生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及N2O排放的影响

董成，陈智勇，谢迎新，张阳阳，缑培欣，杨家蘅，马冬云，王晨阳，郭天财

生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及N2O排放的影响

董成，陈智勇，谢迎新，张阳阳，缑培欣，杨家蘅，马冬云，王晨阳，郭天财

（河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心，郑州 450002）

【目的】研究连续添加生物炭6年后对农田土壤氮转化相关微生物功能基因的影响，揭示生物炭影响作物产量和N2O排放的微生物学机制，并为生物炭的推广使用提供理论依据。【方法】 通过在潮土农田设置0（BC0，对照)、2.25（BCL，低量）、6.75（BCM，中量）和11.25 t·hm-2（BCH，高量）4个秸秆生物炭量处理的田间定位试验，采用田间观测、化学分析、荧光定量PCR（qPCR）技术，系统研究施用生物炭对氧化亚氮（N2O）排放、氨单加氧酶（）、亚硝酸还原酶（K、S）、氧化亚氮还原酶（Z）基因丰度及夏玉米产量的影响。【结果】与对照BC0处理相比，施用生物炭可显著提高夏玉米籽粒产量，且BCM处理籽粒产量达到最大值10 811 kg·hm-2，显著降低夏玉米生育期N2O累积排放量，并以BCM处理减少N2O排放效果最优。研究还发现，在夏玉米多个生育时期，与对照比较，生物炭施用可以显著提高耕层土壤无机氮储量和土壤含水量。此外，随着生物炭施用量增加，土壤氨氧化古菌（AOA）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期均表现为先上升后下降趋势，且两个时期均以BCM处理最高，而氨氧化细菌（AOB）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期分别为BCH处理和BCM处理最高。与对照相比，中、高量生物炭施用（BCM、BCH处理）可显著提高夏玉米大喇叭口期和成熟期土壤反硝化作用功能相关基因（K、S、Z）拷贝数。相关性分析表明，夏玉米成熟期土壤N2O排放通量与土壤硝态氮、土壤含水量、AOA、AOB、K、S、Z呈显著负相关关系。【结论】施用生物炭通过增加土壤微生物氮转化功能基因丰度进而降低土壤N2O排放，通过增加土壤耕层无机氮储量和土壤水分含量进而提高作物产量，并以中等用量（6.75 t·hm-2）施用效果最优。

