枯萎期蘆葦收割時(shí)間對(duì)濕地脫氮效果及根系呼吸代謝的影響

王俊力, 付子軾, 喬紅霞, 陳桂發(fā), 劉福興*

1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 上海 201403 2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201415

氮(N)是生態(tài)系統(tǒng)中構(gòu)成生物體的重要元素，但也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要元素之一[1]. 自工業(yè)革命以來(lái)，全球范圍內(nèi)人為源氮排放從1860年的15×1012g/a增至20世紀(jì)90年代初的156×1012g/a，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到267×1012g/a[2]. 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的氮肥中有25%的氮隨降雨徑流和滲漏進(jìn)入水環(huán)境，是導(dǎo)致水體氮濃度升高和污染加重的重要原因[3]. 濕地作為陸地與水體之間的過(guò)渡帶，對(duì)攔截陸地方向的氮污染源、降低水體中的氮水平具有重要作用[4].

濕地通過(guò)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物等方面的作用實(shí)現(xiàn)氮去除，方式包括揮發(fā)、氨化、硝化/反硝化、植物吸收、基質(zhì)吸附等[5]，其中生物(植物和微生物)起到關(guān)鍵作用[6]. 研究[7-8]表明，超過(guò)50%的氮通過(guò)微生物硝化/反硝化作用去除，而植物會(huì)影響濕地微生物群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化. 蘆葦(Phragmitesaustralis)是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的主要植物之一，常見(jiàn)于河口、湖濱、海岸等地，在全球廣泛分布[9]. 在我國(guó)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，分布有大面積蘆葦濕地，該地區(qū)積溫高，無(wú)霜期長(zhǎng)，蘆葦通常在3月份出芽，到11月份進(jìn)入枯萎期，冬季根系休眠時(shí)間較短[10]. 研究表明，生長(zhǎng)期蘆葦濕地的脫氮效率為50%～90%[11-12]，冬季則降至20%左右[13]. 雖然冬季蘆葦?shù)厣喜糠挚菸?，但其根系仍存在活力[14]，了解冬季蘆葦根系活動(dòng)，對(duì)如何采取有效措施促進(jìn)冬季濕地脫氮效果具有重要意義.

收割是濕地植物最主要的管理措施之一. 蘆葦一年收割一次能夠去除地上部枯死量，有效恢復(fù)其活力[15]. 在冬季開(kāi)始時(shí)，濕地植物地上部分的氮逐漸向地下轉(zhuǎn)移，如果不收割，植物吸收的氮可能會(huì)隨著植株的枯萎腐爛重新回到濕地系統(tǒng)中，出現(xiàn)水體氮濃度升高現(xiàn)象[16]. 大型蘆葦濕地系統(tǒng)中，收割措施具有局限性[17]，因?yàn)槠湫枰嗟娜肆Α⑽锪拓?cái)力投入. 因此，選擇最佳收割時(shí)間，是影響冬季蘆葦濕地脫氮效果的重要因素.

呼吸代謝的持續(xù)進(jìn)行是植物休眠過(guò)程的顯著特點(diǎn)[18]，在亞熱帶地區(qū)，冬季蘆葦進(jìn)入休眠，但其根系仍存在活力，冬季蘆葦根系呼吸代謝的變化可能會(huì)導(dǎo)致濕地脫氮過(guò)程發(fā)生變化. 枯萎期不同時(shí)間收割是否會(huì)影響根系的呼吸代謝特征，從而影響濕地脫氮效果，有關(guān)這方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道. 該研究系統(tǒng)探討了枯萎期不同收割時(shí)間情況下，蘆葦根系活力和呼吸代謝途徑關(guān)鍵酶活性，及其與濕地脫氮效果的關(guān)系，以期探討枯萎期收割影響植物根系呼吸的作用機(jī)制，為人工濕地的管理和功能發(fā)揮、富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)研究位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站(30°53′N(xiāo)、121°23′E). 該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量 1 191.5 mm，蒸發(fā)量 1 236.8 mm，年均溫度16.1 ℃，全年日照時(shí)數(shù) 1 900.2 h，無(wú)霜期224.4 d.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取模擬蘆葦濕地的方式進(jìn)行，構(gòu)建12個(gè)相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)水平潛流濕地系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，長(zhǎng)×寬×深為150 cm×50 cm×80 cm，進(jìn)水端及出水端各設(shè)置長(zhǎng)度為20 cm的布水區(qū)和集水區(qū)，并設(shè)有出水管，主體填料區(qū)域長(zhǎng)度為110 cm. 進(jìn)出水均采用穿孔板，出水孔與出水管底標(biāo)高一致. 為了便于測(cè)定濕地內(nèi)部的水質(zhì)參數(shù)，在系統(tǒng)中間沿程豎向設(shè)置內(nèi)徑5 cm穿孔管. 內(nèi)部填充粒徑約1～2 cm的礫石基質(zhì)，基質(zhì)層深70 cm，運(yùn)行時(shí)水在介質(zhì)表面以下流動(dòng)，水深為60 cm.

