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硝化作用在农田土壤生物地球氮素循环中扮演着重要的角色，该过程可分为氨氧化微生物(Ammonia-oxidizing microorganisms, AOM)主导的将铵态氮(NH4+-N)氧化成亚硝态氮(NO2--N )的氨氧化过程和由亚硝酸氧化细菌(Nitrite-oxidizingbacteria, NOB)介导的将亚硝态氮氧化成硝态氮(NO3--N)的亚硝酸氧化过程。由于氨氧化过程的重要性，长期以来人们将研究重心放在了氨氧化微生物上，而相对忽略了NOB在氮素循环过程中的重要性。长期施用肥料和秸秆还田是一种能够提高农作物产量的农业生产措施，但是其对土壤中NOB的功能发挥和群落多样性的影响目前研究还不足。另外，土壤团聚体(Soil aggregate)是土壤组成的基本结构单元，不同粒级之间的土壤团聚体具有空间异质性，研究施肥对不同粒级土壤团聚体中NOB的群落多样性，将有助于我们进一步揭示团聚体微环境对氮循环调控的微生物生态学机制。因此，本研究以小麦-玉米轮作系统下不同施肥类型长期定位试验(湖南祁阳红壤研究实验站)和水稻-油菜轮作体系秸秆还田处理长期定位试验(湖北武穴秸秆还田研究实验站)为基础，利用IlluminaMiSeq高通量测序和QuantitativeReal-timePCR(qPCR)等现代分子生态学技术，研究了不同施肥处理(不施肥：CK；有机肥：M；化肥：NPK；有机肥化肥混施：MNPK)和秸秆还田对NOB功能发挥和群落多样性的影响，分析了土壤因子对NOB群落组成的影响，揭示了硝化细菌(Nitrobacter)和硝化螺旋菌(Nitrospira)群落变异与功能发挥的关系，也阐述了施肥措施对土壤团聚体水平上NOB群落结构变异的驱动机制。主要研究结果如下：
小麦-玉米轮作系统中不同施肥类型对典型酸性红壤中亚硝酸氧化微生物影响的结果表明：长期不同施肥均能显著增加土壤的碳氮含量。长期不同施肥也会显著影响土壤的亚硝酸氧化潜势，具体表现为不施肥土壤中亚硝酸氧化潜势最低为0.07μgNO2--Nkg?1drysoilh-1，而在单施有机肥土壤的亚硝酸氧化潜势最高为0.37μgNO2--Nkg?1drysoilh-1。长期施肥能显著影响Nitrobacter和Nitrospira的丰度，施加有机肥或有机肥化肥混施都能不同程度地提高土壤的Nitrobacter的丰度，但单施化肥却能减少Nitrobacter的数量；对Nitrospira来说，施肥都会不同程度地降低其丰度。这可能与Nitrobacter和Nitrospira的生存策略有关，Nitrobacter属于K-策略类型微生物，能够积极响应施肥带来的高营养；而Nitrospira属于r-策略类型微生物，施肥带来的高营养环境会抑制其丰度。Nitrobacter和Nitrospira的群落结构显著受到不同施肥类型的影响，pH是影响Nitrobacter和Nitrospira群落变异的典型环境变量。而且Nitrobacter和Nitrospira群落结构的变化均会显著影响土壤的亚硝酸氧化潜势。我们的结果暗示施肥更容易通过影响Nitrobacter的丰度和群落结构来调控土壤的亚硝酸氧化潜势。因此通过合理施加有机肥有利于提高土壤的亚硝酸氧化潜势，从而为小麦生长提供充足的硝态氮，也为农业合理施肥提供了理论指导。
小麦-玉米轮作系统中不同施肥类型对土壤团聚体中亚硝酸氧化微生物群落结构变化的结果表明：土壤团聚体可以分为超大团聚体(＞2000μm)、大团聚体(2000-250μm)、微团聚体(250-53μm)和粉粘粒(＜53μm)。在土壤团聚体尺度上，长期施肥使得土壤碳、氮、磷和钾等理化性质基本呈现出大团聚体≈微团聚体＞粉粘粒的规律。而且施肥(有机肥、化肥以及混施)均会显著提高土壤各粒级团聚体中的碳、氮、磷和钾等含量(铵态氮除外)。长期施肥措施会显著影响Nitrobacter和Nitrospira的物种多样性和群落结构，但是土壤团聚体粒级对其几乎无影响。土壤团聚体有效磷和铵态氮含量分别是影响Nitrobacter和Nitrospira多样性指数的重要环境因子。土壤团聚体碳氮元素含量等均能显著影响Nitrobacter和Nitrospira的群落结构，意味着土壤养分的可利用性(肥料提供)对NOB群落多样性的重新形成至关重要。
