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user: 4. 结果与分析 4.1. 河湾消落带N 2 O产生和排放的时空变化特征分析 4.1.1. N 2 O排放通量的时间变化 由于温度、水分、氧气和微生物等环境和生物因素是影响N 2 O的排放的重要因子，而这些因子直接受到季节的影响，因此，季节的变化会导致朱衣河河湾消落带N 2 O排放量的改变，朱衣河河湾消落带N 2 O排放通量的时间变化结果见图3。 由图3可以看出，朱衣河河湾消落带4月N 2 O的排放量较高，5月以后N 2 O排放量呈现明显的时间变化，即在5~8月N 2 O排放量逐渐增加，8月达到最大，9月N 2 O排放量减少。N 2 O排放量的这一变化趋势不仅与季节变化有关，也与三峡水库水量调度关系相一致。朱衣河河湾随着水量的调度消落带土壤含水量不断变化，从而影响了N 2 O的排放。 土壤含水量直接影响微生物的硝化作用，当土壤含水量在最适时增加或减少都会影响微生物的活性，从而降低土壤中氮素的硝化作用。有研究指出当土壤水分达到饱和时，其硝化作用接近于零，这很可能是影响到了土壤的通气性，使得硝化作用所需的氧化剂，即氧严重匮乏，阻碍了硝化作用的进行。氨氧化的过程中硝化过程中主要产生气相氮化物，而在此过程中首先由亚硝酸细菌将其氧化为亚硝酸离子，继而由硝酸细菌将亚硝酸离子氧化为硝酸离子。气态氮化物包括NO和N 2 O的产生，其中NO产生的量一般高于N 2 O，NO与N 2 O的比值通常在20%左右。而在异养硝化过程中，低价氮化合物氧化的能量并不是微生物的唯一能源，它们还可同时利用其它化合物氧化所得能量，如碳水化合物。相比自养硝化而 图3. N 2 O排放通量时间变化图 言，异养硝化过程在很大程度上不受土壤氮矿化过程的限制；并且NH 4+ 离子或有机物质都可进行硝化作用。 在大多数情况下，有的反硝化微生物并不能够彻底完成整个反硝化的全过程，因而NO、N 2 O、N 2 都可能产生。其中更为常见的终极产物是N 2 O，因为相对NO的还原作用而言，只有少数反硝化微生物能够将N 2 O还原为氮气。 只有细菌是能够参与土壤反硝化过程的微生物，当然其中好气、嫌气和兼性这几种呼吸类型都包括。基本上所有的反硝化微生物都通过氧化有机碳而得到电子和碳源，这是因为反硝化这个过程本身是一个吸热反应，需要外界提供反应所需的能量。因此，其反硝化强度常与土壤中有机碳的含量(热源)有着密切的关系，呈正相关。对于诸如N 2 O这种温室气体的排放过程及源汇研究而言，极为重要的是反硝化过程所释放的N 2 O释放量要多于硝化过程的N 2 O的数量，反硝化作用是土壤氮素转化过程中释放气相氮化物的主要过程。 在反硝化过程中，土壤有机碳的有效性、土壤水分含量、底物含量或氧分压、pH等都会影响释放气相氮化物的数量和它们的组成比例。土壤中的氧气，不论是土壤溶液中溶解的游离氧还是土壤空隙中的非溶解氧，相比其他的环境因子更易于抑制N 2 O还原到氮气这一过程，原因在上文中已经提到，反硝化过程本身是一个吸热反应。因此在一定范围内，当氧分压增加时，反硝化过程所产生的氧化亚氮的量就会增加，单质氮气的含量会减少，即N 2 O/N 2 值增加，反之，则N 2 O/N 2 值会降低。相关报道在土壤处于干湿交替的过程中时，就会发生较高的反硝化作用率 [ 11 ] 。这是由于干湿交替的土壤中，为硝化和反硝化作用都会间隙地提供有利反应条件，处于干性条件下的土壤为硝化作用提供了相对好氧的环境，而土壤含水量较大，即土壤湿度较大时，土壤中的含氧量就会相对降低，此时会为反硝化作用提供一个相对厌氧的有利条件。土壤存水孔隙超过60%时，反硝化作用随土壤含水量的升高而升高 [ 12 ] 。但土壤处于此时的时间不宜过长，若土壤在一段时期内很湿，虽然相对较高的含水量为反硝化作用提供相对厌氧的条件，反硝化作用反而会停止，这很可能是土壤含水量太大超过一定的时间反而阻止会气体的扩散。 土壤中的通气状况和气体的扩散速率受土壤水分控制，在水分状况下较为合适时，硝化作用中亚硝酸根离子与硝酸根离子的比率和产量都会随土壤含水量的增加而增加；但土壤含水量增加至一定值后，会因为土壤的通气性变差，反硝化作用趋势会长超过消化作用的趋势而占主导，N 2 O的产量也会在一定范围内增加。 4.1.2. N 2 O排放通量的空间变化 随着时间的变化，朱衣河河湾消落带N 2 O的排放通量呈现明显的空间差异性，图4是朱衣河河湾消落带N 2 O排放通量的空间变化图。