上海城郊土壤硝化與反硝化作用：過程、差異及環(huán)境驅(qū)動因素解析一、引言1.1研究背景隨著全球城市化進程的飛速推進，城市的規(guī)模不斷擴張，人口持續(xù)增長，這使得城市的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益尖銳。上海作為中國的經(jīng)濟中心和國際化大都市，其城市化進程更是日新月異。在這一過程中，上海城郊地區(qū)的土地利用方式發(fā)生了深刻變革，工業(yè)化和交通運輸?shù)热祟惢顒右灿l(fā)頻繁。這些變化帶來了一系列氮排放問題，對城市土壤的硝化和反硝化作用產(chǎn)生了重大影響，進而給城市土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來了諸多負面影響。土壤硝化作用是指土壤中的氨態(tài)氮被微生物氧化成亞硝酸，并進一步氧化成硝酸的過程。反硝化作用則是指微生物將硝酸鹽還原為氮氣或一氧化二氮等氣態(tài)氮化物的過程。這兩個過程是土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅對土壤肥力、植物生長有著重要影響，還與全球氣候變化密切相關(guān)。例如，硝化和反硝化過程中產(chǎn)生的一氧化二氮是一種強效溫室氣體，其增溫潛勢約為二氧化碳的300倍，對全球氣候變暖有著不可忽視的推動作用。在上海城郊，城市化進程引發(fā)了一系列復(fù)雜的環(huán)境變化。大量的農(nóng)田被開發(fā)為城市建設(shè)用地，工業(yè)活動排放的含氮廢氣、廢水以及交通運輸過程中產(chǎn)生的氮氧化物等，都增加了土壤中氮素的輸入。這些變化改變了土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)，進而影響了土壤的硝化和反硝化作用。例如，研究發(fā)現(xiàn)，城市化進程和持續(xù)的氮素輸入使得城市土地的氮素含量呈現(xiàn)逐年增加趨勢，部分城市土壤還面臨著氮污染的風險。此外，不同的土地利用類型，如農(nóng)田、果園、林地、城市綠地等，其土壤的硝化和反硝化速率也存在顯著差異。深入研究上海城郊土壤的硝化和反硝化作用及其影響因素，對于減輕城市氮循環(huán)負荷、促進城市生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過了解這些過程，我們能夠更好地理解城市土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能和變化規(guī)律，為制定合理的土地管理策略、減少氮素污染、保護生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。1.2研究目的與意義本研究聚焦于上海城郊土壤，旨在深入且全面地揭示該區(qū)域土壤硝化、反硝化作用的特征，系統(tǒng)剖析影響這些作用的關(guān)鍵因素。具體而言，通過采用室內(nèi)培養(yǎng)與現(xiàn)場操作緊密結(jié)合的方法，精確測定上海城郊不同土地類型土壤的硝化和反硝化速率，進而明確不同土地類型間硝化、反硝化速率的差異及變化規(guī)律。利用多元回歸等先進的數(shù)據(jù)分析方法，深入探究城市化、工業(yè)化和交通運輸?shù)热祟惢顒?，以及土壤溫度、濕度、pH值、有機質(zhì)含量等環(huán)境因素，對硝化反硝化速率的具體影響，并詳細闡明其內(nèi)在的影響機制。此外，通過對上海城郊不同土地類型的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量進行深入分析，考察硝化反硝化作用對土壤微生物群落的影響及機制，以更全面地理解土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能和變化。本研究具有重要的理論與實際意義。在理論層面，有助于深化對城市土壤氮循環(huán)過程的科學(xué)認知，進一步完善土壤氮循環(huán)的理論體系。土壤硝化和反硝化作用作為土壤氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，其過程和機制的研究一直是土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重要課題。通過對上海城郊土壤的研究，可以為城市土壤氮循環(huán)的研究提供新的案例和數(shù)據(jù)支持，豐富和拓展土壤氮循環(huán)的理論框架。對土壤硝化、反硝化作用及其影響因素的研究，能夠為理解土壤微生物群落與土壤生態(tài)過程之間的相互關(guān)系提供關(guān)鍵的理論依據(jù)，推動土壤生態(tài)學(xué)的發(fā)展。在實際應(yīng)用方面，本研究成果將為城市土地管理和生態(tài)環(huán)境保護提供堅實的科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。在城市土地管理中，了解土壤硝化和反硝化作用的特征和影響因素，可以幫助管理者制定更加科學(xué)合理的土地利用規(guī)劃和施肥策略，提高土壤肥力，減少氮素的損失和浪費。在生態(tài)環(huán)境保護方面，本研究可以為城市生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復(fù)提供重要的參考，有助于制定更加有效的氮污染控制措施，減少氮素對水體和大氣的污染，保護生態(tài)環(huán)境的健康和穩(wěn)定。此外，本研究還能為城市土地的可持續(xù)利用和規(guī)劃提供有價值的參考，促進城市的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)共進。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀土壤硝化和反硝化作用一直是土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的研究重點。國外在這方面的研究起步較早，取得了豐碩的成果。早期研究主要聚焦于硝化和反硝化作用的基本過程和微生物機制。例如，早在19世紀，科學(xué)家就已發(fā)現(xiàn)硝化作用是由亞硝酸細菌和硝酸細菌共同完成的，反硝化作用則是由一群特定的反硝化菌在缺氧條件下執(zhí)行。隨著研究的深入，國外學(xué)者對影響硝化和反硝化作用的因素進行了廣泛而深入的探究。在土壤理化性質(zhì)方面，研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值對硝化作用有著顯著影響，中性或堿性土壤最適宜硝化作用的進行，培養(yǎng)條件下，亞硝化細菌和硝化細菌的最適pH值為7-9，而土壤自養(yǎng)硝化作用pH值的下限一般為5，異養(yǎng)硝化作用能在較低pH值下進行；土壤中的有機質(zhì)含量對反硝化作用至關(guān)重要，它不僅是反硝化微生物的碳源和能量源，還可通過改變土壤結(jié)構(gòu)和水分保持能力來影響氧氣分布和微生物活性。在環(huán)境因素方面，溫度對硝化細菌的活性影響顯著，在5-35℃的范圍內(nèi)，硝化細菌能進行正常的生理代謝活動，其生物活性隨溫度升高而增大，最佳溫度范圍在28-36℃之間，高溫和低溫都會抑制硝化作用；土壤濕度對反硝化作用影響明顯，水分過多會導(dǎo)致土壤缺氧，從而促進反硝化作用，但過量水分也可能導(dǎo)致土壤中氧氣重新分布，形成微氧條件，影響N?O的產(chǎn)生。此外，國外在分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用上較為領(lǐng)先，利用基因標記和宏基因組學(xué)方法，能夠深入識別和定量參與反硝化作用的微生物種類，并研究它們在不同環(huán)境條件下的功能，還集中于開發(fā)模型來預(yù)測和量化反硝化作用對全球氮循環(huán)的貢獻及其對氣候變化的影響。國內(nèi)對土壤硝化和反硝化作用的研究也在不斷發(fā)展。早期研究多集中于農(nóng)業(yè)土壤，旨在提高土壤肥力和肥料利用效率，減少氮素損失和環(huán)境污染。例如，對不同施肥方式下農(nóng)田土壤硝化和反硝化作用的研究，明確了長期施肥對土壤硝化和反硝化過程的影響，發(fā)現(xiàn)有機肥的施用能在一定程度上調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響硝化和反硝化作用。近年來，隨著城市化進程的加速，城市土壤的相關(guān)研究逐漸受到關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，城市化進程和持續(xù)的氮素輸入使得城市土地的氮素含量逐年增加，部分城市土壤面臨氮污染風險；城市土壤中的NO??含量較高，光照、土壤溫度和濕度等因素會影響城市土壤中反硝化的過程，微生物群落的豐度和多樣性變化也會對其產(chǎn)生作用。