由于受到化石燃料燃烧、工业活动及化肥施用等人类活动的影响,全球活性氮的排放量已从15 Tg增长到210 Tg。过量的氮排放造成了水体富营养化、海洋酸化以及温室效应等环境问题。作为一种可从环境中去除氮素的重要途径,由微生物介导的反硝化过程受到了广泛的关注。潜流带是自然环境中有效的“水质过滤器”,也是发生各种生物地球化学过程的热点区域,其中分布了大量的反硝化菌。在河流水位波动的作用下,地表水和地下水将会随着交互作用在潜流带中往复运动,该过程会使O2及有机物等微生物赖以生存的物质跟随着水流迁移到潜流带中,但同时也带入了NO3-等污染物。潜流带中的反硝化菌可捕获水流中的NO3-,并将其转化为生物可利用性极低的N2。这样,在微生物、地球化学、溶质运移和流动等过程的耦合作用下,潜流带成为了环境中反硝化过程的热点。本文针对反硝化及潜流带两个热点问题,采用砂槽装置对潜流带中的反硝化过程进行二维模拟。利用砂槽原位孔隙水的水化学成分变化规律表征反硝化作用的动态变化特性与空间分布特性,分析潜流带中水流交互的过程与溶质运移的过程。深入地研究了地表水及地下水的交互作用强度对反硝化过程的影响机制。此外,还设置了平行组的砂槽装置,以探讨在不同的时空条件下的水化学成分、微生物群落组成以及关键功能基因的动态变化规律。使潜流带中的微生物、地球化学、溶质运移和流动等过程相互耦合,从而深入地探讨潜流带中的微生物群落和反硝化作用对水化学成分变化的动态响应机制。实验结果表明,随着水化学成分、沉积物理化性质、水力停留时间以及交互作用强度等发生变化,反硝化过程将会迅速地做出反应:随着反应底物NO3-和水力停留时间增加以及交互作用减弱,反硝化速率显著增加,中间产物NO2-发生积累。随着水流交互作用的进行,微生物群落组成和氮转化功能基因也随之出现明显的分区及带状分布特征。在SGW端（synthetic groundwater端、模拟地下水端、砂槽左端）,过低的NO3-输入浓度及较高的NH4+浓度会使该区域中微生物介导的NH4+硝化过程成为反硝化过程底物NO3-的主要来源,即在环境中的硝化作用和反硝化作用将会同时地快速进行。在NO3-输入浓度较高的SRW端（synthetic river water端、模拟河水端、砂槽右端）,微生物主要利用NO3-来进行反硝化作用。高浓度的NH4+则主要参与到沉积物的吸附解吸过程中去,硝化作用速率显著降低。根据所得的实验结果,进一步研究了砂槽内部的微生物群落、功能基因的丰度以及水化学成分在不同区域中的变化情况等,发现在强烈且高速的地表水-地下水交互作用下,砂槽内沉积物和孔隙水理化性质、功能基因的丰度分布、以及微生物群落组成等在时间和空间上的分布及变化规律均会趋于均一化,即随着交互作用的进行,三者在空间上的区域性与成带性分布规律均逐渐地减弱。在缓慢的地表水-地下水交互作用下,它们在时间及空间上的差异性则会更加的明显,或者说三者在空间上的分区域性及成带性分布规律逐渐地增强。所得结果表明,在潜流带中微生物组成、地球化学过程、溶质运移和流动过程等因素之间的相互耦合作用的过程非常重要。然而在以往的潜流带模型研究中,这些交互作用对微生物结构及功能的影响往往会被忽略,使得微生物演变过程对地球化学过程所造成的影响也受到低估,最终导致模型模拟结果与野外真实情况之间的巨大差异。在未来的研究中,需要更加慎重地考虑微生物组成、地球化学过程以及溶质运移与流动过程等相互之间所发生的作用,不可简化为交互过程所引起的微生物组成、地球化学过程或溶质运移等的变化。