劉 鑫，左 銳，王金生，何柱錕，李 橋

（1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875）

地下水是我國的主要供水水源，其分布廣泛、供水量穩(wěn)定，在城鄉(xiāng)居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水等方面發(fā)揮著重要作用。某一地區(qū)地下水資源量的變化一般與開發(fā)利用程度、豐枯水期、跨區(qū)域調(diào)水、壓采等因素有關(guān)，直接表現(xiàn)為地下水位的波動(dòng)。受天然背景條件和人為污染影響，地下水水質(zhì)在不同區(qū)域表現(xiàn)出明顯的差異性。水位和水質(zhì)是評(píng)價(jià)地下水資源的重要指標(biāo)。以往將二者結(jié)合的研究中，主要關(guān)注地下水位的恢復(fù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的改善[1]，和地下水水質(zhì)安全的地下水位閾值，側(cè)重于環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的水位問題[2-3]。但是，早期的研究缺乏對(duì)于水位變化水質(zhì)響應(yīng)過程的總結(jié)。

近些年來，地下水位波動(dòng)過程水質(zhì)的響應(yīng)逐漸得到了一些學(xué)者的關(guān)注?！暗叵滤徊▌?dòng)”、“水位波動(dòng)帶”等關(guān)鍵詞逐漸出現(xiàn)在諸多的研究中[4-6]。有研究表明，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，包氣帶范圍擴(kuò)大，氧化作用增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解，而且包氣帶介質(zhì)特性和水動(dòng)力條件的變化導(dǎo)致發(fā)生諸如吸附、溶解沉淀等物理化學(xué)作用；地下水位升高時(shí)，先前存在于包氣帶的污染物可能溶入地下水中，溶濾作用增強(qiáng)[7]。除此之外，也有學(xué)者探究了水位波動(dòng)對(duì)土壤水分特征規(guī)律影響[5,7]，以及關(guān)注地下水中特征組分的遷移轉(zhuǎn)化過程，例如在地下水位波動(dòng)過程中，研究三氮[6]、鐵錳[4]、砷[8]等特征組分演化規(guī)律及遷移轉(zhuǎn)化過程，從而探究水位波動(dòng)條件下污染物的歸趨。前人研究沒有針對(duì)水位波動(dòng)帶環(huán)境指標(biāo)的變化探索規(guī)律。

作為地下水典型污染物，三氮（硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨氮）在很多地區(qū)的土壤、地下水中廣泛存在。三氮參與自然界的氮循環(huán)，主要作用包括硝化作用、反硝化作用和異化還原作用等，這些作用需要在微生物的介導(dǎo)下完成[9-11]。這方面的研究已經(jīng)有較好的總結(jié)和綜述，近幾年來，出現(xiàn)了針對(duì)地下水位波動(dòng)帶開展三氮遷移轉(zhuǎn)化的研究[5-6]。地下水位波動(dòng)引起波動(dòng)帶土-水環(huán)境要素改變，對(duì)三氮的轉(zhuǎn)化過程影響顯著。水位波動(dòng)也可能使包氣帶中的三氮浸溶進(jìn)入地下水中，并在淺層地下水中遷移，進(jìn)而導(dǎo)致地下水中的三氮污染。目前，對(duì)于水位波動(dòng)帶三氮的遷移轉(zhuǎn)化過程和機(jī)理尚不明確，缺乏深入研究。因此，探究地下水位波動(dòng)帶三氮的遷移轉(zhuǎn)化過程及機(jī)理具有重要意義。

本文在綜述國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，就地下水位波動(dòng)過程及其影響、水位波動(dòng)帶三氮的遷移轉(zhuǎn)化過程和生物地球化學(xué)響應(yīng)分別進(jìn)行總結(jié)，以期為更深入的探討水位波動(dòng)帶三氮遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究提供參考，也為地下水水位閾值管理與三氮污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 地下水位波動(dòng)過程

