全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 9 期摇 摇 2012 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
不同土地覆被格局情景下多种生态系统服务的响应与权衡———以雅砻江二滩水利枢纽为例
葛摇 菁,吴摇 楠,高吉喜,等 (2629)
…………………
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放牧对小嵩草草甸生物量及不同植物类群生长率和补偿效应的影响 董全民,赵新全,马玉寿,等 (2640)……
象山港日本对虾增殖放流的效果评价 姜亚洲,凌建忠,林摇 楠,等 (2651)………………………………………
城市景观破碎化格局与城市化及社会经济发展水平的关系———以北京城区为例
仇江啸,王效科,逯摇 非,等 (2659)
………………………………
……………………………………………………………………………
江河源区高寒草甸退化序列上“秃斑冶连通效应的元胞自动机模拟 李学玲,林慧龙 (2670)…………………
铁西区城市改造过程中建筑景观的演变规律 张培峰,胡远满,熊在平,等 (2681)………………………………
商洛低山丘陵区农林复合生态系统光能竞争与生产力 彭晓邦,张硕新 (2692)…………………………………
基于生物量因子的山西省森林生态系统服务功能评估 刘摇 勇,李晋昌,杨永刚 (2699)………………………
不同沙源供给条件下柽柳灌丛与沙堆形态的互馈关系———以策勒绿洲沙漠过渡带为例
杨摇 帆,王雪芹,杨东亮,等 (2707)
………………………
……………………………………………………………………………
桂西北喀斯特区原生林与次生林凋落叶降解和养分释放 曾昭霞,王克林,曾馥平,等 (2720)…………………
江西九连山亚热带常绿阔叶林优势种空间分布格局 范摇 娟,赵秀海,汪金松,等 (2729)………………………
秦岭山地锐齿栎次生林幼苗更新特征 康摇 冰,王得祥,李摇 刚,等 (2738)………………………………………
极端干旱环境下的胡杨木质部水力特征 木巴热克·阿尤普,陈亚宁,等 (2748)………………………………
红池坝草地常见物种叶片性状沿海拔梯度的响应特征 宋璐璐,樊江文,吴绍洪,等 (2759)……………………
改变 C源输入对油松人工林土壤呼吸的影响 汪金松,赵秀海,张春雨,等 (2768)……………………………
啮齿动物捕食压力下生境类型和覆盖处理对辽东栎种子命运的影响 闫兴富,周立彪,刘建利 (2778)………
上海闵行区园林鸟类群落嵌套结构 王本耀,王小明,王天厚,等 (2788)…………………………………………
胜利河连续系统中蜉蝣优势种的生产量动态和营养基础 邓摇 山,叶才伟,王利肖,等 (2796)…………………
虾池清塘排出物沉积厚度对老鼠簕幼苗的影响 李摇 婷,叶摇 勇 (2810)…………………………………………
澳大利亚亚热带不同森林土壤微生物群落对碳源的利用 鲁顺保,郭晓敏,芮亦超,等 (2819)…………………
镜泊湖岩溶台地不同植被类型土壤微生物群落特征 黄元元,曲来叶,曲秀春,等 (2827)………………………
浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响 唐莹莹,李秀珍,周元清,等 (2837)……………
促分解菌剂对还田玉米秸秆的分解效果及土壤微生物的影响 李培培,张冬冬,王小娟,等 (2847)……………
秸秆还田与全膜双垄集雨沟播耦合对半干旱黄土高原玉米产量和土壤有机碳库的影响
吴荣美,王永鹏,李凤民,等 (2855)
………………………
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赣江流域底泥中有机氯农药残留特征及空间分布 刘小真,赵摇 慈,梁摇 越,等 (2863)…………………………
2009 年徽州稻区白背飞虱种群消长及虫源性质 刁永刚,杨海博,瞿钰锋,等 (2872)…………………………
木鳖子提取物对朱砂叶螨的触杀活性 郭辉力,师光禄,贾良曦,等 (2883)………………………………………
冬小麦气孔臭氧通量拟合及通量产量关系的比较 佟摇 磊,冯宗炜,苏德·毕力格,等 (2890)…………………
专论与综述
基于全球净初级生产力的能源足迹计算方法 方摇 恺,董德明,林摇 卓,等 (2900)………………………………
灵长类社会玩耍的行为模式、影响因素及其功能风险 王晓卫,赵海涛,齐晓光,等 (2910)……………………
问题讨论
中国伐木制品碳储量时空差异分析 伦摇 飞,李文华,王摇 震,等 (2918)…………………………………………
研究简报
森林自然更新过程中地上氮贮量与生物量异速生长的关系 程栋梁,钟全林,林茂兹,等 (2929)………………
连作对芝麻根际土壤微生物群落的影响 华菊玲,刘光荣,黄劲松 (2936)………………………………………
刈割对外来入侵植物黄顶菊的生长、气体交换和荧光的影响 王楠楠,皇甫超河,陈冬青,等 (2943)…………
不同蔬菜种植方式对土壤固碳速率的影响 刘摇 杨,于东升,史学正,等 (2953)…………………………………
巢湖崩岸湖滨基质鄄水文鄄生物一体化修复 陈云峰,张彦辉,郑西强 (2960)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*336*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄05
封面图说: 在交配的雨蛙———雨蛙为两栖动物,世界上种类达 250 种之多,分布极广。 中国的雨蛙仅有 9 种,除西部一些省份
外,其他各省(区)均有分布。 雨蛙体形较小背面皮肤光滑,往往雄性绿色,雌性褐色,其指、趾末端多膨大成吸盘,便
于吸附攀爬。 多生活在灌丛、芦苇、高秆作物上,或塘边、稻田及其附近的杂草上。 白天匍匐在叶片上,黄昏或黎明
频繁活动,捕食能力极强,主要以昆虫为食。 特别是在下雨以后,常常 1 只雨蛙先叫几声,然后众蛙齐鸣,声音响亮,
每年在四、五份夜间发情交配。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 9 期
2012 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 9
May,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:河口海岸学国家重点实验室科研业务费(2010RCDW08,2008KYYW07)
收稿日期:2011鄄03鄄24; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄01
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: xzli@ sklec. ecnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201103240370
唐莹莹,李秀珍,周元清,贾悦,辛在军,孙永光. 浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响. 生态学报,2012,32 (9):
2837鄄2846.
