长期秸秆黑炭施用对稻麦轮作农田氨挥发影响机制研究

Substantial attention has been hitherto given to the application of biochar to cropland as an option of soil carbon sequestration and soil fertility improvement. The study of nitrogen (N)-use efficiency improvement and environmental risk mitigation is always an active field in Chinese agriculture. Research to date has also shown that biochar potentially has the ability to manipulate the rates of N cycling with virtually little attention paid to its effects on ammonia (NH3) volatilization. The objective of the project is therefore, to investigate NH3 volatilization and the related functional gene abundances (ureC、amoA) affected by long-term biochar amendment in Chinese typical arable soils with rice-wheat rotation systems through aerobic incubation、field plots and 15N microplots, combined with Draeger NH3-tubes and modern molecular technology. The results from this project will be helpful for understanding of the effects and mechanisms of N transformation influenced by biochar and providing more sights for better evaluation the application prospect of biochar as option of carbon sequestration and soil reclamation.

黑炭还田已成为改良土壤肥力、固碳减排的潜力措施之一。在当前我国农业提高氮肥利用率、降低氮肥损失和环境风险的背景下，研究黑炭还田土壤的氮素行为具有重要意义。氨（NH3）挥发是稻田土壤氮素损失的主要途径，黑炭具有诸多影响土壤NH3排放的特性，但目前关于长期黑炭还田土壤氨挥发过程及机理研究尚缺乏。本研究拟以已建设的稻田长期秸秆黑炭还田试验平台为研究对象，采用德尔格氨管监测-室内单因子控制试验的方法明确水旱转化下控制NH4+/NH3产排的关键因子；通过田间小区、15N微区及现代分子生物学技术，重点开展轮作条件下长期秸秆黑炭还田土壤NH3排放特征、相关功能微生物基因（脲酶基因ureC、硝化基因amoA等）多样性变化的研究，初步对长期黑炭还田土壤氨基氮肥的去向及环境效应进行评估，试图揭示黑炭对稻麦农田土壤NH3排放的影响及机制，对深入理解黑炭提高氮素利用率、改善土壤氮素循环具有重要的科学和现实意义。

黑炭施入势必会对土壤中氮素行为产生扰动。大量的研究已报道黑炭能够不同程度的改变农田土壤NH4+的氧化过程，必然会打破NH4+<=>NH3+H+的平衡，从而影响不同土壤NH3的排放。本项目结合已有的长期黑炭还田试验平台，开展长期施加黑炭还田下稻麦轮作系统NH3排放的季节特征及相关微生物机理。研究发现：长期稻秆生物炭施加显著降低稻麦轮作土壤氨累积挥发量，且以麦季降幅最为显著。其中稻季降低幅度6.11%~28.28%，麦季降低幅度为20.41%~49.60%；秸秆直接还田显著降低土壤氨挥发量的50.68%~51.89%。综合稻麦两季氨累积损失量发现，中量生物炭（11.25 t/hm2）施加对土壤氨挥发控制效果最佳。相关分析表明，生物炭施入后稻季土壤氨挥发主要与土壤及田面水NH4+-N浓度、土壤温度呈显著正相关线性关系，R2在0.470-0.675（p<0.05）；麦季土壤氨挥发主要与土壤pH、温度、脲酶活性呈显著相关线性关系，R2在0.677-0.755（p<0.05）。FTIR、XPS等表征分析表明，长期黑炭施加，在其老化过程中，经历了一系列的光氧化过程，含氧官能团增加有利于改良生物炭表面活性，该变化可能对NH4+产生更大的亲和能力，进而更大程度的抑制NH3挥发作用的进行。通过室内好气培养试验结合荧光定量PCR、IlluminaPE250测序技术，系统研究了秸秆长期炭化还田水稻土气体氨排放特征及脲酶微生物响应机制，指出长期秸秆炭化还田处理，特别是BC5和BC10增加脲酶反应的Km 值，降低酶对底物亲和能力，且富炭土壤脲酶活化能高于空白对照土壤约10.4 kJ mol-1,延缓了酶促反应过程中络合物的形成，增加了酶与底物反应的能级障碍，降低NH3产生速率和挥发损失。高通量结果分析表明长期生物炭施加显著降低脲酶微生物的香浓多样性指数。产气克雷伯氏菌可增强脲酶活化能，减少土壤NH3损失方面有主导作用。研究结果为全面评估黑炭对化肥氮去向提供数据支撑和制定黑炭介入下减少农田NH3挥发损失管理措施提供理论依据。