生物碳对绿洲棉田土壤氮素转化与利用的影响及调控机制

耕地质量问题将是我国未来农业将面临的严峻挑战，增加农田土壤碳积累、提高氮肥利用率是持续提高作物产量，减少环境不利影响的必由之路。生物碳是一种含碳量高且更为稳定的有机碳，不仅可以增加土壤碳储量，还可以提高土壤肥力和生产力，被认为是农业应对气候变化的增产增汇减排的双赢途径。研究表明生物碳对土壤氮素循环具有潜在的调控能力，生物碳能够吸附NH3，增强土壤的NH4+固持作用，影响土壤氮素的硝化/反硝化速率，减少土壤氮素的气态损失和硝态氮淋洗。但是，目前对于生物碳影响土壤氮素转化的机理以及生物碳如何影响植物氮素吸收利用的认识还严重不足。本研究依托新疆绿洲农田丰富的棉花秸秆资源，阐明棉秆生物碳对绿洲农田土壤氮素转化的影响，揭示生物碳对土壤氮素转化的调控机制，尤其是硝化和反硝化的化学和生物学机理；探明生物碳处理棉田氮肥的主要去向。为增加新疆绿洲农田土壤有机碳储量，提高氮肥利用率提供理论依据。

土壤有机碳是耕地土壤质量和功能的核心。提高土壤有机碳储量和氮肥利用率是增加作物产量、改善品质，实现农田提质增效的重要手段。将农业废弃物（如秸秆）制成生物碳作为土壤改良剂提高土壤肥力、增加作物产量是当前国内外研究的热点。本研究旨在探明生物碳对新疆绿洲农田灰漠土有机碳积累和氮素转化的调控机制，揭示生物碳处理棉田氮肥的主要去向，阐明生物碳对滴灌棉花养分吸收和产量的影响，为增加新疆绿洲农田土壤有机碳储量，提高氮肥利用率提供理论依据。结果表明：施用生物碳显著提高土壤总有机碳和稳定态有机碳含量，土壤易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳也均有不同程度增加。不施氮肥时，施用生物碳对土壤氮素含量没有影响；在中氮、高氮水平下，施用生物碳显著增加土壤铵态氮、硝态氮以及全氮含量。施用棉花秸秆和生物碳都促进了土壤氮素矿化，但秸秆的促进作用要显著高于生物碳。施用棉花秸秆和生物碳可以促进棉花生长，提高棉花产量和氮肥利用率。不施氮肥时，棉花秸秆和生物碳处理的棉花产量差异不显著；而在中氮和高氮水平下，生物碳处理的棉花产量和氮肥利用率均显著高于秸秆。15N标记试验结果表明施用生物碳棉花15N利用率提高24.2%-47.4%；土壤15N残留率增加85.8%-270%；15N淋洗损失率减少25.5%-56.0%。施用棉花秸秆和生物碳都可以显著减少土壤氨挥发积累量，但二者的氨挥发动态存在明显差异。不施氮肥条件下，棉花秸秆和生物碳处理土壤氨挥发较对照分别降低38-40%和42-46%；而在施氮肥条件下，分别降低30-39%和43-54%。表明生物碳有利于降低滴灌棉田土壤氨挥发，尤其是在施氮肥条件下。施用生物碳显著增加棉花根重，尤其是耕层0-20 cm土层根重。不施磷肥条件下，生物碳处理棉花平均根长密度较对照增加26.80%-37.86%；但在施磷肥条件下，生物碳对棉花平均根长密度影响不显著。施用生物碳2.25 t/ hm2对土壤微生物量（C、N）、基础呼吸以及微生物群落结构影响不大；而施用生物碳4.5 t/ hm2土壤微生物量（C、N）、基础呼吸显著增加，土壤微生物群落组成也发生了明显变化。两个生物碳用量处理（2.25、4.5 t/ hm2）均明显提高了微生物群落的功能多样性。施用生物碳增加了土壤细菌丰度，改变了细菌群落在门和属水平的种群构成，细菌群落多样性显著增加。