社科在线生态环境部南京环境科学研究所 汪龙眠
我国干旱半干旱区约占国土面积的47%，既是全球变化的敏感区域，也是国家重要的生态安全屏障。该区域的生态安全与可持续发展，直接影响国家战略大局。其中，河湖湿地作为干旱半干旱区最为宝贵的水资源环境系统，在维持区域生态平衡、支撑生物多样性、涵养水源等方面发挥着不可替代的作用。然而，受干旱半干旱区特殊自然环境条件的制约，在全球变暖与人类活动叠加影响下，我国干旱半干旱区域河湖湿地等水体正面临日益严峻的挑战。
宁夏沙湖湿地
我们团队长期聚焦清水河、沙湖等典型干旱半干旱区河湖，围绕多水期氮素赋存形态、微生物功能基因、溶解性有机质组成以及盐度的调控作用等开展研究，综合运用水环境调查、功能基因分析、同位素技术和室内模拟实验，寻找水期改变、盐度及氟离子浓度波动等环境条件变化下河湖湿地中氮污染物迁移转化的微生物机制，相关研究为认识干旱半干旱区河湖氮循环提供了新的科学依据，也为流域复合污染治理和水生态环境精细化管理奠定了基础。
全球干旱半干旱区域生态脆弱性增强
全球干旱半干旱区覆盖陆地面积近一半，支撑着约28%人口的生存与发展，其生态稳定性对全球可持续发展具有举足轻重的影响。
然而，在全球变化强烈干扰的背景下，干旱半干旱区生态环境的脆弱性显著增强。气候变化导致极端水文事件频发，暴雨强度逐年攀升，而干旱持续期亦不断拉长，这种水文极性的双向增强直接改变了流域水沙通量与营养盐输移规律。
与此同时，人类活动通过水利工程建设、农业集约化经营与城市扩张等途径，深刻重塑了流域物质循环路径，显著改变了氮的生物地球化学平衡。
上述自然与人为因素的叠加，使得环境问题日益突出，表现为生物多样性锐减、土地荒漠化与盐渍化加剧、污染范围与程度扩大等，严重制约着自然生态系统的健康维持与社会经济系统的可持续发展。
寻找氮迁移转化规律是精准治理之本
氮是维持生命活动和生态系统生产力不可缺少的营养元素，但当过量氮进入河流、湖泊等水体后，也可能引发富营养化、藻类异常增殖、溶解氧下降以及水生态系统结构失衡。部分含氮物质还可能在迁移转化过程中形成氧化亚氮等温室气体，进而影响区域碳氮循环和全球气候变化。
河湖湿地中的氮主要来自工业和城镇生活污水等点源，以及农业施肥、畜禽养殖、土壤侵蚀和大气沉降等非点源。进入河湖后，氮并不会以单一形态长期存在，而是在水体、悬浮颗粒物、沉积物和生物体之间不断迁移，并在微生物作用下发生硝化、反硝化、异化硝酸盐还原成铵、同化硝酸盐还原等过程。这些过程共同决定了氮是以硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐等形态留在水体中，进入生物体，埋藏于沉积物，还是最终转化为氮气并从水环境中去除。
因此，识别河湖湿地中氮的来源，揭示其迁移转化规律，并据此开展精准治理，是流域水生态环境保护中的重要科技问题。
我国相关研究现短板导致治理遇难题
受干旱半干旱区特殊自然环境条件的制约，在全球变暖与人类活动叠加影响下，这些区域河湖湿地等水体正面临重大挑战。具体而言：气候变化引起降水格局异变与蒸发加剧，导致流域水沙耦合关系失衡；地下水补给率下降与地表蒸发激增形成协同效应，造成区域水通量分配失衡；水土流失面积扩大与地下水超采现象呈现加速态势，进而诱发盐渍化与荒漠化的连锁反应。同时，人类活动的强烈干扰使得水资源供需缺口持续扩大，水污染程度进一步加剧，水生态环境中潜藏的重要隐患不断累积，严重威胁着生态健康与人居安全。
气候变化和人类活动导致的水文节律变化、高盐高氟、碳污染物组成变化等都会影响干旱半干旱区河湖湿地的氮污染物转化，但是当前研究对相关作用机制的研究尚存在短板，进而导致氮污染物的季节波动大、治理措施针对性不足等难题。
