施用氮肥是蔬菜生产的关键农艺措施,氮肥施入土壤后会发生一系列转化过程,其中硝化作用是微生物驱动的氮素转化过程中重要的中间环节,不仅直接影响氮素利用效率,而且与氮素淋失、气态损失引起的生态环境问题密切相关。设施栽培是蔬菜的重要生产方式之一,对于保障我国周年均衡生产和供应数量充足、品质优良、品种多样的蔬菜产品发挥了极其重要的作用。在长期设施栽培下形成的不同于传统露地栽培的特殊环境条件必然会影响微生物活动,进而影响土壤硝化作用。虽然关于农田生态系统中土壤硝化作用和氨氧化微生物群落多样性的研究已有大量报道,但是针对蔬菜设施栽培这一集约化生产体系中土壤硝化作用及其微生物学特征的研究报道较少,对氨氧化微生物在设施菜地土壤氮素循环中的作用还不清楚。本论文以设施菜地土壤为研究对象,采用田间采样和室内模拟试验相结合的方法,运用化学测试和微生物分子生态学等技术[定量PCR、T-RFLP(末端限制性片段多态性分析)和克隆文库],较系统地研究了设施栽培与露地栽培菜地土壤硝化作用及其微生物学特征、不同类型的设施菜地土壤硝化作用的差异与微生物学特性的关系、生物质炭与氮肥配施、不同硝化抑制剂以及硝化抑制剂与水分互作对设施菜地土壤硝化作用的影响及其与氨氧化微生物群落结构多样性的关系。取得的主要结果如下：(1)在浙江大学华家池校区试验农场(HJC)和杭州市彭埠镇兴隆村(XL)采集露地栽培和设施栽培模式下的菜地土壤,研究了两种栽培模式菜地土壤硝化作用、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的数量及其群落结构多样性特征。结果表明,设施菜地土壤硝化势和AOB数量明显高于露地菜地,而AOA数量无明显差异；菜地土壤硝化势与AOB数量和NH4+-N含量呈显著正相关(r=0.97*)、与pH值呈显著负相关(r=-0.98*),与AOA数量无显著相关。T-RFLP分析表明,AOA T-RFs 63 bp和299 bp是菜地土壤中的优势微生物种群,其二者与土壤来源(group 1.1b)的序列具有较高的同源性；设施菜地AOB属于亚硝化螺菌属Nitrosospira的156 bp的相对丰度较高,而露地菜地AOB以属于亚硝化螺菌属Nitrosospira的60 bp和类亚硝化单胞菌属Nitrosomonas cluster 8-like的264 bp为主。冗余分析(RDA)显示,环境因子对AOA群落结构多样性无明显影响,而设施菜地和露地菜地土壤AOB群落结构差异显著,土壤pH、EC、C/N比、NH4+-N和NO3--N含量对AOB群落结构组成的影响达到显著水平(P<0.05)。由此可见,AOB是驱动菜地土壤硝化作用的主导微生物,土壤pH和NH4+-N含量是导致两种栽培模式菜地土壤硝化作用和AOB数量以及其群落结构差异的主要因素。(2)以哈尔滨黑土(HEB)、河南潮土(HN)、杭州潮土(HZ)、金华红壤(JH)和嘉兴水稻土(JX)设施菜地土壤为材料,研究了不同类型的设施菜地土壤硝化作用和氨氧化微生物的数量及其群落结构多样性特征。结果表明,HN潮土硝化势最高,而酸性JH红壤和JX水稻土菜地土壤硝化作用最弱；酸性JH红壤和JX水稻土的AOA数量最高,碱性HN潮土的AOB数量最高；菜地土壤硝化势与AOB数量、土壤pH均呈显著正相关关系,相关系数分别为0.93*和0.88*,与AOA数量无显著相关。T-RFLP分析表明,不同类型菜地土壤的微生物群落结构组成有所差异,HZ潮土、JH红壤和JX水稻土中均有特异AOA T-RFs,分别为579 bp、 340 bp和283 bp,与group 1.1a-associated和group 1.1b具有较高的同源性；HN潮土和HZ潮土中AOB分别以T-RFs 60 bp和156 bp的相对丰度最高,主要属于亚硝化螺菌属Nitrosospira, AOB群落多样性指数低于酸性土壤；RDA结果显示,土壤pH、有机质和C/N比对氨氧化微生物群落结构的影响达到显著水平(P<0.05)。