1.1 地下水位波動(dòng)過程及影響因素

地下水位隨氣候和人類活動(dòng)的影響而上下波動(dòng)，在最高水位和最低水位之間的區(qū)域稱地下水位波動(dòng)帶[12]。地下水位波動(dòng)包括水位上升、下降兩個(gè)過程，是地下水資源量增加或減少最直接的表現(xiàn)形式。它反映了地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的動(dòng)態(tài)過程。造成地下水位波動(dòng)的原因有很多，包括自然條件下，豐水期的降雨補(bǔ)給、潮汐過程、客水、地表水補(bǔ)給地下水過程等，以及人類活動(dòng)影響下，人工開采、跨區(qū)域調(diào)水、回灌補(bǔ)給、農(nóng)業(yè)灌溉、水資源保護(hù)工程和水利工程建設(shè)等[11,13-15]。例如，2014年以來，受潮白河道人工回灌技術(shù)實(shí)施、南水北調(diào)中線工程回補(bǔ)等影響，北京地區(qū)地下水位由整體下降轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠值貐^(qū)上升，以懷柔應(yīng)急水源地為例，其地下水位上升最大幅度超過11 m[14]。在集中開采的地下水水源地，受到間歇性開采影響，開采期開采井附近地下水位隨之下降，停采期地下水位逐步恢復(fù)，地下水位反復(fù)下降與回升，形成地下水位大幅波動(dòng)[4]。洱海受豐水期降水補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，近岸區(qū)地下水位呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性波動(dòng)，最大變幅達(dá)到20 m[15]。王玉剛等[16]通過研究三工河流域尾閭綠洲水資源動(dòng)態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)區(qū)域輸水灌溉是地下水水位抬升的直接動(dòng)因。

1.2 地下水位波動(dòng)帶關(guān)鍵環(huán)境要素變化

目前，地下水位波動(dòng)研究主要關(guān)注第四系松散孔隙地層，包氣帶巖性以砂土、粉土、黏土為主，多位于平原區(qū)、河漫灘、階地以及山前沖洪積扇等。埋深較淺的潛水含水層與地表河流水力聯(lián)系密切，同時(shí)受大氣降水等補(bǔ)給，潛水位呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，形成地下水位波動(dòng)帶。

地下水位波動(dòng)帶水動(dòng)力過程不斷變化。在地下水位不斷上升和下降的過程中，潛水面逐漸上升和下移，水位標(biāo)高不斷增加和下降，可能導(dǎo)致區(qū)域含水層水力梯度改變，地下水交換速率增加[17]。相比于水位靜態(tài)平衡，水位波動(dòng)可能攜帶更多的包氣帶物質(zhì)溶解到地下水中，從而改變地下水的化學(xué)組成。長(zhǎng)期地下水位波動(dòng)過程，會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)帶內(nèi)氧化還原條件顯著變化。在水位靜態(tài)平衡時(shí)，包氣帶至含水層垂向剖面通常從氧化到逐漸還原，并隨地下水位波動(dòng)而變化。在地下水位上升時(shí)，波動(dòng)帶由氧化環(huán)境變?yōu)檫€原環(huán)境；在地下水位下降時(shí)，波動(dòng)帶由還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境[18]。地下水位上升將飽和帶的孔隙水向上攜帶，從而將非飽和帶內(nèi)的空氣截留，在靜水壓力作用下，溶解到地下水中，使地下水中溶解氧增加[17]。反之，地下水位下降會(huì)導(dǎo)致之前已經(jīng)飽和的土壤介質(zhì)暴露在孔隙空氣中，使得土壤空隙中溶解氧增加而趨于氧化環(huán)境[19]。Kohfahl 等[17]研究水位波動(dòng)帶氧氣通量時(shí)發(fā)現(xiàn)，一定幅度的水位波動(dòng)是孔隙潛水含水層充氧的重要途徑，且增大地下水位波動(dòng)幅度，波動(dòng)帶氧化層厚度也會(huì)隨之?dāng)U大。Bohlke 等[20]探究了美國安諾卡沙平原地下水位回升后，包氣帶水巖作用過程，包氣帶厚度1～4 m，巖性以中砂為主。水位回升導(dǎo)致包氣帶水巖作用范圍增加，沿著水流路徑由淺至深，氧化還原電位（Eh）降低。隨著Eh 進(jìn)一步降低，厭氧菌厭氧分解有機(jī)物并釋放出有機(jī)酸引起pH 降低。探究水巖相互作用對(duì) NO-3和 SO24-分布的影響，認(rèn)為FeS2和其他含亞鐵相的離子是反硝化的主要控制因素。