Tang Y Y, Li X Z, Zhou Y Q, Jia Y, Xin Z J, Sun Y G. Effect of Ipomoea aquatica Floating鄄bed on the quantity and distribution of nitrogen cycling
bacteria and nitrogen removal. Acta Ecologica Sinica,2012,32(9):2837鄄2846.
浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和
氮素净化效果的影响
唐莹莹,李秀珍*,周元清,贾摇 悦,辛在军,孙永光
(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海摇 200062)
摘要:通过在塑料水箱中水培空心菜( Ipomoea aquatica),研究浮床空心菜对氮循环细菌数量、分布和氮素净化效果的影响。 研
究结果表明,浮床空心菜氮循环细菌总数、氨化菌、亚硝化菌、硝化菌数量极显著高于空白对照(P<0. 01),浮床空心菜反硝化菌
数量与空白对照差异不显著(P>0. 05);氨化菌在根内、根面、水体中的分布差异不大,亚硝化菌主要分布在根内和根面,硝化菌
主要分布在根面,反硝化菌主要分布在水体中;试验结束时,浮床空心菜系统和空白对照对氨氮的去除率分别为 91. 8%和
88郾 5% ,对总氮的去除率分别为 48. 2%和 62. 1% 。 通过浮床空心菜各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关性分析,发现
浮床空心菜系统中氮素的去除是植物吸收,根系表面的氨化作用,以及水体中硝化、反硝化共同作用的结果,而空白对照系统中
氮素的主要去除途径是微生物的硝化 /反硝化作用以及氨挥发。
关键词:浮床空心菜;氮循环细菌;分布;氮素净化
Effect of Ipomoea aquatica Floating鄄bed on the quantity and distribution of
nitrogen cycling bacteria and nitrogen removal
TANG Yingying, LI Xiuzhen*, ZHOU Yuanqing, JIA Yue, XIN Zaijun, SUN Yongguang
State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China
Abstract: The effect of Ipomoea aquatica floating鄄bed on the quantity and distribution of nitrogen cycling bacteria and
nitrogen removal was investigated in plastic tanks using I. aquatica as floating鄄bed plant. The results showed that the
number of total nitrogen cycling bacteria, ammonifying bacteria, nitrosobacteria, nitrobacteria in the I. aquatica floating鄄
bed system was significantly higher than that in the control (P<0. 01). No significant difference was found for the number
of denitrifying bacteria between I. aquatica floating鄄bed system and the control (P>0. 05). The number of total nitrogen
cycling bacteria in I. aquatica floating鄄bed (7伊105—3伊108 MPN / g) was 2 to 5 orders of magnitude higher than that in the
control (3伊102—5伊106MPN / g) . The dominant group in the I. aquatica floating鄄bed system was ammonifying bacteria
throughout the test period (P<0. 01). But the dominant group in the control had changed during the test period. The
dominant bacteria group in the control was ammonifying bacteria at the sixth and twelfth day of sampling (P<0. 05), while
ammonifying bacteria and denitrifying bacteria were dominant at the nineteenth and thirty鄄third day of sampling (P<0. 05).
The dominant group in the control was denitrifying bacteria at the twenty鄄sixth day of sampling (P<0. 05). The difference
in the distribution of ammonifying bacteria was not significant among endo鄄rhizosphere, rhizoplane and water.
Nitrosobacteria was mainly distributed in the endo鄄rhizosphere and rhizoplane. Nitrobacteria was mainly distributed in the
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rhizoplane and denitrifying bacteria was mainly distributed in the water. The removal rate of NH+4 鄄N was 91. 8% in the
I. aquatica floating鄄bed system and 88. 5% in the control, respectively. NH3 volatilization could be the main way of NH
+
4 鄄
N removal in the control. Microbial nitrification could be the main way of NH+4 鄄N removal in the I. aquatica floating鄄bed
system. Since I. aquatica covered only 10% of the water surface in the floating鄄bed system, NH+4 鄄N removal rates in the
two systems were not significantly different. The removal rate of total nitrogen was 48. 2% in the I. aquatica floating鄄bed
system and 62. 1% in the control, respectively. Due to the decay of I. aquatica induced by insects after the 19 th day, the
removal rate of total nitrogen in the I. aquatica floating鄄bed system was lower than that in the control. But the interference
of insects offered a possibility to have a thorough knowledge of purification mechanism of nitrogen with ecological floating鄄
beds. Based on the correlation analysis between the number and distribution of the nitrogen cycling bacteria and the nitrogen
concentration, we found that the contribution of ammonifying bacteria and nitrosobacteria in the rhizoplane is higher than
that in the endo鄄rhizosphere and water. The contribution of nitrobacteria and denitrifying bacteria in the water is higher than
that in the endo鄄rhizosphere and rhizoplane. Nitrogen removal is the combined effect of plant absorption, ammoniation in
the rhizoplane, nitrification and denitrification in the water in the I. aquatica floating鄄bed system. But the main way of
nitrogen removal is microbial nitrification, denitrification and NH3 volatilization in the control. The results provide sound
basis for further understanding about the purification mechanism of nitrogen with ecological floating鄄beds.
