生物炭对养分冗余菜地土壤氮素的调控作用及其机理

Over fertilization was very popular in vegetable crops in China, which caused excessive nitrogen accumulated in soil, not only wasting the fertilizer resources, but also causing the soil quality deterioration such as soil acidification and environmental pollution through leaching and runoff. Biochar, pyrolysed by agricultural waste biomass, can improve soil quality when added to soil, and reuse the agricultural waste. Current researches had found that the application of biochar did affect the soil nutrient supply, but the underlying mechanisms of soil nitrogen processes were still unclear, thus it was difficult to conclude the contribution of biochar to crop production. In this study, dynamic process of absorb-release of nitrogen under biochar addition will be studied using vegetable soils from Taihu Lake area with biochar recycling and 15N tracing techniques, the response of soil ammonia oxidation microbial community to biochar application will be investigated using the PCR-DGGE and real-time PCR techniques, then the effects of biochar on vegetable yield, nitrogen uptake and nitrogen loss will be assessed. The results will clarify the mechanism of redundant N regulation by biochar, and provide scientific support for the utilization of biochar in vegetable fields.

为追求经济效益，菜农盲目大量投入化肥氮，造成大量冗余的氮残留在土壤中，不仅浪费化肥资源，还导致土壤质量下降和一系列环境问题。利用农业废弃生物质炭化（生物炭）还田，既能实现农业废弃物的再利用，也能达到改善土壤质量的目的。已有研究发现，生物炭还田会对土壤养分供应产生影响，但其如何调节土壤氮素的供应调节及其内在机制不清，因此难以解释其对产量贡献的不一致问题。本研究以太湖地区氮素冗余的菜地土壤为研究对象，基于生物炭的有效回收技术及15N示踪技术，探索生物炭对菜地土壤中氮素的固持与再释放过程，研究生物炭添加对土壤氮素转化过程的影响以及土壤氨氧化微生物对生物炭添加的响应，评价生物炭添加对提高菜地生态系统生产力、氮利用效率以及控制氮素损失的贡献，揭示生物炭对菜地系统氮素的调控作用及其机理，为生物炭在菜地系统的应用提供科学依据，促进菜地系统的可持续健康发展。

菜地生态系统受人类活动显著，化肥投入过量是该系统较为普遍的问题。在高投入、低利用率的多年累积下，菜地土壤矿质态冗余的现象十分普遍，且不少地区出现了显著的土壤酸化，严重影响作物的生长。另一方面，利用废弃生物质炭化（生物炭）还田已成为循环农业的发展趋势，了解生物炭进入土壤环境后对氮素转化以及供应的影响，是生物炭应用于农业生产从理论到实践的关键步骤。.基于此，本研究将秸秆制成的生物炭添加于氮素冗余的菜地土壤，研究生物炭对土壤固持冗余氮素并调控再释放的过程，并利用15N肥料示踪技术识别生物炭优先固持、释放的氮素来源，探明生物炭添加对菜地土壤氮转化过程的影响，评价生物炭添加对作物产量以及菜地生态系统氮素流失的作用，以期明确生物炭对土壤氮素的调控机理，从而提高氮肥利用率并缓解菜地冗余氮素的环境风险。.研究发现，生物炭添加能够增加土壤对化肥氮的持有量，而其本身固持的矿质态氮依然保持了生物有效性，能够随着土壤环境中硝态氮含量的降低，进行释放，以此满足作物生长对养分的需求。在连续耕作条件下，生物炭添加通过对土壤微生物碳氮含量以及对氨氧化细菌的丰度及多样性的提高，促进了土壤氮矿化以及硝化作用的发生，同时缓解了因为连续施用氮肥带来的土壤酸化，有效提高了作物的产量以及氮吸收量。.生物炭添加能对氮冗余土壤中矿质态氮含量变化做出的响应，具有调控菜地土壤氮素、改善土壤环境、实现废弃物循环利用等多重意义。本研究结果生物炭应用于菜地土壤实现农业可持续性发展提供科学支撑和理论依据。