河流生态系统受到人类活动的干扰日益加剧,例如河岸带森林植被常被开垦成农田和农业活动大量施用化肥等,此类人类活动导致了河流营养状态的变化,同时也会影响河流沉积物中的微生物生长和代谢。目前,汉江上游河流面临的主要问题是氮严重超标,而生物的反硝化作用是河流脱氮的最重要的有效途径之一,因此研究微生物的反硝化作用对于制定有效的河流管理方法至关重要。首先,我们选取汉江的一级支流金水河为研究对象,自上游到下游设立16个实验点,在一年四个季度中采集河流沉积物样品,利用乙炔抑制法对沉积物的反硝化活性进行定量研究,并利用高通量测序(MiSeq)技术研究各区域河流沉积物中nirS型反硝化细菌的群落结构变化。研究发现,金水河沉积物的反硝化活性夏季最高,最高点在金水镇处金水河汇入悍将的河口;冬季最低,最低点在女儿坝。空间尺度上,林区和集镇区的河流沉积物反硝化活性较高,农耕区较低。各区域河面的N2O气体释放情况较为一致,不具备显著的空间差异,但季节差异较为明显:在夏季的释放量最大,释放速率也最大,达到3.68 nmol/(L·h);冬季的释放量最小,释放速率也最小,为1.09nmol/(L·h)。在金水河河流沉积物中提取的nirS型反硝化细菌丰度最高的10个属之中,均属于变形菌门的细菌,优势菌属是变形菌门的脱氯单胞菌属(Dechloromonas)。金水河沉积物nirS型反硝化细菌的群落结构和物种丰度具有较为明显的时空差异:nirS型反硝化细菌总物种相对丰富分布在夏季最大,冬季最小;nirS型反硝化细菌物种种类在冬季最多,夏季最少。河流的沉积物nirS反硝化细菌的多样性和丰富性季节变化差异是:夏季>秋季>春季>冬季,中下游>上游。β多样性分析对比结果标明,土地利用类型的差异是造成金水河沉积物nirS型反硝化细菌差异的最主要因素,季节变化次之。同时我们在金水河上游核心保护区内选取6条溪流开展的野外控制实验中,利用缓释肥添加模拟农耕活动向河流中输入的氮磷营养物,遮盖河面来模拟金水河源头森林溪流的隐蔽状态,来研究河流沉积物中微生物的反硝化作用对河面遮光和营养添加的响应。其结果显示:营养添加增加了沉积物的反硝化活性,河面遮盖降低了沉积物的反硝化活性。营养添加和河面遮盖两种处理均能降低金水河上游区域优势菌属脱氯单胞菌属的相对丰度,同时也均会降低该区域nirS型反硝化菌群的物种多样性。本文初步研究了土地利用类型的变化对河流反硝化作用的影响,证实了河岸森林砍伐降低的森林郁闭度和施肥输入河流的营养荷载对河流沉积物反硝化活性的改变,并为提高河流的脱氮能力提供科学依据。