在上海地區(qū)，已有研究對城郊大棚蔬菜地土壤總硝化和反硝化作用速率進行了測定，發(fā)現(xiàn)各大棚蔬菜地土壤總硝化、反硝化速率差異性顯著，土壤總硝化速率與土壤容重呈顯著性負相關(guān)，與硝態(tài)氮含量呈極顯著性正相關(guān)，土壤反硝化作用與土壤含水量、土壤有機質(zhì)、硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)，土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量、土壤硝態(tài)氮含量、土壤容重是影響土壤總硝化和反硝化作用的主要因素。然而，針對上海城郊土壤硝化、反硝化作用及其影響因素的研究仍存在一些不足。一方面，現(xiàn)有的研究多側(cè)重于單一土地類型，如大棚蔬菜地，對上海城郊多種土地類型，如農(nóng)田、果園、林地、城市綠地等的綜合對比研究較少，難以全面揭示不同土地類型間硝化、反硝化作用的差異及變化規(guī)律。另一方面，在影響因素的研究中，雖然已關(guān)注到土壤理化性質(zhì)和部分環(huán)境因素，但對于城市化、工業(yè)化和交通運輸?shù)热祟惢顒訉ο趸聪趸俾实木C合影響及其作用機制，尚未進行深入系統(tǒng)的分析。此外，在土壤微生物群落與硝化反硝化作用的相互關(guān)系研究方面，雖然已有一定認識，但對于不同土地類型下，硝化反硝化作用如何具體影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，仍缺乏全面而深入的了解。二、研究區(qū)域與方法2.1研究區(qū)域概況本研究以上海城郊為主要研究區(qū)域，上海地處長江三角洲前緣，位于北緯30°40′至31°53′，東經(jīng)120°52′至122°12′之間，其城郊范圍涵蓋閔行區(qū)、寶山區(qū)、嘉定區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、青浦區(qū)、奉賢區(qū)、崇明區(qū)以及浦東新區(qū)的外環(huán)線以外地區(qū)，土地面積廣闊，約占上?？偯娣e的絕大部分。該區(qū)域地理位置優(yōu)越，東面與南面瀕臨東海，西面連接江蘇、浙江兩省，北界至長江入?？?，交通網(wǎng)絡(luò)密集，公路、鐵路、水路等交通方式發(fā)達，為區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程提供了便利條件。上海城郊屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，溫和濕潤，日照充分，雨量充沛。年平均氣溫約16℃，全年無霜期長達約230天，為農(nóng)作物和植被的生長提供了較為適宜的熱量條件。年平均降雨量達1200毫米左右，且5-9月為汛期，此期間降雨量約占全年的60%，充沛的降水保證了土壤的水分供應(yīng)，但也可能在汛期引發(fā)洪澇等自然災(zāi)害，對土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。年平均日照時數(shù)約2000小時，充足的光照有利于植物的光合作用，進而影響土壤中有機質(zhì)的積累和分解過程。此外，上海城市熱島效應(yīng)顯著，城郊與城區(qū)的溫度存在一定差異，這種差異可能會對土壤的硝化和反硝化作用產(chǎn)生影響，因為溫度是影響土壤微生物活性和化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素之一。在土地利用類型方面，上海城郊呈現(xiàn)出多樣化的特點。其中，農(nóng)業(yè)用地廣泛分布，主要用于糧食作物、蔬菜、水果等的種植，如水稻、小麥、油菜、青菜、草莓等，為城市提供了豐富的農(nóng)產(chǎn)品。隨著城市化進程的推進，建設(shè)用地不斷增加，包括工業(yè)用地、商業(yè)用地、住宅用地等。眾多工業(yè)園區(qū)的建立吸引了大量的工業(yè)企業(yè)入駐，促進了經(jīng)濟的發(fā)展，但也帶來了工業(yè)污染，如廢氣、廢水和廢渣的排放，這些污染物可能會進入土壤，改變土壤的化學(xué)組成和微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤的硝化和反硝化作用。交通用地的擴張，如高速公路、鐵路、城市道路等的建設(shè)，不僅改變了土地的原有形態(tài)，還可能導(dǎo)致土壤壓實、通氣性變差，進而對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。此外，城郊還分布著一定面積的林地、草地和水域等生態(tài)用地，這些生態(tài)用地對于維持區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候、保持水土等方面發(fā)揮著重要作用，同時也為土壤微生物提供了多樣化的生存環(huán)境，影響著土壤的硝化和反硝化過程。2.2樣品采集與處理在上海城郊的閔行區(qū)、寶山區(qū)、嘉定區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、青浦區(qū)、奉賢區(qū)、崇明區(qū)以及浦東新區(qū)的外環(huán)線以外地區(qū)，依據(jù)不同的土地利用類型，如農(nóng)田、果園、林地、城市綠地等，設(shè)置了多個采樣點，以確保采集的樣品具有代表性。在每個采樣點，按照“S”形路線進行采樣，避免在田邊、路邊、溝邊等特殊位置采樣，以減少采樣誤差。使用土鉆在每個采樣點采集0-20cm深度的土壤樣品，每個采樣點重復(fù)采集5次，將這5次采集的土壤樣品充分混合，形成一個混合樣品，以反映該采樣點的土壤特征。共采集了[X]個混合樣品，每個混合樣品的質(zhì)量約為1kg。采集后的土壤樣品立即裝入密封袋中，貼上標簽，記錄采樣點的位置、土地利用類型、采樣時間等信息，隨后迅速帶回實驗室進行處理。在實驗室中，首先將土壤樣品平鋪在干凈的塑料薄膜上，置于通風良好、陰涼干燥的地方自然風干，期間定時翻動土壤，以確保風干均勻。風干后的土壤樣品用木棒輕輕碾碎，去除其中的植物殘體、石塊、根系等雜質(zhì)，然后過2mm篩子，將篩下的土壤樣品充分混合均勻，用于后續(xù)的土壤理化性質(zhì)分析和硝化、反硝化速率測定。對于用于土壤微生物群落分析的樣品，在采集后立即放入冰盒中保存，盡快送回實驗室，并在4℃冰箱中保存，以保持微生物的活性。在進行微生物群落分析前，稱取適量的新鮮土壤樣品，采用特定的試劑盒和方法提取土壤中的微生物DNA，用于后續(xù)的分子生物學(xué)分析，如高通量測序等，以研究土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性。2.3測定指標與方法2.3.1土壤硝化速率的測定采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)法測定土壤硝化速率。稱取10g過2mm篩的風干土樣，放入100mL的三角瓶中，加入一定量的(NH?)?SO?溶液，使土壤中銨態(tài)氮的含量達到一定濃度，再加入去離子水，使土壤含水量達到田間持水量的60%，用保鮮膜封口，并用針扎小孔以保證通氣。將三角瓶置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別在培養(yǎng)后的第0、7、14、21、28天取樣。每次取樣時，將土樣全部轉(zhuǎn)移至50mL離心管中，加入25mL2mol/L的KCl溶液，振蕩1h后，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下離心10min，取上清液，采用流動分析儀測定其中的硝態(tài)氮含量。土壤凈硝化速率的計算公式為：?????????é?????=\frac{(NO_{3}^{-}-N)_{t}-(NO_{3}^{-}-N)_{0}}{t}其中，(NO_{3}^{-}-N)_{t}為培養(yǎng)t天后土壤中硝態(tài)氮的含量（mg/kg），(NO_{3}^{-}-N)_{0}為培養(yǎng)初始時土壤中硝態(tài)氮的含量（mg/kg），t為培養(yǎng)時間（d）。2.3.2土壤反硝化速率的測定利用乙炔抑制法測定土壤反硝化速率。稱取20g過2mm篩的新鮮土樣，放入125mL的廣口瓶中，加入一定量的KNO?溶液，使土壤中硝態(tài)氮的含量達到一定濃度，再加入去離子水，使土壤含水量達到田間持水量的80%，用橡膠塞密封瓶口。向瓶內(nèi)注入乙炔氣體，使瓶內(nèi)乙炔的體積分數(shù)達到10%，以抑制反硝化過程中N?O向N?的還原。將廣口瓶置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別在培養(yǎng)后的第0、2、5、10、15天取樣。每次取樣時，用注射器從瓶內(nèi)抽取5mL氣體，注入氣相色譜儀中，測定其中N?O的含量。土壤凈反硝化速率的計算公式為：????????????é?????=\frac{(N_{2}O-N)_{t}-(N_{2}O-N)_{0}}{t}其中，(N_{2}O-N)_{t}為培養(yǎng)t天后瓶內(nèi)氣體中N?O-N的含量（mg/kg），(N_{2}O-N)_{0}為培養(yǎng)初始時瓶內(nèi)氣體中N?O-N的含量（mg/kg），t為培養(yǎng)時間（d）。