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根际土壤是植物根周围的土壤微域环境，是物理、化学、生物特性上不同于原土体的特殊区域。根际活跃的有机组分可提高根际微生物活性，促使各种物质快速运转，根际也是氮(N)素转化的“热区”。研究根际微域环境内N的存在形态、转化规律及其微生物机理可以明确水稻吸收N的形态和数量，从而达到调控作物生长的目的。氮素对水稻的生长有重要的作用，是水稻产量的重要限制因子，水稻土是重要的人工湿地生态系统，供养着全球50％的人口，而中国是全球水稻产量最高的国家，氮肥施用量居世界第二，仅次于印度，而氮肥利用率普遍偏低。研究水稻根际氮转化规律及其机理对氮素循环、施肥管理及产量控制具有重要意义。本论文以中国南方典型水稻土为研究对象，采用根袋法结合温室模拟盆栽试验，主要研究内容有:(1)利用自制的装置研究水稻生育期根际/非根际甲烷和氧化亚氮等温室气体排放通量;(2)采用原位监测的方法研究了水稻生育期根际/非根际有机碳、有机氮、无机氮、铁含量动态变化及耦合关系;(3)采用荧光定量PCR(q-PCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)等分子生物学方法研究了水稻根际功能微生物氨氧化、反硝化、产甲烷和甲烷氧化微生物丰度特征及对外源氮素的响应;(4)研究了水稻根际微生物丰度及群落结构及对外源氮肥的响应;(5)采用原位荧光杂交、稳定同位素标记、q-PCR和16S rRNA克隆文库等方法证明了水稻根际厌氧氨氧化菌的分布、研究了根际厌氧氨氧化活性及对氮气损失的贡献。研究分析了水稻根际温室气体排放特征，揭示了生育期水稻根际/非根际碳、氮、铁含量动态变化及其耦合关系，探明了水稻生长关键期根际微生物丰度及其群落结构及对外源氮素的响应。最后，证明了水稻根际氧化还原区存在厌氧氨氧化菌，定量研究了厌氧氨氧化活性和对氮气损失的贡献，定量了厌氧氨氧化菌丰度，鉴定了厌氧氨氧化菌的种类。主要结果有:(i)在氮素受限的条件下，微生物生长受到抑制，根际微生物与根系存在强烈的养分竞争，根际微生物优先利用可利用氮源满足自身生长，水稻根系吸收利用氮素作为营养源，水稻对氮的竞争能力决定了微生物的生长。(ii)水稻根际CH4排放量高于非根际，根际产甲烷更值得关注，而根际能产生少量的N2O，且主要在水稻生育中期，添加氮肥后，CH4和N2O释放量均有所增加。(iii)随着水稻生长，水稻土中的铵态氮，有机氮逐渐减少，根际总氮、铵态氮、有机氮含量均低于非根际;水稻生长以铵为主要氮源，其次为有机氮。(iv)根际/非根际总氮、NH4+、总有机碳、Fe2+、Fe3+之间存在显著正相关关系，说明碳氮铁耦合作用可能是水稻生长的关键因子;(v)水稻生长后期氨氧化、反硝化、产甲烷微生物丰度高于生长前期，氮肥对根际反硝化微生物丰度没有影响。(vi)氮肥影响了水稻根际微生物丰度，改变了根际微生物群落结构，且对水稻根际微生物群落结构的影响主要在营养生长期。氮肥施用后，根际群落结构多样性并没有明显变化，非根际却显著提高。(vii)水稻根际存在厌氧氨氧化菌且具有较强的厌氧氨氧化活性，根际厌氧氨氧化损失的氮占其总损失量的31～41％，而非根际中只有大约2-3％的氮素是通过厌氧氨氧化过程损失，厌氧氨氧化过程是农业生态系统氮气损失的重要途径。