东北黑土旱地是我国重要的粮食生产基地，然而其有机碳(SOC)含量正不断下降。有机肥施用是土壤固碳的有效途径，但同时可能诱导氧化亚氮(N2O)大量排放。有机肥对土壤N2O排放的影响因其种类、用量和环境条件不同而异。东北黑土N2O的产生机制尚不明确，限制了人们的认识和减排措施的有效实施。极端天气事件的加剧是气候变化的重要表现，可能会强烈地影响土壤碳氮循环过程，但是极端降水情景下N2O排放的原位实测研究非常少见。迄今为止，尚没有研究从全球尺度关注黑土旱地N2O排放。本研究在中国科学院海伦农业生态实验站开展三年连续田间试验，评估不同有机肥种类和用量条件下，有机无机肥配施对土壤N2O排放的影响及其对极端降水（降雨和降雪）事件的响应;在实验室采用15N示踪技术和文献整合分析方法，解析黑土氮素转化过程和N2O产生机制;结合野外试验、室内培养试验和荧光定量PCR技术等，研究极端降雪诱导春季融化期N2O爆发式排放的机制;基于大样本数据调查，构建黑土N2O排放模型，估算全球黑土旱地N2O排放。　　在正常降水年份2011-2012年，设置不施氮肥(CK)，化学氮肥(NPK)，75％化肥氮配施25％猪粪(PM1)或者鸡粪(CM1)有机肥氮，50％化肥氮配施50％猪粪(PM2)或者鸡粪(CM2)有机肥氮6个处理。采用静态箱-气相色谱法测定种植玉米土壤N2O排放通量，同时监测其他辅助指标，结合测定的不种玉米土壤CO2排放，估算有机肥分解率。相关分析和回归分析表明，土壤温度、孔隙含水量(WFPS)、特别是易利用有机碳(LOC)含量是控制N2O排放通量季节变化的主要因素。CK处理全年N2O排放量为0.34 kgN ha-1，NPK处理增加到0.86 kgN ha-1，有机肥处理则达到0.93-1.65 kgN ha-1。有机肥氮用量占比由25％增加到50％后，N2O排放下降，即PM2＜PM1和CM2＜CM1，主要归因于总无机氮供应降低。在两种用量下，猪粪处理均高于鸡粪处理，即PM1＞CM1和PM2＞CM2。化学分析和固态13C核磁共振图谱表明，猪粪有机碳组分的活性更高，其田间分解率也更高，从而诱导更多N2O排放。　　采用15NH4NO3和NH415NO3双标记方法，研究了2011-2012年野外实际水分状况下（30-70％ WFPS）黑土N2O的产生机制。结果发现，硝化作用主导N2O来源，占比为71-79％。在60％ WFPS时，添加硝酸盐不影响N2O排放，但是硝酸盐和葡萄糖同时添加，N2O排放提高92％，说明反硝化作用受到活性碳供应的限制。将硝化作用区分为自养硝化和异养硝化后发现，异养硝化是黑土N2O的重要来源，在30％ WFPS含水量条件下贡献率为34.2％，在70％ WFPS降至22.6％。在30％ WFPS时，土壤异养硝化速率为1.06 mg N kg-1 d-1。对文献报道的不同生态系统土壤异养硝化速率及其相关指标进行整合分析，发现黑土异养硝化速率高于先前报道的农田土壤的测定结果，并且略高于森林和草地生态系统的平均值。进一步对数据进行分析后，我们认为黑土较高的SOC含量和C/N，以及较低的pH和容重有利于异养硝化进行。15N示踪研究同时发现硝态氮异化还原成铵（DNRA）过程占黑土NO3-消耗量的16.7-92.9％，其速率与湿地和森林生态系统的平均水平相当。DNRA受到C和NO3-以及通气状况的共同影响，在高含水条件下是黑土重要的保氮机制。　　在2013-2014年设置对照处理(CK)和5个施氮肥处理:尿素氮与鸡粪氮的配比分别为100∶0(NPK)、75∶25(OM1)、50∶50(OM2)、25∶75(OM3)和0∶100(OM4)。