當(dāng)包氣帶存在細(xì)顆粒介質(zhì)（如黏性土）時(shí)，水位波動(dòng)過程影響著波動(dòng)帶中的吸附-解吸以及微生物功能[21-22]。在低水位期，地下水中污染物的稀釋、吸附占主導(dǎo)作用，同時(shí)，地下水位下降引起水位波動(dòng)帶通氣量增加，促進(jìn)微生物降解作用。在高水位期，水位上升增加地下水與包氣帶中污染物的接觸范圍，以介質(zhì)中污染物的解吸作用為主，污染物再次進(jìn)入地下水，同時(shí)形成厭氧環(huán)境，好氧微生物作用受到抑制[21]。當(dāng)前研究表明，水位波動(dòng)導(dǎo)致氧化還原條件改變會(huì)影響波動(dòng)帶的生物地球化學(xué)和微生物動(dòng)力學(xué)特征，波動(dòng)帶內(nèi)微生物群落具有更大的功能多樣性和靈活性，可以適應(yīng)不斷變化的含水飽和度和氧化還原電位[18]。水位的波動(dòng)有利于有機(jī)質(zhì)的遷移，以及土壤中營養(yǎng)物質(zhì)和氣體的擴(kuò)散，波動(dòng)帶有機(jī)質(zhì)得到補(bǔ)給，所以環(huán)境中微生物的營養(yǎng)供給更充足[23]。同時(shí)，由于土壤微生物活動(dòng)與生物氣體（CO2、CH4、N2O 等）的動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，地下水位的波動(dòng)也可能會(huì)調(diào)節(jié)與大氣的氣體交換[24]。水位波動(dòng)過程也影響著波動(dòng)帶土壤含水率、基質(zhì)勢(shì)，使其呈現(xiàn)周期性的改變[18]。最后，地下水位的改變和氧化還原條件的相關(guān)變化可能會(huì)使波動(dòng)帶具有獨(dú)特的地球化學(xué)和礦物學(xué)特征，如綠銹族混合價(jià)鐵礦物的存在[18]。

因此，地下水位波動(dòng)過程中水動(dòng)力條件和生物地球化學(xué)特征的不斷響應(yīng)，波動(dòng)帶介質(zhì)中土壤含水率、氧化還原電位、氧氣和有機(jī)質(zhì)含量等表現(xiàn)出一定的分帶規(guī)律，沿著水流路徑會(huì)形成特定的物理、化學(xué)梯度，進(jìn)而形成特定的生物群落分帶格局，并發(fā)生著不同的生物地球化學(xué)過程。同時(shí)，水位波動(dòng)影響著地下水水化學(xué)作用，如吸附、解吸作用的發(fā)生，從而控制污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

2 地下水位波動(dòng)帶三氮的遷移轉(zhuǎn)化過程

2.1 地下水中的“三氮”污染特征

作為地下水中的典型污染物，三氮的來源、遷移及轉(zhuǎn)化規(guī)律已有大量研究[6,11,25-27]。地下水中氮的來源主要包括土壤有機(jī)氮礦化、地表富營養(yǎng)水體補(bǔ)給、農(nóng)業(yè)氮施肥、生活污水排放等。 NH+4由于帶正電荷，容易被帶負(fù)電荷的土壤顆粒吸附，控制其在地下水中的遷移過程。 NO-3由于水溶性強(qiáng)，吸附能力弱，很容易通過大氣降水或灌溉補(bǔ)給，直接發(fā)生垂直遷移進(jìn)入地下水中，造成淺層地下水污染。一些實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究表明，NH+4進(jìn)入土壤后,在包氣帶土層的淺表層被迅速吸附而減少，在不同土壤剖面上 NH+4的起始濃度隨土壤剖面深度的增加而下降，NO-3在地下水中含量迅速增加[26-27]。地下水中的 NO-2極不穩(wěn)定，容易被氧化成為 NO-3。地下水中 NO-2含量總是小于 NO-3、NH+4的含量，但由于其化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境毒性大，常被視為重要的氮污染標(biāo)志[26]。自然界中氮循環(huán)過程見圖1，三氮參與的轉(zhuǎn)化過程包括硝化作用、反硝化作用和異化（同化）還原作用等。其他的過程也影響著氮的轉(zhuǎn)化，例如有機(jī)氮礦化作用、厭氧氨氧化作用等。三氮的轉(zhuǎn)化受地下水化學(xué)組分、微生物群落結(jié)構(gòu)、氮素種類及其濃度、溶解氧、有機(jī)碳含量等因素的影響，同時(shí)還受到土壤介質(zhì)物理性質(zhì)，地下水流速與滯留時(shí)間等因素間接影響[11]。

