秸秆生物炭对甘蔗氮素吸收利用的影响及其机制研究

Sugarcane is the most important sugar crop in China. Excessive application of nitrogen fertilizer has become one of the major limiting factors affecting the healthy development of sugarcane industry. Many studies have showed that biochar application has positive impacts on nitrogen use efficiency in poaceae crops, and specifically it could not only increase cane yield and promote sugar accumulation in sugarcane, but also increase N absorption for sugarcane and N accumulation in the soil, along with decreased N eluviations, but the mechanisms still remain unclear. The present proposal is going to carry out continuous field experiments and N isotope (15N) traced pot experiment in greenhouse to investigate the effects of straw biochar application on the factors related to nitrogen fertilizer uptake and utilization by sugarcane, including the fate of fertilized nitrogen, physiological nitrogen use efficiency, morphological and physiological traits of roots, enzyme activities for nitrogen metabolism, photosynthetic characteristics of leaves, and microbial community structure characteristics related to soil nitrogen cycle. The findings from this study would be used to illustrate the mechanisms of straw biochar application improving nitrogen fertilizer use efficiency in sugarcane, and provide references for application of straw biochar and improvement of fertilizer use efficiency in commercial sugarcane production.

甘蔗是我国最主要的糖料作物，氮肥的过量施用已经成为阻碍我国甘蔗产业健康发展的主要限制因子之一，目前，研究表明生物炭对提高禾本科作物氮素的吸收利用具有积极的作用，且生物炭在甘蔗应用上能提高产量、促进蔗糖积累，促进甘蔗对氮素的吸收，减少土壤中硝酸盐的淋洗流失，但其机制还不清楚。因此，本项目拟通过连续的大田试验和15N示踪标记温室桶栽试验，系统分析秸秆生物炭对甘蔗氮素吸收利用影响的相关因素，包括肥料氮去向、氮肥生理利用率、根系形态及生理特征、土壤中的氮素形态、C/N关系、氮代谢酶活性、叶片光合生理特性、土壤中与氮循环相关的微生物群落结构特征等的影响，揭示秸秆生物炭对甘蔗氮素吸收利用影响的机制，为秸秆生物炭在甘蔗生产上的应用及提高甘蔗氮肥利用效率提供理论依据。

本研究针对甘蔗氮肥施用带来的甘蔗生产成本居高不下和日益严重的环境污染等问题，为了阐明秸秆生物炭对甘蔗氮素利用的影响及提高甘蔗氮素利用的机理机制。通过开展连续4年的大田试验和15N示踪标记温室桶栽试验，系统分析秸秆生物炭对甘蔗氮素吸收利用影响的相关因素，包括肥料氮去向、氮肥生理利用率、根系形态及生理特征、土壤中的氮素形态、C/N关系、氮代谢酶活性、叶片光合生理特性、土壤中与氮循环相关的微生物群落结构特征等的影响，来解析蔗田土壤添加秸秆生物炭对甘蔗氮素吸收利用有何影响，蔗田土壤添加秸秆生物炭通过何种途径促进甘蔗氮素的吸收利用。.本研究结果发现：生物炭可以有效的降低蔗田土壤中肥料氮流失，提高氮肥利用率；施用秸秆生物炭可以改良蔗田土壤的理化性质，对提高甘蔗产量及蔗糖积累具有正效应；在土壤中添加木薯秸秆生物炭可以促进甘蔗根系的生长和甘蔗根系的吸收能力；生物炭对蔗田土壤和根际微生物群落种群密度具有明显的影响，降低了与氮代谢相关的微生物的物种数量，但对微生物群落结构多样性影响不大；施用秸秆生物炭可以促进甘蔗早期的光合作用，提高了甘蔗体内与氮素还原、同化和运输相关酶的活性。本研究表明，蔗田土壤使用秸秆生物炭可以促进甘蔗氮素的吸收利用，并且对甘蔗的产量和产糖量都有积极的效应；秸秆生物炭主要是通过调节土壤理化性质、提高根系的吸收能力、提高光合作用以及甘蔗甘蔗体内与氮素还原、同化和运输相关酶的活性来提高甘蔗氮素的吸收利用效率。阐明秸秆生物炭对甘蔗氮素利用的影响；从肥料氮去向、甘蔗甘蔗生物学特性、生理生态学特性综合揭示秸秆生物炭提高甘蔗氮素利用的机理机制，也为秸秆生物炭在甘蔗生产上的应用及提高甘蔗氮肥利用效率提供理论依据。.本项目累计发表文章6篇，其中SCI收录2篇，会议论文1篇；培养博士研究生1名，硕士研究生1名；获得发明专利1项，实用新型专利2项；团队成员晋升研究员1名，晋升副研究员3名。