由图4可以看出，湖心区N 2 O的排放通量除4月份外都较低，且没有明显的变化规律；陆地区则呈现出较好的变化规律，随时间变化N 2 O的排放通量平稳增加，8月达到最大值后逐渐降低；消落带是N 2 O排放通量变化最大的区域。 5月份以后降雨逐渐增多，消落带土壤出现频繁的干湿交替现象，N 2 O的排放特征也表现为消落带 > 陆地区 > 湖心区。消落带的干湿交替作用一方面保持了土壤的良好水分状况，另一方面创造了有利于硝化和反硝化作用的氧化还原条件，硝化产物为反硝化作用提供了充足的硝态氮源，促进了N 2 O的生成和排放 [ 13 ] ，使消落带成为朱衣河N 2 O排放通量最大的区域。陆地区生长旺盛的植被通过组织向根际输送氧气，在根际附近形成氧化区，将矿化形成的铵态氮转化为硝态氮，生成的硝态氮通过浓度梯度扩散到远离根际的还原区进行反硝化反应，对N 2 O的排放起到一定的促进作用，但仍小于消落带N 2 O的排放通量。而湖心区由于长期处于淹水状况，不利于N 2 O的产生和排放，所以表现为较小的N 2 O排放通量。由此可知，在植物生长季节中，朱衣河N 2 O排放活跃区是处于水位变幅区的消落带。 4.2. 河湾消落带N 2 O产生和排放的主要影响因子分析 4.2.1. 温度与N 2 O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。在一定温度范围内，土壤微生物的活性、硝化-反硝化速率和N 2 O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℃范围内，随着土壤表层温度的升高，N 2 O的排放通量在不同程度上有一定的增加 [ 14 ] 。 由图5温度和朱衣河河湾消落带N 2 O排放通量的关系图可以看出，朱衣河河湾消落带N 2 O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N 2 O的产生和排放。 图4. N 2 O排放通量空间变化图 4.2.2. 土壤含水率与N 2 O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须的，当土壤含水量极低时，水的可利用性就会限制微生物过程，而当含量过高时，透气性则成为主要的调节因子 [ 15 ] 。因此，土壤水分含量直接影响硝化和反硝化过程，进而改变N 2 O的排放量。当土壤含水量较小时，土壤呈氧化状态，有利于硝化作用并最终产生NO 3− ；当土壤含水量太高时，土壤呈还原态，铵氮氧化酶活性受到抑制，N 2 O还原酶活性较高，有利于反硝化作用并最终生成N 2 ；只有含水量处于中等水平时，硝化作用和反硝化作用产生N 2 O的贡献几乎相当，并导致大量的N 2 O生成与排放 [ 16 ] 。 由图6可见，朱衣河河湾在5~9月由于受到三峡水库在汛期按防洪限制水位145 m高程运行的影响，消落带大面积裸露，同时雨季的到来使得消落带出现频繁的干湿交替现象，土壤含水率保持在35%~60%之间，因此导致N 2 O排放通量增加。相关报道在土壤处于干湿交替的过程中时，就会发生较高的反硝化作用率。这是由于干湿交替的土壤中，为硝化和反硝化作用都会间隙地提供有利反应条件，处于干性条 图5. 水温与N 2 O排放通量的关系图 图6. 土壤含水率与N 2 O排放通量的关系 件下的土壤为硝化作用提供了相对好氧的环境，而土壤含水量较大，即土壤湿度较大时，土壤中的含氧量就会相对降低，此时会为反硝化作用提供一个相对厌氧的有利条件。土壤存水孔隙超过60%时，反硝化作用随土壤含水量的升高而升高。但土壤处于此时的时间不宜过长，若土壤在一段时期内很湿，虽然相对较高的含水量为反硝化作用提供相对厌氧的条件，反硝化作用反而会停止，这很可能是土壤含水量太大超过一定的时间反而阻止会气体的扩散。 土壤中的通气状况和气体的扩散速率受土壤水分控制，在水分状况下较为合适时，硝化作用中亚硝酸根离子与硝酸根离子的比率和产量都会随土壤含水量的增加而增加；但土壤含水量增加至一定值后，会因为土壤的通气性变差，反硝化作用趋势会长超过消化作用的趋势而占主导，N 2 O的产量也会在一定范围内增加。 一般而言，适宜于进行硝化作用的水分含量为30%~70%，但当其值超过60%时，由于土壤通气性降低，随着反硝化作用的增强，所产生的N 2 O也增加。但是当土壤含水量过高时，使硝化作用的产物以单质氮气为主，N 2 O生产的过程会受到抑制，其产量将降低。