生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及NzO排放的影响

     【研究意义】生物炭具有含碳量高、比表面积较大、孔隙结构丰富、养分含量高、碳稳定性强等独特的理化性质，使其近年来在固碳减排、水土保持、减少养分流失、提高作物产量等方面具有良好的应用潜力，但生物炭施用对农田 N₂O 排放和作物产量影响的具体微生物效应机制尚未明确。因此，开展多年连续添加生物炭对农田土壤氮转化微生物功能基因丰度、N₂O 排放及作物产量影响方面的研究，可为生物炭在农业方面的推广使用提供理论依据。
     【前人研究进展】施用生物炭对农田 N₂O 排放影响的研究已成为近年来的研究热点，土壤硝化作用和反硝化作用作为农田 N₂O 排放的主要途径，但其研究机制存在较大争议，且这种争议主要集中在生物炭制备原材料、生产工艺及土壤类型等方面。VERHOEVEN 等通过在14种不同类型土壤中施用9种不同材料得到的生物炭研究认为，生物炭施用可提高土壤 pH 和减少土壤N₂O 排放。然而，CLOUGH 等研究发现，施用木质生物炭对草地土壤 N₂O 排放并无显著影响。更有研究者发现在燥红壤中施用生物炭后，也可显著促进土壤硝化作用，进而导致土壤 N₂O 在短时间内集中排放。另外，土壤硝化作用过程中氨氧化古菌（ammonia- oxidizing  archaea，AOA）和氨氧化细菌（ammonia- oxidizing  bacteria，AOB）的氨单加氧酶（amoA）以及反硝化作用过程中对应的亚硝酸盐还原基因 nirK、nirS 和编码氧化亚氮还原酶的唯一基因 nosZ 基因被广泛用作功能标志基因来研究土壤硝化及反硝化过程，成为近些年来的研究热点。王晓辉等发现，土壤中加入生物炭后，AOA、AOB 和 nirK 基因型反硝化细菌的基因丰度明显增加，但对 nirS 和 nosZ 基因丰度没有显著影响。WARNOCK 等研究表明，施用生物炭可减少土壤硝化细菌和反硝化细菌的有效可用氮源，进而起到减少 N₂O 排放以及改变农田氮循环的效果。DUAN 等研究发现，新鲜生物炭可提高酸性土壤中 nirK、nosZII 和碱性土壤中 nirK、nosZI，降低碱性土壤 AOB 基因丰度，从而有效减少 N₂O 排放量，但老化生物炭则会对两种类型土壤硝化和反硝化作用均有显著的促进作用，且显著增加 N₂O 排放。
    【本研究切入点】当前，施用生物炭对土壤氮转化微生物影响的研究也主要集中在与土壤碳、氮循环相关的几种功能微生物，且其对土壤 N 2 O 排放及作物产量影响的报道还存在争议，主要因为以往的研究多为短期的田间试验或室内培养试验。中性或偏碱性的潮土作为中国分布面积最广的农田土壤对全国粮食产量的贡献超过 1/5，具有强烈的硝化作用。然而，连续多年在潮土农田施用生物炭后是否改变土壤氮循环相关功能基因丰度及土壤速效氮性质，对土壤硝化作用和反硝化作用又会产生何种影响，且最终是否能对农田生态系统产生增产减排效果，这些问题仍没有明确答案。
     【拟解决的关键问题】本试验通过设立连续多年生物炭添加农田定位试验，以黄淮典型小麦-玉米轮作潮土农田为研究对象，分析连续添加生物炭处理 6 年后不同生物炭施用量下夏玉米产量、土壤N₂O排放的具体差异，探究连续多年施用生物炭的增产减排潜力及其影响作物产量和N₂O排放的微生物学机制，从而揭示长期连续施用生物炭对土壤氮循环微生物、N₂O 排放及作物生产的具体影响，为生物炭农用和土壤科学管理提供依据。

 结论  
       生物炭在保墒增产、养分储存以及N₂O减排效应方面具有长期累积效应。土壤保墒能力和农田无机氮含量提高可能是施用生物炭促进夏玉米产量提高的主要原因。连续多年施用生物炭通过促进参与土壤 N₂O排放的硝化作用（AOA、AOB）和反硝化作用（nosZ）相关功能基因丰度的提高，改变了土壤氮素循环状况，进而起到降低潮土农田土壤 N₂O排放的效果，但过量施用生物炭（11.25 t·hm^-2 ），土壤 N₂O 排放量则略有增加。总体而言，中等生物炭用量（6.75 t·hm^-2）对实现潮土农田夏玉米籽粒产量提高和土壤N₂O减排效果最优。