摘要
氮元素在自然界中的迁移转化是维持生态系统平衡的关键过程。在自然水体中，河流沉积物的氮功能菌在氮转化过程中起着至关重要的作用。为探究河流氮分布及沉积物微生物驱动过程，本文对岷江上游3个海拔河段的水体和沉积物进行氮分布研究，通过高通量测序分析沉积物微生物群落组成及其功能预测。结果表明：在岷江上游高海拔河段（＞3000 m），沉积物铵盐含量较高，硝酸盐含量较低，水体亚硝酸盐浓度在2000~3000 m海拔河段显著高于其他海拔河段，同时氮组分分布受到pH、溶解氧、流速等环境因子的影响。岷江上游沉积物细菌群落主要受沉积物氮组分和可溶性有机碳的影响；古菌群落主要受海拔、沉积物氮组分和土壤有机碳的影响。岷江上游沉积物潜在氮转化微生物群落相似性在地理空间上呈显著衰减模式，且高海拔河段的潜在氮转化古菌群落具有显著差异性。其中，潜在硝化古菌是岷江上游的优势菌群，且潜在硝化古菌与潜在异化型硝酸盐还原古菌在高海拔河段显著高于较低海拔河段。对岷江上游不同氮转化过程而言，Nitrososphaerales目、Nitrososphaeraceae科、Nitrososphaeraceae属是参与硝化过程的关键菌群，黄杆菌属（Flavobacterium）是硝酸盐还原过程的关键菌群，梭状芽胞杆菌属（Clostridium_sensu_stricto_1）和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）是固氮过程的主要菌群，黄色杆菌属（Xanthobacter）、副球菌属（Paracoccus）和假单胞菌属（Pseudomonas）是反硝化过程的主要菌群。本文揭示了岷江上游高海拔河段的氮分布主要受到潜在沉积物氮转化古菌的驱动，该结论可为岷江上游河流生态管理策略提供一定理论支撑。
Abstract
The migration and transformation of nitrogen (N) in nature is a key process to maintain the ecosystem balance. In natural water, N-transforming microorganisms in river sediments play a crucial role in the process of N conversion. In order to investigate N distribution in rivers and the sediment microorganism driving processes, this paper studied N distribution in the upper reaches of the Minjiang River, and the composition and function prediction of microbial communities in sediments. Results showed that the sediment ammonium salt was high while the sediment nitrate was lower in the upper reaches of the Minjiang River at high altitude (＞3000 m), and the water nitrite was significantly higher in the 2000-3000 m altitude reaches than that in other altitude reaches. Meanwhile, the distribution of N components was affected by environmental factors such as pH, dissolved oxygen and flow velocity. The sediment bacterial communities were mainly affected by sediment-N components and dissolved organic carbon, while the archaea community was mainly affected by altitude, sediment-N composition and soil organic carbon. The similarity of potential nitrogen-transforming microbial communities showed a significant decline pattern in geographical space, and the potential N-transforming archaea communities in the high altitude reaches were significantly different. Among them, the potential nitrifying archaea were the dominant bacterial group in the upper reaches of the Minjiang River, and the potential nitrifying archaea and potential dissimilating nitrate reducing archaea were significantly higher in the high altitude reaches than in the low altitude reaches. For different processes, Nitrososphaerales, Nitrososphaeraceae and Nitrososphaeraceae are the dominant microorganisms in the nitrification process, and Flavobacterium is the main group in the N reduction process. Clostridium_sensu_stricto_1 and Bradyrhizobium are the main groups in N fixation. Xanthobacter, Paracoccus and Pseudomonas are the main groups in denitrification. This paper reveals that nitrogen distribution in the upper reaches of the Minjiang River at high altitude is mainly driven by potential sediment-N transforming archaea, these results can provide theoretical support for the ecological management strategy of the upper reaches of the Minjiang River.