例如，如果忽略水期、盐度、氟离子浓度等的差异，采用统一的污染控制方式，可能难以获得稳定效果。只有确定不同环境条件变化下氮污染物迁移转化的关键微生物过程和限制因素，才能实现从“浓度达标管理”向“过程调控和负荷削减”转变。
我们的研究系统揭示氮转化过程规律
我们的研究系统揭示了干旱半干旱区河湖湿地微生物氮转化过程对多重环境条件变化的适应策略与响应规律。我们发现，在盐度持续升高的清水河湿地中，微生物通过功能基因丰度的重构实现了代谢途径的转换：固氮基因受到显著抑制，而反硝化基因相对维持较高水平，推动氮的去除模式由铵态氮滞留向氮气释放转型。
这一发现改变了以往对干旱区河流氮循环路径的单一认识，揭示了盐度梯度下微生物群落功能可塑性的生态学意义。同时，发现携带氮转化基因的细菌的相对丰度总体表现为丰水期最低而枯水期最高，在不同水期中差异显著，其中硫酸根离子是反硝化等微生物群落的最强预测因子。
现有的化学计量模型表明低碳氮比会抑制反硝化作用，但我们的研究结果显示，低碳氮比情况下清水河反硝化基因的中位丰度最高，同位素分析也证实低碳氮比情况下反硝化是主要过程，增强的反硝化作用与溶解性有机质中较高比例富里酸有关，富含富里酸的溶解性有机质即使在低碳氮比条件下也能作为高效的碳源，增强硝酸盐还原酶和一氧化氮还原酶活性。
这些发现从微观生态学角度解释了干旱半干旱区河湖湿地自净能力的限值所在，为突破当前水质改善的瓶颈提供了新的理论视角。相关成果发表在Water Research、Environmental Science & Technology、Eco-Environment & Health等期刊上，其中2篇论文入选ESI高被引及热点论文，同时发布团体标准3项，针对受损流域生态保护修复的政策建议获时任宁夏回族自治区政府副主席批示，针对入黄排水沟综合治理的政策建议获生态环境部政务系统采纳。
宁夏湖泊湿地采样
我们的研究成果已逐步转化为可操作的生态治理方案，形成了集“耐盐低温复合流人工湿地技术-基于营养物和毒性共削减的高效治理技术-抗水量波动的降盐净污生态拦截技术-高盐碱下的抗生素和抗性基因协同去除技术”于一体的技术体系，并基于机制研究设计分时段、分区域差异化控制方案，服务于流域氮污染精准溯源、总量控制和水质达标管理，并在典型河湖湿地得到了初步应用，有力支撑“十四五”以来的“三水统筹”协同治理任务和“黄河流域生态保护和高质量发展战略”、“美丽中国建设”等国家重大战略和工程。宁夏清水河三营国控断面在技术应用后稳定达到地表水Ⅳ类，获宁夏回族自治区生态环境厅书面认可；宁夏沙湖水质稳定达到地表水Ⅲ类标准，入选生态环境部首批美丽河湖案例。为干旱半干旱区湿地水环境的长效治理提供了可复制、可推广的技术样板。
作者简介：汪龙眠，现为生态环境部南京环境科学研究所研究员，河海大学、南京信息工程大学博士生导师，南京大学、复旦大学硕士生导师，国家环境保护专业技术青年拔尖人才，首届中国环境科学学会优秀青年科学家，江苏省“333”高层次人才，北京市国际生态经济学会常务理事，中国环境科学学会生态环境修复专业委员会第一届委员会委员，江苏省海洋湖沼学会理事，国际水协（IWA）中国青年委员，Eco-Environment & Health期刊青年编委。长期从事流域水污染控制与生态保护修复研究，先后主持国家自然科学基金、国家科技重大专项课题、省（区）重点研发项目、黄河流域生态保护和高质量发展联合研究城市驻点科技帮扶任务等各类科研项目15余项。发表SCI论文50余篇，授权发明专利20余项，研究成果获宁夏科学技术合作奖、环境保护科学技术奖科技进步二等奖、长江科学技术奖科技进步二等奖等省部级奖励9项。
