人工湿地(constructed wetlands, CWs)是利用植被、土壤、基质和微生物相互 作用来清除污染物的生态技术。近年来，人工湿地技术在水源地生态保护中日益 得到应用，并衍生出水源型生态湿地(water source treatment wetlands, WSTWs)。 水域总氮(total nitrogen, TN)污染一直是我国水源安全最为突出的问题之一，氮的 矿化过程作为有机氮向无机氮转化的首要步骤，对总氮去除起到至关重要的作用。 在人为调控下，水源型人工湿地其水力学特征更加复杂多样，使得水陆交错带 (terrestrial-aquatic ecotones)中具独特“边缘”和“梯度”的微生境变化更明显。 目前国内外针对水力调控下的水源型人工湿地中氮矿化机制尚不明确。因此，本 研究选取嘉兴市 4 个水源型人工湿地为对象，首先利用水氢氧同位素技术探究湿 地中水分异特征，并在水同位素结果指引下，进一步结合微生物分子生态技术来 剖析植物床-沟壕系统氮矿化机制。主要结果如下：

      1. 湿地呈现富集重水同位素特征。河网水同位素在很大程度上受到不同水 源补给和蒸发富集作用影响，雨季湿地敞水区水线为 δD=5.2δ 18O−13.8 (n 为 85, 校正 R 2 为 0.81)，与邻近区域大气降水线 δD=8.8δ 18O+14.0 (n 为 21, 校正 R 2 为 0.86)相比，湿地水氢氧同位素呈富集特征；湿地内异质性强的根孔净化区较其他 功能区其水同位素呈现更为富集的特征；在 4 个湿地区域尺度上，垂向维度的水 位高程较水平维度的水力流程长度对水同位素分异的影响更大，而在每个湿地局 域尺度内，水力流程驱动的影响往往更大。

       2. 湿地具有“除氘”(或“除重”)现象。河网水源水经过湿地根孔生态净化 区处理后，水氢氧同位素呈偏负特征；湿地床体密集的根孔大孔隙网络、富含粘 土或粉砂的基质土壤及植物床上植物的作用是湿地“除氘”的潜在机制；植物床 -沟壕系统中潜水氘盈余(d-excess)明显高于沟水相应值，且潜水中变异系数远大 于沟水中值，同时，湿地根孔生态净化区的氘盈余还呈现夏季湿热雨季偏负、冬 季干冷旱季偏正的季节性差异，反映了湿地水汽来源的季节性差异和内部同位素 分馏行为的空间差异；植物床-沟壕系统水体无机氮(NH4 + -N 和 NO3 − -N)与 δD 和 δ 18O 呈负相关关系，水同位素丰度的突变点可能预示着水体净化的拐点。

      3. 湿地孕育氮矿化反应“热区”及特定功能微生物。在植物床-沟壕系统中， 氮矿化反应“热区”发生于大沟边缘，其最高速率发生在夏季，为 8.41 ±5.45 mg N kg−1 d −1 (均值±标准差)；矿化功能基因 nprA 丰度较其他基因丰度高，且绝对 丰度高，在沉积物中高达 5.69×1011 ±5.39×1010 copies g−1 dry soil，是其他功能基 因丰度的 2~4 个数量级，显著影响着湿地生态系统氮矿化微生物的丰度变化；5 类功能微生物在植物床-沟壕系统中占据着不同群落生境，subA、subB、aprA、 chiA 功能微生物在生物膜和根际沉积物中主导氮矿化过程；nprA 功能微生物在 水体和非根际沉积物中主导氮矿化过程。

      4. 湿地氮矿化微生物群落结构呈现反向季节变化。对湿地内植物床-沟壕系 统中的大沟边缘(BD)、高位小沟边缘(HD)和低位小沟边缘(LD)的芦苇根际沉积 物(rhizosphere sediment, R)、非根际沉积物(sediment, S)、水体(water, W)和芦苇茎 附着生物膜(membrane, M)中氮矿化微生物群落结构开展研究，结果表明，季节性 差异是短时期内氮矿化微生物群落变化的主要驱动力(P<0.01)，且夏季演替为杆 菌纲(Bacilli)和 γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)并共同主导氮矿化；但冬季低温 条件下，该系统能够繁育出多达 20 类标记性物种(biomarker)，生物膜贡献超 50 %； 此外，水位波动造成的生境差异也是影响氮矿化微生物群落结构的重要因素，水 位变化相对较稳定的低位小沟其边缘繁育出标志性物种 16 种，沉积物的贡献为 62.5 %，是具有独特微生物群落结构的区域。

      根据湿地水同位素分异特征与植物床-沟壕系统中氮矿化机制研究结果，初 步提出湿地设计和运行优化改进策略：(1) 合理设计和优化调控湿地的界面及水 力梯度营造出适度高频的好氧/厌氧交迭环境，以进一步丰富湿地中水的流态、强 化水在各功能区界面之间的迁移流转、增强微生物群落结构的多样性和稳定性； (2) 构造合适面积的(微)结构单元再组成植物床-沟壕系统来增加系统的水力传 输效率及水力停留时间；(3) 强化优势功能微生物，对水质净化起到积极作用。