氮（N）元素在自然界中广泛分布且具有多种形态。随着经济社会发展，大量氮化合物通过人类生产生活活动进入自然水体，造成河流水体和沉积物氮含量增加，加剧水体富营养化及相关污染风险[1]。水体与沉积物中的氮转化过程对于理解氮空间分布至关重要，目前发现的无机氮形态转化包括固氮（N2 → NH+4-N）、硝化（NH+4-N → NO-2-N → NO-3-N）、反硝化（NO-3-N → N2）、硝酸盐还原（NO-3-N → NH+4-N）等过程[2]。在自然界中，氮转化主要受微生物活动的影响[3]，同时也受到温度、溶解氧、pH、水体流速、叶绿素a等环境因素[4-7]的影响。
目前已知，氮转化微生物（nitrogen-transforming microorganisms）包括细菌、古菌等，河流沉积物的微生物丰富度、多样性相比于水体更高[8]，并随环境梯度产生丰度变化[7]。同时，作为多功能菌，氮转化微生物不只参与单个转化过程[9]。此外，沉积物中参与不同氮代谢过程的潜在细菌群落和古菌群落对环境变化的响应有所差异[10]。由此，氮转化微生物将呈现出一定的区域性，相比于湖泊，可能在流动的河流生境中产生更为复杂的演替模式，在微生物氮转化功能驱动下，水体和沉积物在一定区域内可能呈现出相应的氮组分分布特征。
岷江上游流域是我国长江上游的重要生态屏障，存在较大海拔梯度和气候变化，生境较为复杂[11]。然而，岷江上游流域氮组分在水体和沉积物的空间分布规律及其氮转化菌驱动过程还不清楚。因此，本文以岷江上游作为研究区域，明确河流水体和沉积物中氮无机盐组分的空间分布特征，解释河流中氮转化与沉积物微生物间的相互关系，着重从氮转化微生物驱动的角度，探究岷江上游河流的氮转化过程，以期为流域生态环境和人类生产生活的平衡策略提供理论参考，同时为岷江上游水生态保护提供一定科学支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
岷江上游流域（30°45′~33°09′N，102°35′~104°15′E）地处青藏高原-四川盆地过渡地带[11]，河流流经松潘县、茂县、汶川县等区域，海拔范围为576~5389 m，流域总面积约为25147 km2。气候类型主要为川西北高原气候和川中盆地区亚热带季风气候，年均气温范围为5~12℃，全年温差较大，年平均降水量约为730~850 mm，年降水量80%都集中在5—10月。另外，岷江上游流域植被与土壤的形成及发育复杂多样，沿高程有着明显的垂直地带性，植被类型包括亚高山森林、亚高山草甸、干旱河谷灌丛等，土壤类型主要为薄层土、雏形土和高活性淋溶土。
1.2 样品采集及分析
1.2.1 野外样品采集
结合岷江上游流域内地形分布、水文特性和可达性，于2023年4月在15个河流采样点（R1~R15，图1）进行水样和沉积物样采集。R1~R3海拔高于3000 m，R4~R6海拔为2000~3000 m，R7~R15海拔低于2000 m。利用1000 mL有机玻璃采水器采集原位水样（表层水面以下10 cm）100~200 mL，装入提前酸洗的500 mL聚乙烯瓶中，以瓶内无气泡为标准。所有样品于4℃低温保存在冷藏箱中带回实验室，用于室内分析。利用军工铲和铁质水瓢采集沉积物样品，除去杂物后分为2份密封在聚丙烯袋中。一份置于4℃保温箱内运回实验室，并保持4℃储存用于理化分析；另一份使用干冰运输回实验室，-80℃下储存直至提取DNA，用于微生物分析。
图1研究区域及采样点
Fig.1Study area and sampling points
1.2.2 样品分析
样品分为水体样品和沉积物样品。使用GPS测定各采样点的经纬度；利用NK5500便携式气象仪（Kestrel，美国）记录海拔、气温、风速、湿度等数据；使用多参数水质分析仪（YSI professional plus，美国维赛公司）测定电导率、pH、水温等；使用便携式多普勒超声波流量计（DX-LSX-2，北京信德元素）现场测定各采样点的水深、流速；使用皮尺测量各采样点的宽度；使用手持荧光测定仪（Aquafluor，美国特纳公司）现场测定各采样点的叶绿素a和浊度。水体中氨氮（NH3-N）、硝态氮（NO-3-N）、亚硝态氮（NO-2-N）以及沉积物中的铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）等采用 FIA-6000+流动注射分析仪（JITIAN，中国）测定（所有方法均遵循国标GB 3838—2002）。使用自然风干土壤样品测定所有土壤理化指标。水土比2.5∶1复合电极法测定土壤pH（HQ 2100，美国哈希）；研磨过100目（150 μm）筛的土壤使用燃烧法测定总碳（TC）、总氮（TN）、土壤有机碳（SOC）含量（Vario MACRO cube，德国Elementar）；氯化钾浸提-TOC仪测定可溶性有机碳（DOC）和总有机碳（TOC）含量（Vario TOC，德国Elementar）。
