农业生物质炭输入对农田土壤有机碳固定的影响及其微生物学机制研究

The application of biochar to the cropland as an important measure to mitigate climate is research hotspot. Southern paddy soil and northern dry land in China was seclected as the object to study the changes in SOC's component, structural characteristics, distribution in soil and stability under biochar application to the cropland using the combine of field trial and incubation,experiment. With the modern biology and other measurement techniques (such as PCR-DGGE-high-throughput sequencing, PLFA, etc.), the aim is to investigate soil microbial community structure and activity, and further explore the relation of soil carbon dynamics and soil dominant functional microbial, and reveal the microbial mechanism of effect of biochar on SOC carbon sequestration. The study will provide a scientific basis for development of soil carbon sequestration theory and the accurate assessment of soil carbon sequestration potential under the condition of new technology applications.

农业生物质炭还田作为应对气候变化的重要措施是当前固碳减排研究的热点。本项目以南方稻田和北方旱地为研究对象，通过不同农业生物质来源的炭在农田中应用，采用大田试验和室内培养相结合的研究方法，研究生物质炭输入下土壤有机碳的组分、结构特性、分配与稳定性变化，采用现代生物学等测定技术（例如PCR-DGGE-高通量测序，PLFA等），研究生物质炭对土壤微生物群落结构及活性的影响，探讨土壤有机碳动态与土壤优势功能微生物的相互关系，揭示生物质炭施用对土壤碳固定影响的微生物学机制，以期为丰富土壤固碳理论和新固碳技术应用下土壤碳固定潜力的准确评估提供科学依据。

本项目以旱地土壤和稻田土壤为研究对象，通过田间观测和室内培养试验，研究了生物质炭施用下土壤碳库组成、土壤有机碳结构特征、稳定性及其土壤微生物群落结构的变化。主要结果如下：（1）生物质炭施用具有显著的温室气减排与有机质提升。对于旱地而言，施用生物质炭对土壤呼吸无显著影响，但单位作物生产的温室效应降低30%-50%，同时，表层土壤有机碳含量显著增加25%-35%。而稻田中施用可显著降低CH4排放24%-40%。（2）生物质炭施用降低土壤有机碳的分解。（3）生物质对有机碳稳定性有持续效应，并降低有机碳分解对水分和温度的敏感性。（4）从温度的影响来看，温度升高5℃条件下，生物质炭对温度敏感性系数降低幅度为36.45%~39.56%，但施炭量之间没有显著差异（p<0.05）。（5）生物炭促进土壤团聚体的形成，增加粗团聚体中芳香族化合物含量。从不同处理间不同团聚体粒组中的δ13C来看，生物质炭的施入对2000-200µm和200-20µm团聚体粒组有机碳δ13C值的降幅分别为3.66%、7.74%和2.53%、3.81%，且随着生物质炭施入量的增加而降低，而生物质炭施用对20-2µm、<2µm团聚体粒组有机碳δ13C值无显著影响。红外光谱测定表明酚羟基、多糖的相对含量分别减少了13.77%、35.68%和12.28%、7.47%；疏水性C/亲水性C比值增大。（6）生物质炭施用下显著降低真菌群落结构多样性及降解有机质功能菌的丰度。通过高通量分析发现，对于稻田土壤而言，与对照相比，在40t ha-1下细菌Actinobacteria 和Chlorobi的相对丰度分别降低了21%和35%，对真菌而言，Ascomycota 在施用生物质炭后由74.5%降低到66.3%。对于旱地而言，与对照相比，20t ha-1下Ascomycota的丰度无显著变化，而在40t ha-1下显著降低19%，具有分解有机质功能的细菌如 Gemmatimonadetes 和 Deltaproteobacteria 的丰富分别显著降低12% 和 31%。本研究结果表明生物质炭施用由于微生物多样性的改变而可能具有潜在积累土壤有机质的作用，这也从微生物角度揭示了生物质炭施用对土壤有机碳的固持生物学机制。