人类已超越地球氮安全界限。为了应对这一全球生态安全问题，借助功能基因技术和模型模拟技术系统地探索了土壤氮循环的微生物机制及其潜在应用。其一，在基础研究方面解析了土壤关键氮过程-功能基因丰度关系及其驱动机制。通过功能基因技术和数据同化技术发现：①氮沉降背景的土壤硝化基因丰度与硝化速率正相关，且氨氧化微生物的气候生态位主导了硝化过程（Zhang et al, 2024, Global Change Biology）；②氮沉降背景的土壤反硝化基因丰度与反硝化速率正相关，而这种关系受到施氮类型的影响（Zhang et al, 2022, Global Change Biology）；③氮沉降背景的土壤氧化亚氮排放与硝化、反硝化基因丰度的关系在室内培养中是显著的，而在野外观测中受到环境条件的影响变得不再明显（Zhang et al, 2022 & 2023, Global Change Biology）；④沿海拔梯度的土壤固氮基因丰度与生物固氮速率正相关，其中部分优势菌属起关键作用（Chen & Zhang et al, 2024, Chemosphere）。结果强调室内培养、野外观测和模型模拟的鸿沟需要逐渐弱化，而相关技术和理论的发展尤为迫切（Chen & Zhang et al, 2023, Global Change Biology）。其二，在应用探索方面提出了硝化抑制剂预算模型进而综述研究挑战和未来展望。硝化抑制剂可以通过抑制硝化相关微生物和酶的活性来降低环境氮损失并提高植物氮利用效率。然而，人们主要关注硝化抑制剂带来的产量效益，而鲜少关注其潜在的环境和健康风险。新发展的首个硝化抑制剂预算模型通过“自上而下”理论框架来构建，并通过硝化抑制剂推荐剂量的实验测试数据来参数化（Zhang et al, 2024, Trends in Microbiology）。预算结果显示：主要硝化抑制剂（DCD、DMPP和Nitrapyrin）施用后，残留土壤和进入食物网的部分不容忽视。进一步的综述分析表明合成和生物硝化抑制剂面临的研究挑战主要涉及①作用机制解译、②抑制性能维持、③支出-收益权衡、④环境和健康风险等四个方面。