根据 E.Z.N.A®土壤DNA试剂盒（Omega Bio-tek，美国）说明书进行微生物群落总基因组 DNA 抽提，在1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA，使用NanoDrop2000（Thermo Scientific，美国）测定DNA 浓度和纯度。以上述提取的DNA为模板，使用引物338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）对细菌群落16S rRNA基因V3~V4可变区进行PCR扩增[12]；使用引物524F10extF（5'-TGYCAGCCGCCGCGGTAA-3'）和Arch958RmodR（5'-YCCGGCGTTGAVTCCAATT-3'）对古菌群落16S rRNA基因的V4~V5区进行扩增[13]。每个样本3个重复，将同一样本的PCR产物混合后使用2%琼脂糖凝胶电泳检测。参照电泳初步定量结果，将PCR产物用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统（Promega，美国）进行检测定量。通过PCR将接头序列添加至目标区域外端，使用AxyPrep DNA凝胶回收试剂盒（Axygen Biosciences，美国）切胶回收PCR产物制备测序文库。
采用Illumina公司的Miseq（PE300）平台进行高通量测序。使用UPARSE[14-15]软件（http://drive5.com/uparse/，version 7.0.1090），在97%的相似水平下对质控拼接后的序列进行操作分类单元OTU（operational taxonomic unit） 聚类并剔除嵌合体。将所有细菌样本序列数抽平至41248，将所有古菌样本序列数抽平至43915。利用RDP classifier[16]（http://rdp.cme.msu.edu/，version 2.11）比对Silva16S rRNA基因数据库（Release138）进行OTU物种分类学注释，置信度阈值为0.7，在不同物种分类水平下统计每个样本的群落组成。
1.3 数据处理
采用Excel 2013（Microsoft，USA）软件进行数据预处理，采用SPSS 22.0（IBM，USA）软件进行氮组分及其与环境因子的相关性、微生物相对丰度等统计分析，组间差异性分析采用one-way ANOVA，显著性分析采用t检验，置信区间为95%；基于美吉生物云平台（https://cloud.majorbio.com/），获取细菌和古菌群落组成；通过非度量多维尺度分析（NMDS）分析比较微生物群落整体结构并采用Anoism方法进行组间显著性差异分析[17]；通过冗余分析（RDA）法分析环境因子、样本、菌群三者间的关系[18]；通过FAPROTAX功能预测获取固氮、硝化、反硝化和氮还原四类氮转化功能的集合菌群[19]，根据Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes功能单元模块数据库（KEGG Module）获取Nitrogen fixation（NF）、Nitrification（N）、Complete nitrification（CN）、Denitrification（DF）、Dissimilatory nitrate reduction（DNR）、Assimilatory nitrate reduction（ANR）相应功能基因的菌群丰度[20]；利用R语言“geosphere”包计算样点间的地理距离，利用“vegan”包计算Bray-Curtis距离[19]，通过线性拟合得到距离衰减模式；采用LEfSe差异分析[21]，使用非参数因子Kruskal-Wallis秩和检验门水平到属水平物种具有显著丰度差异的类群，通过线性判别分析（LDA）估算每个物种丰度对差异效果影响的大小。通过ArcGIS10.3（Esri，USA）、Origin2021（OriginLab，USA）绘图。