Key Words: Ipomoea aquatica floating鄄bed;nitrogen cycling bacteria;distribution;nitrogen removal
随着我国经济的发展和工业化进程的加快,大量的工业和生活污水被排入城市河道,已远超过河道水体
的自净能力,所以造成了河道水体的富营养化问题。 受污染的河水失去了资源功能和使用价值,而且严重破
坏周围景观,造成了重大经济损失,甚至危害人类的身体健康[1]。 因此如何利用生态工程方法治理污染河道
已成为国内外日益关注的热点问题[2鄄7]。 由于生态浮床具有能耗小,成本低,具有较高的经济和景观效益,能
实现原位修复和控制污染物等特点,越来越多地引起人们关注,并被实际应用到治理城市河道污染中[8鄄15]。
已有研究多侧重于浮床植物对河道污染水体的净化效果[8鄄12]、浮床植物在污染水体中的生长特性[13]以及浮
床植物的选择[14鄄15]等方面,但对浮床生物净化功能的机理研究相对较少。 除了浮床植物根系的同化吸收和
吸附,根际和水体中微生物的生物化学过程是生态浮床净化功能得以实现的重要因素。 因此,从根际微生物
的角度研究生态浮床的净化机理具有重要的理论意义。
空心菜( Ipomoea aquatica)又名水蕹菜,具有很高的耐高温和耐污性能,并且具有较高的经济价值,可以一
次栽种多次收割,从而把营养物质直接从污染水体中去除而不产生二次污染[4]。 目前我国对浮床空心菜的
研究多集中在其净化作用方面,如操家顺[4]等研究了水蕹菜对重污染河道净化及克藻功能,发现在气温 35
益、水温 30 益以上的条件下,水蕹菜对重污染水体中的 CODMn、TN、NH
+
4 鄄N、TP 的去除率分别为 37. 0% 、
92郾 9% 、93. 9% 、93. 8% ;黄婧[16]等研究了浮床水培蕹菜的生物学特性及水质净化效果,认为水蕹菜作为一种
浮床植物,水培蕹菜以总氮计,1 m2 的水蕹菜可以把 73. 06 m3 的水由吁类净化到芋类,以总磷计,则可净化
134郾 73 m3 的水。 而对浮床空心菜中氮循环细菌的研究尚少,尤其是从根内、根面和水体来阐述各种氮循环
细菌分布的研究尚未见报道。 本文初步研究了浮床空心菜中氮循环细菌的数量和各种氮循环细菌在根内、根
面和水体中的分布及其对氮素的净化效果,并分析了氮循环细菌数量、分布与氮素净化效果之间的相关性,从
而区分哪个部位的氮循环细菌对浮床脱氮的贡献更大,为进一步揭示生态浮床除氮机理提供理论依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 植物材料
所选空心菜来自于土培苗,笔者于 2010 年 7 月 7 日选择生长良好且大小均匀的空心菜植株,洗净其根,
移栽于试验水箱中的浮床上,空心菜的种植密度为 37 株 / m2,浮床空心菜整体盖度为 10% 。
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1. 2摇 试验水体
试验水体取自上海市蔡家浜河道中的河水。 试验初始时主要水质指标如表 1 所示,参照 GB3838—2002
《国家地表水环境质量标准》 [17],该河水水质为劣吁类水。
表 1摇 试验初始时主要水质指标 / (mg / L)
Table 1摇 The main indexes of water quality at the beginning of experiment
主要水质指标
The main indexes of water quality
起始浓度
Concentration at the beginning
V类水质标准(GB3838—2002)
Water quality standards for Level V
TN 6. 946 2. 0
TP 0. 871 0. 4
NH+4 鄄N 0. 695 2. 0
COD 31. 133 40
1. 3摇 试验方法
试验在长 84 cm,宽 64 cm,高 48 cm的塑料水箱中进行,加河水 35 cm深,合计水量约 188 L。 用 PVC 管
和尼龙绳制成浮床,每个浮床栽种 20 株空心菜,将栽种好空心菜的浮床放入试验水箱中。 试验共设放置浮床
空心菜和不放置浮床的空白对照两种处理,每种处理重复 3 次。 试验从 2010 年 7 月 7 日开始至 2010 年 8 月
9 日结束,试验周期为 33 d。
1. 4摇 取样方法
1. 4. 1摇 水样
浮床空心菜和空白对照的水样采自于离水面 10 cm 深处,选取 5 个取样点,混合均匀后即为全层多点
取样。
1. 4. 2摇 根样
在空心菜根尖 2 cm处任意取根,称重,悬浮于 PBS缓冲溶液中,所得的悬浮液即为根面菌液[18]。 为了对
根内微生物进行计数,先用灭菌的蒸馏水洗根,并用灭菌的纸巾擦干并称重,接着对根面微生物进行灭菌:首
先在 70%的乙醇中轻摇 1 min,然后在 20%的次氯酸钠中轻摇 5 min,接着在硫代硫酸林格氏液中浸泡 5
min[18]。 最后把根放在具有 90 mLPBS缓冲溶液的灭过菌的研钵中,等根浸软后,用灭过菌的研杵,把根磨成
匀浆,所得的匀浆即为根内菌液[18]。
1. 5摇 测定方法
水质理化指标测定:采用 Hydrolab多参数水质测定仪对水体的酸碱度(pH值)和溶解氧(DO)进行测定;
采用快速消解分光光度法测定化学需氧量(COD) [19];用水杨酸分光光度法测定氨氮浓度(NH+4 鄄N) [19];采用
荷兰 Skalar营养盐流动分析仪测定亚硝态氮和硝态氮浓度(NO-2 鄄N 和 NO
-
3 鄄N);测定总氮浓度( TN:Total
Nitrogen)时,先经 50 g / L过硫酸钾与 12 g / L氢氧化钠混合液在高压锅内联合消解,再采用碱性过硫酸钾消解
紫外分光光度法 GB11894鄄89 测定[19]。
微生物数量的测定:用最大或然数法(MPN)测定各种氮循环细菌的数量。 水体、根面、根内的菌液经过
