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N2O是一种主要的温室气体,近年来N2O浓度的快速增长使全球变暖和臭氧层破坏的形势更严峻。冬水田是一种典型的以水稻种植为基础的土地利用模式。为提高土地利用率及增加农民收入,冬水田转稻麦轮作制度被广泛采纳。由于冬水田转稻麦轮作制度会伴随排水、翻耕和施肥,这些管理措施会改变微生物的活性和土壤理化性质,进而影响N2O的排放。关于冬水田转稻麦轮作后N2O的排放特征的研究已有不少。但是将田间N2O排放与田间原位土壤硝化-反硝化微生物及田间环境因子联结合到一起的研究十分匮乏。为了深入理解冬水田转稻麦轮作制度后N2O排放的变化特征和产生机制,本研究在四川省盐亭县的中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站选取了3块典型的冬水田。将所选的每块田一分为二,一半仍为冬水田,在试验期间处于淹水休闲状态,另一半排水后种植冬小麦。同时设置不施加氮肥和常规施氮肥处理,每个处理设置3个重复。研究期间原位监测N2O排放通量,并采集土样提取土壤DNA,对土壤反硝化过程中的亚硝酸盐还原酶nirS和nirK基因进行定量和高通量测序,揭示冬水田转稻麦轮作对N2O排放、反硝化微生物群落结构、多样性和基因丰度的影响及其关键控制因子。基于田间实验的结果,为更加深刻理解淹水-落干条件下N2O的产生过程及其主要控制因子,在淹水-落干和不淹水条件下添加秸秆处理进行室内培养,采集气样、土壤溶液和土样,测定N2O浓度、相关功能基因丰度和土壤理化性质。主要研究结果如下:1.冬水田转为稻麦轮作田增加了土壤N2O的排放。相较于冬水田,稻麦轮作N2O累积排放量第一年和第二年分别增加了6.6倍和4.4倍。冬水田中N2O的高排放量主要出现在水稻季,占全年累积排放量的68.1%-75.7%。稻麦轮作田中施肥处理和无肥处理N2O的高排放量都主要集中在小麦季初期,占全年累积排放量的45-82%。N2O的大量排放不仅受施肥影响还可能与土壤有机质矿化有关。2.N2O与WFPS呈显著正相关关系。高N2O排放通量出现在WFPS为68%–72%范围内。WFPS贡献了22%-43%的N2O排放通量,这表明WFPS是稻麦轮作田施肥处理和无肥处理中N2O排放的关键控制因子。3.DOC对N2O排放的贡献率为26%-36%。N2O与DOC/（NH4++NO3-）的关系呈现高斯分布。高N2O排放量出现在DOC/（NH4++NO3-）比值为0.47-1.42的范围内,且N2O的峰值出现在DOC/（NH4++NO3-）比值接近1时。4.冬水田中亚硝酸盐还原酶由nirK基因主导,而稻麦轮作田中亚硝酸盐还原酶由nirS基因主导。冬水田转稻麦轮作制度增加了nirK群落的丰富度和多样性。冬水田转稻麦轮作使nirS群落的丰富度增加但多样性减少。稻麦轮作的转换改变了冬水田土壤中nirK和nirS在门、纲、目、科和属的群落组成。相比冬水田,稻麦轮作模式nirK群落组成增加了广古菌门、浮霉菌门和厚壁菌门,nirS群落组成缺失了拟杆菌门和绿湾菌门。DOC是影响nirK群落结构的最主要的因子。土壤水分对nirS群落结构的影响最大。5.添加秸秆显著增加了N2O的排放,且低C/N处理的N2O排放通量高于高C/N处理。淹水-落干条件下,低C/N和高C/N秸秆处理中N2O的平均排放通量分别为未添加秸秆处理的3倍和2倍。不淹水中低C/N和高C/N秸秆处理N2O的平均排放通量分别为未添加秸秆处理的2倍和1倍。且淹水-落干条件加剧了秸秆增加N2O排放的效应,所有淹水处理中N2O平均排放通量为不淹水处理的2倍。6.秸秆的添加显著增加了水稻土和棕壤中16S rRNA和反硝化基因（nirK,nirS和nosZ）的丰度,虽未改变硝化基因（AOA和AOB）的丰度。但增加英国棕壤土中AOA/AOB的比值。两种土中淹水-落干处理AOA/AOB比值均高于不淹水处理,这表明淹水会改变土壤中硝化功能基因的比重。7.水稻土中反硝化作用解释了68.8%的N2O排放通量,其关键生物因素为nirK和nirS基因,以及非生物因素（WFPS,土壤溶液中NO3-和DOC含量）。在棕壤土中,硝化作用和反硝化作用共同解释了68.5%的N2O排放通量,其关键生物因素为AOA和nirS基因,以及非生物因素（WFPS,土壤溶液中DOC,NH4+和NO3-含量）。8.培养实验中无论淹水-落干还是不淹水条件下,不同C/N比秸秆添加处理中N2O和CO2排放间呈现显著正线性关系（R2为0.23-0.31,p<0.01）。冬水田施肥处理中N2O和CO2排放通量的对数间呈显著正线性关系（R2值为0.15-0.18,p<0.01）,稻麦轮作施肥处理和无肥处理N2O和CO2排放通量的对数间均呈负线性关系（R2值为0.19-0.34,p<0.01）。综上所述,冬水田转稻麦轮作田显著增强了N2O的排放,且N2O的高排放量主要出现在小麦季初期。冬水田转稻麦轮作制度增加了nirK丰度、群落结构组成和多样性。而冬水田转稻麦轮作使nirS基因群落的丰富度增加但多样性减少。在淹水-落干条件下反硝化过程是N2O排放的最主要的途径。土壤水分和可利用的碳是影响N2O排放和反硝化微生物的关键环境因子。这些研究结果表明在评价土地利用方式转变所引起的环境效应时,应关注转变初始阶段温室气体的排放特征及硝化和反硝化微生物基因丰度、群落结构和多样性的变化。本研究发现可通过调控土壤水分和可利用的碳氮之比来减少因转换而引起的N2O的排放。