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自工业革命以来，为了满足人类对食物和能源的需求，化肥的生产、施用和化石燃料的燃烧大大增加了大气中反应性氮(是指除氮气以外所有氮素形态的总称，缩写Nr)的量。反应性氮的过量增加导致了一系列的环境问题，而反硝化过程的最后一步可以将这些反应性氮再以氮气(N2)的形式返回到大气圈，它起着闭合全球氮循环的作用。另外，反硝化作用的中间产物，氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)对大气化学和气候具有重要的影响。
对反硝化速率及其各气体产物N2、N2O和NO组成的直接测定是研究反硝化过程机理和认识N2O和NO排放规律的基础，但却又是一个难题，这主要是由于大气背景中的高N2浓度(78％)使反硝化N2排放速率的直接测定极其困难。为解决此难题，本研究从德国卡尔斯鲁厄技术研究中心(IMK-IFU)引进了一套直接测定反硝化N2排放的测定系统(IFU直接测定N2法)。通过对该测定系统进行参数标定(气体置换时间、N2渗漏率和方法检测灵敏度和检测限)、方法适用性分析及问题识别，针对问题对该方法进行改进，并应用改进后的方法开展了氮底物对土壤反硝化速率及其产物组成的影响研究，并对半干旱草原土壤N2的排放进行了研究。
全文主要结果/结论如下：
(1)针对目前反硝化直接测定N2法气体的气体置换时间过长的问题，IFU直接测定N2系统设备硬件的主要改进：①简化了培养容器的气路设计；②改进了气体置换的方式(由吹扫式改为负压式)，大大缩短气体置换的时间。
(2)本研究发现从德国引进的土壤反硝化N2排放直接测定方法存在局限性：①O2干扰TCD检测N2；②置换过程的培养条件存在问题，会造成反应底物的损失；③排放速率计算方法错误。针对上述问题，本研究建立了改进方法：①改变色谱配置条件，通过降低柱温和柱压，解决O2对TCD检测N2的干扰问题。②气体置换在低温有氧条件下进行，解决了气体置换过程中反应底物损耗的问题。③采用微分方程的算法对反硝化气体排放速率的计算公式进行校正，微分方程的算法校Butterbach-Bahlet al.(2002)采用的质量平衡的算法的结果低12-20％。
(3)对于相同土壤，只要含水量、温度和碳氮底物含量被控制在一致水平，用改进方法重复测定的反硝化速率和产物组成均表现出高度一致性；而且该系统测定N2的检测限是目前国际上最好的，为0.23μg N2-N h-1 kg-1 ds(或8.1μg N2-N m-2h-1)。
(4)底物NO3-含量影响反硝化过程的研究结果：通过动态测定反硝化气体的排放速率，可以回收培养前后土壤NO3--N库变化的84％(80-88％范围内)。反硝化产物N2和N2+N2O+NO(气态氮素总和，即Nt)累积排放量随着初始NO3-浓度(10-250mg N kg-1 ds)的增加而线性增加(p<0.001)，NO累积排放量与初始NO3-浓度的关系符合米氏方程(p<0.001)，而N2O累积排放量与初始NO3-浓度的关系可采用指数方程来表达(p<0.001)。反硝化产物组成百分比变化范围分别为51-78％(N2)，14-36％(N2O)和5-22％(NO)。基于本研究的观测结果，NO3-浓度10-100 mg N kg-1 ds，完全厌氧条件NO：N2O摩尔比>1，对之前很多研究采用的反硝化产物NO：N2O<1提出质疑，表明不能简单以NO：N2O<1作为这两种气体来源于反硝化过程的判据。
(5)不同放牧处理土壤N2、N2O、NO和CO2排放的研究结果：由于较大的空间变异性，99年禁牧(UG99)和冬季放牧(WG)处理土壤N2、N2O、NO和CO2排放无差异。两放牧处理土壤N2O、NO和CO2排放率与田间原位观测结果一致，N2排放速率为0.3－2.0μg N2－N h-1 kg-1 ds(12-80μg N2-N m-2 h-1)，N2排放为N2O的8-17倍。土壤温度升高促进N2、N2O和NO的排放，土壤含O2量对N2、N2O和NO排放影响不显著。
(6)整个培养过程中的土壤反硝化氮素气体和CO2排放很好地验证了反硝化过程基本理论；用改进后的方法重复测定总反硝化速率和产物组成获得结果均表现出高度一致性；且在完全厌氧条件下，通过动态测定反硝化气体排放率可以回收80-88％的土壤NO3-变化量。这表明改进后方法能够充分保证测定结果的可靠性，并适用于半干旱草原土壤反硝化过程研究。改进后的直接测定N2法为反硝化过程研究提供了必要手段，是为氮循环过程模型研究提供关键参数的重要途径。