全 文 ：三峡库区消落带狗牙根和牛鞭草人工湿地对总氮的去除效应
刘 曦1，2，陈芳清1，杨 丹2，3，张爱英2，3，熊高明2，4*
(1．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002;2． 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京
100093;3．中国科学院大学，北京 100049;4．石河子大学，新疆石河子 832003)
摘要 三峡库区消落带形成后带来诸多生态环境问题，研究表明采用多年生草本狗牙根和牛鞭草构建消落带人工湿地生态系统可有效
应对这些问题，但目前仍未有研究报道这两种人工湿地生态系统对进入系统的含氮污水的总氮去除效应。笔者研究了以这两个种为优
势种的人工湿地对不同浓度含氮污水的季节性消减效果。研究结果表明，以狗牙根和牛鞭草为优势物种的人工湿地比未进行生态修复
的空白对照，在总氮去除能力方面显著要高，牛鞭草和狗牙根的总氮去除率分别为 57． 4%和 42． 4%，而对照总氮去除率则为负值
(－22． 4%)，三者之间差异显著。狗牙根和牛鞭草对污水氮的去除能力受到生长期和入水污水的氮浓度的显著影响，生长初期和生长
末期对氮的去除能力要低于生长旺期;相对而言狗牙根对中氮污水的去氮能力要高于高氮污水，而牛鞭草对高氮污水的去氮能力要高
于中氮污水。该研究表明在三峡库区消落带，采用适宜物种构建人工湿地进行生态修复，对于截留、吸收库区屏障带进入消落带生态系
统的含氮污水具有重要的生态效益，是防治三峡库区水体富营养化的有效途径。
关键词 三峡库区;消落带;人工湿地;氮去除;狗牙根;牛鞭草
中图分类号 S181． 3 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2015)13 －210 －03
The Ｒemoval Efficiency of Cynodon dactylon and Hemarthria altissima Wetlands in the Ｒiparian of Three Gorges Ｒeservoir to Total Ni-
trogen
LIU Xi1，2，CHEN Fang-qing1，YANG Dan2． 3，XIONG Gao-ming2，4* et al (1． Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-envi-
ronment in Three Gorges Area，Yichang，Hubei 443002;2． State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change，Institute of Botany，Chi-
nese Academy of Sciences，Beijing 100093;3． University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049;4． Shihezi University，Shihezi，Xinjiang
832003)
Abstract The water-level fluctuation zone of the Three Gorges Ｒeservoir are facing a number of ecological problems after formed，many studies
have shown that construction of wetlands with perennials such as Cynodon dactylon and Hemarthria altissima，can efficiently deal with these is-
sues． However，currently there are no reports regarding the nitrogen removal efficiency by these wetlands． In the present study，how species compo-
sition，growth status were investigated，as well as nitrogen concentration of influx sewage，affectedthe nitrogen removal efficiency of constructed
