5.5.3　白洋淀湖泊湿地环境条件与湖滨带N2O排放通量的关系

5.5.3　白洋淀湖泊湿地环境条件与湖滨带N 2O排放通量的关系

5.5.3.1　土壤温度和水体DO与N2O排放通量的关系

温度也是影响反硝化作用的重要因素之一。大量研究发现温度高的地方，反硝化速率也高，随着温度的降低反硝化速率明显变小。在各种浅水环境中，温度表现出强烈的季节变化，有可能成为控制反硝化速率的主要因子。土壤温度影响微生物的代谢活动及硝化和反硝化过程。在一定温度范围内，土壤微生物的活性、硝化-反硝化速率和N2O排放速率一般都随土壤温度升高而增加。有研究表明，在10～30℃，随着土壤表层温度的升高，N2O的排放通量在不同程度上有一定的增加（郑循华等，1997b）。

由土壤温度和水体DO与湖滨带N2O排放通量的关系图（图5.16）可以看出，白洋淀湖泊湿地N2O排放通量随温度的升高呈指数增加，主要是因为温度升高促进了硝化、反硝化细菌的生长，同时它们的各种活性也相应增加，促进了N2O的产生和排放。

图5.16　土壤温度和水体DO与湖滨带N2O排放通量的关系图

DO含量与N2O排放通量则呈现负相关的关系，即随着沉积物/土壤中O2含量的升高，N2O排放通量减少。DO在微生物细胞新陈代谢过程中可与竞争成为电子受体，影响反硝化作用的进行。当氧气浓度足够低时，反硝化作用才会发生；DO不足，微生物的繁殖和活性受到制约，影响反硝化反应。但是厌氧条件会抑制硝化反应的进行，使反硝化作用失去反应物质的源。因此，DO的含量会影响N2O的排放。

5.5.3.2　土壤含水率与N2O排放通量的关系

土壤水分是土壤的重要组成部分，土壤中不断进行着的各种物质和能量的转换过程都必须在水分的参与下进行。水对所有微生物的生命过程都是必需的，当土壤含水率极低时，水的可利用性就会限制微生物过程，而当土壤含水率过高时，透气性则成为主要的调节因子（熊正琴等，2002）。因此，土壤水分含率直接影响硝化和反硝化过程，进而改变N2O的排放量。当土壤含水率较小时，土壤呈氧化状态，有利于硝化作用并最终产生；当土壤含水率太高时，土壤呈还原态，铵氮氧化酶活性受到抑制，N2O还原酶活性较高，有利于反硝化作用并最终生成N2；只有当土壤含水率处于中等水平时，硝化作用和反硝化作用产生N2O的贡献几乎相当，会导致大量的N2O生成与排放。

图5.17（a）是白洋淀湖泊湿地湖滨带4—11月土壤含水率与N2O排放通量的关系图，由于温度也是影响湿地N2O排放的主要因子，所以要分析土壤含水率与N2O排放的关系必须保证温度相对一致，而5—10月芦苇茂密，其丛中温度变化相对较小，每次采样温度分别为29.4℃、30.1℃、30.9℃、31.4℃、30.3℃和29.1℃，所以选择这6个月的数据进行分析，得出土壤含水率与N2O排放通量的关系。由图5.17（b）可见，白洋淀湖泊湿地湖滨带N2O的排放通量与土壤含水率的变化有着较好的相关性，即含水率在35%～60%时，N2O的排放通量随土壤含水率的升高而增加。

图5.17　土壤含水率与湖滨带N2O排放通量的关系

5.5.3.3　芦苇生物量与N2O排放通量的关系

图5.18　芦苇地上部生物量的变化图

大型植物会对湿地硝化和反硝化过程产生极大影响，有水生高等植物生长的水体，氮素容易释放进入大气。白洋淀湖泊湿地主要的水生植物是芦苇，芦苇的生长状况会对N2O的排放和传输过程产生影响，而生物量是直接反映植物生长状况的指标之一（Jiang et al.，2003）。在实验期间逐月对芦苇地上部分的生物量进行了测定，图5.18是实验期芦苇地上部生物量的变化图。

由图5.18可知，在生长季节初期，芦苇地上生物量较小，5月芦苇叶片形态基本建成，而其群落郁闭度还未达到最大值，此时芦苇的叶片生长发育进入光合作用最佳时期，生物量迅速增加。进入6月，群落郁闭度逐渐达到最大，芦苇地上生物量的增加速度变缓，在9月芦苇地上生物量达到最大。植物的大量生长，使根系残落物和分泌物在一定程度上改变了土壤理化性质，促进了土壤中的微生物活动过程，尤其会促使反硝化作用增强（张秀君等，2002），提高N2O的排放量。Seastedt认为，植物生物量与氮的气体排放通量密切相关（Seastedt et al.，1991），此外，Groffman等（1997）也证实了含氮气体与生物量呈现较强的相关关系。