一系列的稀释后,分别接种于氨化菌、亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的培养基上,并放入温度设为 30 益的培养
箱进行培养,上述各氮循环细菌的培养时间分别为 3、7、7 d和 7 d,然后分别用纳氏试剂、格里斯试剂、二苯胺
试剂和杜氏小管检测上述氮循环细菌的有无,并进行计数。
1. 6摇 数据分析
为了获得方差分析的同质性,将最大或然数以 10 为底取对数,即为 log10(MPN / g) [20]。 试验数据使用
SPSS 18. 0 软件进行统计分析,并使用单因素分析中的最小显著差数法检验 ( LSD: Least鄄Significant
Difference)进行多重比较(P<0. 05)。
9382摇 9 期 摇 摇 摇 唐莹莹摇 等:浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响 摇
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2摇 结果与分析
2. 1摇 浮床空心菜对氮循环细菌数量的影响
2. 1. 1摇 浮床空心菜对氮循环细菌总数的影响
摇 图 1摇 不同采样时间空白对照和浮床空心菜系统氮循环细菌总数
的变化
Fig. 1 摇 The total number of nitrogen cycling bacteria in the
control and the I. aquatica floating鄄bed system at different
sampling time
摇 摇 从图 1 中可以看出,在整个试验过程中,浮床
空心菜系统中氮循环细菌总数(7伊105—3伊108MPN / g)
高于空白对照(3伊102—5伊106MPN / g)2—5 个数量级,
方差分析表明,浮床空心菜与空白对照氮循环细菌总数
具有极显著差异(P<0. 01)。 这表明浮床空心菜的存在
为氮循环细菌提供了适宜生存的场所,直接影响氮循环
细菌的生长和繁殖。 浮床空心菜氮循环细菌总数在整
个试验期间呈现先降低再升高的趋势,而空白对照氮循
环细菌总数则是不断降低的。 各种氮循环细菌数量的
变化是造成氮循环细菌总数变化的直接原因。
空心菜 对照
图 2摇 不同采样时间浮床空心菜和空白对照中各种氮循环细菌数量的变化
Fig 2摇 Changes of four different types of nitrogen cycling bacteria in the I. aquatica floating鄄bed and the control at different sampling time
2. 1. 2摇 浮床空心菜对各种氮循环细菌数量的影响
各种氮循环细菌数量的变化如图 2 所示,从图 2 可
以看出,浮床空心菜处理的氨化菌、亚硝化菌和硝化菌
数量明显高于空白对照,方差分析表明,浮床空心菜与
空白对照的氨化菌、亚硝化菌和硝化菌数量差异极显著
(P<0. 01),而反硝化菌两者的数量差异不显著(P >
0郾 05)。 根系的泌氧作用和大气复氧作用,使得浮床空心菜系统水体中的 DO较高,不利于反硝化菌的生长和
繁殖,所以浮床空心菜和空白对照反硝化菌数量差异不显著。 从图 2 还可以看出,浮床空心菜处理在整个试
验过程中优势种均是氨化菌(P<0. 01);而空白对照在整个试验过程中的优势种则是不断变化的,第 6 天和第
12 天采样时,空白对照的优势种为氨化菌(P<0. 05),第 19 天和 33 天采样时,优势种为氨化菌和反硝化菌
(P<0. 05),而第 26 天采样时优势种为反硝化菌(P<0. 05)。 且在整个试验过程中,各种氮循环细菌的数量都
是在不断变化的。 从图 2 可知,浮床空心菜中亚硝化菌和反硝化菌的数量在整个试验过程中持续下降,而氨
0482 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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化菌则是先降低后升高,硝化菌则是不断波动的;空白对照中氨化菌和硝化菌不断减少,而亚硝化菌则是先降
低后升高,反硝化菌则是不断波动的。 浮床空心菜处理在第 33 天采样时出现了氨化菌和硝化菌数量的升高,
可能是由于在试验后期受到虫灾干扰,部分空心菜衰亡,根系腐烂造成了氨化菌和硝化菌数量的升高。
2. 2摇 浮床空心菜根际氮循环细菌的分布特征
图 3 是浮床空心菜根际各种氮循环细菌的分布情况。 结果表明,对于氨化菌而言,根内、根面和水体中氨
化菌数量差异不显著(P>0. 05),且根面和水体的氨化菌数量在试验期间持续下降,而根内的氨化菌数量则是
先降低再增加。 对于亚硝化菌而言,根内和根面中亚硝化菌数量差异不显著(P>0. 05),水体中检测不到亚硝
化菌的存在,且根面的亚硝化菌数量随着试验时间的延续不断降低,根内的亚硝化菌数量随着试验的进行表
现为先增加后降低的趋势。 对于硝化菌而言,根面的硝化菌数量极显著高于根内和水体(P<0. 01),且水体中
的硝化菌数量随着试验的进行先减少后增加,而根面和根内的硝化菌数量随着试验时间的延续变化不大。 对
于反硝化菌而言,水体中反硝化菌数量显著高于根面和根内(P<0. 05),且水体中反硝化菌数量在试验期间先
增加后减少,根面的反硝化菌数量则是持续减少的,而根内的反硝化菌数量是先减少后增加。 结果还表明,随
着水质的好转,浮床空心菜的氮循环细菌总数不断降低。 浮床空心菜各类氮循环细菌的分布与空心菜根系分
泌物、根系泌氧等作用直接相关,根系的分泌物如萜类,苯并恶嗪,尤其是类黄酮和异黄酮类抗菌物质会阻止
根面和根内细菌的滋生[21],所以根系分泌物对各种氮循环细菌的分布表现出明显的影响。
氨化菌 亚硝化菌
硝化菌 反硝化菌
图 3摇 不同采样时间浮床空心菜根际菌的分布特征
Fig. 3摇 Distribution of ammonifying bacteria,nitrosobacteria,nitrobacteria,denitrifying bacteria in the I. aquatica floating鄄bed rhizosphere