生物炭；农田；土壤微生物；氮转化功能基因；N2O排放；夏玉米

0 引言

【研究意义】生物炭具有含碳量高、比表面积较大、孔隙结构丰富、养分含量高、碳稳定性强等独特的理化性质[1-2]，使其近年来在固碳减排[3]、水土保持、减少养分流失[4]、提高作物产量[5]等方面具有良好的应用潜力，但生物炭施用对农田N2O排放和作物产量影响的具体微生物效应机制尚未明确。因此，开展多年连续添加生物炭对农田土壤氮转化微生物功能基因丰度、N2O排放及作物产量影响方面的研究，可为生物炭在农业方面的推广使用提供理论依据。【前人研究进展】施用生物炭对农田N2O排放影响的研究已成为近年来的研究热点，土壤硝化作用和反硝化作用作为农田N2O排放的主要途径[6]，但其研究机制存在较大争议，且这种争议主要集中在生物炭制备原材料、生产工艺及土壤类型等方面[7]。VERHOEVEN等[8]通过在14种不同类型土壤中施用9种不同材料得到的生物炭研究认为，生物炭施用可提高土壤pH和减少土壤N2O排放。然而，CLOUGH等[9]研究发现，施用木质生物炭对草地土壤N2O排放并无显著影响。更有研究者发现在燥红壤中施用生物炭后，也可显著促进土壤硝化作用，进而导致土壤N2O在短时间内集中排放[10]。另外，土壤硝化作用过程中氨氧化古菌（ammonia- oxidizing archaea，AOA）和氨氧化细菌（ammonia- oxidizing bacteria，AOB）的氨单加氧酶（）以及反硝化作用过程中对应的亚硝酸盐还原基因K、S和编码氧化亚氮还原酶的唯一基因Z基因[11-13]被广泛用作功能标志基因来研究土壤硝化及反硝化过程，成为近些年来的研究热点。王晓辉等[14]发现，土壤中加入生物炭后，AOA、AOB和K基因型反硝化细菌的基因丰度明显增加，但对S和Z基因丰度没有显著影响。WARNOCK等[15]研究表明，施用生物炭可减少土壤硝化细菌和反硝化细菌的有效可用氮源，进而起到减少N2O排放以及改变农田氮循环的效果。DUAN等[16]研究发现，新鲜生物炭可提高酸性土壤中KZII和碱性土壤中KZI，降低碱性土壤AOB基因丰度，从而有效减少N2O排放量，但老化生物炭则会对两种类型土壤硝化和反硝化作用均有显著的促进作用，且显著增加N2O排放。【本研究切入点】当前，施用生物炭对土壤氮转化微生物影响的研究也主要集中在与土壤碳、氮循环相关的几种功能微生物，且其对土壤N2O排放及作物产量影响的报道还存在争议，主要因为以往的研究多为短期的田间试验[17-19]或室内培养试验[20-23]。中性或偏碱性的潮土作为中国分布面积最广的农田土壤对全国粮食产量的贡献超过1/5，具有强烈的硝化作用[24]。然而，连续多年在潮土农田施用生物炭后是否改变土壤氮循环相关功能基因丰度及土壤速效氮性质，对土壤硝化作用和反硝化作用又会产生何种影响，且最终是否能对农田生态系统产生增产减排效果，这些问题仍没有明确答案。【拟解决的关键问题】本试验通过设立连续多年生物炭添加农田定位试验，以黄淮典型小麦-玉米轮作潮土农田为研究对象，分析连续添加生物炭处理6年后不同生物炭施用量下夏玉米产量、土壤N2O排放的具体差异，探究连续多年施用生物炭的增产减排潜力及其影响作物产量和N2O排放的微生物学机制，从而揭示长期连续施用生物炭对土壤氮循环微生物、N2O排放及作物生产的具体影响，为生物炭农用和土壤科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试物料

试验地位于河南省封丘县潘店乡中国科学院封丘农业生态实验站（35°00′N，114°24′E），该地处黄淮海平原中部，毗邻黄河，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，无霜期214 d左右，年平均降水量625 mm，年平均蒸发量1 860 mm。

土壤类型为潮土，2011年试验开始时初始土壤基本理化性质为有机质（OM）11.2 g·kg-1、全氮（TN）0.79 g·kg-1、速效磷（P）8.6 mg·kg-1、有效钾（K）92.1 mg·kg-1、pH为8.3（土水比1﹕2.5）。试验用生物炭为水稻秸秆在500℃条件下，以沼气为能源的炭化炉下热解自行制备[25]，其基本理化性质为全氮（TN）10.3 g·kg-1、全碳（TC）514.8 g·kg-1、有效磷（P）1.71 g·kg-1、速效钾（K）49.2 mg·kg-1、pH为10.5（炭水比1﹕10）。

