秸秆生物质炭对红壤水稻土氮素转化的影响及微生物学机制研究

Due to its distinct properties of carbon sequestration and nutrient retention, biochar has become a hot research topic in the field of soil environment in the world. So far, however, the effects and mechanisms of biochar amendment on N retention, transformation and its availability in red paddy soils are not sufficient and systematical enough yet. In this study, soil column is used to study the effect of rice straw-derived biochar addition on retention of ammonium (NH4+) and nitrate (NO3-) in red paddy soil. Through this research, can be clarified the feasibility of biochar amendment to reduce N loss in red paddy soils. In order to find out the effects of biochar on the availability of soil nitrogen, meanwhile, the interactions of biochar and nitrogen fertilization on plant and soil would be studied by fixed field experiment. To explore the way of nitrogen transformation, 15N natural abundance techniques would be used to identify the variation in abundances of stable nitrogen isotope in red paddy soils. Meanwhile, the effect of biochar on abundances of N-related functional microbial communities would be studied by real-time quantitative PCR, which can reveal the transformation mechanism of soil nitrogen by microorganisms. The result of our study can help provide the scientific basises for high yield, efficiently utilizing nitrogen and crop straw, and protect the eco-environment of the farmland.

生物质炭具有农田固碳和养分固持的独特性质，已成为当今世界土壤环境领域的研究热门。迄今为止，南方双季稻种植区有关生物质炭对红壤水稻土氮素固持转化及其有效性的影响与机理，还缺乏深入系统的研究。本项目拟以水稻秸秆生物质炭为供试材料、红壤水稻土为供试土壤，通过土柱淋溶模拟试验，分析秸秆生物质炭对土壤NH4+和NO3-吸附固持的影响，明确秸秆生物质炭阻控红壤水稻土氮素损失的可行性；通过田间定位试验，研究土壤氮素供应和植株氮素吸收对秸秆生物质炭施用的响应，阐明生物质炭与氮肥互作对红壤水稻土氮素有效性的影响及其后效；采用15N自然丰度法，分析秸秆生物质炭施用对土壤氮素转化的影响；采用荧光实时定量PCR等分子手段，研究秸秆生物质炭施用条件下土壤氮相关功能微生物群落组成和丰度的变化，揭示生物质炭影响土壤氮素转化的微生物学机制，从而为作物高产、氮肥和秸秆资源的高效利用、保护农田生态环境提供科学依据。

生物质炭对红壤水稻土氮素固持转化的影响与机理尚缺乏深入系统研究。本研究采用吸附试验、土柱淋溶模拟试验以及大田定位试验，研究秸秆生物质炭对NH4+和NO3-的固持转化及其生物有效性的影响。主要结果如下：.（1）生物质炭对不同浓度条件下溶液NH4+和NO3-均具有吸附能力，其平衡吸附量随着溶液浓度的增加而增加。线性Freundlich模型lnQe=1.0905lnCe-2.6882（R2=0.95）和lnQe=1.4086lnCe-0.3696（R2=0.99）可以分别较好地模拟生物质炭对溶液中NH4+和NO3-的吸附能力。.（2）生物质炭能够减少土壤NH4+和NO3-的淋溶。与对照相比，生物质炭添加比例为2%、4%、6%处理，土柱各层土壤NH4+淋失减小，最高达153.2%。添加生物质炭2%比例，能够减少土壤中NO3-淋失，最高达7.7%。添加生物质炭4%和6%比例的处理，土柱土壤中NO3-淋失增加，最高达36.5%。.（3）生物质炭的添加对土壤pH、有机质、有效磷、速效钾有极显著的影响。水稻土壤的pH值提高达6.79%，土壤速效钾含量提高7.11%～64.32%，土壤有机质含量提高9.54%～30.28%。添加生物质炭能够显著提高稻田土壤微生物量碳和微生物量氮含量，提高幅度为5.4%～89.6%，但在本研究条件下，生物质炭对稻田土壤氮循环相关的微生物功能基因AOA、AOB、narG、nirK、nosZ和nifH丰度的影响并不显著。.（4）新施生物质炭能够显著提高早稻和晚稻地上部生物量、氮磷钾养分吸收以及产量。氮肥配施生物质炭后水稻有效穗数降低0.76%～7.50%，但每穗粒数增加3.43%～18.60%，产量增加2.06%～10.38%。植株干物质、氮浓度和氮素积累量随生物质炭施用量的增加而增加，增加幅度分别为1.83%～14.87%、1.27%～9.43%和5.69%～25.48%。而生物质炭后效对早稻和晚稻地上部生物量和养分吸收无显著影响。.（5）稻田施用生物质炭显著降低稻田CH4排放，而氮肥的施用对CH4排放无显著性影响。在施氮条件下，生物质炭的施用能够显著增加N2O排放；而不施氮条件下，生物质炭却降低了N2O排放。