湖泊—地下水系统是陆地水循环和流域物质迁移转化的重要组成部分，在维持湿地生态功能、保障地下水资源安全和调控氮素生物地球化学循环方面发挥关键作用。受季节性降水、湖泊水位涨落及地下水补排关系变化影响，湖泊周边含水层往往具有显著的水文连通性差异和水化学时空异质性。特别是在低渗透含水层中，水流更新缓慢、物质交换受限，易形成还原环境并导致铵态氮、铁和有机质等物质累积。然而，地下水微生物群落如何响应不同水文连通性和含水层渗透性条件，并进一步影响氮转化过程，目前仍缺乏系统认识。

针对这一科学问题，我校水资源与环境学院乔志远博士生等在盛益之教授和王广才教授指导下，以我国最大淡水湖鄱阳湖周边湖泊—地下水系统为研究对象，围绕不同含水层渗透性和季节性水文变化对地下水微生物群落及氮循环过程的影响开展系统研究。研究团队采集了枯水期和丰水期地下水样品，综合运用水化学分析、微生物高通量测序、功能预测、群落组装模型及微生物源解析等方法，揭示了湖泊—地下水系统中水文连通性、含水层渗透性、微生物群落演替与氮转化潜力之间的耦合关系。

研究发现，鄱阳湖周边地下水系统具有显著的空间和季节差异。赣江三角洲低渗透含水层作为典型的地下水排泄区，表现出较高的NH？？-N、Fe2？和总有机碳含量，以及较低的氧化还原电位，指示其长期处于相对还原的水化学环境。与水力连通性较强的其他含水层相比，该区域水化学组成的季节变化相对较弱，说明低渗透性和黏土层覆盖对外部补给和溶质交换具有明显缓冲作用。

值得注意的是，尽管低渗透含水层水化学条件相对稳定，其微生物群落却表现出更强的枯水期—丰水期变化。丰水期水位上升和湖泊—地下水交换增强后，微生物群落结构发生明显重组，表明微生物对微弱水文扰动具有较高敏感性。该结果说明，在湖泊—地下水系统中，微生物群落变化并不完全受静态水化学指标控制，水流路径、补给强度和含水层渗透性等水文过程同样是驱动地下微生物生态演替的重要因素。

氮循环功能预测结果表明，固氮和反硝化是研究区地下水微生物介导氮循环的主要潜在过程，但二者具有明显的季节性差异。在赣江三角洲低渗透含水层中，由枯水期到丰水期，反硝化功能潜力下降，而固氮功能潜力增强；这一变化与Acinetobacter、Pseudomonas等反硝化相关类群丰度下降，以及部分适应氧化还原波动的微生物类群增加相一致。研究表明，丰水期水文连通增强可能改变地下水氧化还原环境和碳氮供给条件，进而推动微生物氮利用策略发生转变。

进一步的群落组装分析显示，研究区地下水微生物群落主要受随机过程控制，其中生态漂变在低渗透含水层中尤为突出。这一结果表明，在地下水流动受限、扩散过程较弱的含水层中，微生物群落演替并非完全由局部水化学环境筛选决定，而是受到水文连通性、补给滞后和微生物扩散限制等过程共同影响。微生物源解析结果进一步显示，赣江三角洲地下水微生物群落主要与上游地下水来源相关，并可能受到湖泊—地下水交换的持续影响，说明低渗透含水层中存在一定的“水文记忆”效应。

该研究提出，湖泊—地下水系统中微生物群落组装和氮转化过程受到含水层渗透性与季节性水文连通性的共同调控。低渗透含水层虽然在水化学上表现出较强缓冲性，但其微生物群落对季节性补给变化具有较高敏感性，并可能通过改变固氮、反硝化等功能过程影响地下水氮素赋存形态和水质演化。研究结果突破了以往仅从水化学指标解释地下水氮循环的认识，强调了水文过程在地下微生物生态和氮转化调控中的核心作用。

本研究为理解大型湖泊—地下水系统中水文过程、含水层结构与微生物氮循环之间的耦合机制提供了新的证据，也为鄱阳湖等季节性湖泊湿地的地下水污染防控、氮素迁移风险评估和生态水文管理提供了科学依据。研究表明，在未来地下水水质监测与污染治理中，应充分考虑季节性补给、水文滞后效应和含水层渗透性差异对微生物过程的影响，从而更准确评估湖泊—地下水系统的氮素转化能力和生态缓冲功能。

图1 不同含水层地下水理化性质的空间和季节变化

图2 枯水期与丰水期地下水微生物群落结构差异

图3 地下水微生物介导氮循环功能潜力的时空变化

图4 地下水微生物群落组装过程及微生物源解析结果

本研究受国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金资助。相关成果以“Hydrological Connectivity and Aquifer Permeability Regulate Microbial Assembly and Nitrogen Transformations in a Lake-Groundwater System”为题发表在《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》。乔志远博士生为论文第一作者，盛益之教授和王广才教授为通讯作者。

Qiao, Z., Sheng, Y., Wang, G., Liao, F., Mao, H., Zhang, H., et al. (2026). Hydrological connectivity and aquifer permeability regulate microbial assembly and nitrogen transformations in a lake-groundwater system. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 131, e2026JG009807.

全文链接https://doi.org/10.1029/2026JG009807