2.2 地下水位波動(dòng)帶三氮的遷移和轉(zhuǎn)化過程

隨著地下水位波動(dòng)，受波動(dòng)帶內(nèi)氮素原始累積量、波動(dòng)帶介質(zhì)顆粒大小、水動(dòng)力條件影響，三氮呈現(xiàn)不同的遷移特征[28]。水位上升對(duì)包氣帶污染物存在強(qiáng)烈的浸溶過程，有利于在地下水中的側(cè)向遷移。Rasiah 等[28]連續(xù)2 個(gè)豐枯水期對(duì)加拿大Mulgrave 河流域39 個(gè)監(jiān)測(cè)井中硝酸鹽、氨氮監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地下水中硝態(tài)氮和氨氮的濃度隨著雨季地下水位增加而增加，在雨季高峰期出現(xiàn)波動(dòng)，在雨停后隨水位下降而下降，高水位期濃度可增加至低水位期的近50 倍，且氮的浸出量隨氮肥施加量的增加而增加。豐水期地下水對(duì)地表河流側(cè)向補(bǔ)給時(shí)，豐水期地表水中52%的氮污染增長(zhǎng)來自于地下水[28]。這與zhang[29]室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果一致，她認(rèn)為水位波動(dòng)促進(jìn)介質(zhì)中可溶性氮素的解吸和溶濾，使其更充分的溶解進(jìn)入地下水中，并隨著水位降低過程地下水不斷向外遷移。Huang 等[25]研究得到了同樣的結(jié)論，并認(rèn)為過量施用氮肥，波動(dòng)帶中的氮肥積累已經(jīng)造成了西南地區(qū)地下水中氮素含量超標(biāo)，并存在氮素進(jìn)一步淋溶污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，當(dāng)包氣帶存在三氮的累積性污染，降雨、灌溉、人工補(bǔ)給等導(dǎo)致地下水位波動(dòng)時(shí)，三氮存在向地下水中遷移的可能，且隨著地下水的側(cè)向徑流，遷移進(jìn)入其他水體。水位波動(dòng)帶中氮的積累量和補(bǔ)給水源的入滲速率及入滲量是直接影響三氮遷移過程的關(guān)鍵因素，垂直入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)蒸騰速率控制的地下水位波動(dòng)影響著地下水的氮負(fù)荷[30]。水位波動(dòng)帶土壤孔隙度、黏粒含量等也是三氮遷移的影響因素[30-31]。

波動(dòng)帶內(nèi)環(huán)境指標(biāo)呈現(xiàn)規(guī)律性變化，同時(shí)刺激微生物活動(dòng)，從而影響三氮在水位波動(dòng)帶內(nèi)的轉(zhuǎn)化行為。目前水位波動(dòng)對(duì)污染物轉(zhuǎn)化過程影響的研究多聚焦于對(duì)氧化還原環(huán)境十分敏感的組分，如鐵、錳、砷等的轉(zhuǎn)化規(guī)律[4,8]，針對(duì)三氮研究并不多見。對(duì)于水位波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化過程的研究集中在水位波動(dòng)過程三氮含量的變化規(guī)律和與環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性分析，從微生物群落結(jié)構(gòu)和功能基因豐度層面探究其機(jī)理。如李翔[6]通過開展土柱對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探討不同水位波動(dòng)幅度下氮素運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明，水位上升階段，硝化作用減弱，反硝化作用增強(qiáng)，土柱內(nèi)硝態(tài)氮濃度減小，銨態(tài)氮濃度增大；水位下降階段，土柱內(nèi)硝化作用增強(qiáng)，NO-3濃度隨之增大。這與楊洋[5]室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果一致。水位變化幅度較大，NO-3的變化幅度也較大。