wetland． Ｒesults showed that C． dactylon and H． altissima wetlands had significantly higher total nitrogen removal rate (57． 4% for C． dactylon，
42． 4% for H． altissima)than wetland without perennials(blank，－22． 4%)． Growth stage and nitrogen concentration of influx sewage significant-
ly affected the ability of wetlands to remove nitrogen． Constructed wetlands with C． dactylon and H． altissima can reach peak in nitrogen removal
efficiency during the growth period． C． dactylon wetland have higher nitrogen removal rate on sewage with moderate nitrogen concentration than
high nitrogen concentration，while H． altissima wetland was the opposite． The present study demonstrated that construction of wetland with C． dac-
tylon and H． altissima could efficiently intercept and store excessive nitrogen input from upland，and was an efficient way to alleviate eutrophica-
tion of water body in the Three Gorges Ｒeservoir area．
Key words Three Gorges Ｒeservoir;Water-level fluctuation zone;Constructed wetland;Nitrogen removal;Cynodon dactylon;Hemarthria
altissima
基金项目 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-09-02)。
作者简介 刘曦(1989 － )，女，湖北孝感人，硕士研究生，研究方向:湿
地生态学。* 通讯作者，助理研究员，在读博士，从事受威
胁植物种群保护和复壮研究。
收稿日期 2015-04-01
三峡工程正式运行后，水位逐渐从原先的海拔 62 m上
升到2008年的175 m，形成了岸线长5 578 km、面积达34 900
km2 的消落带。消落带是人工水库水位、河水(溪流)与陆地
交界处的两边，直至河水影响消失为止的区域。消落带是水
生生态系统和陆生生态系统交替控制的过渡地带，在生态、
环境和经济美学方面都具有非常重要的功能。三峡库区消
落带形成后，由于不能忍耐长期冬季水淹胁迫，库区消落带
原有植物大量消失，消落带生境受到反复淹水浪涌侵蚀，逐
渐凸显了许多生态环境问题，如生态系统更为脆弱、消落带
截污减污功能降低、消落带土壤侵蚀严重以及景观恶化等。
这些生态学问题对水库水环境安全具有潜在威胁作用，迫切
需要采取解决措施。
近年来，国内多家科研单位积极开展了消落带生态修复
的理论和试践研究。在物种优选研究这个关键环节上，多个
野外群落学调查、模拟淹水试验研究发现，狗牙根(Cynodon
dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)非常适应消落带环
境，是生态修复的适宜物种，对于维系消落带生物多样性水
平、稳定消落带生态系统和降低消落带土壤侵蚀程度具有显
著效果［1 －2］。然而，目前缺少对两个物种在生态环境效益方
面作用的研究报道。三峡库区消落带是库区污水进入水库
的最后一道屏障，湿地植物去除氮被认为是消落带湿地生态
系统的重要生态效益之一［3 －5］。因此，研究这两个物种对污
水氮的去除效益无疑具有重要意义。该研究以狗牙根和牛
鞭草为研究对象，研究了两个物种对不同浓度含氮污水的季
节性消减效果差异，为三峡库区消落带生态修复提供依据。
1 材料与方法