注： 試驗(yàn)第1年(2017年7月—2018年3月)蘆葦于2017-04-10移栽，濕地穩(wěn)定至2017-07-14正式開(kāi)始試驗(yàn)，階段1為正式試驗(yàn)至2017-10-13枯萎前收割，階段2為枯萎前收割后至2017-12-12枯萎中期收割，階段3為枯萎中期收割后至2018-02-08枯萎末期收割，階段4為枯萎末期收割后至2018-03-27結(jié)束試驗(yàn)；試驗(yàn)第2年(2018年8月—2019年4月)蘆葦于2018-04-16移栽，濕地穩(wěn)定至2018-08-01正式開(kāi)始試驗(yàn)，階段1為正式試驗(yàn)至2018-10-31枯萎前收割，階段2為枯萎前收割后至2018-12-28枯萎中期收割，階段3為枯萎中期收割后至2019-02-28枯萎末期收割，階段4為枯萎末期收割后至2019-04-28結(jié)束試驗(yàn). 下同.圖1 蘆葦濕地示意、實(shí)景照片以及試驗(yàn)期間氣溫、降雨量的變化Fig.1 Schematic diagram of a single wetland system, picture of the experimental site, and fluctuation of air temperature and daily precipitation during the experiment

植物采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)蘆葦(Phragmitesaustralis)，選取長(zhǎng)勢(shì)相近的蘆葦幼苗移栽至根袋(300目尼龍網(wǎng)袋，20 cm×30 cm)中，袋內(nèi)填充基質(zhì)與袋外相同[19]，系統(tǒng)內(nèi)的初始種植密度為2株/袋(約29株/m2)，蘆葦在系統(tǒng)中培養(yǎng)約2個(gè)月，待長(zhǎng)勢(shì)平穩(wěn)后開(kāi)始進(jìn)水，2年試驗(yàn)時(shí)間軸如圖1所示(第1年為2017年7月—2018年3月,第2年為2018年8月—2019年4月). 進(jìn)水利用河道水配置，用尿素調(diào)節(jié)進(jìn)水ρ(TN)，利用恒流泵進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水，水力負(fù)荷(HLR)為100 mm/d，水力停留時(shí)間(HRT)為2.4 d. 系統(tǒng)運(yùn)行約1個(gè)月趨于穩(wěn)定后，正式開(kāi)始試驗(yàn).

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，即W1(對(duì)照，蘆葦不收割)、W2〔枯萎前(10月)收割〕、W3〔枯萎中期(12月)收割〕、W4〔枯萎末期(翌年2月)收割〕，每個(gè)處理3次重復(fù). 收割方式為去除濕地系統(tǒng)表面10 cm以上的植物部分，并定期對(duì)凋落物進(jìn)行清理.

試驗(yàn)在自然環(huán)境中進(jìn)行，第1年試驗(yàn)結(jié)束后，重新布置第2年試驗(yàn)，2年的進(jìn)水ρ(TN)不同，第1年較高〔相當(dāng)于小麥季地表徑流中較高ρ(TN)〕，第2年較低〔相當(dāng)于小麥季地表徑流中較低ρ(TN)〕[20]，進(jìn)水參數(shù)如表1所示. 以收割為節(jié)點(diǎn)將每年的試驗(yàn)分為4個(gè)階段：階段1為試驗(yàn)開(kāi)始至W2收割前; 階段2為W2收割后至W3收割前; 階段3為W3收割后至W4收割前; 階段4為W4收割后至結(jié)束試驗(yàn).

表1 試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)情況

1.3 取樣與測(cè)定

水體取樣進(jìn)出水同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)水在布水區(qū)采集(3個(gè)重復(fù))，出水在每個(gè)濕地系統(tǒng)的出水口采集，每月一次(階段1)，當(dāng)收割開(kāi)始后，每月2次(階段2、3、4)，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定系統(tǒng)中水體的pH、ORP、EC、ρ(DO)、溫度(T)等指標(biāo).ρ(TN)采用GB 11894—1989《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》測(cè)定，ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)使用流動(dòng)分析儀(AA3，Seal，德國(guó))測(cè)定.