at different sampling time
2. 3摇 浮床空心菜对各种氮素浓度的影响
图 4、图 5 和图 6 分别是不同处理时间,浮床空心菜系统和空白对照水体氨氮、亚硝态氮和硝态氮、总氮
浓度的变化。 如图 4 所示,浮床空心菜和空白对照处理随着试验时间的延续,氨氮浓度的变化趋势大致相同。
试验结束时,浮床空心菜和空白对照氨氮的去除率分别为 91. 8%和 88. 5% 。 空心菜盖度较低,可能是造成两
条曲线差别不大的原因之一。
浮床空心菜和空白对照水体氨氮浓度的变化特征与氨的去除途径有很大关系[8]。 氨氮除了可以通过硝
1482摇 9 期 摇 摇 摇 唐莹莹摇 等:浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响 摇
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摇 图 4摇 试验过程中浮床空心菜系统和空白对照水体氨氮浓度的
变化
Fig. 4 摇 Changes of NH+4 鄄N concentration in the I. aquatica
floating鄄bed system and the control during the tests
化作用转化为亚硝态氮和硝态氮得以去除外,还可以通
过氨的物理挥发直接从系统中去除。 氨挥发与水体中
的 pH值有密切的关系,当 pH 值在 8. 0—9. 3 范围时,
氨挥发显著;pH 值在 7. 5—8. 0 时,氨挥发不显著;pH
值<7. 5 时,氨挥发可忽略[22]。 空白对照在整个试验的
过程中 pH值大都在 8. 5 以上(表 2),氨挥发作用显著,
这可能是空白对照氨氮去除率较高的主要原因;而浮床
空心菜在试验过程中,pH值基本在 8. 0 以下,氨挥发作
用不显著,但由于硝化菌的最佳 pH 值为 7. 0—8郾 6[22],
所以浮床空心菜硝化作用强烈。 因此硝化作用可能是
浮床空心菜去除氨氮的主要原因,这与周晓红等[8]的
研究结果类似。
第 6 天采样时,氨化菌为浮床空心菜氮循环细菌的
优势种,并且氨化作用的最佳 pH 值为 6. 5—8. 5[22],所
以氨化作用较强烈,把大部分的有机氮转化为了氨氮,
而空心菜本身由于刚移栽比较瘦弱,其吸收氨氮的能力较弱,并且由于浮床空心菜系统中的 DO<2. 0 mg / L
(表 2),其硝化作用不强烈,所以出现了氨氮浓度暂时的增加;第 12 天采样时,浮床空心菜系统中 DO>2郾 0
mg / L,其硝化反应强烈,大部分的氨氮转化成了亚硝态氮和硝态氮,并且此时的空心菜长势良好,吸收氨氮的
能力较强,所以引起了氨氮浓度的急剧降低;第 19 天采样时,由于没有新氮源的输入,并且在第 12 天时大部
分的氨氮都转化成了亚硝态氮和硝态氮,所以和第 12 天相比,氨氮浓度基本不变。
表 2摇 浮床空心菜系统和空白对照 DO和 pH值的变化
Table 2摇 Changes of DO and pH in the I. aquatica floating鄄bed system and the control
时间 / d
Time
浮床空心菜 Ipomoea aquatica floating鄄bed
DO / (mg / L) pH
空白对照 Contol
DO / (mg / L) pH
0 0. 94 7. 33 0. 94 7. 33
6 1. 14 7. 79 3. 99 8. 73
12 2. 88 7. 70 6. 60 9. 12
19 4. 33 8. 06 3. 98 8. 67
26 3. 28 8. 25 2. 91 8. 12
33 3. 76 8. 80 5. 30 9. 17
图 5 为试验过程中浮床空心菜和空白对照亚硝态氮和硝态氮浓度的变化,如图所示,浮床空心菜水体中
亚硝态氮和硝态氮的浓度在试验过程中表现出先减少后增加再减少的趋势,而空白对照的亚硝态氮和硝态氮
的浓度则随着试验的进行不断降低。 浮床空心菜水体中亚硝态氮和硝态氮浓度的变化与硝化、反硝化反应以
及植物的吸收有密切的关系[8]。 第 6 天采样时,由于浮床空心菜系统中 DO<2郾 0 mg / L(表 2),硝化反应不强
烈,且反硝化菌数量较多,反硝化反应强烈,所以引起了亚硝态氮和硝态氮浓度的降低。 第 12 天采样时,由于
浮床空心菜系统中 DO>2. 0 mg / L(表 2),所以其硝化反应强烈,并且此时大部分的氨氮已转化成亚硝态氮和
硝态氮,同时由于 DO>2. 0 mg / L(表 2),抑制了反硝化作用,出现了亚硝态氮和硝态氮的大量积累,这与周晓
红等[8]的研究结果类似。 第 19 天、26 天和 33 天采样时,虽然由于 DO>2. 0 mg / L(表 2),抑制了反硝化作用,
但此时空心菜吸收亚硝态氮和硝态氮的能力较强,所以引起了亚硝态氮和硝态氮浓度的降低。 对于空白对照
来说,由于水体中氨氮的主要去除途径可能是通过氨挥发而离开系统,其硝化作用较少,所以在试验中没有出
现亚硝态氮和硝态氮的积累(图 5)。
图 6 为试验过程中浮床空心菜和空白对照总氮浓度的变化,由图可知,试验结束时浮床空心菜和空白对
2482 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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照的总氮去除率分别为 48. 2%和 62. 1% 。 空白对照在第 26 天采样时,总氮浓度的升高可能是由于连续的降
雨使得随颗粒物沉降在箱底的氮素重新悬浮于水体中,引起总氮浓度的暂时升高。
摇 图 5摇 试验过程中浮床空心菜和空白对照水体亚硝态氮、硝态氮
浓度的变化
Fig 5 摇 Changes of NO-2 鄄N, NO-3 鄄N concentration in the I.
