土壤硝化过程是生态系统氮素循环的核心之一，氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)主导了土壤硝化过程，但是这两种功能微生物的生态位和活性对氨氧化过程的关键环境因子（如pH、底物浓度、氧气浓度、有机质和土壤含水量）的响应不同，并且生态系统中AOA和AOB在氨氧化过程中相对贡献率具有显著差异的原因尚不明确。本文依托野外长期实验平台的森林土壤、酸性红壤水稻土和不同氮肥的牧草地土壤，利用高通量测序、变性梯度凝胶电泳、实时荧光定量PCR表征微生物多样性分布，并结合稳定同位素13C示踪活性功能微生物，对典型生境中土壤氨氧化微生物时空演变规律及其形成机制进行研究。　　(1)大量研究表明了氨氧化古菌分布广泛，并具有很高的微生物多样性，但是AOA的地理分布规律仍不明确。我们的研究首先通过多种分子研究手段（定量PCR、DGGE、克隆文库构建以及高通量测序技术）来探究具有纬度梯度分布的30个森林土壤中AOA群落的数量和多样性，并结合土壤理化性质和硝化势，发现在中国森林土壤中，pH是AOA生态位分异的驱动因子，并且氨氧化古菌Group1.1a-associated和Group1.1b C7在酸性土壤中丰度占主导地位。氨氧化古菌这种生态位的形成，可能是由于微生物间的竞争排斥原理。接着利用DNA-SIP微宇宙培养与高通量测序技术相结合，发现在所有AOA群落中，Group1.1a-associated AOA主导了酸性土壤的氨氧化过程。我们的研究还表明，Group1.1a-associated AOA比Group1.1b AOA具有竞争优势，而推测Group1.1b C7在酸性条件下可能具有其它的生存策略来维持其高丰度。　　(2)施肥和淹水处理是水稻种植过程中最主要的耕作及农田管理方式，我们的研究发现，AOA主导了酸性红壤CK处理中的硝化作用，而长期施肥刺激了AOB的硝化活性。我们的研究首次发现了Nitrososphaera viennensis-like AOA可能在氧气匮乏的条件下具有更高的硝化活性，并且其在高N底物的环境中，可能会选择异养代谢方式进行生长。长期淹水所造成的氧气匮乏环境，将AOB驯化出了能适应低氧环境并进行硝化作用的能力。而这种现象究竟是微生物冗余功能的激发还是基因水平的变异/转移造成的，仍需要今后在基因组、转录组以及蛋白组学水平对功能微生物进行全面研究。　　(3)基于总体微生物的16S rRNA基因高通量测序结果能够帮助认识微量微生物的群落结构和相对丰度变化。长期施N肥导致了29i4-like AOA的主导，而这一微生物在对照处理中不存在。并且AOA∶AOB的比例随着牛粪肥料施用的增加，这表明AOA可能影响了施牛粪土壤中的N循环，而AOB可能在施化学肥料土壤中更加重要。接着，用DNA-SIP技术来示踪活性硝化微生物，研究表明AOB主导了无机肥料土壤中的硝化过程，而有机肥料的施加刺激了AOA的硝化活性，并且29i4-like AOA和AOB共同主导了有机肥草地土的硝化过程，可能归因于AOA更喜欢利用有机N矿化出的NH3底物进行生长。　　(4)地球气候变化所导致的干湿交替现象，是陆地生态系统广泛存在的自然现象，复杂土壤中微生物群落在长期适应环境条件变化的过程中，逐渐形成了不同的群落组成。本研究表明风干土壤可用于后续的微生物群落组成研究，能在一定程度上反映微生物适应复杂环境的生理生态特征及其功能意义。本章研究还表明了微生物细菌在门水平对水分变化的响应是具有地域性和专一性的。还发现了微生物群落结构以及基因数量在水分变化过程中的高度稳定性。这意味着微生物能够抵抗土壤水分变化，并在降雨和干旱过程中保持微生物的多样性。但是微生物是如何应对水分变化的机制仍不清楚。