氧化還原電位是影響反硝化作用的主要因素。潛水位抬升將導(dǎo)致厭氧環(huán)境范圍擴(kuò)大，有利于反硝化作用進(jìn)行，最終導(dǎo)致氨氮濃度增加[31]。杜濤[32]認(rèn)為地下水位回升后，地下水中總氮含量將會(huì)一定幅度的降低，有利于降低地下水硝酸鹽污染程度。Li 等[27]利用實(shí)測(cè)資料研究了地下水位波動(dòng)對(duì)地下水三氮含量的影響，研究表明，氧化還原電位和硝態(tài)氮含量與地下水埋深有較強(qiáng)的相關(guān)性。硝態(tài)氮與銨態(tài)氮濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)，pH 值與硝態(tài)氮濃度也呈顯著負(fù)相關(guān)。地下水位變化影響著土壤水分的理化性質(zhì)，并進(jìn)一步對(duì)三氮在土壤中的遷移產(chǎn)生顯著影響。Zhang 等[29]通過室內(nèi)砂箱試驗(yàn)探究水位波動(dòng)帶三氮變化規(guī)律及微生物的響應(yīng)過程，結(jié)果表明，隨著地下水位下降和土壤剖面持續(xù)干燥，波動(dòng)帶內(nèi)反硝化作用減弱，硝化作用增強(qiáng)，波動(dòng)帶內(nèi)三氮含量變化與微生物群落結(jié)構(gòu)及功能基因顯著相關(guān)。

綜上，地下水位波動(dòng)促進(jìn)波動(dòng)帶內(nèi)三氮浸溶進(jìn)入地下水，且有利于其在地下水中的遷移，存在造成地下水水質(zhì)污染的可能。地下水位波動(dòng)影響三氮轉(zhuǎn)化過程，總體趨勢(shì)：水位上升，硝化作用減弱，反硝化作用增強(qiáng)；水位下降，硝化作用增強(qiáng)，反硝化作用減弱。

3 地下水位波動(dòng)帶三氮的生物地球化學(xué)過程

3.1 三氮轉(zhuǎn)化的微生物驅(qū)動(dòng)

微生物是三氮生物地球化學(xué)過程的重要媒介，對(duì)水位波動(dòng)帶三氮遷移轉(zhuǎn)化起著關(guān)鍵性的作用。近些年來，研究自然環(huán)境（土壤、地表水、地下水）中參與氮循環(huán)的功能微生物種類和多樣性是環(huán)境微生物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[33-34]。近十年來，分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。除了PCR 擴(kuò)增技術(shù)、變性梯度凝膠電泳技術(shù)（DGGE）、末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)等，基因芯片、高通量測(cè)序技術(shù)也廣泛用于三氮轉(zhuǎn)化微生物的分子檢測(cè)研究中。隨著生物地球化學(xué)循環(huán)研究方法與分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)的廣泛結(jié)合，氮循環(huán)的機(jī)制和過程認(rèn)識(shí)更加深入。三氮參與氮循環(huán)的多個(gè)關(guān)鍵過程，包括硝化作用、反硝化作用、異化還原作用及同化還原作用等，參與作用的微生物功能基因見圖1，具體功能基因信息見表1。KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，http://www.genome.jp/kegg/）基因數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)分析基因功能，聯(lián)系基因組信息和功能信息的大型知識(shí)庫，KEGG 數(shù)據(jù)庫注釋下的氮循環(huán)通路為ko00910。

3.1.1 硝化作用

硝化過程是指 NH+4氧化為 NO-3的過程（NH+4→NH2OH→ NO-2→ NO-3）。多數(shù)研究表明，硝化作用需要分步完成，包括將 NH+4氧化為 NO-2的亞硝化過程和NO-2氧 化為 NO-3的硝化過程[13]，參與這兩個(gè)過程的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌統(tǒng)稱為硝化作用菌，常見的硝化作用菌包括亞硝酸菌屬（Nitrosomonas）、紅球菌屬（Rhodococcus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等。氨氧化是硝化作用的關(guān)鍵步驟，主要由氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）參與完成，氨單加氧酶基因（amoA）是氨氧化過程的標(biāo)志基因。因此，amoA基因是硝化作用中最受關(guān)注的基因，常用于分析氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的豐度和多樣性，進(jìn)而標(biāo)記硝化作用進(jìn)程。目前研究表明，AOA、AOB 廣泛存在于土壤環(huán)境中，amoA基因和AOA/AOB 比值隨土壤深度增加而增大[35]。氨氮的濃度、氧氣含量、以及pH 值等環(huán)境因素會(huì)影響AOA 和AOB 在氨氧化過程的貢獻(xiàn)，從而導(dǎo)致兩種氨氧化菌的生態(tài)位分離[36-37]。Gurbry-Rangin等[37]利用高通量測(cè)序?qū)τ?7 個(gè)土樣的氨氧化古菌（AOA）的多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氨氧化古菌（AOA）的多樣性隨pH 增加顯著增加，amoA豐度隨pH 變化而變化；氨氧化古菌（AOA）更適宜生存在低氮、強(qiáng)酸和高溫條件，氨氧化細(xì)菌（AOB）更易存在于高氮、中性和堿性條件。由此可見環(huán)境因素能夠主導(dǎo)AOA、AOB 的功能，進(jìn)而影響硝化作用過程。此外，土壤濕度、總有機(jī)碳、總氮含量對(duì) AOA 和 AOB 均有顯著影響[38]。除amoA基因外，羥胺氧化還原酶基因hao、亞硝酸鹽氧化還原酶基因nxrA也是參與硝化作用的重要功能基因。

