氮素是植物生长发育所必需的大量元素,大量施用氮肥能够提高农作物产量、有效解决人均耕地面积少带来的粮食安全问题。同时残留矿质氮进入大气、水体造成全球变暖、地下水硝酸盐污染等问题也不容忽视。粮食高产与环境安全问题成了一对难以调和的矛盾。泾惠渠灌区是关中平原的主要产粮基地,近年来灌溉施肥活动造成了大面积硝酸盐超标的现象。但是灌区包气带中氮素转化对灌溉、降雨引起的水分变化会有何种响应、包气带土层中微生物对硝酸盐的转化程度、过程以及机理等问题都尚不清楚。综上所述,无论是从农业生产、环境保护,还是理论与方法研究角度,对灌区包气带氮素转化过程的研究都具有十分重要的意义。本文以泾惠渠灌区农田生态系统为研究区域,以区内包气带为研究介质,采用¹⁵N同位素示踪技术、Markov Chain Monte Carlo数值分析模型和氮素转化生态效应模型等模型和方法,以及室内、野外小区和大田灌溉试验相结合的手段,来研究灌区包气带中的氮素转化规律,以及氮素转化对生态环境因子的响应规律。本文主要得出了以下结论:1.灌区氮素矿化、硝化、微生物同化作用占主导地位,但矿化速率和微生物同化速率均显著低于硝化速率,通过反复地再矿化和硝化作用,包气带土壤中最终以NO₃^--N转化为主从而出现NO₃^--N大量累积的现象。与此同时NO₃^--N的同化、异化还原作用都较微弱,以至于NO₃^--N的产生速率大于消耗速率,会引起NO₃^--N淋溶或反硝化气态损失,从而有造成温室气体产生和地下水硝酸盐污染的风险。2.灌区内,包气带NH₄⁺吸附速率、硝化速率、反硝化速率、矿化速率、微生物同化速率以及NH₃挥发速率均有随深度增加而减小的趋势,各转化速率阈值范围随深度增加亦有减小的趋势,且土壤表层较深部具有显著性差异。3.整个灌区包气带内,影响NH₄⁺-N吸附的主要生态因子为铵态氮含量和体积含水率,均与NH₄⁺-N吸附速率呈正相关关系。铵态氮含量在2²0mg/kg范围对NH₄⁺-N吸附影响较为显著。体积含水率在0.2⁰.4之间有利于NH₄⁺-N的吸附;铵态氮含量和地温作为硝化速率的主要影响因子,与硝化速率均呈正相关。对硝化速率影响较明显的铵态氮含量阈值为3¹4mg/kg,地温阈值为-10-30℃;影响微生物同化速率的主要生态因子为微生物总数、地温。对同化速率影响较为显著的微生物总数阈值为0¹0⁵个/g,温度阈值为-10³0℃。在阈值范围内,两种因素均与微生物同化速率呈正相关关系。影响包气带反硝化速率的主要生态因子为反硝化细菌,反硝化细菌数量在0⁷.5×10⁴个/g范围内对反硝化速率的影响较为显著,该范围内随反硝化细菌数量增加而增加。影响矿化作用的主要生态因子为体积含水率、地温。体积含水率阈值为0⁰.12时与矿化速率呈正相关,在0.12⁰.30之间呈负相关。地温在5¹8℃之间与矿化速率呈正相关,阈值为18³2℃时呈负相关;影响NH₃挥发速率的主要生态因子为地温、体积含水率。包气带浅层对NH₃挥发速率影响较为显著的地温阈值为10²7℃,体积含水率阈值为0.32⁰.42,深部范围两者对其均无显著影响。