aquatica floating鄄bed and the control during the tests
摇 图 6摇 试验过程中浮床空心菜和空白对照总氮浓度的变化
Fig 6摇 Changes of total nitrogen concentration in the I. aquatica
floating鄄bed and the control during the tests
2. 4摇 各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关性分析
表 3 为各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关系数。 由表可知,根面氨化菌数量与硝态氮浓度显
著相关,根面、水体中氨化菌数量与 TN浓度显著相关,与氨氮浓度极显著相关,且根面氨化菌与 TN浓度和氨
氮浓度的相关系数均大于水体,这说明根面氨化菌在氨化反应中的贡献较水体和根内氨化菌大;根面亚硝化
菌数量与 TN浓度和氨氮浓度极显著相关,这说明根面亚硝化菌在硝化反应中的贡献较水体和根内亚硝化菌
大;水体硝化菌数量与 TN 浓度和氨氮浓度显著相关,这说明水体中硝化菌在硝化反应中的贡献较根面和根
内硝化菌大;水体反硝化菌数量与 TN 浓度和氨氮浓度极显著相关,说明水体中反硝化菌在反硝化反应中的
贡献较根面、根内反硝化菌大。
表 3摇 各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关系数
Table 3摇 Correlation coefficient between quantity, distribution of four different types of nitrogen cycling bacteria and nitrogen concentration
菌种
Strain
部位
Location
TN浓度
TN
concentration
r
氨氮浓度
NH+4 鄄N
concentration
r
亚硝态氮浓度
NO-2 鄄N
concentration
r
硝态氮浓度
NO-3 鄄N
concentration
r
氨化菌 根面 Rhizoplane 0. 572* 0. 832** 0. 380 0. 525*
Ammonifying 根内 Endo鄄rhizosphere 0. 477 0. 113 0. 013 -0. 020
bacteria 水体 Water 0. 521* 0. 727** 0. 387 0. 471
根面 Rhizoplane 0. 840** 0. 816** 0. 065 0. 170
亚硝化菌 根内 Endo鄄rhizosphere -0. 443 -0. 130 0. 326 0. 263
Nitrosobacteria 水体 Water - - - -
根面 Rhizoplane 0. 338 0. 319 0. 434 0. 418
硝化菌 根内 Endo鄄rhizosphere -0. 450 -0. 395 -0. 372 -0. 358
Nitrobacteria 水体 Water 0. 598* 0. 564* -0. 119 0. 047
反硝化菌 根面 Rhizoplane 0. 448 0. 529* 0. 284 0. 297
Denitrifying 根内 Endo鄄rhizosphere 0. 662** 0. 515* -0. 243 -0. 081
bacteria 水体 Water -0. 852** -0. 659** 0. 147 -0. 006
摇 摇 ** 在 0. 01 水平(双侧)上显著相关; * 在 0. 05 水平(双侧)上显著相关; n=15
3482摇 9 期 摇 摇 摇 唐莹莹摇 等:浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和氮素净化效果的影响 摇
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3摇 讨论
试验结束时浮床空心菜系统对总氮的去除率为 48. 2% ,与现有的研究结果[4,12,23]相比偏低,主要有以下
几个方面的原因:(1)空心菜盖度较低,其根系表面积也较小,其上附着的微生物也较少,引起通过植物吸收
和微生物的生物降解得以去除的氮素含量也相对较少,造成了较低的总氮去除率,在今后的试验和推广中需
通过提高空心菜的盖度来增加总氮的去除率;(2)在试验的后期,由于受到虫害干扰,引起部分空心菜衰亡并
腐烂分解,释放出一定含量的氮素,而此时的空心菜由于受到影响,减弱了其吸收氮素的能力和其根系附着的
氮循环细菌的活力,这时腐烂分解输入水体的总氮高于水体自净作用输出的总氮含量,使得总氮浓度在试验
后期出现了升高;(3) 由于试验是在温度很高的夏季开展的,空心菜的蒸腾作用和水体的蒸发作用引起了水
箱内水量的减少,间接地增加了总氮的浓度。
在试验后期由于虫害的干扰,引起了部分空心菜的衰亡并腐烂分解,使得在第 26 天采样时,腐烂分解输
入水中的氨氮和总氮高于水体自净作用输出的氨氮和总氮含量,致使总氮和氨氮浓度出现了一定程度的增
加。 但在第 33 天采样时,由于虫害干扰所引起的浮床空心菜系统硝化菌数量的增加,使得相应的硝化反应有
所增强,通过水体自净作用去除的氨氮浓度反而大于植物向水体中释放的浓度,致使氨氮浓度出现一定程度
的降低;但硝化反应的增强,只是氮素存在形式的转换,对于浮床空心菜系统,总氮浓度的降低主要是通过反
硝化反应转换为氮气和一氧化二氮,从而从系统中得以去除,而在整个试验过程中,反硝化细菌的数量一直在
减少,致使通过水体自净作用输出的总氮含量小于植物向水体释放的总氮含量,造成了总氮浓度的升高。 虫
害的出现对本试验造成一定的干扰,但是通过虫害的干扰,使我们不仅可以了解空心菜在生长旺盛期的氮循
环细菌数量、分布及氮素浓度的变化,还可以了解空心菜在衰亡期的氮循环细菌数量、分布及氮素浓度的变
化,这为全面地了解浮床空心菜的除氮机理提供了可能。
生态浮床的除氮功能,除了通过浮床植物根系的同化吸收和吸附作用外,根际和水体中各种氮循环细菌
的数量和分布是生态浮床净化功能得以实现的重要保证。 通过各种氮循环细菌数量、分布与氮素浓度的相关
性分析,得出反硝化菌和亚硝化菌的数量与总氮浓度存在极显著的相关性,这表明在浮床系统中氮素的主要
去除途径是微生物的硝化 /反硝化作用,这与 Stottmeister[24]的研究结果一致。
生态浮床由于能实现原位修复,只占水面不占地,具有较高的经济和景观效益等优点,日益受到人们的青
睐,但由于该技术发展历史短,相关的基础研究远远落后于实际需要,对治理水体污染的机理没有一个非常科
学的结论,因此其大规模的推广受到限制,加强氮循环细菌在根际和水体中数量、分布及其与氮素浓度的相关
性分析研究,对于揭示生态浮床的除氮机理具有重要的理论意义,并为其大规模的推广提供一定的理论基础。
4摇 结论
本试验通过在塑料水箱中水培空心菜的试验方法,进行了 33 d 浮床空心菜对氮循环细菌数量与分布和
氮素净化效果的研究,得出以下初步结论:
(1)浮床空心菜氮循环细菌总数极显著高于空白对照(P<0. 01),浮床空心菜的氨化菌、亚硝化菌和硝化
菌数量极显著高于空白对照(P<0. 01),而反硝化菌两者的数量差异不显著(P>0. 05);
(2)浮床空心菜系统中氨化菌在根内、根面、水体中数量差异不显著(P>0. 05),亚硝化菌主要分布在根
面和根内,硝化菌主要分布在根面,反硝化菌主要分布在水体中;
(3)浮床空心菜和空白对照对氨氮的去除率分别为 91. 8%和 88. 5% ,氨挥发可能是空白对照去除氨氮的
主要途径而对于浮床空心菜,其去除氨氮的主要途径可能是微生物的硝化作用;
(4)浮床空心菜和空白对照对总氮的去除率分别为 48. 2%和 62. 1% ,浮床空心菜的总氮去除率反而低于
空白对照,这是因为在试验后期受虫灾的干扰,引起部分空心菜衰亡并腐烂分解所致;
(5)浮床空心菜系统中根面氨化菌在氨化反应中的贡献较水体和根内氨化菌大,根面亚硝化菌在硝化反
应中的贡献较水体和根内亚硝化菌大,水体中硝化菌在硝化反应中的贡献较根面和根内硝化菌大,水体中反
硝化菌在反硝化反应中的贡献较根面、根内反硝化菌大。
