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中国是主要的水稻产区，占全球水稻种植面积的20％左右。稻田土壤以厌氧环境为主，不仅有利于CH4的产生和排放，而且有利于土壤中N2O的产生与排放。CH4和N2O排放是造成土壤碳和氮素损失的重要途径。土壤微生物是驱动稻田土壤CH4和N2O排放的引擎，它们对土壤碳、氮的生物地球化学循环过程起重要的推动和调节作用。然而，施肥制度影响稻田土壤CH4和N2O排放的微生物驱动机理不清楚。本项研究以中国科学院桃源农业生态试验站水稻长期施肥定位试验为基础，重点采集了不施肥对照(CK)、单施氮肥(N)、氮磷配合(NP)、氮钾配合(NK)、氮磷钾配合(NPK)、稻草还田(C)和NPK加稻草还田(NPK+C)等7个处理的土壤样品，通过微生物分子生态学技术系统研究了水稻土中CH4和N2O产生、转化关键功能微生物种群组成结构和丰度演变与施肥制度以及与CH4和N2O排放能力的关系，进一步在mRNA水平上探讨了CH4和N2O产生、转化关键功能基因的表达组成变化和表达丰度对长期施肥制度的响应规律，从而揭示施肥制度影响稻田土壤CH4和N2O排放的微生物驱动机理。主要结果如下:
1)不同施肥模式对土壤CH4和N2O排放的影响不同，其中长期施氮促进了N2O排放，而磷肥的长期施用明显增加CH4排放，稻草还田既促进CH4排放也增加N2O释放。
2)长期施肥明显改变了含pmoA的甲烷氧化菌群落组成结构（DNA水平），但对含mcrA基因的产甲烷菌种群组成结构影响较小。相比之下，mcrA和pmoA基因的表达组成（mRNA水平）对施肥响应更加敏感，而且水稻分蘖和成熟期不同施肥处理的mcrA和pmoA基因的表达组成结构均呈现明显差异。
3)长期施肥明显提高了mcrA基因的丰度，但pmoA基因丰度变化与施肥处理和水稻生育时期有关。而mcrA和pmoA基因的表达丰度受施肥的影响明显不同于其种群丰度变化。其中长期氮肥施用明显降低了pmoA的表达丰度，但对mcrA无明显作用。长期磷肥施用显著提高了mcrA的表达丰度，但只提高成熟期土壤pmoA表达丰度。而长期钾肥和稻草还田均显著提高了mcrA和pmoA表达丰度。mcrA和pmoA基因的表达丰度与施肥制度的关系更加紧密，而且功能基因mcrA/pmoA转录子丰度比值与CH4排放量显著正相关。
4)不同施肥模式在一定程度上改变了含nirK基因的反硝化菌种群组成结构，但其表达组成结构式对施肥相应更敏感。含nosZ基因的反硝化菌种群组成和表达组成结构均受不同施肥模式的显著影响。
5)反硝化微生物的nirK和nosZ基因丰度和表达丰度均明显受长期施肥的影响。其中氮肥和稻草还田处理显著增加nirK基因丰度和表达丰度。然而，氮肥虽然显著提高了nosZ基因丰度，却对其表达丰度无显著影响。磷钾肥施用和稻草还田均能显著增加nosZ基因丰度和表达丰度。此外，反硝化基因表达丰度与施肥制度关系更加紧密，且nirK/nosZ基因转录子丰度比值与N2O排放量显著正相关。
6) mcrA、pmoA、nirK和pmoA基因表达组成结构与其群落组成结构明显不同，表明土壤中存在的功能微生物优势种群并不一定是起作用的主体，而发挥作用的活性功能种群有可能是土壤中存在的小丰度种群。
总之，长期磷肥施用促进土壤CH4排放，而氮肥显著提高了土壤N2O排放。稻草还田处理会增加土壤CH4和N2O排放。不同施肥模式不同程度地改变了土壤CH4和N2O产生、转化相关关键功能微生物种群组成结构、丰度（DNA水平）和表达种群组成结构及丰度（mRNA水平），尤其是功能微生物的表达活性，与土壤CH4和N2O排放关系更为紧密。不同施肥模式可能主要是通过改变相关功能微生物的表达活性调节土壤CH4和N2O的产生、转化，从而控制土壤CH4和N2O的排放量。