4.5.2 硝化与反硝化强度研究
湿地氮素迁移转化的主要过程是硝化和反硝化作用，通过分析白洋淀湖泊湿地实验区硝化强度和反硝化强度的时空变化和影响因素，探讨白洋淀湖泊湿地氮素生物地球化学过程的变化。
4.5.2.1 硝化强度和反硝化强度的时空变化
图4.32是小杨家淀实验区不同采样点硝化强度和反硝化强度的时空变化趋势图。由图4.32可以看出，温度是影响硝化强度和反硝化强度的重要因素，在温度较高的7月，小杨家淀实验区各点的硝化强度和反硝化强度都很高，特别是反硝化强度，是4月和11月的40～50倍，这就可能导致白洋淀N2O的排放量在夏季达到最大。
图4.32 小杨家淀实验区不同采样点硝化强度和反硝化强度的时空变化趋势图
从空间上看，采样点X3～X6的硝化强度均大于采样点X1和X2，而采样点X1和X2处的反硝化强度却高于其他4个采样点，这主要与硝化细菌和反硝化细菌的数量有关。通过对不同采样点硝化强度和反硝化强度的分析得出，采样点X1反硝化强度高于硝化强度，采样点X2和X3处的硝化强度和反硝化强度基本相似，其他3点的硝化强度均大于反硝化强度。由于反硝化作用的底物是硝酸根，而硝化作用的产物就是硝酸根，所以只有在硝化作用和反硝化作用基本相当时，脱氮作用才会更加显著。因此，采样点X2和X3处（湖滨带）可能是白洋淀湖泊湿地脱氮最活跃的区域。
4.5.2.2 硝化强度和反硝化强度的影响因素
湿地硝化和反硝化作用主要是微生物学过程，凡是对生物活动有影响的因素对湿地硝化和反硝化作用均有影响，其中主要的影响因素包括温度、水分、有效碳源、氮源等。
Breuer等（2002）的研究表明，在澳大利亚热带雨林生态系统中土壤硝化作用和温度存在显著相关性，土壤温度每升高1℃硝化速率平均增高1.17mg/（m2·h）NH+4—N，在14～24℃的温度系数Q10值为3.60。虽然反硝化作用在较宽的温度范围（5～70℃）内进行，但温度过高或过低都是不利的。Keeney（1979）等的研究结果表明，反硝化作用在60℃以上时即受到抑制。Ryden（1983）的研究表明，在相同的土壤环境条件下，土壤温度从5℃增加到10℃，土壤的反硝化速率从0.02kg/（h·m2·d）N增加到0.11 kg/（h·m2·d）N，Q10为11。
水分是影响土壤通气状况的因子之一。在浸水的沼泽草甸土中，氧气的扩散受到了限制，硝化细菌数量少，硝化作用很弱或被抑制。Ingwersen等（1999）研究显示，15℃条件下，土壤有机质层中体积水分含量为42%～43.5%时，硝化速率达到最大值。Breuer等（2002）报道，随着水分含量的增加硝化速率明显降低，他们认为这可能是由于水分的增加促进了厌氧条件的形成所致。反硝化作用是一个在厌氧条件下进行的微生物学过程，因而受到土壤水分和通气状况的制约。高氧含量能抑制反硝化过程中还原酶的活性，土壤水分对反硝化的影响即水分含量通过对土壤的通气状况和土壤中的氧分压的影响，从而影响到反硝化作用。Weier等（1993）研究了土壤含水孔隙率对反硝化的影响，结果表明，当土壤含水孔隙率从60%增加到90%时，增加氮素和碳素后，土壤中的反硝化速率增高了70倍。Ryden（1983）对降雨后田间土壤含水量的变化及其对反硝化作用的影响展开研究，分析结果表明，当土壤含水率小于20%时，反硝化速率仅为0.05kg/（h·m2·d）N；当土壤含水率大于20%时，反硝化速率超过0.2kg/（h·m2·d）N；当土壤含水率超过30%时，反硝化速率高达2.0kg/（h·m2·d）N。
在整个实验期间，小杨家淀6个采样点土壤含水率、有机质和全氮含量都不相同，但土壤温度和含水率是影响白洋淀湖泊湿地硝化和反硝化强度的主要因素，而其他因素与硝化和反硝化强度的相关性并不显著，结果见表4.4。白洋淀湖泊湿地硝化和反硝化强度都与温度呈极显著正相关，与以往的研究一致。在温度相对稳定的条件下，土壤含水率会通过改变土壤氧气含量影响参与反应的各种微生物的活性，进而影响硝化和反硝化强度。硝化细菌和亚硝化细菌属于好氧菌，土壤含水率的增加使微环境中的氧气含量减少，从而抑制硝化作用的进行，因此，硝化强度与土壤含水率呈负相关关系。相反，反硝化细菌属于兼性厌氧菌，只有土壤含水率升高，氧气含量减少，其生理功能才能更好发挥，这就表现为反硝化强度与土壤含水率呈极显著正相关。
表4.4 土壤环境与硝化和反硝化强度的相关系数一览表
*表示二者在0.05水平上相关；** 表示二者在0.01水平上相关。