2 结果与分析
2.1 岷江上游河流水体及沉积物氮含量
针对岷江上游河流水体和沉积物的氮组分分析结果显示，水体TN浓度范围为0.47~1.14 mg/L，沉积物TN含量范围为224.73~1402.75 mg/kg。R8和R9的沉积物NH+4-N（（19.76±2.13）、（32.229±3.44） mg/kg）和NO-3-N含量（（16.48±3.41）、（16.48±1.30）mg/kg）显著高于其他样点（P＜0.001）；水体TN浓度在R15显著升高（P＜0.001），其中水体NO-3-N浓度为1.11 mg/L，约为R1~R14河段浓度（0.37~0.60 mg/L）的2~3倍（附表Ⅰ）。
基于各氮组分在TN中的占比可知（图2a），水体与沉积物的氮无机盐占比不同。水体中的NO-3-N占比（65.56%±1.06%）高于NH3-N（8.81%±3.37%），沉积物中的NH+4-N占比（1.21%±0.23%）高于NO-3-N（0.93%±0.10%）；水体NO-2-N占比较低（1.20%±0.15%），沉积物NO-2-N由于数据极少忽略不计。沿河流采样点，水体NH3-N占比呈降低趋势，而水体NO-3-N占比呈升高趋势，样点R15水体NO-3-N占比极高，达到97.70%；样点R4和R5水体NO-2-N占比较高，为43%左右。样点R3的沉积物NH+4-N占比最高（3.2%±0.1%），样点R15的沉积物NO-3-N占比最高（1.5%±0.1%）。从区域来看，B段的水体NO-2-N浓度显著高于其他河段（P=0.02，图2b），其他水体和沉积物中的氮组分在河段间均无显著差异（P＞0.05），其中A段水体NH3-N浓度稍高于B段和C段，均值为0.07 mg/L，C段水体NO-3-N浓度在3个区域中最高，均值达到0.52 mg/L；A段沉积物NH+4-N含量（10.08 mg/kg）同样略高于B段和C段，而NO-3-N含量（3.66 mg/kg）在3个区域中最低。
2.2 岷江上游河流沉积物微生物群落结构
岷江上游沉积物中共检测出细菌50门1443属，14820个OTUs；古菌12门82属，1766个OTUs。细菌群落组成在A、B、C河段之间具有显著差异（P=0.03，图3a），古菌群落组成没有显著差异（P＞0.05，图3b），其中A段的古菌群落与B段和C段有显著差异（P=0.02，P=0.03）。在门水平上（图4a、c），岷江上游沉积物古菌的主要优势菌门是泉古菌门（Crenarchaeota），在前5门古菌中的相对丰度达到64.16%，其次为海拉古菌门（Halobacterota）和广古菌门（Euryarchaeota），相对丰度分别为20.63%和8.27%；变形菌门（Proteobacteria）在前15门细菌中的相对丰度达47.11%，是优势门类，其次为放线菌门（Actinobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota），相对丰度分别为12.15%和5.51%。在属水平上（图4b、d），岷江上游沉积物古菌的主要优势菌属为Nitrososphaeraceae（35.20%）、Methanosarcina（16.39%）、Nitrosarchaeum（11.12%），其中Nitrososphaeraceae和Nitrosarchaeum是重要的氮转化菌。细菌中相对丰度较高的属依次为Flavobacterium（11.57%）、Rhodoferax（10.41%）、Pseudorhodobacter（9.57%）等。
图2岷江上游河流水体及沉积物氮分布（不同小写字母表示区域间具有差异）
Fig.2Nitrogen distribution in river and sediment in the upper reaches of Minjiang River （Different lowercase letters indicate differences between areas）
在细菌群落中，A段的放线菌门、拟杆菌门的相对丰度显著高于B段和C段（P＜0.05），B段的Flavobacterium相对丰度显著高于A段和C段（P＜0.05）；在古菌群落中，A段的海拉古菌门和Nitrososphaeraceae属相对丰度显著高于B段和C段（P＜0.05），Nitrosarchaeum相对丰度显著低于B段和C段（P＜0.05）。
