不同湿地植物脱氮效果与根际土壤微生物群落功能多样性特征分析
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１.济南市环境研究院ꎬ 山东 济南 ２５０１００
２.济南大学水利与环境学院ꎬ 山东 济南 ２５００２２
摘要: 为研究水平潜流型人工湿地中不同植物脱氮效果及对土壤微生物的影响ꎬ采集水样测定脱氮效率ꎬ采集芦苇根际土壤、香
蒲根际土壤和对照土壤( 不种植物) ꎬ利用 Ｂｉｏｌｏｇ 技术研究不同处理土壤微生物群落代谢功能多样性特征. 结果表明:①与对照
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ( Ｎｏ. ４１８０１０８９ꎬ ４１８７７４２４ ) ꎻ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｕｎｄａｔｉｏｎꎬ Ｃｈｉｎａ
( Ｎｏ.ＺＲ２０１７ＭＤ０２２)
[７]
研究表明ꎬ８８％ ~ ９６％的
硝态氮是通过微生物的反硝化过程去除的. ＨＵ 等
[８]
采用 Ｎ 同位素标记方法研究复合垂直流人工湿地
１５
( 基质) 系统中氮去除提供理论基础.
Hale Waihona Puke １ １ 供试水平潜流型人工湿地
供试水平潜流型人工湿地位于济南市长清区的
ＮＨ ４ 去除率ꎬ表明约 ７５ ２％ ~ ８５ ６％ 的 ＮＨ ４ 是通过
第 ３３ 卷 第 ６ 期
环 境 科 学 研 究
２０２０ 年 ６ 月
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏｌ.３３ꎬＮｏ.６
Ｊｕｎｅꎬ２０２０
不同湿地植物脱氮效果与根际土壤微生物群落
功能多样性特征分析
潘福霞１ ꎬ 来晓双２ ꎬ 李 欣１ ꎬ 赵玉强１ ꎬ 王树志２ ꎬ 王 惠２
ＰＡＮ Ｆｕｘｉａ １ ꎬ ＬＡＩ Ｘｉａｏｓｈｕａｎｇ ２ ꎬ ＬＩ Ｘｉｎ １ ꎬ ＺＨＡＯ Ｙｕｑｉａｎｇ １ ꎬ ＷＡＮＧ Ｓｈｕｚｈｉ ２ ꎬ ＷＡＮＧ Ｈｕｉ ２
１.Ｊｉｎａｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｊｉｎａｎ ２５０１００ꎬ Ｃｈｉｎａ
２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎꎬ Ｊｉｎａｎ ２５００２２ꎬ Ｃｈｉｎａ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ７％￣３３％ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｔｌａｎｄ ｗｉｔｈ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ. (２) Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ. Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ
群落功能多样性ꎬ而不同植物( 芦苇和香蒲) 对脱氮效率和根际土壤微生物群落组成的影响无显著差异ꎬ因此在种植植物时可根
据当地条件进行选择.
