工业活动和农田施肥等一系列人类活动向环境中排放了大量活性氮,过量的活性氮会造成土壤酸化、温室效应和水体富营养化等环境问题。土壤氮气（N₂）排放过程是将生态系统活性氮转化为惰性N₂的过程,这一过程具有重要的生态学与农学意义,其不仅消纳生态系统多余活性氮,而且影响农田氮素损失与温室气体氧化亚氮（N₂O）的排放。传统土壤学理论认为土壤N₂排放过程是高度厌氧的过程,但最新研究表明:一些在土壤中普遍存在的反硝化细菌,如:假单胞菌属（Pseudomonas）,能在好氧条件下通过反硝化作用产N₂。目前对于土壤好氧N₂排放的途径及相关微生物类群还缺乏深入研究。本论文运用稳定同位素标记法与双密闭He/O₂置换-直接定量N₂法,量化异养反硝化、共反硝化与化学反硝化对土壤好氧N₂排放的贡献,探明土壤好氧N₂排放途径;运用分子微生物学方法研究好氧-厌氧交替对好氧N₂排放速率与反硝化微生物群落结构及功能基因丰度的影响,阐明好氧产N₂的微生物驱动机制。主要结果如下:1.使用双密闭He/O₂置换-直接定量N₂法量化了旱作农田、森林、河口湿地与草地四种土壤好氧N₂排放速率,探明了不同生态系统土壤好氧N₂排放的变化规律及其对土壤氮损失的贡献。结果表明:四种土壤浸提液的好氧N₂排放速率在2.19-5.52ug·g^-1dry soil d^-1之间,占厌氧途径下N₂排放的15%-31%。其中河口湿地土壤的好氧N₂排放速率最高,随后是草地土壤与森林土壤,旱作农田土壤的好氧N₂排放速率最低。这些结果说明:好氧N₂排放对土壤氮损失具有不可忽略的作用。经历频繁干湿交替过程的土壤具有较高的好氧N₂排放速率。2.运用¹⁵NO₃^-稳定同位素标记法与高温高压蒸汽灭菌法区分不同生态系统土壤异养反硝化、共反硝化与化学反硝化这三种潜在途径对土壤好氧N₂排放的贡献,探明了土壤好氧产N₂的主要途径。结果表明:高温高压灭菌后样品N₂的排放速率降低了两个数量级,表明土壤好氧N₂排放主要由微生物驱动,化学反硝化的贡献很小。添加细菌选择性抑制剂后,N₂排放速率也降低了两个数量级,说明细菌而不是真菌在好氧N₂排放中起主要作用。添加¹⁵NO₃^-稳定同位素后,²⁹N₂的排放速率占总N₂排放速率的81%-89%,以上结果表明细菌主导的共反硝化是土壤好氧N₂排放的主要途径。3.通过频繁的好氧-厌氧交替来定向强化土壤好氧N₂O与N₂排放过程,培养过后好氧N₂O与N₂的排放速率增加了1-4倍,N₂O/（N₂O+N₂）的百分比从11.8%增长到21%。在培养过程中定期采集菌液,提取其中的微生物总DNA,运用宏基因组学技术分析反硝化微生物群落结构对好氧-厌氧培养的响应规律,发现假单胞菌（Pseudomonadales）,伯克霍尔德菌（Burkholderiales）,红环菌目（Rhodocyclales）和根瘤菌（Rhizobiales）,经过好氧-厌氧交替培养后群落丰度显著提高。用实时定量聚合酶链式反应（real-time q PCR）技术测定样品中反硝化nos Z功能基因丰度,发现好氧-厌氧交替培养显著增加了含nos Z功能基因的微生物丰度。将反硝化微生物群落结构、功能基因丰度与好氧N₂排放速率进行关联分析,发现假单胞菌的丰度与好氧N₂排放速率呈现显著正相关关系,而其他微生物未发现与好氧N₂排放的相关关系,上述结果表明:假单胞菌可能是驱动土壤好氧N₂排放的关键微生物。综上所述,由假单胞菌主导的细菌共反硝化作用是土壤好氧产N₂的主要途径,处于频繁好氧-厌氧交替,高浓度亲核含氮化合物和低有机碳含量条件下的土壤可能拥有较高的好氧N₂排放速率。这些结果对土壤氮素循环调控与温室气体N₂O减排具有重要意义。首先,共反硝化中亲核含氮化合物作为反硝化反应的底物之一,既可以为N₂产生提供氮原子,又可提供电子供NO₃^-还原,因此对有机碳的依赖性可能会比传统反硝化作用低,共反硝化可能在低有机碳含量的土壤氮损失中扮演重要角色。其次,由于N₂O还原酶较N₂O生成酶来说对O₂更加敏感,所以好氧条件下的土壤N₂O/（N₂O+N₂）比率比厌氧条件下高,这会导致更多N₂O的排放。