在农业生态沟渠中，增强养分去除效果的同时减少一氧化二氮的排放：关于大型水生植物和稻草协同作用的机制性研究

《Bioresource Technology》：Enhanced nutrient removal coupled with nitrous oxide mitigation in agricultural eco-ditches: mechanistic insights into synergistic effects of macrophytes and rice straw

农业面源污染导致水体富营养化和温室气体排放增加，生态沟道通过植被和有机物料协同作用可改善环境质量，但其机理尚不明确。本研究构建6种生态沟道人工模拟冲刷实验，发现水生植物Vallisneria natans与稻草协同作用时氮磷去除效率最高（氮84.8%、磷73.8%），同时显著降低N?O排放因子33.8%。植被通过改变微生物群落和功能基因调控氮转化过程，而稻草通过促进微生物协同作用影响氮去除和N?O排放，其效果因植物类型和沟道水文条件而异。

　　

崔纳新|蔡敏|张旭|庞思|邹国彦|朱毅|陈桂发

上海农业科学院生态环境保护研究所，中国上海201403

摘要

含有高浓度氮（N）和磷（P）的农业径流加剧了水体富营养化和氧化亚氮（N₂O）的排放。种植大型水生植物和利用稻草的生态沟渠具有缓解这些问题的潜力，但其背后的机制尚不清楚。本研究通过一个中观实验评估了六种沟渠配置（裸露的、种植鸢尾花（Iris）的或种植浮叶黑藻（Vallisneria natans的），每种配置都设置了有无稻草的情况，并模拟了径流条件。结果显示，种植浮叶黑藻并添加稻草的沟渠在营养物质去除方面表现最佳（氮去除率84.8%，磷去除率73.8%），同时将N₂O的排放量减少了33.8%。鸢尾花提高了硝酸盐（NO₃^–）的去除效率，但增加了N₂O的排放。稻草在裸露的沟渠中提高了氮的去除率并降低了N₂O的排放量（减少了47.2%），但在有植被的系统中却增加了37.6–45.1%的排放。植被改变了微生物群落和功能基因的表达，而稻草促进了微生物之间的合作。包括沉积物性质（受植被影响）和水体参数（受稻草影响）在内的关键非生物因素调控了氮的去除和N₂O的释放。这些发现为优化生态沟渠以应对农业污染和气候变化提供了实用的见解。

引言

集约化农业的迅速扩张虽然对全球粮食安全至关重要，但也导致了大量的农业非点源污染（ANSP），这主要是由于化肥的过度使用（Han等人，2019年；Kumwimba等人，2018年；Zhang等人，2020年）。未被作物有效利用的过量氮（N）和磷（P）通过降雨或灌溉期间的径流进入周围的水生生态系统，加剧了水体富营养化，并促进了农业水体的温室气体（GHG）排放——这是一个重要但研究不足的全球性问题（Miao等人，2020年；Wu等人，2023年）。

农业排水沟渠将农田径流输送到河流或湖泊，是营养物质迁移和转化的关键区域。为了减轻ANSP，许多沟渠被改造为植被系统（生态沟渠）。然而，随着营养物质输入的增加，这些系统也可能成为重要的温室气体排放热点，尤其是氧化亚氮（N₂O），这是微生物氮转化的强效副产品（Abulaiti等人，2024年；Wu等人，2023年）。事实上，在某些流域中，农业排水可能占直接N₂O排放量的20–50%（Fu等人，2019年），其排放量范围从?9.2到56,580 μg·m?²·h?¹不等（Deng等人，2019年；Wu等人，2023年；Abulaiti等人，2024年）。随着生态沟渠在全球范围内的广泛应用，优化其设计以实现同时去除营养物质和减少N₂O排放至关重要，以应对水质和气候挑战。

大型水生植物的选择是影响生态沟渠性能的关键因素，因为不同物种的特性会直接或间接地改变周围的生化环境（Kumwimba等人，2018年；Wu等人，2024年；Zhang等人，2023年）。除了直接吸收营养物质外，植物还影响微生物的氮代谢途径：根系分泌物可以提供有机碳以促进反硝化作用，而径向氧气损失可能会促进硝化作用（Xing等人，2018年；Xu等人，2022年）。这些效应会因植物生长形态的不同而有所差异（Liu等人，2024年）。例如，挺水植物（如Sparganium erectum）通常比裸露的沉积物或淹没的植物系统具有更高的反硝化速率（Audet等人，2021年），而淹没的植物物种则可能通过释放氧气和分泌酚类化合物来抑制反硝化作用（Bardon等人，2014年；Hu等人，2023年）。因此，N₂O的排放量会因植物种类和环境条件的不同而显著变化（Gu等人，2022年；Zhang等人，2023年；Li等人，2024年）。然而，大多数关于生态沟渠的研究仅关注了营养物质的去除和N₂O的排放，忽视了缓解这些矛盾及其背后机制的潜力。这一空白阻碍了对生态环境性能的全面评估，以及制定同时改善水质和气候目标的策略的发展。