3.1.2 反硝化作用

硝化-反硝化作用是耦合發(fā)生的過程，也是控制三氮遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵作用。反硝化作用是將 NO-3還原成N2的過程（NO-3→ NO-2→NO→N2O→N2）。反硝化作用是一個(gè)比較復(fù)雜的兼性厭氧過程，普遍認(rèn)為細(xì)菌是反硝化優(yōu)勢(shì)種群。常見的反硝化功能菌多為兼性厭氧化能異氧菌，主要包括芽孢桿菌屬（Bacillus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcalogenes）、微球菌（Micrococcus）、副球菌屬（Paracoccus）等。

硝酸鹽還原酶控制著 NO-3還原為 NO-2的過程，標(biāo)記基因narG是硝酸鹽還原酶的標(biāo)志性基因。 NO-2還原為NO 的過程是反硝化作用的標(biāo)志性反應(yīng)，相應(yīng)的亞硝酸鹽還原酶是執(zhí)行該步驟的限速酶，其常用的標(biāo)志基因有nirK和nirS，其豐度常被用來表征及預(yù)測(cè)N2O 的釋放[39]。氧化亞氮還原酶控制著N2O 還原為N2的過程，是反硝化作用的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此酶的標(biāo)志基因nosZ是研究反硝化微生物的功能標(biāo)志基因[33]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為反硝化作用只發(fā)生在無氧或微氧條件下。但20世紀(jì)80年代研究發(fā)現(xiàn)，好氧反硝化菌具有周質(zhì)型還原酶，該酶活性對(duì)于氧氣不敏感，可以驅(qū)動(dòng)反硝化作用在好氧環(huán)境中進(jìn)行，至今，好氧反硝化菌僅在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)[40]。Mosier 等[41]分析了美國舊金山灣沉積物中含nirK和nirS的反硝化微生物空間變化特征，結(jié)果表明沉積物中反硝化能力與nirS基因的豐度高度相關(guān)。Huang 等[42]分析珠江水體反硝化相關(guān)的功能基因，發(fā)現(xiàn)nirS與nirK主要聚集在水體深度0～10 cm 處，nosZ分布于深度5～15 cm 處，narG集中分布在15 cm以下。在高硝酸鹽濃度影響下，narG和nirS的豐度較高；在貧營養(yǎng)環(huán)境中nosZ具有更高的活性。土壤沉積物中無機(jī)氮的含量（包括 NO-3、NO-2和NH+4）、有機(jī)質(zhì)的含量、溶解氧和氧化還原電位都將影響反硝化相關(guān)基因的分布。

表1 參與三氮轉(zhuǎn)化的主要功能基因信息Table 1 Main functional gene information of the three-nitrogen transformation