1.2 试验设计与土壤样品采集

试验起始于2011年10月，至2018年9月已完成7个小麦/玉米轮作种植周期（10月至次年6月为小麦季，6—9月为玉米季）。由于当前生物炭在农田的施用量并无统一标准，通常情况下，我国小麦/玉米/水稻秸秆每公顷每季产量约为7.5 t，如将每季生产的秸秆在下季作物开始前全部炭化还田，按照秸秆炭化率30%计算得到的每公顷秸秆生物炭（500℃，4 h）量约为2.25 t[26]。因此，本研究从秸秆炭化还田的良性循环出发，围绕每季秸秆全部炭化后还田的量（2.25 t·hm-2）设置不施秸秆生物炭0（BC0，对照）、2.25 t·hm-2（秸秆全量炭化还田，BCL，低量）、6.75 t·hm-2（3倍秸秆全量炭化还田，BCM，中量）和11.25 t·hm-2（5倍秸秆全量炭化还田，BCH，高量）4个处理，小区面积4 m×4 m，重复3次，随机排列。各小区氮（N）、磷（P）、钾（K）肥施用情况分别为N 200 kg·hm-2（常规尿素，含量46%）、P2O5150 kg·hm-2（重过磷酸钙，44%）和K2O 90 kg·hm-2（硫酸钾，50%）。其中，磷、钾肥作为基肥在播种前一次性施用，氮肥分基肥和拔节肥两次施用，基肥和追肥比例为6﹕4。生物炭与基肥在每次种植作物前均匀撒施于小区内，使其与0—20 cm耕层土壤均匀混合。小麦播种期通常为每年10月10—15日，收获期为每年6月1—5日；玉米播种期通常为每年6月6—10日，收获期为每年9月13—25日。本研究主要为连续生物炭添加6年后的夏玉米季试验结果，夏玉米于2018年6月8日播种，2018年9月13日收获。其他田间栽培管理措施同当地一般农田。

土壤样品采用对角线5点取样法分别于2018年6—9月玉米全生育期每小区进行0—20 cm土层采集。同一小区处理新鲜土样均匀混合，过2 mm筛后，一部分于-80℃保存用于微生物DNA提取及测定，另一部分于4℃冰箱中保存用于土壤硝态氮和铵态氮含量的测定。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 土壤理化性质测定 新鲜土壤样品采用2 mol·L-1KCl溶液提取，土、溶液质量体积比为1﹕5，在摇床上振荡1 h，过滤后的提取液采用紫外分光光度计在双波长（220 nm，275 nm）下直接测定硝态氮浓度，采用靛酚蓝比色法在单波长（625 nm）下测定铵态氮浓度。鉴于土壤无机氮含量（土壤Nmin=硝态氮+铵态氮）可以有效表征土壤的供氮能力, 可作为推荐施氮的指标[27]，因此，本试验也采用土壤Nmin作为表征多年连续施用生物炭后土壤肥力的一项重要指标。

土壤含水量为采用重量烘干法测定，并根据已经测定的土壤容重指标将土壤重量含水量换算为土壤孔隙含水量[28-29]（water-filled pore space，WFPS）。

1.3.2 N2O气体收集 N2O气体通过密闭箱法（图1）

图1 田间土壤N2O取样装置

进行采集，在每季玉米播种前整地时，将直径为30 cm的圆形密闭气体采集箱底座放置于小区固定位置两行玉米之间。采样时间为上午8：00—10：00，在放上密闭箱的第0、15、30和45小时用注射器抽取密闭箱内气体，并利用提前备好的真空瓶自动采集气体后带回实验室进行N2O气体测定。采集气体的同时记录气温、土温及箱内气体温度。N2O气体用气相色谱仪（Agilent7890A，Agilent Technologies，USA）测定。N2O排放通量计算如下[30]：

F = ρ × H × ΔC/Δt × 273 / (273 + T)

式中，F为温室气体排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ为标准状态下N2O气体的密度（1.25 kg·m-3）；H为密闭箱高（m）；ΔC/Δt为单位时间内气体浓度变化量（μg·h-1）；T为密闭箱内平均温度（℃）。N2O季节累积排放量按照排放通量，由时间加权法计算得到。

1.3.3 土壤微生物总DNA提取和荧光定量PCR分析 采用MP Biomedicals公司FastDNA ®SPIN Kit for Soil试剂盒提取土壤总DNA。每个样品称取0.5 g的土壤到Lysing Matrix E Tube。按照FastDNA ®SPIN Kit for Soil试剂盒方法和步骤进行土壤总DNA提取。用核酸定量仪（NanoDrop2000）检测DNA的纯度和浓度，用浓度为1% 的琼脂糖凝胶电泳检测提取DNA的完整性。各功能基因的PCR循环条件如表1所示。