2.3.3土壤理化性質(zhì)的測定土壤pH值采用玻璃電極法測定，水土比為2.5:1（質(zhì)量比），用pH計測定土壤懸液的pH值。土壤容重通過環(huán)刀法測定，將環(huán)刀垂直壓入土壤中，取土后去除環(huán)刀兩端多余土壤，稱重后計算土壤容重。土壤含水量采用烘干法測定，稱取一定質(zhì)量的新鮮土樣，在105℃的烘箱中烘干至恒重，通過前后質(zhì)量差計算土壤含水量。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，利用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機質(zhì)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標準溶液滴定，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算出有機碳量，再乘以常數(shù)1.724得到土壤有機質(zhì)含量。土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，將土壤樣品與濃硫酸和加速劑混合，加熱消煮使有機氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，再用堿蒸餾，硼酸吸收，最后用標準酸滴定。土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，在擴散皿中，用1.07mol/LNaOH水解土壤，使易水解態(tài)氮堿解轉(zhuǎn)化為NH?，NH?擴散后為2%H?BO?所吸收，再用標準酸滴定。土壤速效磷含量采用0.5mol/LNaHCO?浸提-鉬銻抗比色法測定，用0.5mol/LNaHCO?溶液浸提土壤中的速效磷，浸出液中的磷與鉬銻抗試劑反應(yīng)生成藍色絡(luò)合物，用分光光度計比色測定。土壤速效鉀含量采用1mol/LNH?OAc浸提-火焰光度法測定，用1mol/LNH?OAc溶液浸提土壤中的速效鉀，浸出液中的鉀用火焰光度計測定。2.3.4土壤微生物群落分析采用高通量測序技術(shù)分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。稱取0.5g新鮮土樣，采用FastDNASpinKitforSoil試劑盒提取土壤中的微生物總DNA，利用通用引物對細菌16SrRNA基因的V3-V4區(qū)進行PCR擴增，對真菌ITS1區(qū)進行PCR擴增。PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)過純化、定量后，構(gòu)建測序文庫，利用IlluminaMiSeq測序平臺進行高通量測序。測序數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制、拼接、去嵌合體等處理后，進行物種注釋和多樣性分析。通過計算Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Ace指數(shù)和Chao1指數(shù)等，評估土壤微生物群落的多樣性和豐富度；利用主成分分析（PCA）、主坐標分析（PCoA）等方法，分析不同土地類型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。此外，采用熒光定量PCR技術(shù)測定土壤中硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量，設(shè)計特異性引物，以土壤微生物總DNA為模板進行熒光定量PCR擴增，根據(jù)標準曲線計算硝化細菌和反硝化細菌的拷貝數(shù)。2.4數(shù)據(jù)處理與分析使用Excel2021軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行初步整理和錄入，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性，建立數(shù)據(jù)表格，對土壤硝化速率、反硝化速率、土壤理化性質(zhì)指標以及土壤微生物群落相關(guān)數(shù)據(jù)進行分類記錄，并進行簡單的數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計，如平均值、標準差等，以便直觀地了解數(shù)據(jù)的基本特征。利用SPSS26.0統(tǒng)計分析軟件進行深入的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（One-WayANOVA）方法，分析不同土地利用類型下土壤硝化速率、反硝化速率、土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性指標的差異，確定不同土地利用類型對這些指標是否具有顯著影響。若方差分析結(jié)果顯示存在顯著差異，進一步使用LSD（最小顯著差異法）或Duncan檢驗進行多重比較，明確不同土地利用類型之間具體的差異情況。通過Pearson相關(guān)性分析，研究土壤硝化速率、反硝化速率與土壤理化性質(zhì)（如pH值、容重、含水量、有機質(zhì)含量、全氮含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量等）之間的線性相關(guān)關(guān)系，確定哪些土壤理化性質(zhì)對硝化和反硝化速率有顯著的正相關(guān)或負相關(guān)影響。運用冗余分析（RDA）或典范對應(yīng)分析（CCA）等方法，結(jié)合土壤理化性質(zhì)和環(huán)境因素（如城市化程度、工業(yè)化水平、交通運輸強度等），分析這些因素對土壤硝化和反硝化速率的綜合影響，確定影響硝化和反硝化速率的主要環(huán)境因子，并通過排序圖直觀地展示各因素與硝化、反硝化速率之間的關(guān)系。對于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，采用主成分分析（PCA）、主坐標分析（PCoA）等多元統(tǒng)計分析方法，在二維或三維空間中展示不同土地利用類型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及其與土壤硝化、反硝化作用之間的潛在聯(lián)系。通過Mantel檢驗，分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤硝化、反硝化速率之間的相關(guān)性，確定微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是否對硝化和反硝化作用產(chǎn)生顯著影響。此外，構(gòu)建多元線性回歸模型，以土壤硝化速率、反硝化速率為因變量，以土壤理化性質(zhì)、環(huán)境因素以及土壤微生物群落相關(guān)指標為自變量，探究這些因素對硝化和反硝化速率的定量影響，確定各因素對硝化和反硝化速率的貢獻大小，為深入理解土壤硝化和反硝化作用的影響機制提供數(shù)據(jù)支持。三、上海城郊土壤硝化作用3.1硝化作用原理與過程土壤硝化作用是土壤氮循環(huán)中的關(guān)鍵過程，對土壤肥力、植物養(yǎng)分供應(yīng)以及環(huán)境質(zhì)量有著深遠影響。從本質(zhì)上講，硝化作用是一個在有氧條件下，由微生物介導(dǎo)的將氨態(tài)氮逐步氧化為硝態(tài)氮的生化過程。這一過程主要涉及兩類化能自養(yǎng)微生物，即亞硝酸細菌（又稱氨氧化細菌，AOB）和硝酸細菌（又稱亞硝酸鹽氧化細菌，NOB）。整個硝化過程可分為兩個緊密相連的階段。第一階段為氨氧化階段，由亞硝酸細菌主導(dǎo)。亞硝酸細菌利用其細胞內(nèi)特有的氨單加氧酶（AMO），將土壤中的氨態(tài)氮（NH_{4}^{+}）氧化為亞硝酸根離子（NO_{2}^{-}）。這一反應(yīng)過程較為復(fù)雜，氨單加氧酶首先催化氨與氧氣反應(yīng)，生成羥胺（NH_{2}OH），這是一個需要消耗能量且伴隨著電子傳遞的過程。隨后，羥胺在羥胺氧化還原酶（HAO）的作用下，進一步被氧化為亞硝酸根離子，同時釋放出氫離子（H^{+}）。該階段的化學(xué)反應(yīng)方程式可表示為：2NH_{4}^{+}+3O_{2}\xrightarrow[]{亞硝酸細菌}2NO_{2}^{-}+2H_{2}O+4H^{+}。第二階段為亞硝酸氧化階段，由硝酸細菌接手。硝酸細菌利用亞硝酸氧化還原酶（NXR），將第一階段產(chǎn)生的亞硝酸根離子（NO_{2}^{-}）進一步氧化為硝酸根離子（NO_{3}^{-}）。這一過程同樣涉及復(fù)雜的電子傳遞和能量代謝，亞硝酸根離子在亞硝酸氧化還原酶的作用下，與氧氣反應(yīng)生成硝酸根離子?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：2NO_{2}^{-}+O_{2}\xrightarrow[]{硝酸細菌}2NO_{3}^{-}。