关键词: 湿地植物ꎻ 脱氮效率ꎻ 土壤微生物ꎻ 功能多样性
中图分类号: Ｘ７０３ 文章编号: １００１￣６９２９(２０２０)０６￣１４９７￣０７
文献标志码: Ａ
西区污水厂ꎬ共 ７ 个湿地单元ꎬ每个湿地单元长 ６ ｍꎬ
微生物在脱氮过程中居主导地位. 湿地植物发挥生
基质层厚度为 １ ０５ ｍꎬ基质层由上到下依次为土壤
＋
＋
硝化￣反硝化和厌氧氨氧化微生物转化去除的ꎬ可见
态效应的重要方面之一是植物根对微生物活性和群
落组成的影响ꎬ植物根际对微生物的影响主要表现在
２ 个方面:①为微生物提供能源物质ꎬ植物根系向土
研究表明ꎬ收割植物地上部分在人工湿地
样品ꎬ比较不同湿地植物根际效应对微生物活性的影
系统氮去除中并非重要措施ꎬ并且不同植物间差异较
响ꎬ以期 为 水 平 潜 流 型 人 工 湿 地 植 物￣微 生 物￣土 壤
发挥间接生态效应. ＬＩＮ 等
１ 材料与方法
林锋等
大ꎬ去除率范围为 ０ ３％ ~ １４ １％ꎬ湿地植物更多的是
相比ꎬ种植芦苇和香蒲可提高水平潜流型人工湿地 ７％ ~ ３３％的 ＮＨ３ ￣Ｎ 去除率. ②芦苇和香蒲根际土壤的碳源利用率增加ꎬ并显
著高于对照土壤ꎻ香蒲根际土壤的碳源利用率高于芦苇根际土壤. 芦苇和香蒲根际土壤微生物均对碳水化合物的相对利用率较
高( >４８ ０％) ꎬ对照土壤微生物对碳水化合物和聚合物的相对利用率均较高ꎬ分别为 ３４ ４％和 ３２ ７％. ③芦苇和香蒲根际土壤微
壤中释放大量糖类、醇类和酸类等分泌物ꎬ这些碳源
可促进微生物的生长繁殖ꎬ同时细根的腐解也向土壤
中补充了有机碳ꎬ为异养微生物提供能源ꎬ促进微生
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌａｎｔｓ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｏｗ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓꎬ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ. Ｔｈｅ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ( ＰＣＡ) ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ
ｓｏｉｌ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ
人工湿地是指由人工建造和控制运行的湿地系
性的影响是探究人工湿地脱氮机制的重要方面之一.
ꎬ与传统污水处
方法ꎬ能够摆脱传统分离纯菌的限制而获得微生物群
处理效果好等优点ꎬ被广泛用于处理农村生活污水、
３１ 种碳源ꎬ通过微生物对多种碳底物的不同利用差
统ꎬ通过植物￣微生物￣基质系统的物理、化学、生物协
同作用来实现对污水的高效净化
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ３４ ４％ ａｎｄ ３２ ７％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. ( ３) Ｔｈｅ ｒｉｃｈｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘꎬ Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｄｅｘꎬ ａｎｄ Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ ｅｖｅｎｎｅｓｓ
ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ. ( ４) Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
生物的丰富度指数、Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ 多样性指数和 Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ 均匀度指数均显著高于对照土壤. ④主成分分析( ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓꎬＰＣＡ) 结果表明ꎬ芦苇和香蒲根际土壤微生物与对照土壤微生物对碳源的利用特征均存在显著差异ꎬ而不同植
物对土壤微生物碳源利用多样性的影响较小. 研究显示ꎬ种植植物可改善水平潜流型人工湿地的脱氮效率ꎬ增加根际土壤微生物
ｃａｔｔａｉｌ ｗａｓ ｓｍａｌｌ. Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎꎬ ｐｌａｎｔ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓ ａｎｄ
ｉｎｃｒｅａｓｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ. Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｉｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ
ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ４８ ０％. Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ｈａｄ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ａｎｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ
ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ ( ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｌａｎｔ) ꎬ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ( Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ ｃｏｍｍｕｎｉｓ) ａｎｄ
ｃａｔｔａｉｌ ( Ｔｙｐｈａｅ ｌａｔｉｆｏｌｉａ) ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｂｉｏｌｏｇ ｍｅｔｈｏｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ: ( １) Ｔｈｅ ＮＨ３ ￣Ｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ
是威胁水环境安全的重要因子ꎬ因此对人工湿地脱氮
蒲抗寒能力强ꎬ为多年生植物ꎬ易于管理、较易成活、
效果的研究尤为重要. 湿地植物可直接吸收利用水
成本低ꎬ在北方湿地中应用较广. 该研究以芦苇和香
体中的氮素ꎬ通过收割可将其从湿地中去除
[６]
[５]
. 但李
养护管理要求低、对环境友好的植物种类. 北方地区
蒲为研究对象ꎬ在水平潜流型人工湿地原位采集土壤
[１]
理方法相比ꎬ人工湿地具有建设费用低、运行费用低、
污水厂尾水以及微污染的河水
[２￣３]
.
