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1、滨岸带植被去氮作用机理研究综述李庆南，何萍 资助项目：国家重大水专项河流主题“北运河水系中游段生态治理关键技术与示范”课题，课题编号：2009ZX07209-005* 博士，从事水生态恢复研究。Email: 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院，北京，100012摘要：滨岸带植被不仅能够保持水土的稳定性，同时在去除河流氮污染物方面发挥着巨大的作用，滨岸带植被主要通过植物根系吸收、硝化作用、反硝化作用对氮进行去除，植物吸收把氮的存在形态进行了转化，再通过硝化、反硝化作用去除水中的硝酸盐，其中反硝化起着关键作用。本文综述了目前反硝化的研究方法，并对各个方法优缺点进行了比
2、较。关键词：滨岸带植被；硝化作用；反硝化作用Review on Mechanism for Removal of Nitrogen Pollutants by Riparian VegetationLI Qingnan, HE PingState Environmental Protection KeyLaboratory of Regional Eco-process and Function Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing, 100012Abstract: Riparian ve
3、getation can not only maintain the stability of soil and water, but play a huge role in the removal of nitrogen pollutants, mainly through root absorption, nitrification, denitrification. Root absorption by plants change the form of nitrogen, and then nitrate in water is removed through nitrificatio
4、n and denitrification, which plays a key role. Current research methods on denitrification are reviewed and the advantages and disadvantages of them are compared.Key words: riparian vegetation, nitrification, denitrification引言：滨岸带是指水陆转换区，是与永久水体或间歇水体（河流、溪流、湖泊或排水渠）毗邻的、受地表和地下水水文特征影响的植物群落（Fisher, R.A.20
5、00）。滨岸带虽然面积比例小，但滨岸带具有减少污染物进入水体（黄凯等，2007;张建春2003）、提供野生动植物生境（Mander et al.,1997；kinley et al,1997;Brian,1998）、调节河流小气候（jean,2000;Dosskey et al.,2002）、固定河岸(Zierholz et al.,2001)、增加生物多样性等诸多生态功能（夏继红等，2004；王良民等，2008;蔡婧,2008 ；Corbacho et al., 2003; Hooke, 2006; von Schiller et al., 2008）。大量的研究表明，滨岸带能够通过截流、过
6、滤等物理过程以及硝化、反硝化作用等化学过程削减陆源污染物(Narumalani ,1997;Dillaha，T.A.，1989;Daniels，R.B.，1996;Young，R.A.,1980)。美国制定了“河岸植被缓冲带区划标准” (USDA Forest Service.1991)。该标准用来防止农业污水污染，它普遍适用于与坡地农田、草地或牧场相邻的河溪、湖泊水塘、洪泛区、水湿地、喀斯特落水洞和其它较少地下水排放区的河岸区域。现在，滨岸缓冲带在欧美等河岸带研究和管理水平较高的国家已经是一个常用的概念(Stone，E.L.，1991;JacksonR.B.，1996;Vought L，19
7、95;LeeK.H.，2003)。滨岸带的宽度和坡度与污染物去除效率之间存在着一定的关系(Aguiar and Ferreira, 2005; Allan, 2004; Ferreira et al., 2005),，Christopher（2003）从大量滨岸带的宽度效应研究中，总结出控制侵蚀和去除沉积物，一般有效宽度范围是8-183m，建议最小宽度为30m，能够去除80%的沉积物。非点源污染物去除有效宽度范围4-262m，建议最小宽度30m，能够去除80%的氮磷。Arora(1996)等发现坡度为3%的20m的缓冲区可滞留暴雨径流中8%100%的除草剂(潘响亮等，2003)。滨岸带有着完整
8、的生态结构组成，绝大部分研究通常把滨岸带植被和滨岸带土壤作为一个整体，进行综合分析研究，并不有意区分土壤和植物分别起到什么作用，但是对于滨岸带植被修复工程，植物物种的选择以及经营管理重点的确定，都需要了解土壤和植被的贡献份额。本文从这一目的出发，综述了滨岸带植物的除氮作用原理、实验方法以及主要进展和主要结论，分析研究面临的挑战，以期对相关研究提供借鉴。1滨岸带植被去氮作用滨岸带植被去氮作用主要通过吸收、硝化、反硝化过程。其中植物吸收和反硝化作用被认为是河岸缓冲带去氮最重要的过程(Johnston, 1991)。Verchot（1997）和Schade（2001）对河岸区氮的去除率实验研究表明，
