生物质炭应用对稻田土壤地力提升的长期效应及其微生物学机制

Biochar amendment has great potential to improve soil fertility, but the long-term effects and microbial mechanisms of biochar amendment improving soil fertility are still needed to investigate in a rice cropping system, due to the aging of biochar. A typical double rice cropping system will be selected as our study subject at the Changsha Research Station for Agricultural & Environmental Monitoring of the Chinese Academy of Sciences. The proposal will: i) measure the long-term effects of straw-derived biochar on grain yield and nutrient use efficiency, and evaluate its application value in paddy fields; ii) measure the soil physicochemical properties, study the relationships between soil physicochemical properties, grain yields and nutrient use efficiency using the a number of multivariate statistical analyses such as structural equation modeling, random forest and redundancy analysis, and select the key physicochemical factors of biochar improving the soil fertility; iii) measure soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus contents, and microbial activity, abundance and community structure, systematically analyze the interactions among plant, soil and microorganisms by a number of multivariate statistical analyses such as indicator species and network analyses under different biochar application rates, and reveal the microbial mechanisms of biochar amendment improving soil fertility. The outcomes of the study will offer the fundamental theory and scientific basis of biochar application improving soil fertility.

生物质炭在提升土壤地力方面具有很大潜力，但由于土壤中的生物质炭会逐渐老化，因此其对稻田土壤地力的长期效应及微生物学机制仍需探索。本项目拟通过中科院长沙农业环境观测研究站的田间定位试验研究长期施用秸秆生物质炭对双季稻田产量和养分利用率的影响，并评估其潜在应用价值；通过测定稻田土壤理化性质，运用结构方程模型、随机森林和冗余分析等多元统计分析方法，研究土壤理化性质、水稻产量和养分利用率之间的关系，筛选出生物质炭施用条件下提升地力的关键土壤理化因子；通过测定土壤微生物量碳、氮、磷含量，以及微生物活性、丰度和群落组成结构，采用指示种分析和网络分析等多元统计分析方法，剖析不同生物质炭施用量条件下植物、土壤和微生物的相互反馈作用机理，揭示稻田施用生物质炭提升土壤地力的微生物驱动机制。本研究可为以提升土壤地力为目的的生物质炭大田应用提供理论基础和科学依据。

生物质炭在提升土壤地力方面具有很大潜力，但由于土壤中的生物质炭会逐渐老化，因此其对稻田土壤地力的长期效应及微生物学机制仍需探索。本项目以双季稻田田间定位试验为基础，连续系统地研究了施用生物质炭对双季稻田产量、养分利用率和土壤肥力属性的影响，并采用实时荧光定量PCR、扩增子和宏基因组测序等技术探索了施用生物质炭对稻田地力持续影响的微生物学机理。研究发现，生物质炭在施用后前五年分别增加4%~8%和4%~9%的年均产量和氮素利用率（NUE），但在第六年分别减少3%~10%、9%~13%和4%~13%的产量、NUE和磷素吸收量。生物质炭在施用后前四年显著增加6%~14%和11%~15%的年均土壤pH值和全氮含量，但其后续作用不显著。生物质炭在施用后六年分别显著增加了30%~56%和8%~11%的年均土壤总有机碳（TOC）和全磷含量，其增加量自第五年开始逐渐减少。土壤TOC、全氮和全磷含量的增加主要是生物质炭本身含有的养分、增加的水稻根茬生物量、微生物碳氮固定所导致，该效果随着生物质炭的老化而减弱。生物质炭施用后三至五年增加的TOC、全氮、全磷、碳氮比和水稻植株生物量可能增加了土壤细菌、古菌、真菌、固氮和固碳菌数量及真菌细菌比值。生物质炭施用增加了有利于土壤碳氮积累和植物促生类群微生物的相对丰度，减少了植物病原微生物类群的相对丰度。然而，可能由于第六年后生物质炭的老化过程降低了TOC含量（减少了原有孔隙结构）的提升幅度，生物质炭施用后第八年较对照处理显著减少了固氮微生物的相对丰度，显著增加了亚硝酸盐还原为氨过程微生物的相对丰度。上述结果表明，生物质炭施用后前五年能够通过改善土壤属性来增加有利于土壤碳氮累积和植物生长的微生物，随后由于生物质炭的老化而增加了促进土壤氮损失的微生物类群，减少了固氮微生物类群，从而使土壤地力逐渐衰退。本研究可为以提升土壤地力为目的的生物质炭大田应用提供理论基础和科学依据。