表1 荧光定量PCR引物及扩增条件

S代表碱基G或C；K代表碱基G或T；M代表碱基A或C；R代表碱基A或G

S: Base G or C; K: Base G or T; M: Base A or C; R: Base A or G

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0进行数据分析，不同处理间作物产量、土壤理化性质以及氨氧化古菌、细菌基因、亚硝酸盐还原菌（K、S）、氧化亚氮还原菌Z基因拷贝数采用 Duncan 新复极差法进行多重比较（＜0.05），并对不同生物炭处理下土壤N2O、NH4+、NO3-、WFPS与微生物基因丰度进行相关性分析（Pearson，Two-tailed）。采用Excel 2010和origin 2017对土壤微生物基因丰度进行作图。

2 结果

2.1 施用生物炭对玉米产量的影响

由图2可知，施用生物炭可显著提高夏玉米籽粒产量，其中，2018年度夏玉米季籽粒产量BCL、BCM和BCH生物炭处理籽粒产量分别较BC0增6.4%、17.9%、15.4%，其中，BCM处理达到最高值10 811 kg·hm-2，但BCM处理与BCH处理间无显著差异。此外，通过对各处理连续7年度（2011—2018）夏玉米季平均籽粒产量的影响比较发现，各生物炭处理也均显著高于对照BC0处理，但各生物炭处理间差异不显著。

2.2 施用生物炭对土壤无机氮含量的影响

由图3看出，各处理土壤无机氮（Nmin）含量整体变化趋势基本相同，均表现为在施肥后或者灌水（或降雨）后含量有所上升，且添加生物炭处理Nmin含量明显较未添加生物炭对照处理高。自2018年6月9日玉米播种至8月1日各处理Nmin含量波动均较大，7月25日（玉米大喇叭口期）施肥后土壤Nmin持续上升，施肥4 d后（7月29日）达到峰值，之后逐渐下降，8月20日（玉米灌浆期）降到最低值，之后趋于平缓。其中，在夏玉米成熟期（9月13日），BCL、BCM和BCH处理的土壤Nmin含量显著高于BC0处理，具体表现为BCH处理＞BCM处理＞BCL处理＞BC0处理。该结果表明，连续多年添加生物炭具有提高农田无机氮含量的效果。

2.3 施用生物炭对土壤N2O排放及含水量的影响

由图4可以看出，与土壤Nmin变化趋势相似，在整个玉米生育期土壤N2O排放通量变化趋势同样均表现为在施肥后或者灌水（或降雨）后含量有所上升，且在多数生育期生物炭处理土壤N2O排放通量显著低于对照BC0处理。在玉米大喇叭口追施氮肥时（7月25日）未添加生物炭对照BC0处理土壤N2O排放通量达到峰值456.45 μg·m-2·h-1，且显著高于生物炭处理。到夏玉米成熟期，与BC0相比，3个生物炭处理显著降低土壤N2O排放通量，并以BCM处理减少N2O排放幅度较大，具体表现为BC0处理＞BCL处理＞BCH处理＞BCM处理。该研究表明，生物炭施用具有降低土壤N2O排放的效果，但并非生物炭添加量越多效果越佳。

BC0、BCL、BCM、BCH分别代表对照、低量生物炭、中量生物炭和高量生物炭4种处理。相同年度不同处理图柱上不同字母表示处理间存在显著差异（P＜0.05）；柱形图顶部“±”代表标准误（n=3）。下同

实线箭头所指代表施肥时期，虚线箭头所指代表灌溉或降雨时期；同一取样时期同列不同小写字母表示不同处理在P＜0.05水平上差异显著。下同

由图4还可以看出，各处理土壤空隙含水量（WFPS）变化趋势基本一致，均在施肥灌水后（6月9日和7月27日）和有效降雨后（8月20日）先升高后逐渐降低，且在多数监测时期中量和高量生物炭处理（BCM和BCH）土壤WFPS显著高于对照BC0处理。