２０１７ 年全国环境统计公报数据显示ꎬ我国工业
Ｂｉｏｌｏｇ 法是研究微生物代谢功能多样性的有效
落总体活性与代谢功能的信息 [１５] . Ｂｉｏｌｏｇ 生态板有
异来反映微生物群落生理特征的变化ꎬ是描述微生物
群落总体活性与代谢功能多样性的一种简单、快速的
１ ４９ ８
环 境 科 学 研 究
第 ３３ 卷
ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ. Ｔｈｕｓꎬ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｗｅｔｌａｎｄ ｐｌａｎｔｓꎻ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍꎻ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ
源氨氮、农 业 源 氨 氮、 城 镇 生 活 氨 氮 排 放 量 分 别 为
２１ ７ × １０ ４ 、７２ ６ × １０ ４ 、１３４ １ × １０ ４ ｔ [４] ꎬ氮是主要的富营
方法 [１６] . 湿地植物种类众多ꎬ应优先选择乡土植物、
养化元素之一ꎬ并且以多种形态存在于水体环境中ꎬ
冬季寒冷ꎬ在植物选择上需考虑其耐寒性ꎬ芦苇和香
ＤＯＩ: １０ １３１９８∕ｊ ｉｓｓｎ １００１￣６９２９ ２０１９ １０ １２
Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ Ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ Ｓｏｉｌ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ
Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐｌａｎｔｓ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｗｅｔｌａｎｄｓ
收稿日期: ２０１９￣０４￣２８ 修订日期: ２０１９￣０９￣２８
作者简介: 潘福霞(１９８５￣) ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ工程师ꎬ博士ꎬ主要从事人工湿地脱氮研究ꎬｐａｎｆｕｘｉａ＠ ｊｎｅｐ.ｃｎ.
基金项目: 国家自然科学基金项目( Ｎｏ.４１８０１０８９ꎬ４１８７７４２４) ꎻ 山东省自然科学基金项目( Ｎｏ.ＺＲ２０１７ＭＤ０２２)
２.济南大学水利与环境学院ꎬ 山东 济南 ２５００２２
摘要: 为研究水平潜流型人工湿地中不同植物脱氮效果及对土壤微生物的影响ꎬ采集水样测定脱氮效率ꎬ采集芦苇根际土壤、香
蒲根际土壤和对照土壤( 不种植物) ꎬ利用 Ｂｉｏｌｏｇ 技术研究不同处理土壤微生物群落代谢功能多样性特征. 结果表明:①与对照
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ( Ｎｏ. ４１８０１０８９ꎬ ４１８７７４２４ ) ꎻ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｕｎｄａｔｉｏｎꎬ Ｃｈｉｎａ
( Ｎｏ.ＺＲ２０１７ＭＤ０２２)
[７]
研究表明ꎬ８８％ ~ ９６％的
硝态氮是通过微生物的反硝化过程去除的. ＨＵ 等
[８]
采用 Ｎ 同位素标记方法研究复合垂直流人工湿地
１５
( 基质) 系统中氮去除提供理论基础.
Hale Waihona Puke １ １ 供试水平潜流型人工湿地
供试水平潜流型人工湿地位于济南市长清区的
ＮＨ ４ 去除率ꎬ表明约 ７５ ２％ ~ ８５ ６％ 的 ＮＨ ４ 是通过
第 ３３ 卷 第 ６ 期
环 境 科 学 研 究
２０２０ 年 ６ 月
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏｌ.３３ꎬＮｏ.６
Ｊｕｎｅꎬ２０２０
不同湿地植物脱氮效果与根际土壤微生物群落
功能多样性特征分析
潘福霞１ ꎬ 来晓双２ ꎬ 李 欣１ ꎬ 赵玉强１ ꎬ 王树志２ ꎬ 王 惠２
ＰＡＮ Ｆｕｘｉａ １ ꎬ ＬＡＩ Ｘｉａｏｓｈｕａｎｇ ２ ꎬ ＬＩ Ｘｉｎ １ ꎬ ＺＨＡＯ Ｙｕｑｉａｎｇ １ ꎬ ＷＡＮＧ Ｓｈｕｚｈｉ ２ ꎬ ＷＡＮＧ Ｈｕｉ ２
１.Ｊｉｎａｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｊｉｎａｎ ２５０１００ꎬ Ｃｈｉｎａ
２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎꎬ Ｊｉｎａｎ ２５００２２ꎬ Ｃｈｉｎａ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ７％￣３３％ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｔｌａｎｄ ｗｉｔｈ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ. (２) Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ. Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ
群落功能多样性ꎬ而不同植物( 芦苇和香蒲) 对脱氮效率和根际土壤微生物群落组成的影响无显著差异ꎬ因此在种植植物时可根
据当地条件进行选择.
