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一氧化二氮（N2O）作为一种强力的温室气体（GHG）,引起了人们的广泛关注,因为其100年的变暖潜力约为二氧化碳（CO2）的298倍,并且它在平流层臭氧的消耗中起着重要作用。农业生态系统约占全球N2O排放量的16%,其中至少有40%可归因于农业土壤中微生物介导的氮循环。中国北方的旱地农业土壤位于连接昆仑山、秦岭和淮河的线路以北的地区。根据土壤性质、降水量和农业管理实践的差异,可以在中国的这一地区确定三个主要的分区,即东北平原、华北平原和西北地区。过去的几十年中,我国农业N2O排放量显著增加,其中大部分增加归因于农业用地的扩大和肥料使用的增加。中国北方的旱地农业土壤是N2O的主要来源,这些地区的总排放量占中国农田N2O排放量的很大一部分（54%）。因此,了解我国北方地区农田土壤中微生物驱动的N2O生成机制尤为重要。目前,对于华北平原农田土壤中N2O产生的研究主要集中在北部地区,而对于淮北平原等南部边缘地区N2O排放的研究较少。为了全面揭示我国北方地区农田土壤中N2O产生的时空分布,本研究选取了吉林省安图市（夏季）、河北省衡水市（夏季）、甘肃省白银市（夏季）和安徽省亳州市（冬夏两季）垂向2 m深度的土壤样品。通过乙炔抑制法测定与N2O产生的相关速率,并结合15N-18O双同位素示踪技术和宏基因测序技术,探讨了农田土壤在时间和空间尺度上N2O产生途径的演替、微生物驱动机制和环境效应。本研究主要有以下结论:1、中国北方农田土壤的N2O产生潜势表现出强烈的的空间异质性。甘肃土壤的N2O产生潜势最高（0.800±0.159）ng·g-1·h-1,显著高于吉林(0.250±0.032ng·g-1·h-1)、河北(0.310±0.069 ng·g-1·h-1)和安徽土壤(0.057±0.009 ng·g-1·h-1)。硝化和硝化细菌反硝化过程（ND）是北方农田土壤中N2O产生的主要过程,分别占94.05%±5.95%,54.33%±12.34%。表层土壤是农田土壤N2O产生的热点区域,贡献了垂向深度上65.16%的N2O产生。土壤含水率、p H和TOM是引起北方农田土壤N2O空间变化的关键环境因子。2、中国北方农田土壤的微生物群落遗传组成均是细菌域的微生物占主导。在门的分类水平上,Proteobacteria是北方农田表层土壤中最丰富的氮循环微生物种类。在纲的分类水平上,Actinomycetia、Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Planctomycetia、Acidobacteriia为主要的优势菌纲。Betaproteobacteria、Planctomycetia与N2O产生和硝化潜势呈显著正相关。土壤含水率和p H值是解释氮循环微生物群落变化的主要因素。3、在淮北农田土壤中,硝化和ND过程主导了土壤中N2O的产生。在垂向尺度上,表层土壤是N2O产生的热点区域。在40cm深度以下,土壤几乎不产生N2O。这种垂向分布受环境因素含水率、p H和TN含量的影响。在时间尺度上,土壤冬季仍然持续产生N2O,且冬季土壤N2O产生潜势(0.198±0.007 ng N g-1h-1)高出夏季土壤(0.057±0.009 ng N g-1h-1)一个数量级。水热条件的协同作用导致了淮北农田土壤N2O产量的季节性分布。相比于季节,土壤深度变化对氮循环微生物的影响更大。功能基因hao、nir K和nor B是预测淮北农田土壤N2O产生的关键因子。淮北农田土壤中,Actinomycetia Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria为主要的优势菌纲。Alphaproteobacteria、Gemmatimonadates、Flavobacteriia、Acidobacteriia、Synechococcales、Bacteroidia、Planctomycetia、Verrucomicrobia对N2O产生潜势有着较大贡献。本研究探讨了中国北方三大农耕平原的微生物驱动N2O生成机制,明确了农田土壤中N2O的具体来源和影响因子,并强调了冬季农田土壤中N2O的产生不容忽视,为农业温室气体的合理减排提供了理论和数据支持。