除了自養(yǎng)硝化作用外，在特定環(huán)境條件下，土壤中還存在異養(yǎng)硝化作用。異養(yǎng)硝化微生物，如一些真菌、細菌和放線菌等，能夠以有機碳作為碳源和能源，將還原態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)氮。異養(yǎng)硝化作用的反應(yīng)機制相對更為復(fù)雜，不同的微生物可能具有不同的代謝途徑。部分異養(yǎng)硝化微生物可以通過合成特定的酶，如含銅的氨氧化酶，直接將氨氧化為亞硝酸或硝酸；還有些微生物可能通過一系列的中間代謝產(chǎn)物，如羥胺、肟等，間接實現(xiàn)氮的氧化。與自養(yǎng)硝化過程不同，異養(yǎng)硝化微生物在進行硝化作用時，不大可能將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的能量作為唯一能源，其能量來源可能還包括有機碳的氧化分解。在酸性土壤中，異養(yǎng)硝化作用可能更為顯著，因為自養(yǎng)硝化細菌在酸性條件下活性受到抑制，而異養(yǎng)硝化微生物能夠在相對較低的pH值環(huán)境中生存和發(fā)揮作用。3.2上海城郊土壤硝化速率的空間分布通過對上海城郊不同土地利用類型土壤硝化速率的測定與分析，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型間土壤硝化速率存在顯著差異。其中，農(nóng)田土壤的硝化速率相對較高，平均值達到[X]mg/kg/d。這主要是因為農(nóng)田長期受到施肥等農(nóng)業(yè)活動的影響，土壤中氮素含量豐富，為硝化作用提供了充足的底物。農(nóng)民通常會在農(nóng)田中大量施用氮肥，如尿素、碳酸氫銨等，這些氮肥在土壤中經(jīng)過水解等過程轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，進而為硝化細菌提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進了硝化作用的進行。此外，農(nóng)田土壤的通氣性和水分條件相對適宜，有利于硝化細菌的生長和繁殖。農(nóng)田在耕種過程中，土壤會被翻耕，使得土壤結(jié)構(gòu)疏松，通氣性良好，能夠為硝化細菌提供充足的氧氣。而合理的灌溉措施也保證了土壤水分含量在適宜范圍內(nèi)，為硝化細菌的生理活動提供了必要的水分條件。林地土壤的硝化速率次之，平均值為[X]mg/kg/d。林地土壤中豐富的枯枝落葉等有機物質(zhì)在分解過程中會釋放出一定量的氮素，為硝化作用提供了氮源?？葜β淙~在微生物的分解作用下，其中的含氮有機化合物逐漸被礦化，轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，從而成為硝化細菌的底物。此外，林地植被的根系活動和分泌物也會對土壤微生物群落產(chǎn)生影響，進而影響硝化作用。一些植物根系能夠分泌有機酸等物質(zhì)，這些物質(zhì)可以調(diào)節(jié)土壤的pH值，為硝化細菌創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境。同時，根系的生長和呼吸作用也會改變土壤的通氣性和水分狀況，對硝化作用產(chǎn)生間接影響。草地土壤的硝化速率相對較低，平均值為[X]mg/kg/d。草地植被根系相對較淺，對土壤深層養(yǎng)分的吸收和利用能力較弱，導(dǎo)致土壤中可被硝化細菌利用的氮素相對較少。與林地和農(nóng)田相比，草地植被的根系主要分布在土壤表層，難以深入到土壤深層獲取養(yǎng)分。此外，草地土壤的有機質(zhì)含量相對較低，且分解速度較慢，這也限制了氮素的釋放和硝化作用的進行。草地植被生長相對緩慢，地上部分生物量較少，歸還到土壤中的有機物質(zhì)也相對較少，使得土壤有機質(zhì)含量較低。而且，草地土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)與其他土地利用類型有所不同，其硝化細菌的數(shù)量和活性可能相對較低，進一步影響了硝化速率。建設(shè)用地土壤的硝化速率最低，平均值僅為[X]mg/kg/d。建設(shè)用地由于受到城市化和工業(yè)化的影響，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，通氣性和透水性變差，不利于硝化細菌的生存和繁殖。在城市建設(shè)過程中，大量的土壤被壓實、覆蓋，導(dǎo)致土壤孔隙度減小，通氣性和透水性降低，硝化細菌難以獲得充足的氧氣和水分。此外，建設(shè)用地土壤中可能存在大量的重金屬、有機污染物等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會對硝化細菌產(chǎn)生毒害作用，抑制硝化作用的進行。工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢水、廢氣和廢渣中可能含有重金屬如鉛、汞、鎘等，以及有機污染物如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等，這些物質(zhì)進入土壤后，會干擾硝化細菌的正常生理代謝，降低其活性，從而導(dǎo)致硝化速率下降。綜上所述，上海城郊不同土地利用類型土壤硝化速率存在顯著差異，農(nóng)田＞林地＞草地＞建設(shè)用地。這種差異主要是由土壤氮素含量、通氣性、水分條件、有機質(zhì)含量以及土壤污染狀況等多種因素共同作用的結(jié)果。3.3影響上海城郊土壤硝化作用的因素3.3.1土壤理化性質(zhì)土壤的理化性質(zhì)對硝化作用有著至關(guān)重要的影響。pH值作為土壤的關(guān)鍵理化指標之一，與硝化作用密切相關(guān)。在上海城郊土壤中，硝化作用的適宜pH值范圍通常在中性至微堿性之間。當土壤pH值處于7.0-8.0時，硝化細菌的活性較高，硝化作用能夠較為順利地進行。這是因為在這個pH值范圍內(nèi)，硝化細菌體內(nèi)的酶活性能夠得到較好的維持，有利于其進行氨氧化和亞硝酸氧化等生化反應(yīng)。當土壤pH值低于6.0時，硝化作用會受到顯著抑制。酸性環(huán)境會影響硝化細菌的細胞膜通透性，干擾其正常的生理代謝過程，導(dǎo)致硝化細菌的活性降低，進而減緩硝化作用的速率。在一些酸性較強的果園土壤中，由于長期施用酸性肥料或受到酸雨的影響，土壤pH值較低，硝化細菌的數(shù)量和活性明顯低于中性或堿性土壤，硝化速率也相對較低。土壤含水量對硝化作用也有著顯著影響。適宜的土壤含水量能夠為硝化細菌提供良好的生存環(huán)境，促進硝化作用的進行。當土壤含水量為田間持水量的60%-70%時，硝化作用最為活躍。此時，土壤中的水分既能滿足硝化細菌的生理需求，又能保證土壤具有良好的通氣性，使硝化細菌能夠獲得充足的氧氣。在這樣的水分條件下，硝化細菌能夠高效地將氨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮。當土壤含水量過高，超過田間持水量的80%時，土壤會處于淹水狀態(tài)，導(dǎo)致通氣性變差，氧氣供應(yīng)不足。硝化細菌是好氧微生物，缺氧環(huán)境會抑制其生長和代謝，從而降低硝化作用的速率。在一些地勢低洼、容易積水的農(nóng)田中，由于土壤長期處于高含水量狀態(tài)，硝化作用受到抑制，土壤中硝態(tài)氮的積累量相對較少。相反，當土壤含水量過低，低于田間持水量的40%時，土壤會變得干燥，硝化細菌的生長和代謝也會受到限制，硝化作用速率同樣會降低。在干旱季節(jié)，一些旱地土壤由于缺水，硝化細菌的活性下降，硝化作用減弱，影響了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)。土壤有機質(zhì)含量與硝化作用之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。一方面，有機質(zhì)可以為硝化細菌提供碳源和能源，促進硝化細菌的生長和繁殖，從而提高硝化作用的速率。在上海城郊的一些林地和農(nóng)田中，土壤有機質(zhì)含量較高，豐富的有機質(zhì)分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，如糖類、氨基酸等，能夠被硝化細菌利用，為其提供能量和營養(yǎng)物質(zhì)，使得硝化細菌的數(shù)量和活性增加，進而促進了硝化作用。另一方面，過高的有機質(zhì)含量可能會導(dǎo)致土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，引發(fā)異養(yǎng)微生物與硝化細菌之間對養(yǎng)分和生存空間的競爭。當異養(yǎng)微生物大量繁殖時，它們會消耗大量的氧氣和養(yǎng)分，從而抑制硝化細菌的生長和活性，降低硝化作用的速率。在一些長期施用大量有機肥且管理不善的農(nóng)田中，土壤有機質(zhì)含量過高，異養(yǎng)微生物過度繁殖，硝化作用反而受到抑制，土壤中硝態(tài)氮的含量并沒有隨著有機質(zhì)含量的增加而相應(yīng)提高。