生物炭长期施用对农田和林地土壤N2O排放的效应及其机制研究

Biochar is considered as a potential strategy for mitigating soil N2O emission. However, the responses and mechanisms of soil N2O emission to long-term biochar application are still elusive. Based on the in-situ observation, this study will determine the impact of biochar on soil N2O emission after a 7-year consecutive biochar application to a farmland and a forestry land. Then, the 15-N2O labeling isotope technique will be adopted to elucidate the production and consumption processes of soil N2O. Finally, using the methods of real-time fluorescence quantitative PCR and high-throughput sequencing, the impact of biochar on the N2O functional microbial abundance and structure will be investigated from the gene transcription level. This study is expected to link N2O pathways and functional microbial activities to N2O emission as affected by biochar, and provide scientific basis for soil N2O mitigation.

生物炭被认为是降低土壤N2O排放的有效措施，然而生物炭的长期效应及其影响机制尚不清晰，制约了生物炭在减排方面的科学使用。项目将依托农田及人工林地的生物炭长期定位试验，明确生物炭在长期连续添加后（7年）对土壤N2O排放的表观效应；采用15N-N2O稳定性同位素标记技术，研究生物炭对土壤N2O的产生和还原内在过程的影响；从基因转录水平，运用实时荧光定量PCR技术和高通量测序技术，阐明生物炭对N2O功能微生物丰度及群落结构的影响。本项目的开展将对生物炭降低土壤N2O排放提供科学依据和理论指导。

生物炭被认为是降低土壤N2O排放的有效措施，然而生物炭的影响机制尚不清晰，制约了生物炭在减排方面科学使用。为有效发挥生物炭策略降低土壤N2O排放，本研究相继开展了生物炭对土壤N2O产生和还原内在过程的影响及机制研究；生物炭对土壤N2O排放机制的数据整合分析；生物炭对土壤N2O排放机制的空间变异研究。主要研究结果如下：.（1）基于生物炭长期施用的土壤培养试验，生物炭对砂姜黑土（pH近中性，中高肥力）总N2O排放无显著影响，而对红壤（pH酸性，低肥力）总N2O排放显著增加了6.4倍。对于砂姜黑土，硝化途径N2O的排放速率在生物炭添加下略有升高的趋势，增幅为30%，反硝化途径N2O的排放速率不受生物炭显著影响，由于在砂姜黑土中，反硝化途径占据了重要的比例（70%～80%），因此，尽管硝化途径N2O排放略有增加，但并没有显著影响总体的N2O排放速率。对于红壤，生物炭对于硝化途径N2O产生速率以及反硝化途径N2O产生速率均显著增加，且前者增幅（39倍）远远高于后者（1.7倍）。由于红壤中硝化途径是总N2O排放的主要贡献者（91%～99%），因此，生物炭对红壤总N2O的增加作用主要取决于其对硝化途径N2O的增加。生物炭在红壤中对N2O表现出显著还原作用，但由于红壤中反硝化速率总体的增加，其反硝化途径N2O仍有所增加。生物炭总体上增加了硝化菌以及反硝化菌，且增幅在红壤中表现更明显。.（2）基于大数据整合分析，生物炭总体上对土壤硝化速率、氨氧化细菌(AOB amoA)丰度、反硝化速率、亚硝酸还原菌nirK丰度、nirS丰度、N2/(N2+N2O)、N2产生以及N2O还原菌nosZ丰度均显著增加，增幅分别为55%，41%，12%，20%，26%，12%，20%，26%。总体上，生物炭在酸性低肥力土壤中的效应更显著。.（3）基于机器学习模拟，生物炭对N2O排放的效应表现出空间变异。生物炭在温带地区比在热带和亚热带地区对土壤N2O具有更大的减排潜力。例如，生物炭在热带氧化土（Oxisols）和老成土（Ultisols）中对N2O的减排作用相对较弱，甚至有增加N2O的风险，主要源于生物炭对硝化过程N2O排放的增加作用。生物炭对温带黑土（Mollisols）以及干旱土（Aridisols）的硝化和反硝化速率影响较小，但由于其对N2O具有显著还原作用，因此，对总N2O具有一定的减排效果