9、反硝化作用要比植物吸收去除氮的作用更为重要。1.1滨岸带植被根吸收去氮作用植物吸收是去除氮素的主要机制之一（Lowrance, R，1997）。滨岸带植被固氮主要通过其根系对氮素的吸收。植物的根系吸收水流中的氮素,使氮素在非木质生物量中短期积累和在木质生物量中长期积累（Robert JM，1997）。滨岸带植被通过对河水过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等方式，对河流中的氮素进行转化吸收，来减少河流中氮的含量。滨岸带植被通过植物根系吸收，对氮去除有着明显的作用，靖元孝等(靖元孝等，2002)对风车草(Cyerusalternifolius)净化生活污水的实验表明，种植风车草的潜流型人工湿地对总氮的去
10、除率为64%，与不种植物的人工湿地相比去除率提高了28%，且每克干重风车草能净吸收污水中的氮2.25mg。Chris等(1996)通过对潜流湿地系统中芦苇、香蒲的收割实验发现，每克干重芦苇、香蒲能净吸收污水中的氮15-32mg （Chris C，1996）。高吉喜等（高吉喜等，1997）在水生植物对面源污水净化效率研究中发现，水生植物慈茹13天的累积净化率达到了78.4%,茭白和水花生两者净化率也分别达到76.3%和74.5%。根尖是整个根部氮素吸收和分泌最活跃的部位,距离根尖越远的部位,根组织的年龄越大,对氮素的吸收越少（Colmer T D，1998）。滨岸带植被对土壤中无机氮的吸收主要是
11、以铵态氮和硝态氮的形式，被吸收到体内的铵态氮通过NH4+与H+的反向运输和NH4+脱质子化后以铵态氮的形式透过质膜被吸收。滨岸带植被对NH4+通过低亲和非饱和(LATS)吸收和高亲和饱和吸收(HATS)（ Ullrich W R，1984），铵态氮通过直接与光合作用产物有机酸相结合,形成氨基酸,进而形成其他含氮素有机物。而硝态氮吸收是一个主动吸收的过程,即NO3-是逆化学势梯度进入根的表皮和皮层细胞的（Glass A D，1992）。在植物体内被还原成铵态氮后才能被利用。滨岸带植被对土壤中有机氮的吸收主要是通过氨基酸的形式。随着生物技术手段的进步和研究的深入,越来越多的证据表明植物对有机氮能够
12、进行吸收。黄维南和孙惠珍（1965）研究了植物离体根在无菌培养条件下对无机氮和5种氨基酸的吸收和利用的情况。管康林等（1965）研究了水稻种子萌发和幼苗生长过程中的氨基酸代谢。这些研究结果表明有机氮主要以氨基酸的形式被吸收进入植物体内并在植物体内运输的（吴良欢，2000）。张夫道和孙羲（1984）用无菌培养液进行研究,发现水稻根表面无谷草转氨酶的活性,认为氨基酸在进入水稻前没有发生酶解作用,氨基酸是以分子状态进入稻株体内的。如果不对滨岸带植被进行采集收割，随着滨岸带植被的死亡，氮又重新回到河流和滨岸带，虽然滨岸带植被通过植物根系吸收作用没有真正意义上对氮去除，但滨岸带植被有效的把氮的形式进行了
13、转化，改变了氮素存在形态，有利于后续土壤微生物硝化和反硝化作用的进行。1.2滨岸带植被对氮的硝化作用硝化作用是在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下，铵态氮被氧化成硝酸的过程。硝化作用需要在有氧的情况下进行。滨岸带植被根部与毛细水相连，常处于缺氧条件，硝化作用受到一定抑制。如长期淹水条件下的稻田，土壤硝化作用被强烈抑制,使得水稻田氮素形态以铵态氮为主（Rubinigg M,2002；AurelioM B J，2003）。但一些滨岸带植被可以通过颈部和根部的通气组织将氧气从地上部向根部运输氧气，并将其中一部分氧气释放到根际土壤中（Arm strong W,1971；Justin SH FW，1981;
14、Blom CW PM,1996 ;renzelP,1992）把铵态氮转化成硝酸盐。滨岸带植被同时又为硝化作用过程中亚硝化细菌和硝化细菌提供丰富的有机碳和适宜反应场所。1.3滨岸带植被对氮反硝化作用反硝化作用(denitrification)的概念是由Gayon与Dupetit于1882年提出。反硝化作用是指活跃的反硝化细菌在硝态氮和有机碳充足的厌氧状况下,将硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮(氮气和氧化二氮)的作用过程。从而去除介质中的硝酸盐。反硝化作用将氮素转化成气态氮,从缓冲区中永久去除,是目前最佳的氮素去除途径（Alain, K. 2009；Green, S.J.2010）。近些年反硝化作用成
15、为国内外学者研究的热点（Chapuis-Lardy, L，2007），滨岸带缓冲区氮素截留机理的研究主要集中在反硝化作用上（Lowrance RR,1992）。大量植被覆盖的河岸缓冲区,容易形成缺氧环境,且土壤中含有大量有机碳源,为反硝化作用提供了适宜条件。反硝化作用受溶氧、温度、硝酸盐浓度和有机碳含量等因素限制（beauchamp et al., 1989）。大量学者通过对各个因素对反硝化速率影响的研究，认为影响反硝化速率最主要的因素为溶氧、温度、硝酸盐浓度和有机碳（Ambus and lowrance,1991;Willems et al.,1997;Martin et al.,1999;
16、Clement et al.,2002;Matheson et al.,2003;Rotkin-Ellman et al.,2004）。滨岸带反硝化作用除了受一些化学因素的影响，还与滨岸带的宽度有一定关系，在北加利福尼亚的试验表明, 100 m和200 m宽的滨岸带植被缓冲区对地下水中硝态氮的去除效率为67% 100%（Spruill T. B.2004）。2. 反硝化作用研究方法目前反硝化测定的方法主要有15N平衡差值法、乙炔抑制技术、15N示踪气体直接法、原位箱体法和BaPS技术，其优缺点见（表一）。2.1 15N平衡差值法15N平衡差值法是将施入土壤标记15N肥料的总量减去植物吸收15N量、土壤残留15N量和氨挥发15N量之差,作为硝化和反硝化损失量。（李新慧，等1994）。Hauck R D（1958）教授首先把该方法应用于土壤反硝化研究中。1974年,我国开始利用15N示踪技术研究化肥氮在土壤