根系取樣在每次收割時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行，方法是小心將根袋從系統(tǒng)中拿出，為了彌補(bǔ)系統(tǒng)取樣后的植物損失，補(bǔ)充另外培養(yǎng)的對(duì)應(yīng)處理蘆葦維持系統(tǒng)平衡. 根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定. 己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)、磷酸果糖激酶(PFK)、異檸檬酸脫氫酶(ICDH)、細(xì)胞色素氧化酶(COX)等根系呼吸代謝關(guān)鍵酶活性采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(DR 5000，Hach，美國(guó))進(jìn)行測(cè)定，且以μmol/min(以每mg蛋白質(zhì)計(jì))表示.

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用IBM SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用單因素方差分析(one way ANOVA)檢驗(yàn)不同收割處理對(duì)各參數(shù)的影響，顯著性檢驗(yàn)采用Duncan在0.05顯著性水平下進(jìn)行；用SigmaPlot 12.5軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；利用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 枯萎期蘆葦收割對(duì)濕地脫氮效果的影響

從蘆葦濕地氮去除效果(見(jiàn)圖2)可以看出，2年間TN和NH4+-N去除率的變化趨勢(shì)相似，與第1年相比，第2年TN和NH4+-N去除率更高，其中第1年W1處理的TN和NH4+-N平均去除率分別為51.2%±24.5%和59.0%±21.9%，第2年分別為64.5%±25.8%和71.8%±30.5%.

圖2 不同收割時(shí)間下蘆葦濕地TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N去除率的變化Fig.2 Removal of TN, NH4+-N, NO3--N and NO2--N from the reed wetlands under different harvesting time

從不同處理上看，與收割處理相比，不收割處理的TN和NH4+-N去除率較高. 每次收割后，TN和NH4+-N去除率均為下降趨勢(shì)，W2處理使階段2的TN和NH4+-N去除率在第1年分別下降了23.0%和17.0%，第2年分別下降了22.5%和7.5%，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，去除率降低趨勢(shì)逐漸減小，但始終低于W1處理. W3處理TN和NH4+-N去除率的變化趨勢(shì)與W2處理相似，階段3的TN和NH4+-N去除率在第1年分別下降了24.0%和10.8%，第2年分別下降了18.2%和25.2%. 與W2和W3處理相比，W4處理TN和NH4+-N去除率的下降趨勢(shì)較小，階段4的TN和NH4+-N去除率在第1年分別下降了3.0%和3.7%，第2年分別下降了8.0%和16.0%.

注： 不同小寫(xiě)字母表示相同采樣日期不同處理下各參數(shù)差異顯著(P<0.05).圖3 不同采樣日期不同處理蘆葦根系活力和呼吸代謝關(guān)鍵酶活性Fig.3 Reed root activity and key enzyme activity of respiratory metabolism under different treatment on different sampling dates

2年試驗(yàn)中階段3的氮(TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N)去除率均最低，且NO3--N和NO2--N去除率波動(dòng)均較大，甚至有負(fù)值出現(xiàn). 與TN和NH4+-N去除率趨勢(shì)一致，每次收割后，NO3--N和NO2--N去除率基本為下降趨勢(shì)，且W4處理的去除率下降趨勢(shì)最小.

2.2 枯萎期蘆葦收割對(duì)根系呼吸代謝的影響

年份和處理對(duì)根系活力和根系呼吸代謝關(guān)鍵酶HK、PK、PFK、ICDH、COX活性均有顯著影響(P<0.05)；年份與處理的交互作用對(duì)根系活力以及HK、PK活性有顯著影響(P<0.05)，但對(duì)PFK、ICDH、COX活性無(wú)顯著影響(P>0.05，見(jiàn)圖3).

試驗(yàn)期間2年同期相比，第1年的蘆葦根系活力和呼吸代謝關(guān)鍵酶活性均明顯高于第2年(P<0.05). 第1年，與不收割相比，收割處理均增加了蘆葦根系活力以及HK、PK活性，且W2和W3處理增加的更為明顯(P<0.05)；第2年，處理間根系活力以及HK、PK活性基本無(wú)顯著差異. 2年試驗(yàn)中，W2處理均顯著增加了剛收割后的根系PFK活性(P<0.05)，而隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，差異逐漸不明顯，試驗(yàn)第2年W4處理顯著降低了PFK活性(P<0.05). 與W1相比，收割處理均降低了根系ICDH和COX活性，且W3處理對(duì)第1年的ICDH活性和2年的根系COX活性降低的更為明顯(P<0.05)；第2年，W2處理對(duì)根系ICDH活性降低的更顯著(P<0.05).