此外，从图5也可看出，不同处理在2018年整个夏玉米生育期和2011—2018年连续7个夏玉米季具有相似的土壤N2O累积排放规律，均表现为BCH、BCM处理显著低于BC0处理，但BCL与BC0处理间差异不显著。其中，在2018年玉米季，BCM和BCH处理土壤N2O累积排放量分别较BC0降低31.3%和16.9%，并以BCM处理降低幅度最大。该研究结果表明，长期连续施用生物炭具有降低农田土壤N2O排放的效果。

2.4 施用生物炭对土壤AOA和AOB基因丰度的影响

图6表明，土壤AOA基因拷贝数均显著高于AOB基因。对于土壤AOA基因而言，在夏玉米大喇叭口期和成熟期均表现为随生物炭施用量增加呈现先上升后下降的趋势，且在该两个生育期均以BCM处理基因拷贝数较高。对于土壤AOB基因，大喇叭口期AOB基因拷贝数则表现为随生物炭施用量的增加呈现持续上升趋势，其中BCM和BCH处理分别较BC0显著增加101.5%和421.2%。与土壤AOA变化趋势相似，成熟期土壤AOB基因拷贝数也随生物炭施用量增加呈现先上升后下降趋势，且BCM和BCH处理也显著高于BC0处理，并以BCM处理最高。

图4 不同生物炭处理土壤耕层（0—20 cm）N2O排放通量和水分含量动态变化

图5 不同处理玉米生育期N2O累积排放量

BS：大喇叭口期；MS：成熟期。下同

2.5 施用生物炭对土壤nirK、nirS和nosZ基因丰度的影响

图7表明，各处理土壤S基因拷贝数均远高于K和Z基因拷贝数，前者比后者高出1—3个数量级。土壤K基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期均表现为随着生物炭用量增加呈现先上升后下降的趋势，且在该两生育期均以BCM处理数值最高。

图7 生物炭对土壤nirK、nirS和nosZ基因丰度的影响

对于土壤S基因拷贝数，与BC0比较，大喇叭口期BCL、BCM和BCH处理分别显著增加33.9%、31.9%和62.0%，成熟期BCM和BCH处理分别显著提高40.4%和32.4%。而对于土壤Z基因，在夏玉米大喇叭口期和成熟期则表现出不同的变化规律，大喇叭口期，BCL、BCM和BCH处理土壤Z基因拷贝数分别较BC0显著增加25.3%、34.5%和127.5%；成熟期，土壤Z基因拷贝数随着生物炭施用量的增加则同样呈现先上升后下降的趋势，并以BCM处理数值最高。

2.6 土壤N2O排放与各氮循环相关功能基因丰度的相关性分析

对成熟期土壤理化性质、N2O排放与各功能基因丰度进行相关性分析，由表2可知，N2O排放通量与土壤硝态氮、土壤含水量、AOA呈显著负相关关系（＜0.05），与AOB、K、S、Z呈极显著负相关关系（＜0.01）。土壤铵态氮含量与其他理化指标和基因拷贝数均未达到显著性水平（＞0.05），土壤硝态氮含量与AOA和AOB呈现极显著正相关关系（＜0.01），与土壤K呈现显著正相关关系（＜0.05）；土壤空隙含水量（WFPS）与S、Z呈显著正相关关系（＜0.05）；土壤AOA与AOB和K呈现极显著正相关关系（＜0.01）；土壤AOB与K、S、Z呈极显著正相关关系（＜0.01）；土壤K与S呈极显著负相关（＜0.01），与Z显著负相关（＜0.05）；土壤S与Z呈显著负相关关系（＜0.05）。

表2 土壤性质、N2O排放与功能基因丰度的相关性分析

* 代表＜0.05，相关性显著；** 代表＜0.01，相关性极显著

*Represents a significant difference at the 0.05 level; **Represents a significant difference at the 0.01 level