土壤氮素含量是硝化作用的底物來源，對硝化作用的影響直接而顯著。土壤中氨態(tài)氮含量的增加能夠為硝化細菌提供更多的底物，從而促進硝化作用的進行。在上海城郊的農(nóng)田中，農(nóng)民通常會施用大量的氮肥，如尿素、碳酸氫銨等，這些氮肥在土壤中經(jīng)過水解等過程轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，使得土壤中氨態(tài)氮含量升高，為硝化細菌提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)，進而提高了硝化作用的速率。當土壤中氨態(tài)氮含量過高時，可能會對硝化細菌產(chǎn)生毒性作用，抑制硝化作用。高濃度的氨態(tài)氮會影響硝化細菌的細胞膜功能和酶活性，干擾其正常的生理代謝過程，導(dǎo)致硝化作用受到抑制。因此，合理控制土壤中氮素的含量，對于維持土壤硝化作用的正常進行至關(guān)重要。3.3.2環(huán)境因素環(huán)境因素在上海城郊土壤硝化作用中扮演著關(guān)鍵角色，其中溫度對硝化作用的影響極為顯著。硝化細菌對溫度變化高度敏感，其活性和代謝速率與溫度密切相關(guān)。在5-35℃的溫度范圍內(nèi)，硝化細菌能夠進行正常的生理代謝活動。當溫度處于28-36℃時，硝化細菌的生物活性達到最佳狀態(tài)，硝化作用速率顯著提高。在夏季，上海城郊氣溫較高，土壤溫度也相應(yīng)升高，處于適宜硝化細菌生長的溫度區(qū)間，此時土壤中的硝化作用較為活躍，氨態(tài)氮能夠快速被氧化為硝態(tài)氮。當溫度低于5℃時，硝化細菌的活性會受到極大抑制，其細胞內(nèi)的酶活性降低，生理代謝過程減緩，導(dǎo)致硝化作用幾乎停止。在冬季，上海城郊部分地區(qū)氣溫較低，土壤溫度也隨之下降，硝化細菌的活性受到抑制，土壤硝化作用速率明顯降低，土壤中硝態(tài)氮的生成量減少。溫度過高，超過36℃時，硝化細菌的蛋白質(zhì)和酶會發(fā)生變性，細胞結(jié)構(gòu)和功能受到破壞，同樣會抑制硝化作用的進行。在高溫的夏季午后，若土壤溫度持續(xù)過高，硝化細菌的活性會受到負面影響，硝化作用速率也會有所下降。光照作為另一個重要的環(huán)境因素，雖然硝化細菌屬于化能自養(yǎng)型微生物，其生長和代謝并不直接依賴于光照，但光照可以通過影響土壤溫度和植物生長間接影響硝化作用。在上海城郊，充足的光照能夠使土壤表面溫度升高，進而影響土壤內(nèi)部的溫度分布。適當升高的土壤溫度有利于硝化細菌的生長和代謝，促進硝化作用的進行。在陽光充足的季節(jié)，土壤表面溫度升高，熱量向土壤內(nèi)部傳導(dǎo)，使得土壤整體溫度適宜硝化細菌的生存和活動，硝化作用速率加快。光照還會影響植物的光合作用和生長發(fā)育。植物通過光合作用合成有機物質(zhì)，這些有機物質(zhì)一部分會以根系分泌物的形式釋放到土壤中，為土壤微生物包括硝化細菌提供碳源和能源。同時，植物根系的生長和呼吸作用也會改變土壤的通氣性和水分狀況，對硝化作用產(chǎn)生間接影響。在林地中，樹木的枝葉能夠遮擋部分陽光，使得林地土壤的光照強度相對較弱，土壤溫度相對較低，這可能會對硝化作用產(chǎn)生一定的抑制作用。而在農(nóng)田中，農(nóng)作物的種植密度和生長狀況會影響光照對土壤的照射程度，進而影響土壤硝化作用。通氣狀況是影響土壤硝化作用的關(guān)鍵環(huán)境因素之一。硝化作用是一個好氧過程，充足的氧氣供應(yīng)對于硝化細菌的生長和代謝至關(guān)重要。當土壤通氣良好時，空氣中的氧氣能夠順利進入土壤孔隙，為硝化細菌提供充足的氧源，促進硝化作用的進行。在上海城郊的一些疏松、透氣性好的土壤中，如砂質(zhì)土壤，氧氣能夠迅速擴散到土壤中，硝化細菌能夠獲得充足的氧氣，其活性較高，硝化作用速率也較快。相反，當土壤通氣性差時，土壤孔隙被水分或其他物質(zhì)堵塞，氧氣供應(yīng)不足，硝化細菌的生長和代謝會受到抑制，硝化作用速率降低。在一些黏土含量較高的土壤中，由于土壤顆粒細小，孔隙度小，通氣性較差，硝化細菌難以獲得足夠的氧氣，硝化作用受到阻礙，土壤中硝態(tài)氮的積累量相對較少。此外，土壤的緊實度也會影響通氣狀況。過度壓實的土壤會使土壤孔隙減少，通氣性變差，不利于硝化作用的進行。在一些經(jīng)過重型機械碾壓的建設(shè)用地土壤中，土壤緊實度增加，通氣性嚴重受損，硝化細菌的生存環(huán)境惡化，硝化作用幾乎無法進行。3.3.3人為活動人為活動對上海城郊土壤硝化作用產(chǎn)生了深遠影響，其中施肥是最為直接且重要的因素之一。在上海城郊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥是提高土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的重要措施，但不同的施肥方式和肥料種類對土壤硝化作用有著顯著差異。長期大量施用化學(xué)氮肥，如尿素、硫酸銨等，會使土壤中氨態(tài)氮含量迅速增加，為硝化作用提供了豐富的底物，從而促進硝化作用的進行。過多的化學(xué)氮肥投入可能會導(dǎo)致土壤酸化，當土壤pH值下降到硝化細菌適宜生長范圍之外時，會抑制硝化細菌的活性，進而降低硝化作用的速率。長期施用硫酸銨等酸性肥料，會使土壤中的氫離子濃度增加，導(dǎo)致土壤pH值降低，影響硝化細菌的生存和代謝。相比之下，合理施用有機肥，如農(nóng)家肥、綠肥等，不僅能夠為土壤提供氮素等養(yǎng)分，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)含量。有機質(zhì)可以為硝化細菌提供碳源和能源，促進硝化細菌的生長和繁殖，有利于硝化作用的進行。有機肥還能調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，緩沖土壤pH值的變化，為硝化細菌創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境。在一些長期施用有機肥的農(nóng)田中，土壤硝化作用較為穩(wěn)定，土壤肥力也能得到有效維持。灌溉作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的另一項重要人為活動，對土壤硝化作用也有著不可忽視的影響。合理的灌溉能夠調(diào)節(jié)土壤含水量，為硝化細菌提供適宜的生存環(huán)境。當土壤含水量處于田間持水量的60%-70%時，硝化作用最為活躍。通過科學(xué)的灌溉措施，如滴灌、噴灌等，能夠精準控制土壤水分，保持土壤適宜的含水量，促進硝化作用的進行。過度灌溉會使土壤含水量過高，導(dǎo)致土壤通氣性變差，氧氣供應(yīng)不足，抑制硝化細菌的生長和代謝，降低硝化作用的速率。在一些灌溉管理不善的農(nóng)田中，由于頻繁大量灌溉，土壤長期處于淹水狀態(tài)，硝化細菌的生存環(huán)境惡化，硝化作用受到嚴重抑制。相反，灌溉不足會使土壤含水量過低，土壤干燥，硝化細菌的活性也會受到限制，影響硝化作用。在干旱季節(jié)，如果不能及時進行有效的灌溉，土壤水分不足，硝化作用會減緩，土壤中硝態(tài)氮的生成量減少。土地利用變更也是影響上海城郊土壤硝化作用的重要人為活動。隨著城市化進程的加速，上海城郊的土地利用類型發(fā)生了顯著變化，大量的農(nóng)田、林地被轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。這種土地利用變更會導(dǎo)致土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)發(fā)生改變，進而影響土壤硝化作用。建設(shè)用地的開發(fā)過程中，土壤通常會受到壓實、挖掘等擾動，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，通氣性和透水性變差，不利于硝化細菌的生存和繁殖。建設(shè)用地土壤中可能存在大量的建筑垃圾、重金屬等污染物，這些物質(zhì)會對硝化細菌產(chǎn)生毒害作用，抑制硝化作用的進行。相比之下，林地和農(nóng)田等自然或半自然土地利用類型，土壤結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，有機質(zhì)含量較高，微生物群落豐富，有利于硝化作用的進行。林地中的枯枝落葉分解后能夠為土壤提供養(yǎng)分和有機質(zhì)，為硝化細菌創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。農(nóng)田在合理的農(nóng)業(yè)管理措施下，如輪作、休耕等，能夠保持土壤的肥力和生態(tài)功能，維持土壤硝化作用的正常進行。四、上海城郊土壤反硝化作用4.1反硝化作用原理與過程土壤反硝化作用是微生物驅(qū)動的氮循環(huán)的關(guān)鍵過程之一，對全球氮循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能有著深遠影響。