1． 1 系统构造及运行条件 采用半模拟的垂直流人工湿地
系统，系统搭建在重庆忠县石宝寨共和村。采用体积为
0． 035 m3(0． 5 m长 × 0． 35 m宽 × 0． 2 m 高)的塑料盆为容
器，基质采用海拔 165 m的消落带原生土。采用随机区组试
验设计，每个处理 3 个重复。塑料盆以 10°左右的角度搁置
在支架上，以模拟库区消落带湿地生态系统分布的坡度。垂
责任编辑 宋平 责任校对 李岩安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2015，43(13):210 － 212
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2015.13.206
直流人工湿地试验系统结构示意图见图 1。
图 1 垂直流人工湿地试验系统结构示意图
系统进水采用间歇式，污水从系统顶部灌入。间歇式进
水可以使得湿地土壤交替出现好氧和厌氧环境，有利于湿地
中的硝化反硝化耦合作用进行，且便于较低水力负荷时的布
水均匀，充分地利用湿地表面和体积。日间每 12 h 进水 1
次，水力负荷为 0． 055 5 t /(m3·d)。系统进水根据《国家地
表水环境质量标准》(GB3838 － 2002)，配置轻(Light，1
mg /L，Ⅰ类水质)、中(Middle，2 mg /L，Ⅴ类水质)、重(Heavy，5
mg /L，＞Ⅴ类水质)3种氮浓度的污水。污水为自配(其中硝
态氮和铵态氮比例为 4∶ 1)，相应磷浓度为 0． 05、0． 10和 0． 50
mg /L，相应 COD浓度为 38． 38、32． 32、42． 42 mg /L［6 －9］。
狗牙根(C)、牛鞭草(H)于 2014 年 4 月播种，待自然生
长 1个月后，开始进行污水处理。生长旺期(8 月)调查的狗
牙根和牛鞭草两个种的个体密度分别为 2 600 和 3 600
株 /m2。与此同时设置了对照处理，对照处理下消落带土壤
基质上自然生长着一些一年生草本如苍耳(Xanthium sibiri-
cum)和稗子(Echinochloa crusgalli)等。
1． 2 测定时间及水质指标的测定 根据两个物种生长状
况，选择 2014年 6 月(生长初期)、8 月(生长旺期)和 10 月
(生长末期)对入水和出水水质进行测定。湿地系统处理污
水前后的总氮、硝态氮和铵态氮等理化参数按照《水和废水
监测分析方法(第四版)》进行测定。水样加硫酸使 pH≤2，
保存在4 ℃以下，在24 h内进行测定。采用连续流动分析仪
AA3测定全氮、硝氮、氨氮指标，单位均是 mg /L。入水部分
水质参数当场用 EXO1 多参数水质仪测定，分别是温度 /电
导率(Temp /Cond)、光学溶解氧(ODO)、酸碱度 /氧化还原电
位(pH/OＲP)、浊度(Turbidity)，见表 1。
1． 3 统计分析方法 各处理在总氮去除率之间的差异采用
带交互作用的三因素方差分析方法进行显著性检验，采用
LSD进行处理间多重比较分析，所有统计分析均采用
SPSS13． 0 统计软件包(SPSS13． 0 for Windows)来完成。
表 1 试验用生活污水水质
月份 电导率∥mS /cm ODO∥mg /L OＲP∥mV 温度∥℃ pH 浊度∥NTU
6 508． 7 ±1． 1 5． 9 ±0． 2 119． 1 ±26． 2 32． 6 ±1． 6 7． 5 ±0． 02 2． 8 ±0． 2
8 626． 2 ±9． 0 9． 7 ±1． 0 84． 6 ±6． 5 27． 9 ±0． 03 8． 2 ±0． 2 0． 4 ±0． 1
10 337． 0 ±34． 4 7． 9 ±0． 8 73． 6 ±12． 3 19． 8 ±0． 4 8． 1 ±0． 5 9． 2 ±0． 4
2 结果与分析
平均而言，牛鞭草的总氮去除率为 57． 4%，狗牙根的总
氮去除率为 42． 4%，而对照总氮去除率则为负值
(－22． 4%)。三者之间差异显著(P ＜ 0． 001，表 2) ，牛鞭草
对总氮的去除率要略高于狗牙根(P ＜0． 05)。不同生长期总
氮去除率出现明显动态变化，图 2 是狗牙根、牛鞭草及对照
在不同生长期对不同氮浓度污水的总氮去除趋势。在生长
初期(6月)，两个种总氮去除率要显著低于生长旺期和生长
末期(P ＜0． 001，表 2)，而生长旺期总氮去除率高于生长末
期。不同氮浓度污水的总氮去除率有显著差异(P ＜ 0． 001，
表 2) ，两个种对中度和重度污染的水具有较高的总氮去除
