土壤是温室气体N₂O的重要排放源。土壤产生N₂O的途径主要有硝化作用与反硝化作用,在不同的生态系统土壤中硝化作用与反硝化作用对土壤N₂O排放的相对贡献不同。土壤N₂O净排放量是N₂O总产生量与N₂O还原量的平衡。由于受到大气高氮气背景浓度的影响,直接准确测定土壤氮气通量是长期困扰土壤学界的方法学难题。由于缺少测定土壤氮气排放的有效方法,导致大部分的土壤N₂O排放方面的文献只观测了N₂O排放通量,缺乏对土壤N₂O产生与还原过程的深入研究。本论文运用最新的氦环境-密闭培养-直接定量氮气法,研究了氮肥施用、日尺度冻融对华北平原典型旱作农田土壤N₂O产生和还原的影响,以及不同pH值对华北平原典型旱作土壤和太湖地区稻田的N₂O产生与还原过程的影响机制,主要研究结果如下:（1）氮肥施加不仅影响土壤中产生N₂O的底物浓度,还可能对N₂O的还原过程产生潜在影响。依托中国科学院栾城生态系统实验站不同施肥处理长期定位大田实验,研究了不同施氮水平对土壤N₂O还原的影响机制,发现:与不施肥对照处理相比,持续15年施氮(400kg N ha^-1 year^-1)处理显著提高了表层土壤硝态氮含量,同时提高了土壤N₂O排放速率与N₂O/（N₂+N₂O）排放比率。进一步分析发现:土壤N₂O还原酶活性与土壤硝态氮含量呈显著负相关关系,而N₂O/（N₂+N₂O）排放比率与土壤硝态氮含量呈显著正相关关系。这些结果表明:过量氮肥施用不仅会增加土壤N₂O的排放通量,还会通过提高土壤硝态氮的方式来抑制土壤N₂O还原酶活性,减少N₂O的还原作用,导致更多的氮肥转化为N₂O气体而排出土体。因此,在华北平原典型旱地农田生态系统中,控制表层土壤的硝酸盐浓度维持在较低水平可以有效降低N₂O排放系数,达到降低土壤N₂O排放通量的目的。（2）pH值是影响土壤N₂O排放通量与N₂O还原过程的另一个重要环境因素。已有研究结果表明:土壤pH值与土壤N₂O/（N₂+N₂O）排放比率呈显著负相关关系,土壤酸化会导致更多的土壤氮素转化为N₂O而排出土体。但是对于土壤pH值调控土壤N₂O/（N₂+N₂O）排放比率的具体微生物学机制还有待深入研究。本论文对高背景pH值土壤（华北平原玉米小麦轮作系统土壤,pH 7.91）和低背景pH值土壤（太湖稻麦轮作系统的土壤,pH 5.67）进行pH调节实验发现,两种轮作土壤中,均发现N₂O的排放速率与N₂O/（N₂+N₂O）排放比率均与土壤pH呈明显负相关关系。在太湖水稻土中N₂O/（N₂+N₂O）排放比率和N₂O还原细菌丰度呈显著正相关。而在华北平原土壤中未发现这两者之间的相关性。因此,我们可以得出结论,土壤pH是调控N₂O产生和还原的主要因素,本底值偏酸性的南方水稻土中,控制N₂O还原的还原酶编码基因nosZ对于pH的变化的敏感性更强。（3）通过室内控制实验模拟日尺度冻融过程,研究发现:土壤日尺度冻融由于改变了土壤的物理结构,导致底物可利用性增加,从而造成土壤净N₂O排放的激增,瞬时速率可达到0.1632 nmol g^-1 h^-1,平均积累量是常温对照的两倍。此外,这种日尺度的冻融能够对土壤微生物结构造成一定的影响,使得Bacillus以及Pseudomonas这两种反硝化相关的细菌数量有所增加。在15%、30%以及50%的三种含水量范围内,50%含水量水平的培养样品N₂O排放瞬时速率在融化期的第8个小时后明显高于另外两个含水量水平;在不同硝酸盐添加量的实验中,我们发现在0-24μg N g^-1的含量范围内,硝酸盐添加量对于冻结土壤融化期的总N₂O的生成没有明显影响。这些研究结果表明:与季节性冻融一样,日尺度的土壤冻融作用也会对土壤N₂O排放速率与N₂O/（N₂+N₂O）排放比率产生显著影响。本论文实验结果表明:土壤硝态氮含量、pH值与日尺度冻融作用都可显著影响农田土壤N₂O的产生与还原过程。合理适量施用氮肥,使表层土壤硝态氮维持在较低水平,不仅可以减少土壤反硝化氮损失总量,同时也显著降低氮素损失中N₂O所占的比率。氮肥过量施用等因素导致的土壤酸化则会进一步影响土壤N₂O还原微生物的群落组成和丰度,削弱土壤N₂O的还原作用。而日尺度冻融过程与季节性冻融作用一样,也是土壤N₂O排放的热点时段,在评估农田生态系统土壤N₂O排放通量时需要考虑日尺度冻融作用的贡献。