由于化石燃料燃烧、土地利用方式改变以及森林锐减等人类活动的影响，大气二氧化碳浓度([CO2])不断升高，并对陆地生态系统以及人类社会的生产生活产生一系列广泛而深刻的影响，其中粮食安全首当其冲。作为光合作用的底物之一，大气[CO2]升高可以刺激作物的光合作用，提高作物生物量和粮食产量。但是，众多研究发现，不同作物以及同一作物不同品种对大气[CO2]升高的响应不尽相同。中日两国Free Air CO2Enrichment(FACE)试验站经过多年的选育研究，找到了高应答水稻品种;经与低应答水平品种比较，发现光合下调是抑制作物产量大幅增长的主要原因，进一步研究揭示植物C、N失调是光合下调的关键因素。简而言之，相对于低应答水稻品种，高应答水稻为应对大气[CO2]升高的刺激，能够从土壤中吸收更多的N素，以实现高产。当前围绕高、低应答水稻响应差异的地上部研究已经展开，并取得突破性进展，但是作为稻田生态系统重要组成部分的地下部还未进行研究。微生物是土壤生态系统养分循环的引擎，它们分解、转化有机无机物质为作物提供养分。因此，研究大气[CO2]升高背景下高应答水稻土壤微生物的响应和反馈将有助于人们全面认知高应答水稻的C、N协同和光合适应机制。此外，由于高应答水稻需要从土壤中带走更多的养分，土壤微生物的反馈信息也将有助于揭示高应答水稻种植下土壤地力的可持续性问题。基于此，依托中国FACE实验平台，选取高、低应答两个水稻品种，并设置不同大气[CO2]和氮肥处理，采用高通量测序技术系统研究了两个水稻品种土壤关键C、N循环功能微生物对于大气[CO2]升高的响应，试图从土壤微生物的角度解释水稻光合下调的作用机理，并探究高[CO2]条件下农作物增产的土壤生态可持续性，以期为构建适应未来气候条件下的高产稻田生态系统做出实际探索。　　主要研究结论如下:　　1、集约化、高强度的耕作制度对水稻土微生物群落产生了较大的环境选择压力，这可能来自于作物对于土壤养分的大量消耗，同时输入了大量的光合产物碳，造成了土壤元素比例失衡，提高了微生物的代谢成本。大气[CO2]升高对稻田土壤细菌群落结构和多样性以及优势物种组成均无显著影响，但是显著增加了土壤细菌的数量和物种间的交互性。分品种看，通过3年连续观察，大气[CO2]升高增大了两个作物品种向土壤中碳的输入。其中高应答水稻的碳输入更大，同时也吸收更多的N素，使得高应答水稻根际内可溶性C/N较低应答水稻品种显著提高。由于土壤碳氮有效性的变化，与对照[CO2]相比，只有高应答水稻根际土壤细菌的种间交互性增加。该现象说明高应答水稻下土壤微生物更加“积极”的参与养分的循环工作。与此同时，在对照[CO2]下，低应答水稻根际细菌系统发育水平的周转速率高于高应答，说明前者对土壤微生物的环境选择压力较小。但是低应答水稻的这种环境压力在大气[CO2]升高下增大，进而导致其细菌系统发育水平的周转速率降低，而高应答水稻细菌周转速率在两个[CO2]下无差异。　　2、在碳循环功能微生物研究方面，稻田土壤产甲烷微生物具有丰富的多样性。但是随着耕种年限的增加，产甲烷群落的多样性水平显著降低，优势物种的相对组成发生较大变化，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium和Methanocella和RC-Ⅰ的相对丰度下降，乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta的相对丰度显著提高。高、低水稻品种产甲烷微生物群落的差异主要体现在分子生态网络结构中，而在物种组成、多样性、群落结构方面无显著差异。大气[CO2]升高下高应答水稻根际土壤中产甲烷古菌的交互性增加，尤其是种间关系中负相关性的比重大幅提升，但是低应答水稻微生物物种间联系无显著变化。该结果暗示了大气[CO2]升高条件下高应答水稻根际内大量光合产物的输入，以及植物对氮素的大量消耗，增大了其微生物物种间的生态位竞争过程。但是，低应答水稻根际土壤产甲烷古菌种群交互关系无显著变化。此外，虽然紫色光合细菌数量在不同品种间和不同施氮水平间存在差异，但是大气[CO2]升高条件下却无差异。　　3、在氮循环功能微生物方面。稻田土壤固氮微生物具有丰度的多样性，在目水平，主要属于Rhizobiales、Rhodocyclales和Burkholderiales。高、低应答水稻土壤固氮微生物物种组成和群落结构具有显著差异，且高应答水稻维持更高的固氮微生物数量、物种优势度、组内群结构差异以及种间交互性。Rhizobiales和Rhodocyclales占据其分子生态网络中超过80％的生态位，主导了其土壤生物固氮过程。低应答水稻含有更高比例的稀少物种。大气[CO2]升高对固氮微生物群落结构和多样性无显著影响，但显著增加了稻田土壤固氮微生物的数量，且高应答水稻的增幅更大。与当前[CO2]对照相比，大气[CO2]升高增加了高应答水稻土壤固氮微生物物种分类水平的周转速率和物种间正交互性，即说明高应答水稻需要更多固氮微生物及其间的互作来满足自身生长所需的氮素需求。相比之下，低应答水稻土壤固氮微生物群落间交互对大气[CO2]升高的无响应。对大气[CO2]升高的无响应。对于氨氧化微生物，不同[CO2]浓度间和不同施氮水平间均存在差异，但是两个品种间并无差异。