3 讨论

3.1 施用生物炭对作物产量的影响

关于生物炭对作物产量的影响，国内外有不同报道，但总体上以正向效应居多。UZOMA等[36]研究发现，在砂质土壤中施用生物炭，可显著提高玉米产量，王江伟等[37]发现，施用生物炭能够提高稻麦籽粒产量11.4%—60.5%。本研究发现，连续施用生物炭6年后可显著提高潮土农田夏玉米籽粒产量，且以6.75 t·hm-2生物炭用量处理增产效果较好。此外，本研究还发现，在玉米成熟期，施用生物炭可显著提高土壤Nmin，表明连续施用秸秆炭可以提升土壤无机氮库。生物炭较大的比表面积和丰富的微孔结构可增强土壤保墒能力[38]。本研究发现，在多数取样时期，添加生物炭土壤含水量普遍显著高于未添加生物炭对照处理，表明施用生物炭具有提高土壤有效水含量的效果，可对作物生长产生积极影响。因此，本研究分析认为，长期连续添加生物炭提高土壤Nmin含量和土壤含水量可能是促进作物产量提高的主要因素。

3.2 施用生物炭对N2O排放与氮功能基因丰度的影响

目前，关于生物炭对土壤N2O排放影响的研究较多，但结果不一，且其作用机制各研究者的观点也不尽相同。有研究认为，在我国北方旱地土壤，硝化过程是N2O的主要来源且主导了N2O排放，反硝化作用产生的N2O较少[39-40]；而在菜地土壤中，施用生物炭可显著提高土壤pH和SOC，增加K和S基因丰度从而间接促进N2O排放，同时增加Z基因丰度直接促进N2O还原，综合效应表现为降低菜地土壤N2O排放[41]。关于AOA和AOB对土壤硝化作用影响N2O排放的贡献存在很大争议。有研究发现，当土壤AOA占据土壤硝化作用相关功能基因主导地位时，施用生物炭会抑制氨氧化作用[42]。Zhang等[43]研究发现，酸性土壤AOA主导N2O排放，而碱性土壤N2O则由AOB主导。Wu等[44]研究发现，新鲜生物炭和老化生物炭均可提高稻田土壤中AOA和AOB基因丰度，降低（SK）/Z比值，但对N2O的季节性排放没有明显的影响。本研究中，施用生物炭可显著提高潮土农田（碱性土壤）夏玉米成熟期AOA和AOB基因丰度，这一发现与前人研究结果一致[45]，但在本研究中施用生物炭可降低潮土农田N2O排放。相关分析也表明，土壤AOA和AOB基因丰度与N2O排放量呈显著负相关，说明在本试验中土壤AOA和AOB基因丰度的增加可能引起基因丰度的增加促进了土壤硝化作用的氨氧化过程，从而引起NO3-含量增加，最终导致N2O排放量降低。同时，土壤NO3-含量与AOA和AOB呈显著正相关，而与N2O排放呈显著负相关，也印证了本研究结果。但仅仅对比基因丰度的前后变化不足以说明氨氧化微生物对生物炭的响应机制，未来针对土壤中AOA和AOB群落结构变化，及其如何影响氨氧化过程仍需进一步研究。

贺超卉等[46]研究发现，向土壤中施用少量生物炭可促进N2O向N2的转化过程，增加S和Z反硝化基因丰度。WANG等[47]发现，土壤S和Z基因在控制N2O排放中起关键作用。HARTER等[48]研究表明，在中性和碱性土壤中N2O排放量主要受Z基因调控，而Z基因在反硝化作用中的主要功能是编码氧化亚氮还原酶，将N2O催化还原为N2，其基因丰度增加有助于促进反硝化作用过程，从而导致N2O排放量降低，这也部分解释了本文研究结果。与前人研究类似，在本研究发现，土壤N2O排放与KS、Z呈极显著负相关关系，施用生物炭可显著提高土壤Z基因丰度，进而导致N2O排放量降低。

综上所述，本研究通过长期定位试验发现，在黄淮潮土农田连续多年施用生物炭可以更好的吸附储存水分及无机氮素养分，为土壤微生物提供良好的栖息环境，进而提高土壤的硝化作用和反硝化作用，多因素协同作用最终降低土壤N2O排放量。然而，由于土壤微生物种类及群落结构的复杂性，不同类型土壤对生物炭的响应机制也不尽相同，关于生物炭如何调控土壤硝化反硝化相关微生物功能基因丰度来减少N2O排放仍需更深入研究。另外，截至目前，本生物炭长期定位试验已经进行接近8周年，而有关生物炭在研究地区土壤连续施用作物所能承受的饱和点（或阈值）仍未发现，今后仍需继续观测，生物炭施用达到阈值后对作物产量和温室气体减排的影响也是今后需要重点关注的方向。