率，如在 8月，狗牙根对中度和重度污染的水的总氮去除率
分别为74． 5%和62． 6%，而对轻度污染的水的总氮去除率为
60． 3%(P ＜0． 05)。
此外，无论是种和污水含氮浓度(S × T)，种和取样时间
(S ×D) ，还是污水含氮浓度与取样时间(T × D)之间都存在
显著的交互作用(P值均 ＜0． 01，表 2) ，而三者的交互作用没
有显著效应。种和污水含氮浓度交互作用显著说明牛鞭草
和狗牙根对总氮的去除能力取决于入水水体污染水平。从
图 2可知，狗牙根对中氮污水的总氮去除率要高于牛鞭草，
而牛鞭草对高氮污水的总氮去除率要高于狗牙根。而 S以
及 T的显著交互效应可能主要由于对照在生长旺期(8 月)
和生长末期(10月)差异不显著导致(图 2)。
表 2 物种、污水含氮浓度和取样时间对总氮、硝态氮和铵态氮去除率
影响的方差分析
项目 自由度 df F值 P值
物种 S 2 172． 72 ＜0． 001
污水含氮浓度 T 2 61． 81 ＜0． 001
取样时间 D 2 69． 23 ＜0． 001
S × T 4 4． 47 0． 003
S × D 4 12． 13 ＜0． 001
T × D 4 11． 91 ＜0． 001
S × T × D 8 1． 81 0． 090
3 结论与讨论
该研究表明，三峡库区消落带以狗牙根和牛鞭草为优势
物种的人工湿地比未进行生态修复的空白对照，在总氮去除
能力方面显著要高。狗牙根和牛鞭草对总氮的去除能力受
到生长期和入水污水的氮浓度的显著影响。
国内外相关研究表明，湿地生态系统对氮的吸收截留能
力与湿地植物密不可分。事实上，狗牙根和牛鞭草湿地系统
可以通过以下一些与湿地植物相关的机制提高系统对氮的
截留能力:①通过蒸腾或主动吸收方式吸收氮素用于个体生
11243 卷 13 期 刘 曦等 三峡库区消落带狗牙根和牛鞭草人工湿地对总氮的去除效应
长;②通过生物量的分解为硝化反硝化细菌提供重要碳源;
③通过地下根系分布，物理阻挡截留流入污水的氮素化合
物，增加水力驻留时间，提高系统对氮的吸收截留能力;④通
过地下根系建立适合的好氧 －厌氧微环境梯度，为硝化反硝
化细菌提供适宜环境，促进硝化 － 反硝化耦合反应的
进行［10 －14］。
注:a．狗牙根;b．牛鞭草;c．对照。
图 2 狗牙根和牛鞭草在不同生长期对不同氮浓度污水的总氮去除能力
两个物种对氮的去除能力明显受到生长期的调节，总体
而言，生长初期和生长末期对氮的去除能力要低于生长旺
期。在 8月，植物生长旺盛，对土壤氮素的需求增强，这可能
是生长旺期对氮的去除效率高的原因之一。此外，生长旺期
环境温度较高，微生物的新陈代谢以及相应的有氧呼吸速率
增强，可能增加了土壤厌氧区范围，有利于硝化反硝化耦合
作用的进行。生长末期种有狗牙根和牛鞭草的人工湿地总
氮去除能力出现明显下降，这与生长末期部分植物生物量凋
亡将一些吸收截留的氮素重新释放到土壤中相关［15 －17］。
两个物种对氮的去除能力也受到进入系统的污水含氮
水平的影响。相对而言，狗牙根对中氮污水的去氮能力要高
于高氮污水，而牛鞭草对高氮污水的去氮能力要高于中氮污
水。可能原因是两个种的生长对土壤氮素的需求不一样所
导致的。研究表明，土壤过量氮素对植物生长有明显抑制作
用［18］，从而降低了湿地植物对氮的吸收截留能力。此外，过
高氮量也会导致植物个体间竞争加剧，大量植株个体和底部
叶片衰亡，从而增加了进入湿地系统的氮含量，导致湿地生
态系统对氮的吸收截留能力下降。无论是狗牙根、牛鞭草还
是对照对低氮污水的去除率都比较低，可能说明低氮污水进
入湿地系统后，其阴阳离子对土壤颗粒物理吸附的硝态氮和
铵态氮进行了交换，将土壤固持的氮素解吸释放到水体中，
降低了湿地系统对氮的吸收截留效益。
消落带湿地生态系统对氮素的吸收截留效益，除了笔者
所研究的因素以外，还与系统的水力停留时间、运行时间、坡
度坡向、土壤基质、污水理化性质等物理因素;湿地系统植物
的种植密度、物种组成等生物因素;刈割等管理因素相关，仍
需要进一步的深入研究。但至少该研究的结果表明，在三峡
库区消落带，采用适宜物种进行生态修复，对于截留、吸收库
区屏障带进入消落带湿地生态系统的生活和生产污水的氮
素具有重要的生态效益，是防治三峡库区水体富营养化的有
效途径［19 －20］。
参考文献
［1］成水平，吴振斌，况琪军．人工湿地植物研究［J］．湖泊科学，2002，14
(2):179 －184．
［2］谭淑端，朱明勇，党海山，等．三峡库区狗牙根对深淹胁迫的生理响应