在2013年7月30日出现极端降雨，24小时降雨量达到178mm，是海伦市有气象记录以来的最大值，全年降水量也达到历史极大值。极端降雨导致土壤含水量接近饱和，N2O排放通量降至＜20μgN m-2 h-1，并持续25天。然而，在土壤排干期，当WFPS降至67-76％、NO3-含量升至＞3 mg N kg-1且NO3-/DOC为0.07-0.10 mgN mg-1 C时，各处理N2O排放均出现峰值，其中OM2处理最大，为264μg N m-2 h-1。排干期N2O排放量为0.43-0.74 kg N ha-1，占全年总排放的47.5-51.2％。由于极端降雨的后续效应，在2014年春季土壤融化后含水量较高（最大WFPS为79％），N2O出现明显排放，占非生长季排放量的20.1-49.4％。CK和NPK处理全年N2O排放分别为0.87和1.35 kg N ha-1，比正常年份测定值分别提高168％和171％。N2O排放量在OM1处理为1.54 kgN ha-1，并随有机肥氮用量占比的增加而降低，OM4处理（1.00 kgN ha-1）比NPK处理降低25.6％，表明用有机肥氮替代化肥氮可以有效减缓极端降雨诱导的N2O排放。　　2012-2013年田间试验设置不施氮肥(CK)、化学氮肥(NPK)和4个不同种类有机肥处理（有机肥氮均为总施氮量的50％）。在2012年11月12日遭遇极端降雪，该年份冬季降水量是海伦市有气象记录以来的最高值。极端降雪导致2013年春季融化期间，土壤含水量达到90％以上，N2O出现爆发式排放，CK、NPK和有机肥处理的排放峰值分别为815、1070和1426-2348μgNm-2h-1。春季融化期间N2O累积排放量占全年总量的70.0-89.6％。全年N2O背景排放量为2.46 kgNha-1，NPK和有机肥处理年排放量分别为3.98和4.03-7.20 kgN ha-1，排放系数为0.76％和0.79-2.37％。碳水化合物输入量高的有机肥处理N2O排放最高。室内模拟试验表明，冻融提高了土壤铵态氮(NH4+)、可浸提有机氮(EON)、可溶性有机碳(DOC)含量及DOC的可分解性。硝化（细菌amoA和古菌amoA）和反硝化功能基因(narG、nirK、nirS和nosZ)丰度在冻融时或冻融后比结冰前增加。与其他反硝化细菌功能基因相比，nosZ基因对低温更敏感，从而可能提高冻融后细菌反硝化N2O产生比例。田间和室内试验均发现冻融后N2O排放随土壤含水量增加而指数增加，且与反硝化功能基因丰度呈指数关系。因此，我们认为极端降雪通过提高春季融化期土壤含水量，诱导反硝化作用产生大量N2O。　　收集文献报道的黑土旱地N2O排放及相关气候、土壤指标和田间管理信息，建立了全球黑土旱地N2O排放数据库，包含40个研究中45个测定地点的252组数据。与其他国家相比，中国黑土N2O排放处于较低水平。相关分析和因子分析表明降水和氮肥用量是影响全球黑土N2O排放的主要因素，基于此构建包含氮肥用量（kgNha-1）和降水量(m)的N2O排放（kg N ha-1）模型:N2O=1.533 Pr+0.0238 Pr Nr。在该模型中，N2O背景排放和排放系数均受降水的调控，比只考虑氮肥用量的模型拟合效果更好。利用此模型对全球7个主要国家（阿根廷、加拿大、中国、俄罗斯、乌克兰、乌拉圭和美国）黑土旱地施用化肥时N2O排放进行估算，得到全球总排放量为347 GgNyr-1。