黄土高原典型农田土壤N2O排放对生物质炭施用的响应机制

There have been increasing studies on application of biochar from crop residues to croplands as one of the effective countermeasures for enhancing soil C stock and reducing greenhouse gases emission as well as improving crop production in agriculture for the last 5 years.It plays an important role in dcreasing N2O emission from croplands.Studies on the mechanism of N2O emission process under biochar amendment are rarely reported.The abundance and community structure diversity of soil microbe may be changed with the change of soil physical and chemical properties,which influenced the process of N2O emission.Therefore,ammonia oxidizing bacteria(AOB) and archaea (AOA) as well as denitrifying bacteria were detected with real time PCR(qPCR) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) respectively, and some important bands retrieved from DGGE gel were sequenced for phylogenetic analysis, and combined laboratory analysis to give an insight into N2O emission process as affected by biochar amendment.Calculated and investigated the adjustment measures of N2O mitigation under biochar amendment.We anticipate this study can provide the scientific foundation and effective countermeasures for developing the low carbon and high efficiency agriculture in the dry highland of Loess Plateau.

近5年来，关于农田废弃物转化为生物质炭而作为农业增汇减排以及提高作物生产力的一种有效途径的研究迅猛发展。生物质炭在降低农田N2O排放方面有重要作用。而目前有关生物质炭在降低土壤N2O排放过程机理方面的研究很少。生物质炭施用在改变土壤理化性质的同时可能会导致土壤微生物群落结构及丰度的变化，从而影响N2O的排放过程。利用定量PCR和变性梯度凝胶电泳技术分析了氨氧化细菌、氨氧古菌以及反硝化细菌的基因丰度、群落结构多样性，并挑选重要DGGE条带进行克隆测序及系统发育分析，同时结合土壤理化性质、硝化和反硝化活性的变化研究不同用量的生物质炭施用下N2O的排放过程。估算生物质炭对旱作农田N2O的减排量，探讨塿土N2O减排的生物质炭调控措施。以期为旱作农田发展低碳高效农业提供有效措施和科学依据。

生物质炭在降低农田N2O排放方面有重要作用。本项目研究生物质炭施用下农田土壤N2O排放与土壤理化性质，氮循环功能性微生物（氨氧化细菌、氨氧化古菌、反硝化细菌）群落结构及基因丰度的关系。设置了不施肥对照（CK），施肥（F），施肥施用8 t ha-1的小麦秸秆（FS），施肥并施用8 t ha-1的生物质炭（FBlow），施肥并施用16 t ha-1（FBhigh）的生物质炭共计5个处理。分别于2013年10月小麦种植之前及2014年6月玉米种植之前施用4 t ha-1的小麦秸秆、生物质炭和8 t ha-1的生物质炭，进行了为期两年小麦-玉米-小麦-玉米四季轮作的田间试验，在后续的小麦-玉米轮作生长季（2014年10月-2015年10月）不再施用生物质炭。与施用8 t ha-1的秸秆相比，用量为16 t ha-1的生物质炭处理土壤有机碳含量、碳氮比、高活性有机碳含量分别增加了26.4%、30.8%和17.1%。与F处理相比，用量为8 t ha-1的生物质炭处理硝化活性显著降低了24.05%；对于反硝化过程，秸秆和生物质炭处理N2O的产生活性分别提高了224.7、238.2和200.8 mg kg-1 h-1，但是N2O的还原活性也分别提高了193.7、210.2和194.6 mg kg-1 h-1。田间原位监测到生物质炭施用显著降低了土壤N2O的排放，且与土壤容重、低活性土壤有机碳、土壤全氮及碳氮比呈显著负相关关系；但是与高活性有机碳、矿质态氮（铵态氮和硝态氮）含量呈显著正相关关系。生物质炭的施用增加了作物产量及土壤有机碳的固存速率，但是对土壤CO2排放没有显著性的影响。与施用8 t ha-1的秸秆处理相比，用量为8 t ha-1和16 t ha-1的生物质炭处理其综合增温潜势及单位产量的综合增温潜势分别降低了89.6%和108%，67.3%和60.6%。秸秆和生物质炭的施用增加了微生物生物量碳、氮。与F处理相比，用量为8 t ha-1和16 t ha-1生物质炭处理土壤脲酶活性分别增加了41.2和44.3%，AOB丰度分别显著下降了31.29%和35.15%，nirS基因丰度分别显著下降了25.47%和27.16%。而FBhigh处理AOA丰度分别显著下降了40.80%。通过土壤理化性质及功能性微生物度的变化共同揭示了生物质炭施用下降低N2O排放的作用机制。