2.3 岷江上游河流氮组分与环境因子和沉积物微生物的关系
河流本底环境因子与氮组分相关性分析结果显示（表1），水体NO-3-N浓度与pH和溶解氧呈极显著负相关（P＜0.01）；水体NH3-N浓度与溶解氧及水体流速呈显著正相关（P＜0.05）；水体NO-2-N浓度与pH、溶解氧、河宽均呈显著正相关性（P＜0.05），与电导率呈显著负相关（P＜0.05）。在沉积物氮组分中，NH+4-N与NO-3-N呈显著正相关（P＜0.05），沉积物TN与NO-3-N呈极显著正相关（P＜0.001）；水体氮组分的相关性不显著（P＞0.05）；沉积物NH+4-N与水体NO-3-N呈显著负相关（P＜0.05）。
图3岷江上游河流沉积物微生物群落NMDS分析
Fig.3NMDS analysis of sediment microbial communities in the upper reaches of the Minjiang River
图4岷江上游河流沉积物细菌和古菌群落组成
Fig.4The sediment bacterial and archaea community structure in the upper reaches of the Minjiang River
微生物群落与沉积物碳、氮组分以及环境因子的属水平RDA结果显示（图5），在细菌群落中，沉积物TN、氮组分和DOC对其影响较大，其次是沉积物pH、风速和TC，而海拔、气温、湿度及SOC对其影响较小。其中，沉积物NO-3-N和NH+4-N与R1、R9细菌群落相关性较强，沉积物TN与R1、R4细菌群落具有较强相关性，海拔与各样点细菌群落的相关性相对较弱。在古菌群落中，沉积物NO-3-N、DOC、SOC以及海拔的影响较大，其次是TC、TN和沉积物NH+4-N，影响较小的是气温、pH、湿度和风速。其中海拔对A段以及R15、R11、R7等古菌群落的影响较大，沉积物TN、NO-3-N和NH+4-N以及DOC对R7、R9、R11和R15古菌群落的影响较大。在环境因子之间，沉积物细菌的NO-3-N、NH+4-N与海拔呈负相关，沉积物古菌的NO-3-N与海拔呈负相关。
表1河流氮组分与水环境因子Spearman相关系数
Tab.1 Spearman correlation coefficient of river nitrogen components and water environmental factors
注：***表示P＜0.001；**表示P＜0.01； *表示P＜0.05。
图5岷江上游沉积物微生物群落RDA分析
Fig.5RDA analysis of sediment microorganisms in the upper reaches of Minjiang River
2.4 岷江上游河流、沉积物氮转化菌功能预测及分布
通过功能预测，针对固氮过程、硝化过程、反硝化过程、硝酸盐还原过程筛选出潜在的氮转化功能菌。其中，参与硝酸盐还原过程的菌群最多，共有40属细菌，其次依次为固氮过程（13属细菌，1属古菌）、硝化过程（1属细菌，4属古菌）及反硝化过程（5属细菌）。在所有潜在氮转化菌中，红游动菌属（Rhodoplanes）、副球菌属、动胶菌属（Zoogloea）同时参与硝酸盐还原与反硝化过程；黄色杆菌属、趋磁螺菌属（Magnetospiril-lum）同时参与硝酸盐还原、固氮过程。Bray-Curtis相似性指数与地理距离的线性拟合结果表明（图6），潜在氮转化细菌和古菌在地理空间分布上的相似性均随距离增加显著减少（P＜0.001）；对潜在非氮转化菌而言，潜在非氮转化古菌具有显著的距离衰减模式（P=0.01），而潜在非氮转化细菌不具有显著性（P＞0.05）。
图6岷江上游沉积物氮转化菌和非氮转化菌的距离衰减模式
Fig.6Distance attenuation model of nitrogen transforming and non-nitrogen transforming sediment microorganisms in the upper reaches of Minjiang River
在潜在固氮细菌中（图7a），梭状芽胞杆菌属与慢生根瘤菌属的相对丰度较高，前者主要处于C段，后者主要处于A段和B段；在潜在硝化古菌中（图7b），Nitrososphaeraceae属的相对丰度最高，占所有潜在硝化古菌的49%~81%，潜在硝化古菌相对丰度在A段和C段之间具有显著差异（P=0.03）；在潜在反硝化细菌中（图7c），黄色杆菌、副球菌和假单胞菌属的相对丰度较高，分别在A段、B段和C段的相对丰度较高，分布较为均匀；在潜在氮还原细菌中（图7d），黄杆菌属的相对丰度最高，占所有潜在氮还原菌的42%~83%。