［J］．生态学报，2009，29(7):3685 －3691．
［3］ZHANG C B，KE S S，WANG J，et al． Ｒesponses of microbial activity and
community metabolic profiles to plant functional group diversity in a full-
scale constructed wetland［J］． Geoderma，2011，160(3):503 －508．
［4］MITSCH W J，HOＲNE A J，MAIＲN Ｒ W． Nitrogen and phosphorus reten-
tion in wetlands-ecological approaches to solving excess nutrient problems
［J］． Ecological Engineering，2000，14(1 /2):1 －7．
［5］徐德福，徐建民，王华胜，等．湿地植物对富营养化水体中氮、磷吸收能
力研究［J］．植物营养与肥料学报，2005，11(5):579 －601．
［6］梁康，王启烁，王飞华，等．人工湿地处理生活污水的研究进展［J］．农
业环境科学学报，2014，33(3):422 －428．
［7］胡康萍．人工湿地设计中的水力学问题研究［J］．环境科学研究，1991，4
(5):8 －12．
［8］龚琴红，田光明，吴坚阳，等．垂直流湿地处理低浓度生活污水的水力
负荷［J］．中国环境科学，2004(3):275 －279．
［9］吴振斌，徐光来，周培疆，等．复合垂直流人工湿地对不同氮污水的净
化［J］．环境科学与技术，2004，27(1):30 －32．
［10］徐治国，何岩，闫百兴，等．湿地植物对外源氮，磷输入的响应研究［J］．
环境科学研究，2007，20(1):64 －68．
［11］BEＲGSTEＲMANN A，CＲDENAS L，BOL Ｒ，et al． Effect of antecedent
soil moisture conditions on emissions and isotopologue distribution of N2O
during denitrification［J］． Soil Biology and Biochemistry，2011，43(2):240
－250．
［12］金卫红，付融冰，顾国维．人工湿地中植物生长特性及其对 TN和 TP
的吸收［J］．环境科学研究，2007，20(3):75 －80．
［13］VYMAZAL J． Constructed wetlands for wastewater treatment［J］． Water，
2010，2(3):530 －549．
［14］MALTAIS-LANDＲY G，MAＲANGEＲ Ｒ，BＲISSON J． Effect of artificial
aeration and macrophyte species on nitrogen cycling and gas flux in con-
structed wetlands［J］． Ecological Engineering，2009，35(2):221 －229．
［15］卢少勇，金相灿，余刚．人工湿地的氮去除机理［J］．生态学报，2006，26
(8):2670 －2677．
［16］马井泉．人工湿地脱氮关键过程的作用机理研究［D］．北京:中国水利
水电科学研究院，2006．
［17］王晓娟，张荣社．人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究［J］．环
境科学学报，2006，26(2):225 －229．
［18］赵风华，马军花，欧阳竹．过量施氮对冬小麦生产力的影响［J］．植物
生态学报，2012，36(10):1075 －1081．
［19］蒋跃平，葛滢，岳春雷，等．人工湿地植物对观赏水中氮磷去除的贡献
［J］．生态学报，2004，24(8):1720 －1725．
［20］BUＲGIN A J，HAMILTON S K． Have we overemphasized the role of deni-
trification in aquatic ecosystems?A review of nitrate removal pathways
［J］． Frontiers in Ecology and the Environment，2007，5(2):89 －96．
212 安徽农业科学 2015年