4 结论

生物炭在保墒增产、养分储存以及N2O减排效应方面具有长期累积效应。土壤保墒能力和农田无机氮含量提高可能是施用生物炭促进夏玉米产量提高的主要原因。连续多年施用生物炭通过促进参与土壤N2O排放的硝化作用（AOA、AOB）和反硝化作用（Z）相关功能基因丰度的提高，改变了土壤氮素循环状况，进而起到降低潮土农田土壤N2O排放的效果，但过量施用生物炭（11.25 t·hm-2），土壤N2O排放量则略有增加。总体而言，中等生物炭用量（6.75 t·hm-2）对实现潮土农田夏玉米籽粒产量提高和土壤N2O减排效果最优。

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Effects of Successive Biochar Addition to Soil on Nitrogen Functional Microorganisms and Nitrous Oxide Emission

DONG Cheng, CHEN ZhiYong, XIE YingXin, ZHANG YangYang, GOU PeiXin, YANG JiaHeng, MA DongYun, WANG ChenYang, GUO TianCai

(College of Agronomy, Henan Agricultural University/National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou 450002)

【Objective】In recent years, the biochar has been widely concerned due to its some positive roles in soil improvement, agricultural production, and carbon sequestration and emission reduction. The purpose of this experiment was to reveal the microbiological mechanism of biochar on crop yield and nitrous oxide (N2O) emission and to provide a theoretical basis for extending application of biochar in agriculture.【Method】A fixed field experiment with successive straw-based biochar amended at 0 (BC0, CK), 2.25 (BCL, low rate), 6.75 (BCM, medium rate), and 11.25 t·hm-2(BCH, high rate) was carried out in the typical farmland with fluvo-aquic soil in Huanghuai area of China. Effect of successive biochar addition after six year on nitrous oxide (N2O) emission, nitrogen (N) functional genes and grain yield of summer maize were studied by field observation, chemical analysis and real-time quantitative polymerase chain reaction (qPCR) in laboratory.【Result】Compared to BC0, biochar application significantly increased grain yield of summer maize with the maximum value (10 811 kg·hm-2) under BCM treatment, and also significantly reduced N2O emissions with the better performance for BCM during summer maize season. Compared with BC0, biochar application could significantly improve inorganic nitrogen storage and moisture content in topsoil. In addition, following biochar application rate, the soil AOA gene abundance increased first and then decreased with the highest gene copy number in BCM treatment at the bellmouth stage and maturity stage of summer maize, while the higher AOB gene abundance under BCH and BCM treatment presented respectively at the bellmouth stage and maturity stage of summer maize. Similar to nitrification function related genes (AOA and AOB), compared with BC0, the medium and high-rate biochar application (BCM, BCH) also significantly increased the copy number of denitrification function related genes (K,S,Z) at the bellmouth stage and maturity stage of summer maize. Correlation analysis indicated that the significantly negative correlation was found between N2O emissions, NO3-, moisture content (MO) and the expression of the AOA, AOB,K,S, andZ genes in topsoil at maturity of summer maize.【Conclusion】Successive biochar addition could reduce N2O emission by increasing the gene abundance of soil N transformation, and increase crop yield by improving inorganic nitrogen storage and moisture content in topsoil. Overall, the treatment with 6.75 t·hm-2biochar led to the best comprehensive performance in the study region.

biochar; farmland; soil microbial; N functional genes; N2O emission; summer maize

2019-12-17；

2020-02-16

国家科技支撑计划（2015BAD26B00）、国家重点研发计划（2018YFD0300707）、国家自然科学基金（41771338）

董成，E-mail：897591853@qq.com。通信作者谢迎新，E-mail：xieyingxin@henau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）