4482 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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6482 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 9 May,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Responses and weigh of multi鄄ecosystem services and its economic value under different land cover scenarios: a case study from
Ertan water control pivot in Yalong River GE Jing, WU Nan, GAO Jixi,et al (2629)……………………………………………
Influence of grazing on biomass, growth ratio and compensatory effect of different plant groups in Kobresia parva meadow
DONG Quanmin, ZHAO Xinquan, MA Yushou, et al (2640)
……………
……………………………………………………………………
Stocking effectiveness of hatchery鄄released kuruma prawn Penaeus japonicus in the Xiangshan Bay, China
JIANG Yazhou, LING Jianzhong, LIN Nan,et al (2651)
……………………………
……………………………………………………………………………
The spatial pattern of landscape fragmentation and its relations with urbanization and socio鄄economic developments: a case study
of Beijing QIU Jiangxiao, WANG Xiaoke, LU Fei, et al (2659)…………………………………………………………………
Cellular automata simulation of barren patch connectivity effect in degradation sequence on alpine meadow in the source region
of the Yangtze and Yellow rivers, Qinghai鄄Tibetan Plateau, China LI Xueling, LIN Huilong (2670)……………………………
Evolution law of architectural landscape during the urban renewal process in Tiexi District
ZHANG Peifeng, HU Yuanman, XIONG Zaiping, et al (2681)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Competition for light and crop productivity in an agro鄄forestry system in the Hilly Region, Shangluo, China
PENG Xiaobang, ZHANG Shuoxin (2692)
…………………………
…………………………………………………………………………………………
Evaluation of forest ecosystem services based on biomass in Shanxi Province LIU Yong, LI Jinchang, YANG Yonggang (2699)……
Research on the morphological interactions between Tamarix ramosissima thickets and Nebkhas under different sand supply
conditions:a case study in Cele oasis鄄desert ecotone YANG Fan, WANG Xueqin, YANG Dongliang, et al (2707)……………
Litter decomposition and nutrient release in typical secondary and primary forests in karst region, Northwest of Guangxi
ZENG Zhaoxia, WANG Kelin, ZENG Fuping, et al (2720)
……………
………………………………………………………………………
Spatial patterns of dominant species in a subtropical evergreen broad鄄leaved forest in Jiulian Mountain Jiangxi Province, China
FAN Juan, ZHAO Xiuhai, WANG Jinsong,et al (2729)
……
……………………………………………………………………………
Characteristics of seedlings regeneration in Quercus aliena var. acuteserrata secondary forests in Qinling Mountains
KANG Bing, WANG Dexiang, LI Gang,et al (2738)
…………………
………………………………………………………………………………
Xylem hydraulic traits of Populus euphratica Oliv. in extremely drought environment
AYOUPU Mubareke, CHEN Yaning, HAO Xingming, et al (2748)
…………………………………………………
………………………………………………………………
Response characteristics of leaf traits of common species along an altitudinal gradient in Hongchiba Grassland, Chongqing
SONG Lulu, FAN Jiangwen, WU Shaohong,et al (2759)
…………
…………………………………………………………………………
Changes of carbon input influence soil respiration in a Pinus tabulaeformis plantation
WANG Jinsong, ZHAO Xiuhai, ZHANG Chunyu, et al (2768)
…………………………………………………
……………………………………………………………………
Effects of different habitats and coverage treatments on the fates of Quercus wutaishanica seeds under the predation pressure of
rodents YAN Xingfu, ZHOU Libiao, LIU Jianli (2778)……………………………………………………………………………
Nested analysis of urban woodlot bird communities in Minhang District of Shanghai
WANG Benyao, WANG Xiaoming, WANG Tianhou, et al (2788)
……………………………………………………
…………………………………………………………………
Production dynamics and trophic basis of three dominant mayflies in the continuum of Shenglihe Stream in the Bahe River Basin
DENG Shan, YE Caiwei, WANG Lixiao, et al (2796)
……
……………………………………………………………………………
Effects of sedimentation thickness of shrimp pond cleaning discharges on Acanthus ilicifolius seedlings LI Ting, YE Yong (2810)……