沿河流梯度的KEGG模块丰度结果显示（图8），古菌群落中，硝化模块（N，CN）的丰度最高，其次是反硝化模块（DN）、硝酸盐还原模块（DNR，ANR）、固氮模块（NF）。其中，CN模块丰度稍高于N模块丰度，DNR模块丰度显著高于ANR模块丰度（P＜0.001）；A段的硝化模块（N）丰度和完全硝化模块（CN）丰度显著高于B段（P=0.018），A段DNR模块丰度显著高于其他区域（P=0.03），A段的ANR模块丰度显著低于其他区域（P=0.03），其他模块丰度在不同海拔河段均无显著差异（P＞0.05）。细菌群落中，DNR和ANR模块丰度最高，其次是DN模块、N和CN模块、NF模块。其中DNR模块丰度同样显著高于ANR模块（P＜0.001），CN模块丰度显著高于N模块（P＜0.001），在3个河段间，细菌群落各模块丰度均无显著差异（P＞0.05）。
通过LEfSe判别从门水平到属水平的多级物种差异（LDA值＞3.5，P＜0.05），在潜在氮转化菌中，设定阈值内共有11类细菌与其他物种具有显著差异，A段的放线菌门等的丰度对物种差异的影响较大，B段的副球菌属影响较大，C段包括Pseudomonadales目、Pseudomonadaceae科和Pseudomonas属。此外，在设定阈值内共有5类潜在氮转化古菌与其他分段物种具有显著差异，其中A段包括Nitrososphaeraceae属、Nitrososphaerales目和Nitrososphaeraceae科，C段包括Nitrosopumilales目和Nitrosarchaeum属，B段在设定阈值内无显著差异物种。
图7岷江上游沉积物原核生物分类单元功能注释（FAPROTAX）预测氮转化菌相对丰度（*表示P＜0.05）
Fig.7The relative abundance of nitrogen-transforming sediment microorganisms by Functional Annotation of Prokaryotic taxa predicting in the upper reaches of Minjiang River（* indicates P＜0.05）
3 讨论
3.1 水体和沉积物的氮分布特征及其环境影响因素
本研究发现，岷江上游的氮无机盐沿河流梯度呈现出不同的分布规律。研究样点R1~R15经岷江源、松潘、汶川地区，海拔不断下降，pH、电导率、溶解氧、河宽、流速等环境理化条件非线性变化（附表Ⅱ），流域人为活动强度具有差异，导致岷江上游的氮分布并非单一模式，而是呈现出一定区域性特征，特别是在B段和C段的部分样点。在B段，河流宽度较大（40~70 m），水体浊度大（94.90~152.40 NTU），叶绿素a浓度较高（5.24~7.47 μg/L），溶解氧（（7.60±0.03）mg/L）相对较低，在缺氧条件下氮还原作用进一步增强[6]，氮转化产物中的水体NO-2-N占比显著升高；在C段，流域城市化不断加强，水体TN浓度呈逐渐增加趋势，由于R8和R9河段支流存在筑坝活动，来自支流的氮输入不断增加[22]，长期的人为干扰导致R8和R9河段沉积物氮组分急剧升高，R15邻近入河排污口，外源氮输入增加。
图8岷江上游沉积物微生物KEGG氮转化模块丰度（*表示P＜0.05）
Fig.8Abundance of KEGG modules of sediment microorganisms in the upper reaches of Minjiang River （* indicates P＜0.05）
3.2 沉积物关键潜在氮转化古菌及其对氮分布的影响
为进一步探究岷江上游沉积物微生物中参与氮转化作用的菌群驱动过程，本研究通过FAPROTAX功能预测筛选出潜在氮转化菌，将参与相同氮转化过程的属水平菌群集合，发现潜在氮转化微生物对地理距离变化的响应比非氮转化微生物更敏感，特别是古菌群落。随河流梯度的空间地理位置增加，氮转化菌群的相似性逐渐降低，在岷江上游具有显著的空间异质性，这可能导致不同区域的氮转化过程具有差异[23]。在此基础上，为探究氮转化菌对氮素迁移转化的影响，本研究分析了氮转化菌在不同区域的相对丰度差异以及功能模块丰度差异，并找出在不同区域具有显著影响的多级物种。本研究发现参与硝化过程的古菌是岷江上游的关键菌群，硝化模块丰度在4个主要氮转化过程中最高。受高海拔及沉积物碳氮组分影响，A段潜在硝化古菌群落与B段和C段具有显著差异，在参与该过程的高海拔段沉积物菌群中，Nitrososphaeracea科和Nitrososphaeracea属为主导硝化菌类群，同时目水平类群Nitrososphaerales也发挥了主要作用，这是一类氨氧化古菌（AOA）类群[24]。