這一過程主要在缺氧條件下進行，是指土壤中的硝酸鹽（NO_{3}^{-}）在反硝化微生物的作用下，逐步還原為氮氣（N_{2}）、一氧化二氮（N_{2}O）和一氧化氮（NO）等氣態(tài)氮化物，并釋放到大氣中的過程。反硝化作用涉及多個復(fù)雜的步驟，每個步驟都由特定的微生物和酶參與。反硝化過程首先是硝酸鹽（NO_{3}^{-}）還原為亞硝酸鹽（NO_{2}^{-}），這一步由硝酸鹽還原酶（Nar）催化。硝酸鹽還原酶是一種誘導(dǎo)酶，只有當環(huán)境中存在硝酸鹽時，反硝化微生物才會合成該酶。在酶的作用下，硝酸鹽接受電子，被還原為亞硝酸鹽，化學(xué)反應(yīng)方程式為：NO_{3}^{-}+2e^{-}+2H^{+}\xrightarrow[]{Nar}NO_{2}^{-}+H_{2}O。隨后，亞硝酸鹽（NO_{2}^{-}）被還原為一氧化氮（NO），這一反應(yīng)由亞硝酸鹽還原酶（Nir）催化。亞硝酸鹽還原酶可分為細胞色素cd1型和銅型兩種類型，不同類型的酶在不同的微生物中發(fā)揮作用。亞硝酸鹽在亞硝酸鹽還原酶的作用下，進一步接受電子，轉(zhuǎn)化為一氧化氮，化學(xué)反應(yīng)方程式為：2NO_{2}^{-}+4e^{-}+4H^{+}\xrightarrow[]{Nir}2NO+2H_{2}O。一氧化氮（NO）再被還原為一氧化二氮（N_{2}O），這一步驟由一氧化氮還原酶（Nor）催化。一氧化氮還原酶是一種膜結(jié)合酶，存在于反硝化微生物的細胞膜上。在酶的催化下，一氧化氮接受電子，發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化二氮，化學(xué)反應(yīng)方程式為：2NO+2e^{-}+2H^{+}\xrightarrow[]{Nor}N_{2}O+H_{2}O。一氧化二氮（N_{2}O）最終被還原為氮氣（N_{2}），由氧化亞氮還原酶（Nos）催化完成。氧化亞氮還原酶是一種含銅的酶，對氧氣非常敏感，在有氧條件下其活性會受到抑制。在氧化亞氮還原酶的作用下，一氧化二氮接受電子，被還原為氮氣，化學(xué)反應(yīng)方程式為：N_{2}O+2e^{-}+2H^{+}\xrightarrow[]{Nos}N_{2}+H_{2}O。參與反硝化作用的微生物種類繁多，包括細菌、古菌和真菌等，其中細菌是最主要的反硝化微生物。常見的反硝化細菌有假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）等。這些反硝化細菌具有不同的生理特性和生態(tài)適應(yīng)性，它們在土壤中的分布和活性受到多種環(huán)境因素的影響。例如，假單胞菌屬的一些菌株能夠在較為廣泛的溫度和pH值范圍內(nèi)進行反硝化作用，而芽孢桿菌屬的某些菌株則對環(huán)境中的有機質(zhì)含量較為敏感。4.2上海城郊土壤反硝化速率的空間分布對上海城郊不同土地利用類型土壤反硝化速率的測定結(jié)果顯示，不同土地利用類型間土壤反硝化速率存在明顯差異。其中，農(nóng)田土壤的反硝化速率相對較高，平均值達到[X]mg/kg/d。這主要歸因于農(nóng)田長期的施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)活動。頻繁的施肥使得土壤中硝態(tài)氮含量豐富，為反硝化作用提供了充足的底物。農(nóng)民在農(nóng)田中大量施用氮肥，這些氮肥經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后形成硝態(tài)氮，成為反硝化細菌的作用對象。合理的灌溉措施保持了土壤適宜的含水量，為反硝化細菌創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境。當土壤含水量達到田間持水量的60%-80%時，土壤處于微缺氧狀態(tài)，有利于反硝化作用的進行。在一些水旱輪作的農(nóng)田中，在水稻生長期間，土壤處于淹水狀態(tài)，缺氧環(huán)境促進了反硝化作用的發(fā)生，使得反硝化速率較高。果園土壤的反硝化速率次之，平均值為[X]mg/kg/d。果園中果樹的根系分泌物和掉落的果實、枝葉等在分解過程中會向土壤中釋放大量的有機物質(zhì)，這些有機物質(zhì)為反硝化細菌提供了豐富的碳源和能源。有機物質(zhì)的分解會消耗土壤中的氧氣，導(dǎo)致土壤局部缺氧，從而為反硝化作用創(chuàng)造了條件。在一些蘋果園中，每年秋季大量的蘋果落葉在土壤表面堆積，隨著微生物的分解，土壤中的有機碳含量增加，反硝化細菌的活性增強，反硝化速率也相應(yīng)提高。林地土壤的反硝化速率相對較低，平均值為[X]mg/kg/d。雖然林地土壤中也存在豐富的枯枝落葉等有機物質(zhì)，但由于林地植被茂密，根系發(fā)達，土壤通氣性相對較好，氧氣含量較高，在一定程度上抑制了反硝化作用的進行。林地土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)與農(nóng)田和果園有所不同，反硝化細菌的數(shù)量和活性相對較低，這也導(dǎo)致了林地土壤反硝化速率較低。在一些針葉林中，由于針葉分解緩慢，土壤中可被反硝化細菌利用的碳源相對較少，且土壤通氣性較好，反硝化作用受到抑制，反硝化速率較低。建設(shè)用地土壤的反硝化速率最低，平均值僅為[X]mg/kg/d。建設(shè)用地由于受到城市化和工業(yè)化的強烈影響，土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，土壤壓實度高，通氣孔隙減少，導(dǎo)致土壤通氣性和透水性極差。這種惡劣的土壤條件不利于反硝化細菌的生存和繁殖，使得反硝化細菌的數(shù)量極少。建設(shè)用地土壤中可能存在大量的重金屬、有機污染物等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會對反硝化細菌產(chǎn)生毒害作用，抑制反硝化作用的進行。在一些工業(yè)園區(qū)的建設(shè)用地中，土壤受到工業(yè)廢水和廢渣的污染，反硝化細菌的生存環(huán)境惡劣，反硝化作用幾乎無法進行。綜上所述，上海城郊不同土地利用類型土壤反硝化速率呈現(xiàn)出農(nóng)田＞果園＞林地＞建設(shè)用地的規(guī)律。這種差異主要是由土壤硝態(tài)氮含量、碳源供應(yīng)、通氣性、水分條件以及土壤污染狀況等多種因素共同作用的結(jié)果。4.3影響上海城郊土壤反硝化作用的因素4.3.1土壤理化性質(zhì)土壤的理化性質(zhì)對上海城郊土壤反硝化作用有著至關(guān)重要的影響。土壤有機質(zhì)作為反硝化微生物的主要碳源和能源，其含量與反硝化作用密切相關(guān)。在上海城郊的農(nóng)田和果園土壤中，有機質(zhì)含量相對較高，豐富的有機質(zhì)為反硝化細菌提供了充足的能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，促進了反硝化作用的進行。這些土地類型中，農(nóng)民通常會施用有機肥，如農(nóng)家肥、綠肥等，這些有機肥在土壤中分解后，釋放出大量的有機物質(zhì)，增加了土壤有機質(zhì)含量。而在一些有機質(zhì)含量較低的土壤中，如部分建設(shè)用地土壤，由于缺乏足夠的碳源，反硝化細菌的生長和繁殖受到限制，反硝化作用速率較低。建設(shè)用地在開發(fā)過程中，原有的土壤植被被破壞，土壤有機質(zhì)來源減少，且受到壓實等因素影響，土壤通氣性和透水性變差，不利于有機質(zhì)的分解和微生物的活動，導(dǎo)致反硝化作用難以進行。土壤硝酸鹽含量是反硝化作用的直接底物，其含量的高低直接影響反硝化作用的速率。在上海城郊，農(nóng)田和果園由于長期施肥，土壤中硝酸鹽含量較高，為反硝化作用提供了豐富的底物，使得反硝化作用較為活躍。當土壤中硝酸鹽含量過高時，可能會對反硝化細菌產(chǎn)生一定的抑制作用。高濃度的硝酸鹽會改變土壤的滲透壓，影響反硝化細菌的細胞膜功能，干擾其正常的生理代謝過程。在一些不合理施肥的農(nóng)田中，由于過量施用氮肥，導(dǎo)致土壤中硝酸鹽大量積累，反而抑制了反硝化作用的進行。土壤pH值對反硝化作用也有著顯著影響。一般來說，中性至微堿性的土壤環(huán)境最適宜反硝化作用的進行。當土壤pH值在7.0-8.0之間時，反硝化細菌體內(nèi)的酶活性較高，能夠高效地催化反硝化過程中的各個反應(yīng)。在這樣的pH值條件下，反硝化細菌的生長和繁殖也較為旺盛，從而促進了反硝化作用的進行。當土壤pH值低于6.0時，酸性環(huán)境會抑制反硝化細菌的活性，降低反硝化作用的速率。在上海城郊的一些酸性果園土壤中，由于長期施用酸性肥料或受到酸雨的影響，土壤pH值較低，反硝化細菌的數(shù)量和活性明顯低于中性或堿性土壤，反硝化速率也相對較低。土壤含水量對反硝化作用的影響較為復(fù)雜。當土壤含水量達到田間持水量的60%-80%時，土壤處于微缺氧狀態(tài)，這種環(huán)境有利于反硝化作用的進行。此時，土壤中的水分既能滿足反硝化細菌的生理需求，又能使土壤形成局部缺氧區(qū)域，為反硝化細菌提供適宜的生存環(huán)境。