《Applied Soil Ecology》：Soil nitrogen cycling dynamics in a poplar-vegetated land application system under long-term wastewater irrigation
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氮循环与植物吸收在污水土地处理中的作用。通过对比种植 hybrid poplar 和裸土系统，分析amoA（硝化）和nirK（反硝化）基因丰度及脱氮活性，发现污水灌溉显著提升amoA基因表达，但nirK基因和脱氮速率在两种系统中无差异，表明植物根系吸收是氮去除的主因。
阿比盖尔·K·卡戈尔（Abigail K. Kargol）| 斯图蒂·达哈尔（Stuti Dahal）| 海蒂·L·高夫（Heidi L. Gough）
华盛顿大学环境与森林科学学院，美国华盛顿州西雅图市，邮编98195
摘要
了解土地施用废水处理系统中的氮循环过程对于预测氮化合物的命运和防止硝酸盐渗漏至关重要。我们研究了种植杨树的土壤施用系统中的氮循环过程。从使用合成废水灌溉的种植区（杂交杨树）和未种植区（裸土）以及使用清水灌溉的对照区采集了土壤样本。量化了关键的氮循环功能基因amoA和nirK，并通过对土壤浆液进行体外硝酸盐活性测试来评估反硝化作用。研究发现，与对照组相比，接受废水的处理组中amoA基因的丰度较高，这表明硝化基因的丰度与废水中氮的存在有关。nirK基因的丰度随时间增加，但处理组之间没有差异，这与先前的研究结果不符（先前的研究表明种植区的氮去除效果更好）。体外硝酸盐动态测试显示，种植区和未种植区的土壤具有相似的反硝化速率，这与两者nirK基因丰度相似的结果一致。这些结果表明，系统层面的氮去除差异主要不是由土壤微生物驱动的，而是受到树木的存在及其从废水和土壤中吸收氮的能力的强烈影响。
部分内容摘录
背景
土壤微生物的营养循环是废水处理中污染物衰减的关键因素。土地施用是指将部分处理过的废水施加到土壤表面以进行进一步处理的过程，这一做法在全球范围内普遍存在，废水来源多样（美国环保署，2012年）。一个常见的来源是市政废水，尽管已在污水处理厂进行了处理，但仍含有残留的氮和有机物。
系统设计与样本采集
在华盛顿大学（美国华盛顿州西雅图市）建立了模拟的土地施用系统以进行对照测试。建立该系统的目的是比较种植杨树的土壤与裸土的废水处理效果。反应器设计已在先前的研究中详细描述（Kargol等人，2025年）。简而言之，尺寸为0.6米×0.8米×1.8米的金属槽中填充了沙质壤土（含85.5%的沙子和11.9%的淤泥）。
微生物生物量/16S
表3显示了各处理组中土壤样本中16S、amoA和nirK的丰度（每个采样窗口中有6个样本）。结果经过校正，考虑了初始土壤添加量、土壤湿度和DNA提取过程中的体积损失，得到了每克干土中的拷贝数。
研究过程中16S的丰度有所变化，在SU2组达到峰值（见图1）。所有处理组的丰度顺序均为SU2 > AU2 > SU1。不同处理组之间的丰度没有明显规律；事实上，某些处理组的丰度甚至相反。
反硝化作用主要由植物吸收驱动而非土壤微生物活动
本研究的目的是探讨影响废水灌溉土地施用系统中氮去除趋势的因素。在所有三种废水浓度下，种植杨树的反应区的氮去除量显著高于未种植杨树的反应区（见表1）。土地施用系统中的氮去除通常归因于两种机制：土壤反硝化和植物吸收。
我们的研究结果表明，土壤反硝化并非主要驱动因素。
结论
了解土地施用废水处理中氮化合物的命运对于减轻环境影响非常重要。通过比较种植区和未种植区的系统，发现废水灌溉对土壤中的基因丰度和氮循环有一定影响，同时也证实了植物吸收是种植区氮去除的主要机制。废水灌溉下amoA基因丰度的增加表明营养物质输入促进了这一过程。
作者贡献声明
阿比盖尔·K·卡戈尔（Abigail K. Kargol）：撰写初稿、开展研究、进行正式分析、数据管理、概念构思。斯图蒂·达哈尔（Stuti Dahal）：撰写、审稿与编辑、争取资金、数据管理。海蒂·L·高夫（Heidi L. Gough）：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理、方法设计、争取资金、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了美国农业部（USDA）国家食品与农业研究所（HLG）的McIntire-Stennis合作林业计划（项目编号NI20MSCFRXXXG040/项目访问号1017343）的支持。阿比盖尔·K·卡戈尔（AKK）通过华盛顿大学环境学院研究生研究机会提升（GROE）计划获得资助，斯图蒂·达哈尔（SD）通过TRIO McNair学者计划获得资助。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决策等环节。