Utilization of carbon sources by the soil microbial communities of different forest types in subtropical Australia
LU Shunbao, GUO Xiaomin, RUI Yichao,et al (2819)
………………………
……………………………………………………………………………
Soil microbial community characteristics under different vegetation types at the Holocene鄄basalt Platform, Jingpo Lake area,
Northeast China HUANG Yuanyuan, QU Laiye, QU Xiuchun,et al (2827)………………………………………………………
Effect of Ipomoea aquatica Floating鄄bed on the quantity and distribution of nitrogen cycling bacteria and nitrogen removal
TANG Yingying, LI Xiuzhen, ZHOU Yuanqing,et al (2837)
……………
………………………………………………………………………
Effects of microbial inoculants on soil microbial diversity and degrading process of corn straw returned to field
LI Peipei, ZHANG Dongdong, WANG Xiaojuan, et al (2847)
………………………
……………………………………………………………………
Effects of coupling film鄄mulched furrow鄄ridge cropping with maize straw soil鄄incorporation on maize yields and soil organic carbon
pool at a semiarid loess site of China WU Rongmei,WANG Yongpeng,LI Fengmin,et al (2855)…………………………………
Residues and spatial distribution of OCPs in the sediments of Gan River Basin LIU Xiaozhen,ZHAO Ci,LIANG Yu,et al (2863)…
Analysis on population fluctuation and properties of the white鄄backed planthopper in Huizhou in 2009
DIAO Yonggang, YANG Haibo, QU Yufeng, et al (2872)
………………………………
…………………………………………………………………………
Evaluation acaricidal activities of Momordica cochinchinensis extracts against Tetranychus cinnabarinus
GUO Huili, SHI Guanglu, JIA Liangxi, et al (2883)
………………………………
………………………………………………………………………………
Stomatal ozone uptake modeling and comparative analysis of flux鄄response relationships of winter wheat
TONG Lei,FENG Zongwei,Sudebilige,et al (2890)
………………………………
…………………………………………………………………………………
Review and Monograph
Calculation method of energy ecological footprint based on global net primary productivity
FANG Kai, DONG Deming, LIN Zhuo, et al (2900)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Behavioral patterns, influencing factors, functions and risks of social play in primates
WANG Xiaowei,ZHAO Haitao, QI Xiaoguang,et al (2910)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Discussion
Spatio鄄Temporal changing analysis on carbon storage of harvested wood products in China
LUN Fei,LI Wenhua,WANG Zhen,et al (2918)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Scientific Note
Variations in allometrical relationship between stand nitrogen storage and biomass as stand development
CHENG Dongliang,ZHONG Quanlin, LIN Maozi, et al (2929)
………………………………
……………………………………………………………………
Effect of continuous cropping of sesame on rhizospheric microbial communities
HUA Juling,LIU Guangrong,HUANG Jinsong (2936)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of clipping on the growth, gas exchange and chlorophyll fluorescence of invasive plant, Flaveria bidentis
WANG Nannan, HUANGFU Chaohe, CHEN Dongqing, et al (2943)
……………………
……………………………………………………………
Influence of vegetable cultivation methods on soil organic carbon sequestration rate
LIU Yang, YU Dongsheng, SHI Xuezheng,et al (2953)
……………………………………………………
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Integrated matrix鄄hydrology鄄biological remediation technology for bank collapse lakeside zone of Chaohu Lake
CHEN Yunfeng, ZHANG Yanhui, ZHENG Xiqiang (2960)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
国内邮发代号:82鄄7摇 国外邮发代号:M670摇 标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 CN 11鄄2031 / Q
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 9 期摇 (2012 年 5 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 32摇 No郾 9 (May, 2012)
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