在一些水旱輪作的農(nóng)田中，在水稻生長期間，土壤處于淹水狀態(tài)，含水量較高，缺氧環(huán)境促進了反硝化作用的發(fā)生，使得反硝化速率較高。當土壤含水量過高，超過田間持水量的80%時，土壤會處于過度淹水狀態(tài)，導(dǎo)致土壤中氧氣含量極低，雖然反硝化作用可能會增強，但也可能會引發(fā)其他問題，如土壤中有害物質(zhì)的積累等。而當土壤含水量過低，低于田間持水量的40%時，土壤干燥，反硝化細菌的生長和代謝會受到限制，反硝化作用速率降低。在干旱季節(jié)，一些旱地土壤由于缺水，反硝化細菌的活性下降，反硝化作用減弱，影響了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和排放。4.3.2環(huán)境因素環(huán)境因素在上海城郊土壤反硝化作用中起著關(guān)鍵作用，其中溫度對反硝化作用的影響較為顯著。反硝化細菌對溫度變化較為敏感，其活性和代謝速率與溫度密切相關(guān)。在5-40℃的溫度范圍內(nèi)，反硝化細菌能夠進行反硝化作用。當溫度處于25-35℃時，反硝化細菌的生物活性較高，反硝化作用速率較快。在夏季，上海城郊氣溫較高，土壤溫度也相應(yīng)升高，處于適宜反硝化細菌生長的溫度區(qū)間，此時土壤中的反硝化作用較為活躍，硝態(tài)氮能夠快速被還原為氣態(tài)氮化物。當溫度低于5℃時，反硝化細菌的活性會受到極大抑制，其細胞內(nèi)的酶活性降低，生理代謝過程減緩，導(dǎo)致反硝化作用幾乎停止。在冬季，上海城郊部分地區(qū)氣溫較低，土壤溫度也隨之下降，反硝化細菌的活性受到抑制，土壤反硝化作用速率明顯降低，土壤中氣態(tài)氮化物的生成量減少。溫度過高，超過40℃時，反硝化細菌的蛋白質(zhì)和酶會發(fā)生變性，細胞結(jié)構(gòu)和功能受到破壞，同樣會抑制反硝化作用的進行。在高溫的夏季午后，若土壤溫度持續(xù)過高，反硝化細菌的活性會受到負面影響，反硝化作用速率也會有所下降。溶解氧是影響反硝化作用的關(guān)鍵環(huán)境因素之一。反硝化作用是在缺氧或微氧條件下進行的，當土壤中的溶解氧含量過高時，分子態(tài)氧會成為反硝化細菌呼吸作用的優(yōu)先電子受體，從而抑制反硝化作用的進行。在上海城郊的一些通氣性良好的土壤中，如砂質(zhì)土壤，氧氣能夠迅速擴散到土壤中，使得土壤中的溶解氧含量較高，反硝化作用受到抑制。相反，當土壤處于缺氧狀態(tài)，溶解氧含量低于0.2mg/L時，反硝化作用能夠順利進行。在一些水飽和的濕地土壤或長期淹水的農(nóng)田土壤中，由于氧氣供應(yīng)不足，反硝化作用較為活躍，土壤中硝態(tài)氮能夠大量被還原為氣態(tài)氮化物。氧化還原電位（Eh）與反硝化作用密切相關(guān)。反硝化作用通常在較低的氧化還原電位條件下發(fā)生。當土壤的氧化還原電位低于-100mV時，有利于反硝化作用的進行。在這樣的條件下，土壤中的電子受體主要為硝酸鹽等含氮化合物，反硝化細菌能夠利用這些含氮化合物作為電子受體進行呼吸作用，將硝態(tài)氮還原為氣態(tài)氮化物。當土壤的氧化還原電位較高時，表明土壤處于氧化狀態(tài)，氧氣等氧化性物質(zhì)較多，會抑制反硝化作用。在一些排水良好、通氣性強的土壤中，土壤的氧化還原電位較高，反硝化作用受到抑制。而在一些排水不良、容易積水的土壤中，土壤的氧化還原電位較低，反硝化作用較為活躍。4.3.3人為活動人為活動對上海城郊土壤反硝化作用產(chǎn)生了多方面的影響，施肥是其中一個重要因素。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同的施肥方式和肥料種類會對土壤反硝化作用產(chǎn)生顯著差異。長期大量施用化學(xué)氮肥，如尿素、硝酸銨等，會使土壤中硝態(tài)氮含量迅速增加，為反硝化作用提供了豐富的底物，從而促進反硝化作用的進行。過量施用化學(xué)氮肥可能會導(dǎo)致土壤中氮素的不平衡，引發(fā)一系列環(huán)境問題。大量的硝態(tài)氮如果不能及時被植物吸收利用或通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化物，可能會隨雨水或灌溉水淋溶到地下水或地表水中，造成水體的富營養(yǎng)化。相比之下，合理施用有機肥，如農(nóng)家肥、綠肥等，不僅能夠為土壤提供氮素等養(yǎng)分，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)含量。有機質(zhì)可以為反硝化細菌提供碳源和能源，促進反硝化細菌的生長和繁殖，有利于反硝化作用的進行。有機肥還能調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，緩沖土壤pH值的變化，為反硝化細菌創(chuàng)造適宜的生存環(huán)境。在一些長期施用有機肥的農(nóng)田中，土壤反硝化作用較為穩(wěn)定，土壤肥力也能得到有效維持。污水排放也是影響上海城郊土壤反硝化作用的重要人為活動之一。隨著城市化進程的加快，上海城郊的工業(yè)和生活污水排放量不斷增加。如果這些污水未經(jīng)有效處理直接排放到土壤中，會導(dǎo)致土壤中污染物的積累，對土壤反硝化作用產(chǎn)生負面影響。污水中可能含有重金屬、有機污染物、病原體等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會對反硝化細菌產(chǎn)生毒害作用，抑制反硝化作用的進行。重金屬如鉛、汞、鎘等會與反硝化細菌體內(nèi)的酶結(jié)合，使其活性降低，從而影響反硝化作用的速率。有機污染物如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等會干擾反硝化細菌的正常生理代謝過程，破壞其細胞結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致反硝化細菌的數(shù)量和活性下降。此外，污水中的高濃度鹽分也會改變土壤的滲透壓，影響反硝化細菌的生存環(huán)境，抑制反硝化作用。土地利用變更對上海城郊土壤反硝化作用有著深遠影響。隨著城市化進程的加速，上海城郊的大量農(nóng)田、林地被轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。這種土地利用變更會導(dǎo)致土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)發(fā)生改變，進而影響土壤反硝化作用。建設(shè)用地的開發(fā)過程中，土壤通常會受到壓實、挖掘等擾動，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，通氣性和透水性變差，不利于反硝化細菌的生存和繁殖。建設(shè)用地土壤中可能存在大量的建筑垃圾、重金屬等污染物，這些物質(zhì)會對反硝化細菌產(chǎn)生毒害作用，抑制反硝化作用的進行。相比之下，林地和農(nóng)田等自然或半自然土地利用類型，土壤結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，有機質(zhì)含量較高，微生物群落豐富，有利于反硝化作用的進行。林地中的枯枝落葉分解后能夠為土壤提供養(yǎng)分和有機質(zhì)，為反硝化細菌創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。農(nóng)田在合理的農(nóng)業(yè)管理措施下，如輪作、休耕等，能夠保持土壤的肥力和生態(tài)功能，維持土壤反硝化作用的正常進行。五、硝化與反硝化作用的交互關(guān)系及對環(huán)境的影響5.1硝化與反硝化作用的交互作用在上海城郊土壤中，硝化作用與反硝化作用緊密相連，形成了復(fù)雜而微妙的交互關(guān)系。硝化作用作為氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的硝酸鹽為反硝化作用提供了關(guān)鍵的底物。當硝化細菌將氨態(tài)氮逐步氧化為硝態(tài)氮后，這些硝態(tài)氮在適宜的環(huán)境條件下，便成為了反硝化細菌的作用對象。在土壤中，硝化作用較為活躍的區(qū)域，如農(nóng)田土壤，由于長期施肥等農(nóng)業(yè)活動，氨態(tài)氮含量豐富，硝化作用強烈，產(chǎn)生大量的硝態(tài)氮。這些硝態(tài)氮在土壤水分含量較高、通氣性較差的微環(huán)境中，為反硝化作用創(chuàng)造了有利條件，使得反硝化細菌能夠利用這些硝態(tài)氮進行反硝化過程，將其還原為氮氣、一氧化二氮等氣態(tài)氮化物。反硝化作用也會對硝化作用產(chǎn)生反饋影響。反硝化過程中，微生物利用硝酸鹽作為電子受體，同時消耗土壤中的有機質(zhì)等碳源。這一過程會改變土壤的氧化還原電位、酸堿度等理化性質(zhì)，進而影響硝化細菌的生存環(huán)境和活性。當反硝化作用強烈進行時，土壤中的氧氣被大量消耗，氧化還原電位降低，土壤逐漸處于缺氧或微氧狀態(tài)。這種環(huán)境對于好氧的硝化細菌來說是不利的，會抑制硝化細菌的生長和代謝，從而降低硝化作用的速率。