关键词: 湿地植物ꎻ 脱氮效率ꎻ 土壤微生物ꎻ 功能多样性
中图分类号: Ｘ７０３ 文章编号: １００１￣６９２９(２０２０)０６￣１４９７￣０７
文献标志码: Ａ
西区污水厂ꎬ共 ７ 个湿地单元ꎬ每个湿地单元长 ６ ｍꎬ
微生物在脱氮过程中居主导地位. 湿地植物发挥生
基质层厚度为 １ ０５ ｍꎬ基质层由上到下依次为土壤
＋
＋
硝化￣反硝化和厌氧氨氧化微生物转化去除的ꎬ可见
态效应的重要方面之一是植物根对微生物活性和群
落组成的影响ꎬ植物根际对微生物的影响主要表现在
２ 个方面:①为微生物提供能源物质ꎬ植物根系向土
研究表明ꎬ收割植物地上部分在人工湿地
样品ꎬ比较不同湿地植物根际效应对微生物活性的影
系统氮去除中并非重要措施ꎬ并且不同植物间差异较
响ꎬ以期 为 水 平 潜 流 型 人 工 湿 地 植 物￣微 生 物￣土 壤
发挥间接生态效应. ＬＩＮ 等
１ 材料与方法
林锋等
大ꎬ去除率范围为 ０ ３％ ~ １４ １％ꎬ湿地植物更多的是
相比ꎬ种植芦苇和香蒲可提高水平潜流型人工湿地 ７％ ~ ３３％的 ＮＨ３ ￣Ｎ 去除率. ②芦苇和香蒲根际土壤的碳源利用率增加ꎬ并显
著高于对照土壤ꎻ香蒲根际土壤的碳源利用率高于芦苇根际土壤. 芦苇和香蒲根际土壤微生物均对碳水化合物的相对利用率较
高( >４８ ０％) ꎬ对照土壤微生物对碳水化合物和聚合物的相对利用率均较高ꎬ分别为 ３４ ４％和 ３２ ７％. ③芦苇和香蒲根际土壤微
壤中释放大量糖类、醇类和酸类等分泌物ꎬ这些碳源
可促进微生物的生长繁殖ꎬ同时细根的腐解也向土壤
中补充了有机碳ꎬ为异养微生物提供能源ꎬ促进微生
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌａｎｔｓ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｏｗ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓꎬ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ. Ｔｈｅ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ( ＰＣＡ) ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ
ｓｏｉｌ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ
人工湿地是指由人工建造和控制运行的湿地系
性的影响是探究人工湿地脱氮机制的重要方面之一.
