我国是全世界最大的稻谷消费国，大部分人口以大米为主食，水稻种植在我国农业生产中占有着举足轻重的地位。然而，我国人多地少，且正处在快速发展时期，耕地资源被高强度利用。而耕地资源不合理的利用会导致土壤退化和生态环境的恶化，严重威胁粮食生产与国民健康。同时，稻田是最重要的CH4排放源之一，如何减少稻田CH4排放一直是国内外研究的热点。因此，迫切需要一种既能减少CH4排放，又能提升地力的技术。已有研究表明，生物质炭在提升地力和减排CH4方面具有巨大的潜力。近年来，国内外对稻田施用生物质炭在地力和CH4排放方面的影响进行了大量的研究，但对于其作用机理研究，多是短期的、基于土壤理化性质的试验，缺乏基于长期定位试验的微生物机理研究。然而，生物质炭可在土壤中长期存在，且土壤微生物是养分循环和CH4排放过程的主要驱动者。因此，本论文基于长期田间定位小区试验研究了施用生物质炭（2012年早稻季施用生物质炭量为0、24和48 t hm-1，分别用CK、LB和HB代表）对双季稻田土壤性质、水稻产量、CH4排放的影响;同时，在施用生物质炭后3～4年，采用分子生物学技术研究了生物质炭添加提升地力和减排CH4的相关机制机理，其成果可为以提升地力和CH4减排为目的的生物质炭大田应用提供理论基础及科学依据。主要的研究结果如下:　　(1)通过在双季稻田生态系统为期四年的试验，研究了生物质炭添加对双季稻田土壤性质、水稻产量和生物量的影响。结果发现，在四年的试验中，施用生物质炭能增加年均土壤pH值、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和微生物量氮(SMBN)含量(p＜0.05)。在2012～2016年度，与CK处理相比，生物质炭处理的籽粒产量每年均能增加(p＞0.05)，LB和HB处理能够增加年均籽粒产量、秸秆产量和地上部生物量(p＞0.05)。水稻籽粒产量和地上部生物量与SOC和SMBN含量显著正相关(p＜0.05);水稻秸秆产量与土壤温度显著正相关(p＜0.05);地上部生物量与土壤温度、SMBC和SMBN含量显著正相关(p＜0.05)。说明生物质炭能够在较长时间尺度内提高土壤肥力和生产力，且作物产量与土壤肥力因子密切相关。　　(2)通过在双季稻田生态系统为期四年的试验，研究了施用生物质炭后3～4年对细菌、真菌和固氮菌丰度和群落组成结构的影响。结果发现，与CK处理相比，生物质炭处理能增加细菌、古菌、真菌和固氮菌丰度，这些微生物丰度与土壤微生物量碳(SMBC)、SOC、TN含量、籽粒产量、秸秆产量和地上部生物量显著正相关(p＜0.05);生物质炭处理能改变细菌、真菌和固氮菌的群落结构;蒙特尔(Mantel)检验表明，细菌、真菌和固氮菌的群落结构的改变与土壤NH4+、SOC、TN和TP含量的变化有显著相关关系(p＜0.05)，细菌和固氮菌的群落结构的改变与籽粒产量、秸秆产量和地上部生物量的变化有显著相关关系(p＜0.05)。施用生物质炭能相对促进有利于SOC累积的酸杆菌门（Acidobacteria）、能改善土壤质量并使植物生长的更好的被孢霉属（Mortierella）、Westerdykella、地杆菌属（Geobacter）和脱硫弧菌属（Desulfovibrio）的生长繁殖，而相对抑制了植物病原体青霉菌属（Penicillium）、阿太菌属（Athelia）和假单胞菌属（Pseudomonas）的生长。生物质炭能在较长时间尺度改善土壤性质并提高产量的主要原因是其能在较长时间尺度增加细菌、古菌、真菌和固氮菌数量，同时改变这些微生物的群落结构，促进有利于SOC累积、固氮、植物生长的微生物类群生长，同时抑制了植物病原微生物类群的繁育。　　(3)通过在双季稻田生态系统为期四年的试验，研究了生物质炭添加对双季稻田CH4排放的影响。结果发现，施用生物质炭可连续四年较为稳定地显著减少20％～51％的CH4排放和其CO2当量(CO2e)以及23％～52％的温室气体排放强度(GHGI)(p＜0.05)。CH4排放与土壤DOC、SMBC和土壤温度(p＜0.05)呈显著正相关，而与Eh值显著负相关(p＜0.001)。　　(4)通过在双季稻田生态系统为期四年的试验，研究了施用生物质炭后3～4年对产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度和群落组成结构的影响。结果发现，与CK处理相比，生物质炭处理能减少稻田土壤产甲烷菌丰度，水稻分蘖期产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度与CH4排放量正相关(p＜0.001)。生物质炭处理能改变分蘖期和成熟期产甲烷菌的群落结构，以及分蘖期、成熟期和休闲季TypeⅠ型甲烷氧化菌群落结构。Mantel检验表明，水稻分蘖期CH4排放变化与产甲烷菌群落结构和TypeⅠ型甲烷氧化菌群落结构变化显著相关(p＜0.05)。施用生物质炭能在水稻分蘖期相对促进产甲烷菌中能利用广泛基质的甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）生长，相对抑制喜好酸性和厌氧条件的Methanoregula和乙酸营养型的甲烷丝菌属（Methanosaeta）生长繁殖;在水稻成熟期可相对促进产甲烷菌中耐氧型的Methanocella的生长繁殖，相对抑制厌氧型的Methanoregula、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和甲烷丝菌属（Methanosaeta）的生长。在水稻季分蘖期、灌浆期和成熟期及休闲季相对抑制了甲烷氧化菌中以CH4为单一碳源和能源的甲基暖菌属（Methylocaldum）的生长，相对促进了喜好碱性条件的甲基微菌属（Methylomicrobium）的生长。说明施用生物质炭能在较长时间尺度减少CH4排放的主要原因是其能减少产甲烷菌丰度，同时改变产甲烷菌和TypeⅠ型甲烷氧化菌群落结构，促进能利用广泛基质、耐氧型的产甲烷菌和喜好碱性条件的甲烷氧化菌类群的生长繁殖，同时抑制了乙酸营养型、严格厌氧、喜好酸性的产甲烷菌和以CH4为单一碳源和能源的甲烷氧化菌类群的繁育。