水稻-油菜轮作系统中水稻季秸秆还田对亚硝酸氧化微生物群落多样性影响的结果表明：在水稻种植前，秸秆还田处理会显著抑制土壤的亚硝酸氧化潜势；而在水稻种植后，土壤的亚硝酸氧化潜势在秸秆还田和不还田中无明显差异，但都比水稻种植前要高。秸秆还田和水稻种植均会显著影响土壤中Nitrospira的丰度和群落组成，但对Nitrobacter无明显影响。意味着在淹水生态系统中Nitrobacter可能具有更强的环境抵抗力，而秸秆分解产生的有机物可能会抑制Nitrospira的丰度。土壤pH、含水量、铵态氮、总磷和总钾含量是调控Nitrospira群落结构变异的主要土壤因子。Nitrospira的丰度要远高于Nitrobacter，并且是Nitrospira而不是Nitrobacter的丰度更能调控土壤的亚硝酸氧化潜势，说明了该淹水生态系统中起主导作用的可能是Nitrospira。
本研究关于施肥处理和秸秆还田对亚硝酸氧化微生物功能发挥和群落变异影响的研究结果，可以为进一步认识氮素循环、制定合理的施肥措施、维持土壤结构、提高土壤肥力以及改善农田生产环境提供科学指导。
小麦-玉米轮作系统中不同施肥类型对典型酸性红壤中亚硝酸氧化微生物影响的结果表明：长期不同施肥均能显著增加土壤的碳氮含量。长期不同施肥也会显著影响土壤的亚硝酸氧化潜势，具体表现为不施肥土壤中亚硝酸氧化潜势最低为0.07μgNO2--Nkg?1drysoilh-1，而在单施有机肥土壤的亚硝酸氧化潜势最高为0.37μgNO2--Nkg?1drysoilh-1。长期施肥能显著影响Nitrobacter和Nitrospira的丰度，施加有机肥或有机肥化肥混施都能不同程度地提高土壤的Nitrobacter的丰度，但单施化肥却能减少Nitrobacter的数量；对Nitrospira来说，施肥都会不同程度地降低其丰度。这可能与Nitrobacter和Nitrospira的生存策略有关，Nitrobacter属于K-策略类型微生物，能够积极响应施肥带来的高营养；而Nitrospira属于r-策略类型微生物，施肥带来的高营养环境会抑制其丰度。Nitrobacter和Nitrospira的群落结构显著受到不同施肥类型的影响，pH是影响Nitrobacter和Nitrospira群落变异的典型环境变量。而且Nitrobacter和Nitrospira群落结构的变化均会显著影响土壤的亚硝酸氧化潜势。我们的结果暗示施肥更容易通过影响Nitrobacter的丰度和群落结构来调控土壤的亚硝酸氧化潜势。因此通过合理施加有机肥有利于提高土壤的亚硝酸氧化潜势，从而为小麦生长提供充足的硝态氮，也为农业合理施肥提供了理论指导。
小麦-玉米轮作系统中不同施肥类型对土壤团聚体中亚硝酸氧化微生物群落结构变化的结果表明：土壤团聚体可以分为超大团聚体(＞2000μm)、大团聚体(2000-250μm)、微团聚体(250-53μm)和粉粘粒(＜53μm)。在土壤团聚体尺度上，长期施肥使得土壤碳、氮、磷和钾等理化性质基本呈现出大团聚体≈微团聚体＞粉粘粒的规律。而且施肥(有机肥、化肥以及混施)均会显著提高土壤各粒级团聚体中的碳、氮、磷和钾等含量(铵态氮除外)。长期施肥措施会显著影响Nitrobacter和Nitrospira的物种多样性和群落结构，但是土壤团聚体粒级对其几乎无影响。土壤团聚体有效磷和铵态氮含量分别是影响Nitrobacter和Nitrospira多样性指数的重要环境因子。土壤团聚体碳氮元素含量等均能显著影响Nitrobacter和Nitrospira的群落结构，意味着土壤养分的可利用性(肥料提供)对NOB群落多样性的重新形成至关重要。
水稻-油菜轮作系统中水稻季秸秆还田对亚硝酸氧化微生物群落多样性影响的结果表明：在水稻种植前，秸秆还田处理会显著抑制土壤的亚硝酸氧化潜势；而在水稻种植后，土壤的亚硝酸氧化潜势在秸秆还田和不还田中无明显差异，但都比水稻种植前要高。秸秆还田和水稻种植均会显著影响土壤中Nitrospira的丰度和群落组成，但对Nitrobacter无明显影响。意味着在淹水生态系统中Nitrobacter可能具有更强的环境抵抗力，而秸秆分解产生的有机物可能会抑制Nitrospira的丰度。土壤pH、含水量、铵态氮、总磷和总钾含量是调控Nitrospira群落结构变异的主要土壤因子。Nitrospira的丰度要远高于Nitrobacter，并且是Nitrospira而不是Nitrobacter的丰度更能调控土壤的亚硝酸氧化潜势，说明了该淹水生态系统中起主导作用的可能是Nitrospira。
本研究关于施肥处理和秸秆还田对亚硝酸氧化微生物功能发挥和群落变异影响的研究结果，可以为进一步认识氮素循环、制定合理的施肥措施、维持土壤结构、提高土壤肥力以及改善农田生产环境提供科学指导。