2.3 濕地脫氮效果與蘆葦根系呼吸代謝的關(guān)系

用RDA分析濕地脫氮效果與蘆葦根系呼吸代謝的相互關(guān)系，以根系活力和呼吸代謝關(guān)鍵酶活性為環(huán)境變量，解釋濕地氮去除率的變化. 結(jié)果(見(jiàn)表2)顯示，試驗(yàn)第1年，軸1和軸2的特征值分別為0.847和0.069，去除率與呼吸代謝關(guān)系累計(jì)解釋量為96.8%；試驗(yàn)第2年，軸1和軸2的特征值分別為0.696和0.061，去除率與呼吸代謝關(guān)系累計(jì)解釋量為93.4%，說(shuō)明軸1和軸2能較好地反應(yīng)二者之間的關(guān)系，且主要由軸1決定.

表2 濕地氮去除率與蘆葦根系呼吸代謝關(guān)系的RDA結(jié)果

由圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)第1年，濕地氮去除率的變化整體上由ICDH和HK活性主導(dǎo)，其與ICDH活性呈正相關(guān)，與HK活性呈負(fù)相關(guān). 試驗(yàn)第2年，濕地氮去除率的變化由根系呼吸代謝指標(biāo)(HK、PK、PFK、ICDH、RA、COX活性)主導(dǎo)，均呈正相關(guān)，且HK活性對(duì)濕地氮去除率的影響最大.

注： r(TN)表示TN去除率； r(NH4+-N)表示NH4+-N去除率； r(NO3--N)表示NO3--N去除率； r(NO2--N)表示NO2--N去除率； RA表示根系活力； HK表示己糖激酶活性； PK表示丙酮酸激酶活性； PFK表示磷酸果糖激酶活性； ICDH表示異檸檬酸脫氫酶活性； COX表示細(xì)胞色素氧化酶活性.圖4 濕地氮去除率與蘆葦根系呼吸代謝關(guān)系的RDA分析Fig.4 RDA analysis of wetland nitrogen removal and reed root respiratory metabolism

3 討論

3.1 不同收割時(shí)間對(duì)濕地脫氮效果的影響

溫度影響濕地的脫氮效率[21]，該研究中，階段3的濕地脫氮效率最低，可能與低溫條件抑制生物過(guò)程有關(guān)[22]，這與Hu等[23]的研究結(jié)果一致，其證明了冬季(12月—翌年2月)濕地出水ρ(NO3--N)增加，反硝化作用受到抑制. 該研究中，試驗(yàn)第1年的進(jìn)水ρ(TN)高于第2年，而第2年的TN和NH4+-N去除率高于第1年，這與Liu等[24]的研究結(jié)果不同，其表明進(jìn)水氮濃度增加，TN和NH4+-N去除率顯著提高. 濕地的脫氮效率不是絕對(duì)的，受到各種因素的影響，如環(huán)境因子(pH、溫度、ORP等)、系統(tǒng)配置、水力狀況、進(jìn)水模式、植物種類(lèi)及植物收割方式等[25-27].

收割是濕地植物的主要管理方式[14]，應(yīng)優(yōu)化收割時(shí)間，以提高濕地在冬季的脫氮效率. 該研究中，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)曛g表現(xiàn)出相同的脫氮趨勢(shì)，均為不收割處理的TN和NH4+-N去除率最高，這與Shuai等[28]的研究結(jié)果不同，其表明與不收割處理相比，收割處理提高了濕地脫氮效率. 該試驗(yàn)過(guò)程中定期對(duì)凋落物進(jìn)行清理，避免蘆葦中的氮通過(guò)腐爛返回濕地中，更有利于解釋收割時(shí)間對(duì)濕地脫氮效果的影響. 研究[29]表明，植物地上部收割會(huì)影響反硝化微生物生長(zhǎng)的根際微環(huán)境，從而影響濕地脫氮過(guò)程. 該研究結(jié)果表明，收割時(shí)間越晚，對(duì)濕地脫氮效果的影響越小，與不收割處理相比，枯萎末期收割的TN和NH4+-N去除率下降趨勢(shì)較小，可能是因?yàn)椴皇崭钐J葦可以為濕地保溫，促進(jìn)了冬季的反硝化作用，而枯萎末期收割后，氣候逐漸變暖，為植物的生長(zhǎng)提供了有利條件[30]，從而有利于濕地系統(tǒng)恢復(fù)脫氮效果. 另外，植物根系的泌氧作用會(huì)影響微生物的硝化-反硝化作用，從而間接影響濕地的脫氮效率[31]. 枯萎末期收割保持了蘆葦在冬季的完整性，這可能會(huì)保護(hù)植物根系，從而持續(xù)為根際環(huán)境供給氧氣[32]，減少了對(duì)濕地脫氮效率的影響.

