秸秆生物炭对宁夏引黄灌区灌淤土无机氮淋失的影响及作用机制

Given the potential feasibility of biochar in improving soil condition and reducing nitrogen leaching losses, with concern of the serious situation of nitrogen leaching loss in Ningxia irrigation region, and considering the need of effort in studying the mechanism on nitrogen leaching in soil system, this project will study the effect of biochar on inorganic nitrogen leaching losses in paddy field. The study is based on years of positioning experiment in Ningxia experimental base. By employing the acetylene inhibition and field cultivation method, we measure the nitrification rate and denitrification rate under the field conditions. Through systematically analyzing the changes of soil characteristics in anthropogenic-alluvial soil to added biochar and the connections between such response and the nitrification and denitrification of the soil, we attempt to identify the major factors and processes that influenced nitrogen transformation. And on this basis, we take soil aggregate as a breakthrough point, employing the methods of X-ray micro-CT, 15N isotopic pool dilution, organic matter physical packet technology and molecular biology (Real-time fluorescence PCR and DGGE, etc.) , to analyze the interaction of the nitrification and denitrification rate with N-related functional microbial communities, and try to reveal the key processes and mechanism involved. This study provides scientific evidence for further understanding of biochar influencing nitrogen cycle in soil system and it has great significance in the discussion about the feasibility of biochar in reducing the nitrogen leaching loss in the northwest irrigation region of China.

针对宁夏引黄灌区氮素淋失严重的现状，鉴于生物炭在改良土壤，减少氮素淋失方面的潜在可行性，结合生物炭影响氮素淋失机制尚不清楚的现实，本项目以宁夏引黄灌区稻田为研究对象，研究田间条件下添加生物炭对灌淤土无机氮淋失的影响。通过乙炔抑制法与田间原位培养法相结合，监测水稻不同生育时期硝化和反硝化作用，分析整土尺度下灌淤土系列土壤性状对外源生物炭的响应以及这些响应与土壤硝化和反硝化作用的关系，明确生物炭影响灌淤土氮素转化的主控因素和过程；在此基础上，以土壤团聚体为切入点，利用同步辐射微CT技术和图像处理方法、15N同位素稀释法以及分子生物学方法（实时荧光PCR和DGGE等），分析施用生物炭对土壤团聚体的影响，解析团聚体尺度下氮素硝化/反硝化潜势及其相关微生物的响应关系，进一步从团聚体尺度揭示生物炭影响灌淤土无机氮淋失的作用机制，为深入理解生物炭影响土壤生态系统氮素循环的相关机制提供支持。

生物炭在农业、环境、能源等领域有着广阔的应用前景，并可与土壤管理和碳封存相联系，因此被广泛用于农业研究中。本项目针对宁夏引黄灌区氮素淋失严重的现状，研究生物炭对灌淤土无机氮淋失的影响及作用机制。主要开展了以下3方面的研究：1）添加生物炭对稻田灌淤土无机氮淋失的影响；2）灌淤土系列土壤性状对外源生物炭的响应；3）影响灌淤土无机氮淋失的相关机制。主要研究结论如下：（1）通过田间试验，检测整土尺度下不同生物炭用量对土壤硝化和反硝化作用的影响，结果显示施用生物炭促进土壤氨氧化作用，增加了土壤硝化潜势；从淋失量来看，施用生物炭可以显著降低NO3−-N 和 NH4+-N淋失，且淋失量随生物炭用量增加而降低，降幅在8.03%～13.36%之间，其中分蘖期和拔节期是稻田NO3−-N 和 NH4+-N淋失的主要时期，占总淋失量的70%左右；（2）对土壤系列性状分析显示，施用生物炭显著提高土壤有机碳储量、土壤TOC、LOC和POC含量，降低了土壤MBC含量，并显著提高了引黄灌区稻田土壤碳库指数（CPMI）（P <0.05），LOC含量和土壤无机氮淋失相关；但是生物炭对碱解氮、速效磷、速效钾、pH并没有显著影响；另外，生物炭显著影响土壤微生物群落结构，明显降低了土壤革兰氏阴性细菌、细菌、真菌和总的磷脂脂肪酸含量。施用生物炭增加了土壤AOA amoA基因丰度，但是对AOB amoA没有显著影响。（3）施用生物炭对土壤团聚体影响显著，不施生物炭下，中团聚体（Z）百分比最大，而微（W）和小（X）团聚体百分比最低；在施加生物炭下，中团聚体百分比最大，其它三种粒级团聚体百分比均无显著差异（P>0.05），但中团聚体百分比随着生物炭施用量增加而下降的趋势，大团聚体（D）百分比随着生物炭施用量的增加而增加，微和小团聚体百分比在不同浓度生物炭施用下也有不同程度地增加。团聚体尺度下，添加生物炭未显著影响大团聚体和中团聚体土壤N2O浓度（P>0.05），但显著增加了小团聚体和微团聚体土壤下N2O浓度（P<0.05）。（4）AOA是所有处理中硝化作用的主要贡献者，其促进了氨氧化作用，增加了土壤中可利用无机氮，提高了水稻对氮素的吸收，降低了土壤NO3−-N含量，直接影响土壤NO3−-N 淋失，同时土壤NO3−-N含量的减少一定程度上抑制了反硝化作用，引起N2O排放降低。