3.1.3 異化還原作用與同化還原作用

異化還原（DRNA）和同化還原作用都指將 NO-3還原成 NH+4的過程（NO-3→ NO-2→ NH+4）。有研究表明與發(fā)酵有關(guān)的梭狀芽孢桿菌（Clostridia）、脫硫弧菌（Desulfovibrio）、假單胞菌（Pseudomonas）在硝酸鹽缺乏條件下都可以進(jìn)行DRNA 過程。同化還原與異化還原作用的不同之處在于同化還原作用需要NAD（P）H 作為電子供體，且存在有機(jī)氮中間體[43]。由于傳統(tǒng)分析方法很難辨別異化還原過程的產(chǎn)物從而識(shí)別這一過程，且在厭氧條件下，反硝化作用更容易發(fā)生，所以對(duì)異化還原過程關(guān)注度較低。近些年來，通過識(shí)別功能基因nrfA（亞硝酸鹽異化還原酶標(biāo)記基因）可以較好地標(biāo)記異化還原過程。與nirB相比，nrfA基因在微生物中更加廣泛的存在。有研究表明，nrfA基因相對(duì)于nirB基因?qū)Φ蜐舛?NO-3更敏感[44]。由于DNRA過程需要分解有機(jī)質(zhì)，在碳受限情況下，DNRA 過程會(huì)被抑制。隨土層從上而下，由氧化環(huán)境變?yōu)檫€原環(huán)境，nrfA的分布受 NH+4濃度影響，nrfA基因豐度減小，但相對(duì)豐度增加[42]。有研究表明，DRNA 反應(yīng)速率隨溫度升高而降低，且其反應(yīng)過程與pH 具有一定關(guān)系[45]。硝酸鹽同化還原酶的標(biāo)記基因?yàn)閚arB基因。

3.2 水位波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化的微生物響應(yīng)

目前針對(duì)于水位波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的研究不是很多，且主要聚焦于硝化和反硝化作用的相關(guān)微生物功能菌和功能基因，對(duì)于其他過程研究較少。趙磊等[12]研究了農(nóng)田水位波動(dòng)帶中氮循環(huán)功能菌群分布特征，發(fā)現(xiàn)在波動(dòng)帶中上層，由于施肥影響氨氮含量較高，氧氣含量豐富，硝化菌群占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，利于發(fā)生硝化作用；硝態(tài)氮不易被土壤吸附，容易向下遷移聚集在波動(dòng)帶下層，硝態(tài)氮增加以及波動(dòng)帶下層偏還原的條件致使反硝化細(xì)菌豐富，反硝化作用加劇。波動(dòng)帶與異化還原作用相關(guān)的NrfA基因也在厭氧環(huán)境中比在好氧環(huán)境中豐度更大[11]。Liu 等[36]研究表明，氧化還原電位與AOA、AOB 豐度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，水位周期性上升，土壤中氧化還原電位降低，AOA 和AOB 的amoA基因拷貝數(shù)均有所下降，這可能會(huì)減弱波動(dòng)帶內(nèi)的氨氧化過程，從而削弱硝化作用。且與AOB 相比，AOA 在水位波動(dòng)帶具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，尤其是在低氧條件下具有更強(qiáng)的耐受性。這與Leininger 等[35]研究結(jié)果一致。在深度0～30 cm的農(nóng)業(yè)土壤中，AOA 與AOB 所占比值在1 000 以下；在30～40 cm 缺氧時(shí)，比值上升到3 000 以上[35]。崔榮陽等[46-47]模擬地下水位升降過程，分析不同水位條件下土壤剖面AOA-amoA、AOB-amoA、nirK、nirS、nosZ基因豐度的變化特征，研究結(jié)果表明，水位波動(dòng)對(duì)以上功能基因豐度均有顯著影響，AOA-amoA、AOBamoA基因豐度隨著地下水位下降而增加，nirK、nirS、nosZ基因豐度隨著地下水位下降而降低。且AOAamoA和nirS基因?qū)λ簧蹈舾?，分別在水位波動(dòng)過程硝化與反硝化作用中占主導(dǎo)地位。水位波動(dòng)過程造成的土壤水分變化也將影響部分功能基因豐度，劉若萱等[48]通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究不同土壤水分條件對(duì)硝化和反硝化的影響。結(jié)果表明，nirS、nirK及AOB-amoA的豐度均隨著水分增加而增加，當(dāng)nirS、nirK及AOB-amoA的豐度最高時(shí)，硝化和反硝化活性也最高，表明這些基因在土壤硝化和反硝化過程中起了重要作用。Zhang 等[29]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了淺層地下水位波動(dòng)過程三氮轉(zhuǎn)化功能基因的響應(yīng)，結(jié)果顯示樣本中變形菌門和酸桿菌門是波動(dòng)帶的優(yōu)勢(shì)菌門。當(dāng)?shù)叵滤幱诘臀?，波?dòng)帶持續(xù)干燥，反硝化功能基因豐度逐漸降低，硝化功能基因逐漸增加。隨著土壤深度增加，微生物功能基因豐度降低，土壤中水分含量、總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽以及pH 等化學(xué)指標(biāo)與波動(dòng)帶中微生物群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)，nosZ/narG和nosZ/（nirK+nirS）是控制水位波動(dòng)過程三氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因組。

