生物固氮和硝化作用是土壤氮循环的两个重要过程。生物固氮是生态系统中重要的氮输入过程，包括共生固氮和非共生固氮两种类型，虽然共生固氮作用被认为是生物固氮的主要形式，但非共生固氮作用对氮输入的贡献日益引起人们的关注。土壤固氮微生物活性和群落结构的变化势必影响生物固氮效率，有关农业土壤固氮微生物多样性和分布特征的研究尚存空缺。硝化过程是产生温室气体氧化亚氮(N2O)和易淋溶硝酸盐的重要过程。氮肥和硝化抑制剂配施是普遍应用的农业生产措施，硝化抑制剂能够显著抑制硝化过程，减少硝酸盐的淋溶和N2O排放，提高氮肥利用效率。本课题首先研究了我国典型旱地土壤中固氮微生物的分布特征及其影响因素;其次选择合适的硝化抑制剂抑制特定的氨氧化微生物，区分不同氨氧化微生物对N2O排放的相对贡献;再次通过比较不同硝化抑制剂对硝化过程及硝化微生物的影响，探究不同类型农业土壤水分调控和不同类型氮肥施加对N2O排放及相关微生物丰度和群落结构的影响。论文的主要研究内容和结果如下:　　(1)从我国南方和北方地区一共采集了172份农田旱地土壤样品，涵盖红壤、黑土和潮土三种土壤类型。利用乙炔(C2H2)还原法对土壤固氮酶活性进行分析，通过定量PCR和Illumina Miseq高通量测序对固氮菌nifH基因的丰度和群落结构进行了研究。结果表明，固氮微生物固氮酶活和丰度在不同类型土壤之间差异显著，土壤pH、有机碳(SOC)、总氮(TN)和粘粒含量(Clay)与之相关性最为显著。nifH基因群落的α多样性指数在不同土壤样品之间差异明显，与TN相关性最强。Mantel检验和典范对应分析(CCA)结果表明pH、年平均降水(MAP)、年平均温度(MAT)和纬度(Latitude)是与固氮微生物群落结构相关性最为显著的指标。此外，土壤固氮微生物类群和地理距离之间存在典型的“距离衰减关系”，即随样点之间地理距离的增加，样品之间固氮微生物类群的差异性就会越大。方差分解分析(VPA)也表明，土壤pH，气候条件(MAP和MAT)以及空间地理距离因素共同影响了固氮微生物在农区旱地土壤中的生物地理分布格局。对固氮菌群落组成分析发现α-变形菌纲（Alphaproteobacteria），β-变形菌纲（Betaproteobacteria），δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）以及蓝细菌（Cyanobacteria）是农田旱地土壤固氮微生物的主要类群，可能这些固氮微生物类群在农业土壤生物固氮过程中发挥着重要作用。　　(2)依据乙炔无选择性抑制氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的生长以及辛炔选择性抑制AOB的代谢活性这一原理，本研究利用乙炔和和辛炔这两种硝化抑制剂选择性区分AOA和AOB对N2O排放的相对贡献。经过21天室内培养，结果发现硫酸铵处理产生的N2O要显著高于硝酸钾处理产生的N2O，乙炔和硫酸铵处理显著降低了N2O排放，说明氨氧化过程是N2O排放的主要途径。在潮土和红壤中，硫酸铵处理下AOB对N2O排放的相对贡献分别达到78.1％和70.5％。相比AOB对N2O的贡献，AOA对N2O的贡献要低很多，分别是19.7％和18.7％。此外，本研究还发现N2O的累积排放量与AOB的丰度呈显著正相关关系。结果表明在高铵氮的土壤环境中AOB是N2O产生的主要贡献者。　　(3)本研究探究了硝化抑制剂双氰胺(DCD)和乙炔(C2H2)对不同类型农田土壤硝化过程以及氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)丰度与群落结构的影响。结果发现在潮土和红壤中硫酸铵施加刺激了土壤硝化过程，硝化抑制剂处理显著抑制了硝化作用并且C2H2对硝化过程的抑制作用比DCD更强。研究还发现AOB的丰度与NO3-浓度呈显著正相关关系。在潮土中，末端限制性片段多态性(T-RFLP)分析和主坐标分析(PcoA)表明硫酸铵处理改变了AOB的群落结构，而在红壤中，硫酸铵处理显著改变了AOB和AOA的群落组成。硝化抑制剂处理对AOA和AOB群落结构没有显著影响。系统发育分析表明AOA类群属于Nitrosopharaera，而AOB类群属于Nitrosopira。这些结果表明AOB是土壤硝化过程的主要执行者，硝化抑制剂通过抑制AOB的丰度从而抑制硝化过程。　　(4)选取典型北方潮土和南方红壤作为研究对象，在实验室培养条件下研究水分状态(50％和90％WFPS)和施氮[(NH4)2SO4和KNO3]处理对N2O排放以及相关微生物丰度和群落结构的影响。经过20天室内培养后，结果表明，在90％WFPS条件下，施用硫酸铵所产生的N2O量显著高于施用硝酸钾处理所产生的N2O量。这表明即使在高水分条件下，氨氧化过程是N2O产生的主要途径。增加水分刺激了AOB amoA和nirK基因丰度。硫酸铵处理显著增加了潮土中AOB amoA和nirK基因丰度，而降低了红壤中AOA amoA、nirK和nosZ基因丰度。硝酸钾处理对潮土中AOA amoA丰度没有显著影响反而抑制了红壤中AOA amoA的丰度。N2O累积排放量与AOB amoA丰度呈显著正相关关系，而与其他基因无显著关系。在这两种类型土壤中，水分改变显著影响了AOA的群落组成;在红壤中，水分变化改变了硝化和反硝化微生物群落组成。在潮土中，硫酸铵处理显著改变了AOB而不是AOA的群落结构;在红壤中，硫酸铵处理显著影响了AOA和AOB的群落组成。在红壤中，硝酸钾处理改变了AOA、nirK和nosZ基因群落组成。这些结果表明，水分条件和氮肥类型对N2O排放及相关微生物的影响依赖土壤类型。