农田径流的碳氮（C/N）比例通常较低，这限制了完全的反硝化作用——这一厌氧过程需要足够的有机碳——从而导致氮去除效果不佳和N₂O排放量增加（Han等人，2019年；Yang等人，2015年；Wu等人，2024年）。当径流中硝酸盐（NO₃?）占主导时，这个问题尤为严重（Zak等人，2018年；Cui等人，2022年），因为天然的根系分泌物通常无法完全弥补碳的不足（Xu等人，2022年）。在这种情况下，补充外部碳源（如稻草——一种广泛可用的农业废弃物）可以促进反硝化作用（Yang等人，2015年；Zhang等人，2019年）。Cui等人（2022年）报告称，在人工湿地中添加稻草可以促进47%的反硝化作用，即使在低温条件下也是如此。然而，稻草对N₂O排放的影响，尤其是在与植被结合使用时，仍研究不足且似乎依赖于具体情境。例如，稻草在处理轻度污染水的表面流人工湿地中增加了N₂O的排放量（增加了131.5%），但在高污染条件下却减少了37.2–43.7%（Zhang等人，2019年）。这种对比效应可能源于稻草对反硝化微生物群落和关键氮循环基因（如、、）的影响（Cui等人，2022年；Yang等人，2015年）。鉴于不同植物物种对氮循环的调节方式不同，合理假设将特定的大型水生植物与稻草结合使用可以协同优化营养物质的去除和N₂O的减排——这一可能性尚未得到系统探索。

为了填补这一知识空白，本研究评估了六种生态沟渠配置，包括两种不同类型的大型水生植物——浮叶黑藻（Vallisneria natans）和挺水鸢尾花（Iris hybrids 'Louisiana'），分别设置了有无稻草的情景，并模拟了硝酸盐为主的径流条件。选择这两种植物是因为它们具有较高的营养物质去除能力、环境适应性和在农业沟渠及人工湿地中的广泛分布，以及不同的生长形态（Cui等人，2022年；Zhang等人，2023年）。通过宏基因组分析阐明了其中的微生物和生物地球化学机制。这些发现为大型水生植物和外部碳对氮循环的相互作用提供了新的见解，并为设计有效减少农业污染同时最小化气候影响的生态沟渠提供了机制基础和实际指导。

实验设置

生态沟渠中观实验的设置

实验在中国上海的庄航实验站（地理坐标：121°23′15″E，30°53′24″N）进行，实验在透明的塑料棚架下进行。共建造了18条梯形生态沟渠（长度2米×深度0.6米×顶部宽度0.5米×底部宽度0.3米），使用PVC板材制成（详见补充材料）。这些生态沟渠被分为六组处理，每组重复三次：裸露的沟渠（对照组，C）、添加稻草的沟渠（CR）、种植鸢尾花的沟渠（I）、以及同时种植鸢尾花和...

动态条件下的氮和磷去除效果

图1显示了动态条件下的氮（N）和磷（P）浓度及其去除效率。添加稻草显著提高了总氮（TN）的去除率（P < 0.05%），具体来说：CR组（34.0 ± 2.3%）优于对照组（C组，17.0 ± 1.6%）；鸢尾花组（IR组，31.1 ± 3.8%）优于鸢尾花组（I组，16.4 ± 2.8%）；添加稻草的浮叶黑藻组（VR组，30.7 ± 1.2%）优于未添加稻草的浮叶黑藻组（V组，15.8 ± 2.6%）。未添加任何处理的沟渠中的TN去除率在Han等人（2019年）报告的范围内（11.6–27.9%）。值得注意的是，有植被的沟渠和无植被的沟渠在TN去除率上没有显著差异...

结论

结合浮叶黑藻（V. natans）和稻草的生态沟渠实现了最佳的氮（N）去除效率（84.8%）和磷（P）去除效率（73.8%），并将K_N2O/TN的比值降低了33.8%。尽管稻草始终提高了氮的去除率，但在无流动条件的静态时期，它反而增加了磷的释放风险。植被在不同水力条件下对氮的去除和N₂O的排放产生了不同的影响。从机制上看，稻草主要改变了...

未引用的参考文献

Azene等人（2023年）。

CRediT作者贡献声明

崔纳新：撰写初稿、数据可视化、方法设计、资金获取、数据分析、概念构建。蔡敏：数据可视化、软件使用、数据管理。张旭：资源协调、实验设计。庞思：撰写与编辑、数据管理。邹国彦：项目监督、资金获取。朱毅：撰写与编辑、项目监督、概念构建。陈桂发：资源协调、实验设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了上海农业科技创新计划（项目编号：I2023008）、中国上海市科学技术委员会的S&T合作计划（项目编号：24010701000）以及国家重点研发计划（项目编号：2021YFC3201503）的支持。