图5.19是芦苇地上部鲜重增长量与N2O排放通量的关系。在整个观测期间，芦苇的鲜重增长量在5月达到最高，平均为13.09g/（m2·d），此时为芦苇的快速生长期，需要大量的吸收水分和营养成分完成其正常的生理活动，而进入成熟期后，对各种元素的需求相对减少。芦苇生物增长量与N2O的排放通量呈现负相关性，回归拟合方程为y=-0.0066x+0.1004（R 2=0.6545）。此现象的发生可能是由于芦苇与土壤中微生物成为水分、有机质等的竞争者。在必需营养元素中，碳和氧来自空气中的二氧化碳；氢和氧可来自水，而其他的必需营养元素几乎全部来自土壤。根系呼吸作用释放CO2、根尖细胞伸长过程中分泌的质子和有机酸等都会使根际土壤p H出现升高或降低，而硝化细菌对p H十分敏感，亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的最适反应p H范围分别为7.0～7.8、7.7～8.1和7.0～8.5。芦苇的蒸腾作用也增加了对土壤水分的吸收，使得土壤通气环境改善，根际环境中氧气含量增高，促进了植物的有氧呼吸，有利于植物对养分的吸收，而抑制了反硝化细菌的活性。

5.5.3.4　水中—N与N2O排放通量的关系

氮素是N2O产生的直接根源，随氮素输入量的增多，湿地N2O的排放通量呈指数增加（张丽华等，2007）。通常认为N2O主要在反硝化过程中产生，所以对反硝化作用的底物硝态氮研究较多，Regina等（1999）、Liikanen等（2003）和梁东丽等（2007）都曾报道硝酸盐氮是N2O产生和排放的主要影响因子。然而，由反硝化过程可知，N2O是由HNO2直接还原脱水产生，所以亚硝态氮与N2O产生的关系可能更加密切。

图5.20是水中亚硝酸盐与N2O排放通量的关系图。由图5.20可以看出，白洋淀湖泊湿地水中—N与N2O的排放有很好的相关性，随着—N浓度的增加N2O的排放量呈对数增长。Bremner等（1978）的研究曾指出，的硝化过程也可以产生N2O，其原因可能是硝化作用的中间产物主要为—N，—N促进了N2O的产生和排放。由此是否可以说明水中的浓度可以作为N2O排放的预测指标，还待研究。

5.5.3.5　相关细菌与N2O排放通量的关系

湿地氮素循环主要是硝化作用和反硝化作用综合作用的结果，与这两个过程相关的生物因素主要是湿地微生物和湿地植物。其中，湿地植物间接作用于反硝化过程，为微生物提供适宜的微环境，而湿地微生物则是反硝化作用的主要执行者，对湿地的脱氮过程起着直接的作用。因此，湿地硝化细菌、反硝化细菌以及硝化强度和反硝化强度可能是影响N2O排放的主要因素。

图5.19　芦苇地上部鲜重增长量与N2O排放通量的关系图

图5.20　亚硝酸盐氮与N2O排放通量的关系

图5.21是硝化细菌和反硝化细菌数量与N2O排放通量关系图。由图5.21可知，白洋淀湖泊湿地N2O的排放通量与硝化细菌和反硝化细菌均呈现出很好的正相关关系。这说明在白洋淀湖泊湿地中，沉积物/土壤内硝化细菌和反硝化细菌的数量是影响N2O产生和排放的重要因子之一。

图5.21　硝化细菌与反硝化细菌数量与N2O排放通量的关系

湿地中氮的去除需分两步进行，第一步氨氧化成硝酸盐，即硝化作用；第二步是硝酸盐还原成N2O或N2，即反硝化作用，因此硝化作用和反硝化作用是N2O产生和排放不可缺少的两个过程。硝化强度和反硝化强度与N2O排放通量的方程式，分别为y=0.4732e22.426x（R 2=0.8188）和y=0.117e33.641x（R 2=0.7633）。通常认为反硝化作用是决定N2O产生和排放的关键过程，但经过实验分析得出硝化作用可能对N2O的产生和排放的贡献更大。可能原因是反硝化细菌只有在缺氧条件下，利用充足的为电子受体才能使之还原成N2O，而硝化作用的产物就是，因此，硝化作用成为反硝化作用的制约条件，进而使得硝化强度与N2O排放通量的相关性更好。