ꎬ与传统污水处
方法ꎬ能够摆脱传统分离纯菌的限制而获得微生物群
处理效果好等优点ꎬ被广泛用于处理农村生活污水、
３１ 种碳源ꎬ通过微生物对多种碳底物的不同利用差
统ꎬ通过植物￣微生物￣基质系统的物理、化学、生物协
同作用来实现对污水的高效净化
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ３４ ４％ ａｎｄ ３２ ７％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. ( ３) Ｔｈｅ ｒｉｃｈｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘꎬ Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｄｅｘꎬ ａｎｄ Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ ｅｖｅｎｎｅｓｓ
ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ. ( ４) Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
生物的丰富度指数、Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ 多样性指数和 Ｓｈａｎｎｏｎ￣Ｗｉｅｎｅｒ 均匀度指数均显著高于对照土壤. ④主成分分析( ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓꎬＰＣＡ) 结果表明ꎬ芦苇和香蒲根际土壤微生物与对照土壤微生物对碳源的利用特征均存在显著差异ꎬ而不同植
物对土壤微生物碳源利用多样性的影响较小. 研究显示ꎬ种植植物可改善水平潜流型人工湿地的脱氮效率ꎬ增加根际土壤微生物
ｃａｔｔａｉｌ ｗａｓ ｓｍａｌｌ. Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎꎬ ｐｌａｎｔ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓ ａｎｄ
ｉｎｃｒｅａｓｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ. Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｉｎ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ
ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ４８ ０％. Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ｈａｄ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ａｎｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ
ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｉｌ ( ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｌａｎｔ) ꎬ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌ ｏｆ ｒｅｅｄ ( Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ ｃｏｍｍｕｎｉｓ) ａｎｄ
ｃａｔｔａｉｌ ( Ｔｙｐｈａｅ ｌａｔｉｆｏｌｉａ) ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｂｉｏｌｏｇ ｍｅｔｈｏｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ: ( １) Ｔｈｅ ＮＨ３ ￣Ｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ
是威胁水环境安全的重要因子ꎬ因此对人工湿地脱氮
蒲抗寒能力强ꎬ为多年生植物ꎬ易于管理、较易成活、
效果的研究尤为重要. 湿地植物可直接吸收利用水
成本低ꎬ在北方湿地中应用较广. 该研究以芦苇和香
体中的氮素ꎬ通过收割可将其从湿地中去除
[６]
[５]
. 但李
养护管理要求低、对环境友好的植物种类. 北方地区
蒲为研究对象ꎬ在水平潜流型人工湿地原位采集土壤
[１]
理方法相比ꎬ人工湿地具有建设费用低、运行费用低、
污水厂尾水以及微污染的河水
[２￣３]
.
２０１７ 年全国环境统计公报数据显示ꎬ我国工业
Ｂｉｏｌｏｇ 法是研究微生物代谢功能多样性的有效
落总体活性与代谢功能的信息 [１５] . Ｂｉｏｌｏｇ 生态板有
异来反映微生物群落生理特征的变化ꎬ是描述微生物
群落总体活性与代谢功能多样性的一种简单、快速的
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环 境 科 学 研 究
第 ３３ 卷
ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｓｏｉｌｓ ｏｆ ｒｅｅｄ ａｎｄ ｃａｔｔａｉｌ. Ｔｈｕｓꎬ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｗｅｔｌａｎｄ ｐｌａｎｔｓꎻ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍꎻ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ
源氨氮、农 业 源 氨 氮、 城 镇 生 活 氨 氮 排 放 量 分 别 为
２１ ７ × １０ ４ 、７２ ６ × １０ ４ 、１３４ １ × １０ ４ ｔ [４] ꎬ氮是主要的富营
方法 [１６] . 湿地植物种类众多ꎬ应优先选择乡土植物、
养化元素之一ꎬ并且以多种形态存在于水体环境中ꎬ
冬季寒冷ꎬ在植物选择上需考虑其耐寒性ꎬ芦苇和香
ＤＯＩ: １０ １３１９８∕ｊ ｉｓｓｎ １００１￣６９２９ ２０１９ １０ １２
Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ Ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ Ｓｏｉｌ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ
Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐｌａｎｔｓ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｗｅｔｌａｎｄｓ
收稿日期: ２０１９￣０４￣２８ 修订日期: ２０１９￣０９￣２８
作者简介: 潘福霞(１９８５￣) ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ工程师ꎬ博士ꎬ主要从事人工湿地脱氮研究ꎬｐａｎｆｕｘｉａ＠ ｊｎｅｐ.ｃｎ.
基金项目: 国家自然科学基金项目( Ｎｏ.４１８０１０８９ꎬ４１８７７４２４) ꎻ 山东省自然科学基金项目( Ｎｏ.ＺＲ２０１７ＭＤ０２２)