3.2 不同收割時(shí)間對(duì)根系呼吸代謝的影響

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需營(yíng)養(yǎng)元素，環(huán)境中的氮含量與植物的生理生化過(guò)程有密切關(guān)系，對(duì)維持植物呼吸的作用較為顯著[33]. 根系呼吸作用是植株地下部代謝的重要過(guò)程，它對(duì)養(yǎng)分的吸收、根系更新以及植株生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義，極易受到外界條件變化的影響[34]. 收割作為濕地人工干預(yù)最常見(jiàn)的方式，可能會(huì)引起收割后植物根系呼吸代謝的變化，這也是植物適應(yīng)干擾的方式. 根系活力的大小反映根系代謝能力強(qiáng)弱，研究[35]表明，根系對(duì)外界產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)的表現(xiàn)是根系活力先快速提高，通過(guò)加強(qiáng)代謝來(lái)緩解干擾傷害，促進(jìn)養(yǎng)分和水分的吸收，隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，植物本身儲(chǔ)存物質(zhì)消耗加劇，根系活力又降至對(duì)照水平. 該研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)第1年，收割處理提高了蘆葦根系活力，且越早收割越能增強(qiáng)蘆葦冬季的根系活力，枯萎末期收割則對(duì)根系活力影響較?。贿@可能與根系的應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，早期的收割處理對(duì)蘆葦?shù)母蓴_可能較大，植物為獲得足夠的氮而做出補(bǔ)償性反應(yīng)[36]，使得根系活力增加；晚期收割時(shí)，由于植物本身處于休眠期結(jié)束開(kāi)始生長(zhǎng)階段，收割處理對(duì)其干擾較小，根系活力與不收割相比差異不顯著. 試驗(yàn)第2年，收割處理對(duì)根系活力無(wú)顯著影響，可能是在低進(jìn)水ρ(TN)條件下，植物根系活力顯著低于高進(jìn)水ρ(TN)條件(見(jiàn)圖3)，收割干擾引起的應(yīng)激反應(yīng)與不收割相比差異不顯著，說(shuō)明根系活力不僅受收割時(shí)間的影響，還與環(huán)境中氮濃度有關(guān).

植物呼吸代謝中的糖酵解(EMP)途徑是有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的共同途徑，HK、PK、PKF是調(diào)控EMP途徑的關(guān)鍵酶. 一般情況下，植物呼吸代謝以EMP途徑進(jìn)入三羧酸(TCA)循環(huán)為主，TCA循環(huán)是植物維持生命活性所需的主要能量來(lái)源，ICDH是調(diào)控TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶. 細(xì)胞色素(CP)途徑是末端氧化電子傳遞鏈的主要途徑，COX是鏈上的終端酶[34]. 該研究中，收割處理使根系呼吸代謝關(guān)鍵酶活性變化趨勢(shì)在2年試驗(yàn)之間有顯著差異，說(shuō)明根系呼吸代謝的變化與進(jìn)水ρ(TN)高低有關(guān)，環(huán)境中的氮對(duì)根系呼吸的調(diào)控作用甚為重要，根系呼吸在進(jìn)水ρ(TN)高的情況下較高，這與陳貴等[37]研究結(jié)果一致. 收割處理下HK、PK和PFK活性的變化規(guī)律基本一致，試驗(yàn)第1年，枯萎前期收割均顯著增加了HK、PK和PFK活性，可能是收割時(shí)根系活力較強(qiáng)，干擾后植物為獲得足夠的氮而做出補(bǔ)償性反應(yīng)[36]，EMP途徑加快，而枯萎末期根系活力較弱，收割處理與不收割處理相比差異不顯著. 但是冬季植物呼吸代謝并非越高越好，有研究[38]表明，冬季植物加強(qiáng)維持呼吸，會(huì)導(dǎo)致植物碳儲(chǔ)量耗盡，減少翌年春季新根生長(zhǎng)能力和植物的生產(chǎn)力，抵消春季溫暖給植物帶來(lái)的積極影響. 試驗(yàn)第2年，枯萎中期和末期收割均會(huì)降低PK、PFK活性，EMP途徑也有一定程度的受阻. 該研究中，2年試驗(yàn)的收割處理均降低了ICDH和COX活性，且與枯萎末期收割相比，早期收割降低的更為明顯，說(shuō)明收割會(huì)影響根系呼吸中的TCA循環(huán)和CP途徑，且末期收割的影響程度相對(duì)較小.

