稻田土壤是农业用地中主要的甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体排放源。生物炭对长期施用氮肥的稻田土壤温室气体排放具有显著影响。而稻田土壤中CH4及N2O的排放都是在土壤中微生物作用下产生的。其中CH4的排放是产CH4微生物和CH4氧化微生物共同作用产生的,N2O则主要通过硝化微生物及反硝化微生物作用产生。因此,研究生物炭与氮肥对稻田土壤CH4及N2O相关微生物基因丰度及潜在活性的影响,有助于明确生物炭及氮肥影响稻田土壤CH4与N2O排放的微生物机理。本文田间试验共设5个处理,NOBO(对照处理,不施生物炭和氮肥)、N0B1(单施生物炭,20thm-2生物炭)、N1B0(单施氮肥,250kghm-2尿素)、N1B1(20thm-2生物炭和250 kg hm-2尿素配施)和N1B2(40 t hm-2生物炭和250 kg hm-2尿素配施),每个处理设3次重复,持续处理3年(生物炭仅初始施用)。通过提取DNA及荧光定量PCR等分子生态学技术对中国稻麦轮作生态系统中小麦成熟期、水稻幼苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期等六个不同作物生长期内土壤产甲烷菌(mcrA)、甲烷氧化菌(pmoA)、氨氧化古菌(amoA-AOA)、氨氧化细菌(amoA-AOB)、亚硝酸盐还原酶(nirS,nirK)、N2O还原酶(nosZ)基因丰度进行测定。同时,结合静态暗箱-气相色谱法同步动态观测土壤中CH4及N2O排放排放通量;还测定了土壤产甲烷潜势、甲烷氧化潜势、硝化潜势以及反硝化潜势;分析了 CH4和N2O排放相关功能微生物基因丰度及潜在活性在稻田土壤中不同生长时期的变化与其受生物炭和氮肥处理的影响。结果表明:水稻季施用氮肥可显著增加土壤CH4排放通量。与单施氮肥处理相比,氮肥配施40 t hm-2生物炭处理中CH4累积排放量显著降低8.8%,生物炭施用三年后对土壤CH4排放仍具有显著减排作用。水稻烤田期CH4排放通量显著降低。施用生物炭三年后显著提高了土壤有机碳、微生物量碳含量及土壤碳氮比(p<0.05),与单施氮肥处理相比,氮肥配施生物炭后可显著提高土壤pH。与对照相比,单施生物炭显著提高土壤甲烷氧化潜势,其增加范围为52.4-269.4%。氮肥施用一定程度上抑制了甲烷氧化菌数量的增长,单施或配施低水平生物炭显著增加土壤pmoA数量(p<0.05)。在施氮条件下,甲烷氧化潜势及产甲烷潜势均与生物炭施用量之间存在正相关关系。氮肥显著降低了甲烷氧化菌与产甲烷菌基因丰度比(pmoA/mcrA)(p<0.05)。而在同氮肥水平下施加生物炭显著增加了土壤pmoA/mcrA比值,即生物炭对甲烷氧化菌的促进作用显著高于产甲烷菌,提高了稻田土壤的CH4氧化能力,因此有助于减少稻田土壤CH4的排放。水稻生长季中N20排放通量与CH4排放通量间具有明显消长关系。这种关系在烤田期尤为明显。水稻生长季中N2O排放通量变化范围为-16.33-534.57 μg N m-2 h-1。此外,氮肥施用后显著提高了水稻季土壤N20累积排放量,而生物炭对稻田土壤N20累积排放量没有表现出显著减排效果。水稻季各生长阶段硝化潜势均低于小麦成熟期。施加氮肥及生物炭均可提高土壤硝化潜势。随着生物炭施用量的增加,土壤硝化潜势也随之提高。作物不同生长季氨氧化古菌amoA-AOA与氨氧化细菌amoA-AOB基因丰度变化趋势不一致,但各处理基因丰度均显著低于小麦成熟期。土壤硝化作用由AOA及AOB共同调控,AOB可能发挥主导作用。水稻季N2O排放通量与硝化作用微生物及硝化潜势均没有表现出显著相关关系,推测在水稻季硝化作用不是土壤N2O的主要产生过程。氮肥添加显著提高土壤亚硝酸盐还原酶nirS及nirK基因丰度。氮肥配施生物炭可显著提高土壤中N20还原酶nosZ基因丰度,同时降低亚硝酸盐还原酶nirS及nirK基因丰度,降低土壤(nirS+nirK)/nosZ比值。同时,稻田土壤的反硝化能力也随着生物炭的添加而有所降低。因此,添加生物炭有助于减少稻田土壤N20的排放,但在水稻生长季没有表现出显著减排效果。综上所述,在稻田土壤中氮肥配施生物炭可有效改善土壤因氮肥施用而逐渐酸化的问题,并改善土壤性质。生物炭施用三年后显著降低土壤CH4累积排放量,主要由于生物炭对甲烷氧化菌的促进作用大于对产甲烷菌丰度的增加。单施或配施生物炭虽然没有显著减少稻季土壤N20累积排放量,氮肥配施生物炭仍可显著提高N20还原酶nosZ基因丰度,同时降低土壤反硝化微生物丰度及活性。