温室气体排放和活性氮损失是引起全球气候变化的主要因素,而农业活动是温室气体排放和活性氮损失的重要来源。氧化亚氮（N2O）是一种生命周期长、增温潜势大的温室气体,是农田活性氮损失的重要组成部分。土壤氮功能微生物介导的氮循环是土壤N2O产生的主要来源,同时土壤氮功能微生物的群落结构和功能受到耕作强度的显著影响。以深松耕和免耕为主要特征的保护性耕作措施被普遍认为是一种改善土壤健康和减少农田氮损失的农业管理措施,在我国北方农田大面积推广应用。因此,研究保护性耕作农田土壤温室气体排放和氮平衡特征可为构建高效、生态、可持续的保护性耕作技术体系提供理论支撑;探明长期保护性耕作土壤-微生物-N2O排放三者的潜在关系和互馈机制是实现保护性耕作氮平衡状态优化、耕地质量提升和农田土壤固碳减排的关键科学问题。基于此,本研究以“耕作-土壤-微生物-温室气体”为主线,以长期保护性耕作措施下“冬小麦-夏玉米”复种农田生态系统温室气体排放和氮平衡为切入点,研究我国北方农田全球增温潜势及氮平衡对长期保护性耕作的响应机制,以期为长期保护性耕作对实现农业生态系统全球增温潜势降低和氮盈余基准降低提供科学依据。本研究通过田间试验和微生物分子生物学相结合的方法,揭示长期保护性耕作下土壤功能微生物在各个耕作处理的分布格局、时空差异以及氮循环特征,同时结合原位土壤N2O排放特征,运用结构方程模型,从微生物角度论证长期保护性耕作土壤N2O排放与功能微生物的互馈关系,揭示长期保护性耕作土壤N2O产生-还原的微生物作用机制,研究结果为深入探讨长期保护性耕作土壤中氮素循环和温室气体排放的微生物过程及机制提供理论依据。主要结论如下:（1）黄土高原“冬小麦-夏玉米”农田土壤温室气体排放通量和累积排放量受耕作措施的显著影响,尤其耕作对施肥后的排放峰值以及高强度排放时期的持续时间的影响最为显著。整体而言,CO2和N2O平均排放通量和累积排放量在不同长期耕作措施下的表现为翻耕>深松耕>免耕,CH4平均吸收量和累积吸收量在不同长期耕作措施下的表现为免耕>深松耕>翻耕。同时,长期保护性耕作对农田土壤有机碳表现出固存效应,传统耕作表现出激发效应。此外,保护性耕作农田的全球增温潜势、净综合温室效应以及排放强度均显著低于传统耕作,表明长期保护性耕作农田的产量效应和环境效应均优于传统耕作,即农田全球增温潜势存在明显的随耕作强度递增效应。（2）基于两个连续周年生长季的原位观测,在同等施氮量(480 kg N ha-1yr-1)的条件下,与翻耕相比,深松耕和免耕在两个周年生长季节分别显著减少了39.7%和55.3%的N2O排放损失,分别显著减少了52.3%和147.7%硝酸盐淋溶损失。同时,深松耕显著提高了4.0%的地上部氮吸收和5.9-8.1%周年产量。尽管深松耕和免耕处理下NH3挥发增加了46.7%和84.3%,但二者总活性氮损失平均分别减少了7.4%和22.4%。此外,深松耕和免耕显著增加了0-100cm土层中土壤全氮的累积量。综合氮输入和输出,深松耕处理下土壤氮盈余较低,这主要是由于作物氮吸收的增加和活性氮损失的减少形成的。因此,在我国北方农业生产系统中,长期深松耕通过提高作物生物量中氮的去除率,减少N2O排放和硝酸盐淋失,实现了作物生产力和农业环境效益的提升。（3）长期保护性耕作通过调控土壤理化性质,影响氮功能基因丰度,进而改变了了N2O排放状况。其中,深松耕和免耕显著增加土壤中NO3-和全氮含量,同时显著的降低了土壤p H和NO2-的含量。深松耕和免耕处理下古菌amoA、nirK和nirS基因的丰度显著降低,而nosZ基因的丰度显著增加。综上,不同耕作处理土壤氮循环功能基因丰度的差异,导致不同耕作处理土壤各个氮循环途径的活动发生差异,形成了不同的N2O源汇能力。保护性耕作条件下编码硝酸还原酶基因丰度的降低抑制了NO3-向NO2-的转化,减少了N2O产生的底物,同时编码N2O还原酶基因丰度的增加,促进了N2O向N2的还原,最终实现长期保护性耕作土壤N2O排放的减少。（4）长期保护性耕作影响反硝化微生物群落组装过程,改变反硝化微生物群落物种组成和多样性,进而影响土壤反硝化过程。保护性耕作处理下nirK、nosZⅠ和nosZⅡ型反硝化微生物群落的物种组成多样性和系统发育多样性均显著增加,nirS型反硝化微生物群落的物种组成多样性和系统发育多样性显著降低。在所有耕作处理下随机性组装过程主导了四种反硝化微生物群落的组装,但深松耕和免耕处理下nirK、nirS和nosZⅠ群落的确定性组装过程显著弱于翻耕处理。此外,深松耕和免耕处理土壤nirK、nosZⅠ和nosZⅡ反硝化微生物群落的物种迁移率显著高于翻耕处理,表明保护性耕作土壤反硝化微生物群落演替更符合中性过程,而nirS趋势相反。综上,保护性耕作降低了nirS群落多样性、nosZⅠ群落生态位宽度以及nirS和nosZⅠ型反硝化微生物物种（如:Polymorphum＿gilvum、Acdovorax＿sp.＿NO.1和Herbaspirillum＿sp.＿TSO 26.2等）丰度,同时增加了nosZⅡ群落生态位宽度和nosZⅡ型反硝化微生物物种（如:Afipia＿sp.＿1NLS2,Massilia＿sp.＿TSO8和Haliscomenobacter＿hydrossis等）丰度,从而实现了N2O排放的减少。（5）保护性耕作减少土壤原位N2O的排放与微生物驱动的氨氧化过程、反硝化过程和N2O还原过程相关功能微生物的迅速变化密切相关,此外还与土壤性质和土壤氮代谢网络活性的差异有关。长期保护性耕作可以显著改变微生物群落,从而改变土壤N2O产生过程和还原过程的强度。N2O还原微生物（nosZI和nosZII）生态位的差异是造成长期保护性耕作与传统耕作土壤N2O排放差异的关键生物因子,保护性耕作土壤nosZII型N2O还原微生物占据优势,而传统耕作土壤nosZI型占据主导。此外,长期保护性耕作土壤参与典型反硝化作用的微生物活动被抑制,而参与硝酸盐和亚硝酸盐转运的微生物活性被显著提升。PLS-PM模型揭示了长期保护性耕作优化了土壤氮循环相关功能微生物群落结构,从而强化了N2O汇的能力,同时抑制了N2O源的能力,实现了对N2O排放的抑制,这些结论将有助于提高旱地农业土壤的氮素利用效率和作物产量的形成。综上所述,在小麦-玉米复种模式农田中,采用保护性耕作能够优化土壤功能微生物群落,并且强化农田土壤碳汇和氧化亚氮汇的能力,进而促进土壤有机碳的积累,实现减缓农田生态系统温室气体排放强度和降低氮盈余基准。