3.3 濕地脫氮效果與根系呼吸代謝的關(guān)系

濕地污染物凈化效果與植物的種類(lèi)及生理特性關(guān)系密切[39]. 研究表明，根系呼吸最小值出現(xiàn)在12月—翌年3月[40]，而該研究結(jié)果顯示該時(shí)間段濕地脫氮效率同樣最低. 通過(guò)RDA分析表明，根系活力和呼吸代謝關(guān)鍵酶活性與濕地氮去除率之間密切相關(guān)(第1年解釋量為96.8%，第2年解釋量為93.4%)，說(shuō)明冬季蘆葦根系呼吸代謝機(jī)制是其適應(yīng)收割干擾的重要策略，與濕地脫氮效果存在密切關(guān)系. 試驗(yàn)第1年，濕地氮去除率的變化整體上由ICDH和HK主導(dǎo)，其與ICDH活性呈正相關(guān)，與HK活性呈負(fù)相關(guān). ICDH是連接C-N代謝酶的關(guān)鍵，是TCA循環(huán)中最重要和最具有調(diào)控意義的限速酶[41]. ICDH活性增加會(huì)提高根系呼吸和根系活力，從而增加根系泌氧促進(jìn)微生物的硝化-反硝化過(guò)程[31]，提高濕地的脫氮效率. HK催化EMP途徑的第一步反應(yīng)，將葡萄糖磷酸化，這有利于它進(jìn)一步參與合成和分解代謝[34]. HK活性對(duì)EMP途徑的影響最大，HK活性降低會(huì)使EMP途徑貢獻(xiàn)率降低，而濕地氮去除率增加，這與第2年試驗(yàn)結(jié)果(HK活性與濕地氮去除率呈正相關(guān))正好相反，可能是根系呼吸代謝途徑對(duì)環(huán)境氮濃度高低的響應(yīng)不同，從而影響濕地脫氮效果. 該研究中采取的試驗(yàn)方式是將濕地中發(fā)生的生物和非生物反應(yīng)整合起來(lái)評(píng)估濕地脫氮效果，以探索最佳收割時(shí)間，根系相關(guān)的或其誘導(dǎo)機(jī)制還需要更加深入的研究，以了解各反應(yīng)機(jī)制在冬季濕地脫氮過(guò)程中的貢獻(xiàn).

4 結(jié)論

a) 枯萎期不同時(shí)間收割影響蘆葦濕地的脫氮效果和根系的呼吸代謝特征. 與不收割處理相比，收割處理會(huì)降低濕地的脫氮效果，但枯萎末期收割對(duì)濕地脫氮效果的影響較小.

b) 收割時(shí)間對(duì)蘆葦根系活力和呼吸代謝關(guān)鍵酶的影響與進(jìn)水ρ(TN)高低有關(guān)，在進(jìn)水ρ(TN)較高的年份，枯萎前收割顯著增強(qiáng)了蘆葦?shù)母祷盍σ约癏K、PK、PFK活性；在進(jìn)水ρ(TN)較低的年份，收割處理對(duì)根系活力以及HK、PK、PFK活性的影響不大，而收割處理均降低了2個(gè)年份的根系ICDH和COX活性，但枯萎末期收割對(duì)其影響程度相對(duì)較小.

c) 收割時(shí)間對(duì)冬季蘆葦濕地脫氮效果的影響與根系呼吸代謝特征存在一定的相關(guān)性，進(jìn)水ρ(TN)較高的年份，濕地氮去除率的變化整體上由ICDH和HK活性主導(dǎo)；進(jìn)水ρ(TN)較低的年份，濕地氮去除率的變化由根系呼吸代謝指標(biāo)(HK、PK、PFK、ICDH、RA、COX活性)主導(dǎo)，均呈正相關(guān)，且HK活性對(duì)濕地氮去除率的影響最大.