中文摘要：

土壤氮转化过程，特别是硝化-反硝化对大气CO2和O3浓度升高响应强烈，必然影响农田土壤的温室气体排放。申请项目拟依托沈阳生态实验站的开顶气室（OTC）和南京土壤所的O3-FACE系统两个长期研究平台，以大气CO2和O3浓度升高和不同施氮量背景下的小麦根际和非根际土壤为研究对象，采用土壤生物化学和土壤分子生物学技术为研究手段，重点研究1）土壤硝化-反硝化强度的反应规律；2）参与土壤氮素硝化-反硝化过程的专性微生物群落结构、多样性及活性变化(即土壤胞外酶活性变化)等土壤生物化学机制的响应特点。通过研究，深入阐明土壤硝化-反硝化对大气CO2和O3浓度升高效应机理，评价全球变化对土壤氮氧气体释放的影响，为旱作农田氮肥优化管理和温室气体减排提供科学依据。

结论摘要：

本研究以沈阳生态试验站的开顶气室（OTC）和南京土壤研究所的O3-FACE系统两个长期试验平台，以大气CO2和O3浓度升高和不同施N量背景下的小麦根际土壤为研究对象，采用土壤生物化学和土壤分子生物学技术为研究手段，重点研究1）土壤硝化-反硝化强度的反应规律；2）参与土壤N素硝化-反硝化过程的专性微生物群落结构、多样性及活性变化（即胞外酶活性变化）等土壤生物化学机制的响应特点。通过3年的项目执行，得到主要的研究结果为 1. 在臭氧浓度升高条件下，土壤硝化酶、反硝化酶、NH4+和NO3-浓度显著高于对照，而土壤微生物N含量在臭氧浓度升高条件下显著下降，这种趋势在臭氧敏感品种中更为显著。臭氧浓度升高条件下，硝化基因amoA，反硝化基因nirS, nirK在不同的小麦品种中未见显著变化，作物产量以及茎/根显著下降，此趋势在臭氧敏感品种中更显著。通过此研究证明臭氧浓度升高提高了土壤速效N含量，同时降低作物产量，因此极大的提高了N素从土壤中损失的风险，这种现象在臭氧敏感品种中更显著。未来应加强在小麦品种上的选育，保证N素在土壤中的存留，降低环境污染风险的同时保证作物产量。 2. 土壤NO3-是移动性很大的一种土壤N素形态，本研究第一个结果已经证明在臭氧浓度升高条件下土壤NO3-含量显著升高，提高其淋失的潜在风险。本研究应用结构方程模型探讨臭氧浓度升高条件下土壤理化因子和生物学因子对NO3-的直接影响和间接影响。结果表明O3通过直接途径对土壤NO3-产生影响，而又通过影响土壤蛋白酶和硝化酶活性对土壤NO3-产生间接影响，进一步通过冗余分析得到臭氧是影响硝化酶和蛋白酶的主要因子。通过本研究表明，在臭氧浓度升高条件下，可以通过调控土壤酶活性降低NO3-在土壤中的存留量进而降低出现的淋溶风险。 3. CO2浓度升高使土壤硝化酶活性显著升高，反硝化酶活性未见显著变化，反硝化酶活性在CO2浓度升高条件下与O3浓度升高相比呈现增加趋势，交互作用抵消影响；硝化酶和反硝化酶对CO2浓度升高的响应受施肥量的影响，在高施肥量条件下变化显著。