图9岷江上游沉积物微生物LEfSe多级物种差异分析（LDA阈值＞3.5）
Fig.9LEfSe analysis of sediment microorganisms in the upper reaches of Minjiang River（LDA-value ＞ 3.5）
岷江上游沉积物中参与DNR和ANR过程的菌群主要为细菌，相比于海拔、气温等环境因子，细菌受到NH+4-N、NO-3-N和DOC因子的影响较大，在不同海拔河段参与氮还原过程的细菌群落没有显著差异性，但是古菌群落具有显著差异。其中，高海拔河段古菌DNR模块丰度显著高于较低海拔河段，同时本文发现岷江上游沉积物古菌群落受到氮组分（特别是NO-3-N）的影响较大。前人研究表明，硝酸盐异化还原成铵过程（DNRA）与反硝化过程存在对NO-3的资源竞争，其中异化型硝酸盐还原作用在低氧、高C/N比环境中更有优势[25-27]。因此，在DOC∶NO-3较高的A段，异化型硝酸盐还原功能占据的作用显著高于其他区域，在潜在氮还原古菌的作用下，高海拔河流沉积物NO-3将被不断消耗生成铵盐。相反，研究发现高海拔段古菌ANR模块丰度显著低于较低海拔段。由于ANR最终产物主要为氨基酸等被用于合成细胞内的蛋白质和其他含氮有机物，无法积累亚硝酸盐以及释放铵盐[28]，相比于低海拔河段，高海拔段的铵盐含量较高。
3.3 沉积物潜在氮转化细菌对氮分布的影响
岷江上游河流氮分布也受潜在氮转化细菌的一定影响。DNRA作为一种中间截留式过程，在氮氧化和氮还原间起着连接作用[29]，产生的NH+4为氨氧化反应提供了充足底物[30]，相比于硝酸盐，铵盐促进藻类生长的速率更高[31]，同时，B段的副球菌属显著影响氮还原过程，使该区域的NO-2-N含量显著增加。同前人研究所证实的一致[32]，本研究显示氮转化菌群同样受到人为筑坝的影响。在R8~R9河段，由于电子供体相对于硝酸盐未过量，C/N比较低，在对硝酸盐的竞争中，反硝化反应更易发生，假单胞菌属在C段区域与其他区域呈现显著差异，副球菌属的相对丰度较高，这是两类在好氧条件下适应生长的反硝化菌[33-34]，同时筑坝干扰了河流连续化，且呈由流动河流向沉积湖泊转变的趋势[35]，造成氮无机盐截留，为反硝化菌提供了适宜生长条件。此外，研究发现潜在反硝化菌在不同区域之间无明显差异，这可能是由于其在河流底泥的低氧条件下能大量生长[31]。岷江源至汶川地区河流流域植物丰富度逐渐增加[36]，梭状芽胞杆菌属与慢生根瘤菌属等关键菌属的分布丰度沿采样点梯度逐渐增加，但未在区域间表现出显著的差异性。
4 结论
1）岷江上游水体与沉积物的氮组分不同海拔梯度上呈现出不同的分布规律。高海拔河段（＞3000 m）的沉积物铵盐较高，沉积物硝酸盐较低；2000~3000 m海拔段水体亚硝酸盐与其他河段具有显著差异；受人为筑坝活动的影响，沉积物氮无机盐含量在筑坝点周围达到最高。
2）岷江上游沉积物细菌和古菌群落组成及其影响因子有所差异。细菌群落组成在海拔梯度上具有显著差异，高海拔河段的古菌群落组成与其他河段有显著差异。沉积物中的NH+4-N、NO-3-N、DOC等是影响沉积物细菌群落的主要环境因子，沉积物中的NO-3-N、DOC、SOC、海拔等是影响古菌群落的主要环境因子。
3）岷江上游高海拔河段的氮分布主要受到潜在沉积物氮转化古菌的驱动。潜在氮转化菌相似性呈显著距离衰减模式，潜在硝化古菌在岷江上游分布最多。在高海拔河段参与硝化过程和异化型硝酸盐还原过程的古菌群落显著高于较低海拔河段。其中，Nitrososphaerales目、Nitrososphaeracea科和Nitrososphaeracea属是参与硝化过程的关键古菌类群。此外，黄杆菌属是参与硝酸盐还原过程的主要细菌，梭状芽胞杆菌属和慢生根瘤菌属是参与固氮过程的主要细菌，黄色杆菌属、副球菌属和假单胞菌属是参与反硝化过程的主要细菌。
5 附录
附表Ⅰ和附表Ⅱ见电子版（DOI：10.18307/2025.0425）。
