美大学王芬芳副教授，以及厦门大学博士生吴慧和陈亚松。研究获国家自然科学基金（422706011、42530405）和国家重点研发计划课题（2022YFF0802102）的联合资助。

论文来源及链接

Chen S, Wu H, Chen Y, Wang F, Zhang Y, Chen N*, 2026. An inundation threshold regulates nitrate reduction pathways in mangrove sediments. Water Research, 126911.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126911

文、图 | 陈诗瑶

责任编辑 | 陈能汪

审核 | 朱旭东

排版 | 李灿如