由此可见,不同类型的设施菜地土壤硝化势、氨氧化微生物数量和群落结构组成有所不同,土壤pH对AOB数量和群落结构的影响是造成不同类型设施菜地土壤硝化作用差异的主要因素。(3)以杭州设施菜地土壤为对象,通过短期室内培养试验(28 d),研究了生物质炭与氮肥(尿素、硫酸铵)配施对菜地土壤硝化作用和氨氧化微生物群落多样性的影响。结果表明,单施生物质炭对土壤硝化作用无明显影响,而生物质炭与氮肥配施显著增加菜地土壤净硝化速率；生物质炭与氮肥配施处理土壤AOB amoA基因拷贝数高于单施氮肥,而AOA数量无明显变化,土壤净硝化速率与AOB数量呈显著正相关(r=0.72**)；T-RFLP结果显示,不同处理设施菜地土壤中氨氧化细菌群落结构组成存在差异,生物质炭与氮肥配施导致AOB亚硝化螺菌Nitrosospira T-RF 60 bp的相对丰度增加,AOB群落多样性指数降低,而对AOA群落组成及群落多样性无明显影响。因此,设施菜地土壤AOB数量的增加、亚硝化螺菌属相对丰度的增加是生物质炭与氮肥配施促进土壤硝化作用的主要微生物学机制。(4)以杭州设施菜地土壤为材料,比较研究了两种硝化抑制剂3,4-二甲基毗唑磷酸盐(DMPP)和双氰胺(DCD)对土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的影响。结果表明,尿素施用显著增加土壤净硝化速率,而硝化抑制剂对其有明显抑制作用,且DMPP的抑制效果较DCD强；DMPP处理土壤中AOB amoA基因拷贝数显著低于DCD处理,表现出较强的抑制效果；土壤净硝化速率与AOB数量呈显著正相关(r=0.48*),而与AOA数量无显著相关；T-RFLP分析显示,尿素和硝化抑制剂施用均未改变土壤中AOA群落结构组成,而对AOB群落结构组成有显著影响；系统发育分析显示,所有的AOA序列与土壤来源(group 1.1b)和海洋及沉积物来源(group 1.1a)的氨氧化古菌具有较高的相似性；AOB序列主要为亚硝化螺菌属Nitrosospira cluster 3, cluster 0和类亚硝化单胞菌属Nitrosomonas-like.因此,DMPP对硝化作用的抑制效果显著高于DCD,其主要是由于DMPP减少AOB数量、改变AOB群落结构组成的程度较高所致,而不是通过影响AOA所造成。(5)采用室内培养试验,研究了恒湿[CW,65% WHC (water holding capacity)]、干湿循环(DW,65%-15% WHC,共4个循环,28 d)2种水分模式下硝化抑制剂DMPP对杭州设施菜地土壤土壤硝化作用和氨氧化微生物群落结构多样性的影响。结果表明,与恒湿相比,干湿循环明显削弱土壤硝化作用,尤其在土壤落干过程中,硝化作用受到明显抑制,且DMPP对土壤净硝化速率的抑制率(17.47%)显著高于恒湿条件(8.80%)；恒湿条件下土壤中AOB数量明显高于干湿循环条件下,然而,在干湿循环条件下,DMPP对AOB数量的抑制作用较强；土壤净硝化速率与AOB数量呈显著正相关(r=0.73**),而与AOA数量无显著相关。T-RFLP分析显示,水分对土壤AOB群落结构组成有显著影响,在干湿循环条件下,DMPP处理土壤AOB群落结构多样性较尿素处理明显降低,而在恒湿条件下无差异；水分对AOA群落结构组成的影响大于尿素和硝化抑制剂。系统发育分析显示,所有的AOA序列与土壤来源(group 1.1b)的氨氧化古菌具有较高的相似性；AOB序列主要为亚硝化螺菌属Nitrosospira、亚硝化单胞菌属Nitrosomonas和类亚硝化单胞菌属Nitrosomonas-like。由此可见,干湿循环条件下,硝化抑制剂DMPP表现出较强的硝化抑制效果,尤其在土壤干旱时,DMPP通过减少AOB数量以及影响AOB群落结构组成来调控设施菜地土壤硝化作用。