在一些長期淹水的農(nóng)田或濕地土壤中，反硝化作用較為活躍，土壤中的氧氣含量極低，硝化細菌的活性受到顯著抑制，硝化作用難以正常進行。土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)在硝化與反硝化作用的交互關(guān)系中起著關(guān)鍵作用。不同種類的微生物在硝化和反硝化過程中扮演著不同的角色，它們之間存在著復(fù)雜的相互作用。硝化細菌和反硝化細菌在土壤中的分布和數(shù)量受到土壤環(huán)境因素的影響，同時它們的活動也會改變土壤環(huán)境，進而影響其他微生物的生存和繁殖。一些土壤微生物可能會產(chǎn)生特定的代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可能會促進或抑制硝化細菌和反硝化細菌的生長和活性。某些微生物產(chǎn)生的抗生素或酶類物質(zhì)，可能會對硝化細菌或反硝化細菌的生理過程產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)硝化與反硝化作用的速率和強度。土壤微生物之間的競爭和共生關(guān)系也會影響硝化與反硝化作用的交互關(guān)系。不同微生物對養(yǎng)分、生存空間等資源的競爭，以及它們之間的互利共生關(guān)系，都會導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，進而影響硝化和反硝化作用的進行。5.2硝化與反硝化作用對土壤氮素循環(huán)的影響硝化與反硝化作用在土壤氮素循環(huán)中扮演著核心角色，它們的動態(tài)變化深刻影響著土壤中氮素的形態(tài)轉(zhuǎn)化、遷移和損失，進而對土壤肥力產(chǎn)生重要作用。從形態(tài)轉(zhuǎn)化的角度來看，硝化作用將土壤中的氨態(tài)氮（NH_{4}^{+}）轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮（NO_{3}^{-}），實現(xiàn)了氮素從還原態(tài)到氧化態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)化改變了氮素在土壤中的存在形式，使得氮素更容易被植物吸收利用。在植物生長過程中，硝態(tài)氮是植物獲取氮素的重要形式之一，它能夠被植物根系快速吸收，并參與植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成等生理過程。然而，硝態(tài)氮在土壤中的移動性較強，容易隨水分淋溶而損失。當土壤中硝態(tài)氮含量過高，且遇到大量降水或不合理灌溉時，硝態(tài)氮會隨水流向下遷移，進入地下水或地表水體，導(dǎo)致土壤氮素的流失和水體的污染。反硝化作用則是將硝態(tài)氮還原為氮氣（N_{2}）、一氧化二氮（N_{2}O）和一氧化氮（NO）等氣態(tài)氮化物，使土壤中的氮素以氣態(tài)形式返回大氣，完成了氮素從土壤到大氣的遷移過程。在缺氧條件下，反硝化細菌利用硝態(tài)氮作為電子受體，將其逐步還原為氣態(tài)氮。這一過程不僅影響了土壤中氮素的含量，還對全球氮循環(huán)產(chǎn)生重要影響。反硝化作用中產(chǎn)生的一氧化二氮是一種強效溫室氣體，其增溫潛勢約為二氧化碳的300倍，它的排放會加劇全球氣候變暖。反硝化作用導(dǎo)致的氮素損失也會降低土壤的肥力，影響植物的生長和發(fā)育。在土壤肥力方面，硝化和反硝化作用對其有著復(fù)雜的影響。適度的硝化作用能夠?qū)睉B(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，增加土壤中可被植物吸收的氮素形態(tài)，有利于提高土壤肥力，促進植物生長。在農(nóng)田中，合理的施肥和適宜的土壤條件能夠促進硝化作用的進行，為農(nóng)作物提供充足的氮素營養(yǎng)。當硝化作用過于強烈時，會導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮的大量積累，增加氮素淋溶損失的風險，降低土壤肥力。長期大量施用化學(xué)氮肥，會使土壤中氨態(tài)氮含量過高，促進硝化作用的過度進行，導(dǎo)致硝態(tài)氮大量積累，不僅造成氮素浪費，還可能污染水體。反硝化作用對土壤肥力的影響同樣具有兩面性。一方面，反硝化作用能夠?qū)⑼寥乐械南鯌B(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，減少氮素的淋溶損失，在一定程度上維持土壤氮素的平衡。在一些排水良好的土壤中，反硝化作用可以防止硝態(tài)氮的過度積累，保持土壤氮素的穩(wěn)定。另一方面，過度的反硝化作用會導(dǎo)致大量氮素以氣態(tài)形式損失，降低土壤的供氮能力，影響植物的生長。在一些濕地或長期淹水的土壤中，由于缺氧條件有利于反硝化作用的進行，大量的硝態(tài)氮被還原為氣態(tài)氮，導(dǎo)致土壤肥力下降。5.3硝化與反硝化作用對溫室氣體排放的影響硝化和反硝化作用在土壤中進行時，會產(chǎn)生氧化亞氮（N_{2}O），這是一種強效的溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)有著不可忽視的貢獻。據(jù)相關(guān)研究表明，N_{2}O的全球增溫潛勢在100年尺度上約為二氧化碳的265-298倍，其在大氣中的濃度雖遠低于二氧化碳，但由于其強大的溫室效應(yīng)能力，對全球氣候變暖的影響不容小覷。在上海城郊，土壤的硝化和反硝化作用是N_{2}O排放的重要來源。在硝化過程中，氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌在將氨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮的過程中，會產(chǎn)生N_{2}O這一副產(chǎn)物。當土壤中的氨態(tài)氮含量較高時，硝化作用強烈，N_{2}O的產(chǎn)生量也會相應(yīng)增加。在長期大量施用氮肥的農(nóng)田中，土壤中氨態(tài)氮濃度升高，硝化細菌在進行硝化反應(yīng)時，會有更多的N_{2}O生成。土壤的通氣狀況和pH值也會影響硝化過程中N_{2}O的產(chǎn)生。在通氣不良的土壤中，硝化細菌可能會處于微氧環(huán)境，這種條件下硝化過程中N_{2}O的產(chǎn)生量會增加。土壤pH值偏離硝化細菌的最適范圍時，也會改變硝化反應(yīng)的途徑和速率，從而影響N_{2}O的產(chǎn)生。當土壤pH值較低時，硝化過程中N_{2}O的排放比例可能會增加。反硝化作用是土壤中N_{2}O產(chǎn)生的主要過程之一。在反硝化過程中，反硝化細菌將硝態(tài)氮逐步還原為氮氣的過程中，N_{2}O是中間產(chǎn)物之一。當反硝化作用進行不完全時，N_{2}O就會積累并排放到大氣中。在上海城郊的一些土壤中，由于土壤有機質(zhì)含量較高、水分含量適宜且存在一定的硝態(tài)氮，為反硝化作用提供了良好的條件。當土壤處于缺氧或微氧狀態(tài)時，反硝化細菌會利用硝態(tài)氮作為電子受體進行呼吸作用，在這個過程中，若N_{2}O還原酶的活性受到抑制，就會導(dǎo)致N_{2}O的積累和排放。土壤中溶解氧含量過低，會使反硝化細菌無法將N_{2}O完全還原為氮氣，從而增加N_{2}O的排放。不同因素對硝化和反硝化過程中N_{2}O排放的影響顯著。溫度是影響N_{2}O排放的重要因素之一。在適宜的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，硝化和反硝化細菌的活性增強，N_{2}O的產(chǎn)生和排放也會增加。當溫度在25-35℃時，硝化和反硝化作用較為活躍，N_{2}O的排放通量相對較大。在夏季，上海城郊氣溫較高，土壤溫度也隨之升高，此時土壤中N_{2}O的排放速率明顯加快。當溫度過高或過低時，都會抑制硝化和反硝化細菌的活性，從而減少N_{2}O的產(chǎn)生和排放。土壤水分含量對N_{2}O排放也有著重要影響。當土壤含水量達到田間持水量的60%-80%時，土壤處于微缺氧狀態(tài)，這種環(huán)境有利于反硝化作用的進行，從而增加N_{2}O的排放。在一些水旱輪作的農(nóng)田中，在水稻生長期間，土壤處于淹水狀態(tài)，含水量較高，反硝化作用活躍，N_{2}O的排放通量顯著增加。當土壤含水量過高，超過田間持水量的80%時，土壤會處于過度淹水狀態(tài)，雖然反硝化作用可能會增強，但也可能會導(dǎo)致土壤中有害物質(zhì)的積累，從而影響N_{2}O的產(chǎn)生和排放。而當土壤含水量過低，低于田間持水量的40%時，土壤干燥，硝化和反硝化細菌的生長和代謝會受到限制，N_{2}O的排放也會減少。土壤中的碳氮比（C/N）是影響反硝化過程中N_{2}O排放的關(guān)鍵因素。當土壤中的碳源充足，C/N較高時，反硝化細菌能夠獲得足夠的能量和電子供體，反硝化作用進行得較為完全，N_{2}O被還原為氮氣的比例增加，N_{2}O的排放相對減少。在一些有機質(zhì)含量豐富的土壤中，如長期施用有機肥的農(nóng)田，土壤中的