綜上，水位波動(dòng)過程直接影響波動(dòng)帶內(nèi)氧化還原條件以及化學(xué)組分的再分布，微生物群落結(jié)構(gòu)和功能基因隨之響應(yīng)，進(jìn)而影響三氮的轉(zhuǎn)化。普遍規(guī)律有：波動(dòng)帶上層，硝化菌群為優(yōu)勢(shì)菌群，下層偏還原的條件致使反硝化菌群富集。水位上升過程，與硝化作用相關(guān)的AOA 和AOB 的amoA基因豐度降低，與反硝化作用相關(guān)的nirK、nirS、nosZ基因豐度增加；水位下降過程，AOA 和AOB 的amoA基因豐度增加，nirK、nirS、nosZ基因豐度降低。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)地下水位波動(dòng)帶三氮遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行系統(tǒng)綜述，對(duì)地下水位波動(dòng)帶關(guān)鍵環(huán)境要素變化特征、三氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及微生物功能菌群和功能基因響應(yīng)等方面的研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)?，F(xiàn)有研究表明：（1）水位波動(dòng)帶中環(huán)境指標(biāo)如土壤含水率、氧化還原電位、溶解氧和有機(jī)質(zhì)含量等均表現(xiàn)出一定的分帶性規(guī)律。（2）隨著地下水位波動(dòng)，包氣帶中的三氮易浸溶進(jìn)入地下水并發(fā)生遷移。且地下水位上升，硝化作用減弱，反硝化作用增強(qiáng)，地下水位下降，硝化作用增強(qiáng)，反硝化作用減弱。（3）波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物菌群結(jié)構(gòu)和功能基因更多樣化，呈現(xiàn)一定的分布特征。如波動(dòng)帶上層，硝化菌群為優(yōu)勢(shì)菌群，下層偏還原的條件致使反硝化菌群富集等。

目前，雖然國內(nèi)外對(duì)水位波動(dòng)帶三氮遷移轉(zhuǎn)化過程已經(jīng)取得了一定的研究成果，但主要還是聚焦于某些化學(xué)指標(biāo)（如氧化還原電位、土壤含水率、pH 值等）含量、微生物功能基因變化以及多因素間相關(guān)性展開討論，對(duì)于水位波動(dòng)條件下三氮遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理探討仍較為薄弱。且目前的研究主要針對(duì)硝化作用和反硝化作用，對(duì)于其他的三氮轉(zhuǎn)化作用聚焦較少，參與作用的微生物標(biāo)志性功能基因的研究也較少。為完善水位波動(dòng)帶三氮遷移轉(zhuǎn)化過程研究，進(jìn)一步研究中需要關(guān)注：（1）水位波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化及與微生物作用機(jī)理。將水化學(xué)演化分析與分子生物學(xué)高通量測(cè)序技術(shù)相結(jié)合，在了解波動(dòng)帶環(huán)境指標(biāo)變化的前提下，深入研究波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化機(jī)理及微生物功能基因響應(yīng)，探究影響三氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵功能基因。（2）除關(guān)注硝化、反硝化作用外，增加異化還原、同化還原和厭氧氨氧化等作用過程的研究，擴(kuò)展補(bǔ)充波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化的更多過程，同時(shí)識(shí)別以上過程的微生物標(biāo)志性功能基因。（3）探究不同情境（降雨、客水補(bǔ)給、人工開采）、不同影響因素（波動(dòng)幅度、波動(dòng)周期）的水位波動(dòng)過程。細(xì)化分析不同情境水位波動(dòng)影響的三氮遷移轉(zhuǎn)化，對(duì)比不同波動(dòng)幅度、波動(dòng)周期對(duì)三氮轉(zhuǎn)化的影響，識(shí)別水位波動(dòng)帶三氮轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵影響要素。筆者認(rèn)為，深化認(rèn)識(shí)水位波動(dòng)帶這一特殊的環(huán)境條件下三氮的遷移轉(zhuǎn)化過程，可以為地下水位閾值管理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)可以有效緩解由于水資源不合理開采或者補(bǔ)給引起的地下水中的三氮污染問題。