农业生态沟渠中营养物质与温室气体的协同削减：基于沉水植物和秸秆的生物地球化学调控

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic mitigation of nutrients and greenhouse gases in agricultural eco-ditches: biogeochemical regulation via submerged macrophytes and rice straw

　　

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  沉水苦草（V. natans）与秸秆联用实现了更高的氮磷去除率，同时减少了温室气体排放。
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  在流动阶段，秸秆主导了氮的去除；在静止阶段，则由植被控制。
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  在VN+R处理中，nosZ丰度增加以及nosZ/（nirS+nirK）比值提高，有利于N₂O的削减。
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  鸢尾系统充当了温室气体热点，受活性DOM荧光的介导。

引言

化肥的集约化使用加剧了农业面源污染（ANSP），同时导致水生生态系统退化并加剧气候变化[1]、[2]。过量的氮（N）和磷（P）输出驱动水体富营养化，增加了生态和健康风险[3]、[4]，同时刺激强效温室气体（GHGs）的产生，包括一氧化二氮（N₂O）、甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）[5]、[6]。农业排水管网如今已被确认为重要的温室气体热点[7]。2007至2016年间，人类活动贡献了全球43%的N₂O排放，其中52%来源于农业氮投入[8]，这凸显了削减营养盐径流、同时应对水污染和气候影响的紧迫性。

植被化排水沟（生态沟渠）是削减氮磷污染的经济有效且环境友好的措施[4]、[9]。然而，这些系统也可能成为重要的温室气体源，其通量可超过自然水体的1-2个数量级[1]、[7]、[10]。这揭示了一个关键的权衡关系：生态沟渠虽然改善了水质，但可能不经意间将环境负担从水体富营养化转移至大气辐射强迫。尽管生态沟渠被广泛采用，但农业沟渠仍是内陆水体中关于温室气体通量研究最少的类型之一[7]，这阻碍了为其双重效益优化设计的工作。

大型水生植物通过物理过程（如降低流速、增加水力停留时间（HRT））和生物过程增强生态沟渠的效能[4]、[11]。除提供附着表面外，大型水生植物还通过直接吸收和根际相互作用调节营养盐去除。通过光合作用、根径向失氧（ROL）以及根系有机碳释放，它们改变水和沉积物的氧化还原电位、pH值和活性碳可用性，间接影响控制氮去除和温室气体产生的微生物途径[2]、[12]。虽然植被化沟渠通常优于无植被系统，但由于形态和生理特征的差异，不同物种的去除效率差异显著[11]、[13]。以往研究侧重营养盐削减，但新兴证据表明，植物功能性状显著改变温室气体排放[9]、[14]、[15]。例如，挺水菖蒲（Acorus calamus）的全球增温潜势（GWP）低于沉水苦草（Vallisneria spiralis）[2]，而水兰（V. natans）能有效削减N₂O排放[16]。这些效应反映了N₂O排放刺激因素（如活性碳供应）与抑制因素（如与硝化菌/反硝化菌的竞争）之间的平衡[17]、[18]。CO₂和CH₄排放也存在类似的变异性[13]、[19]。然而，植物对三种温室气体的同时影响及其与生态沟渠中污染物去除的协同关系仍知之甚少，限制了对生态沟渠生态环境效益的整体评估。

农业径流中较低的碳氮比（C/N）通常需要外部碳源补充[20]、[21]。秸秆作为一种丰富的农业废弃物，通过提供活性碳和微生物定殖表面促进反硝化作用。关键在于，秸秆施用可上调N₂O还原酶基因（nosZ）的丰度，从而潜在削减N₂O排放[22]。鉴于苦草和水稻鸢尾被广泛使用，但其营养盐去除和温室气体削减能力存在显著差异[15]、[16]，将两者与秸秆整合以同时最大化污染物控制和最小化气候影响的潜力仍主要未知。

为弥补这些研究空白，本研究构建了六个生态沟渠中试系统，以比较沉水苦草和挺水鸢尾杂交品种"路易斯安那"（Iris）在有和没有秸秆添加条件下对营养盐去除和温室气体削减的效能。一项关键创新在于模拟动态径流事件后接静止期，以捕捉农业排水的间歇性特征。研究目标包括：(1) 量化植被类型和秸秆添加对氮磷去除及温室气体排放的影响；(2) 识别调控这些过程的环境和微生物驱动因素；以及(3) 阐明观察到的权衡关系背后的生物地球化学和微生物机制。本研究为优化生态沟渠设计提供了机制基础，以支持水质改善和气候变化缓解的双重目标。

章节摘要

生态沟渠中试系统描述与实验运行

本研究使用的生态沟渠中试系统按文献[21]描述的方法建立。简要来说，在中国上海市庄行实验站（121°23'15''E, 30° 53'24''N）的透明塑料棚下户外构建了十八个聚乙烯中试系统。每条沟渠长2米，横截面为梯形（顶宽：0.6米，底宽：0.3米，深度：0.6米）。从附近河流收集的沉积物与细沙按1:1湿重比混合，添加深度为20厘米。

动态径流事件期间的表现

六种生态沟渠处理在径流阶段营养盐去除表现总结于图1中。总氮去除效率均值范围为13.5 ± 1.2%（CK）至32.0 ± 6.7%（CK+R），与先前报告的28.7%[2]和18.6%[31]一致。秸秆添加是总氮削减的主要驱动因素，分别在CK、IL和VN处理中显著提高去除率1.4倍、1.3倍和74.8%（P < 0.05）。这种刺激效应在机制上与之相关

结论

本研究证明，将沉水苦草与秸秆整合可有效解耦农业生态沟渠中的营养盐去除与温室气体排放。氮去除主要由非生物变量（水溶解氧、pH值、DOC）控制，秸秆添加在动态流动阶段至关重要，植被则在静止阶段决定表现。VN+R协同效应实现了最佳营养盐削减，同时全球增温潜势（GWP）比对照组低50%，其机制与nosZ基因的上调以及

CRediT作者贡献声明

崔纳新：撰写——初稿、可视化、经费获取、形式化分析、数据整理、概念化。陈国发：资源、调查研究。张旭：撰写——审阅与编辑、资源。司潘：数据整理。邹国艳：监督指导、经费获取。蔡敏：可视化、软件、调查研究、数据整理。

关于在写作过程中使用生成式人工智能和AI辅助技术的声明

在本手稿的撰写过程中，作者使用了腾讯元宝以提高可读性和语言质量。使用该服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究由京津冀区域协同环境改善-国家科技重大专项（编号：2026ZD1212604）和中国上海市科技委员会国家科技合作专项（编号：24010701000）资助。

崔纳新|蔡敏|司潘|邹国艳|陈国发|张旭