摘要
集约化的作物种植方式导致的土壤耗损，降低了农业生态系统的土壤有机碳（SOC）含量和微生物多样性。施肥是影响土壤结构和SOC含量的重要因素，研究显示施加生物炭是增加土壤碳固持的重要途径。为了探讨生物炭和氮肥不同施用量下SOC不同固定途径的固碳效应及内在联系，本研究基于长期田间定位试验，以关中地区麦玉复种体系下农田土壤为对象，采取双因素试验设计，设置4个生物炭施用量：0、5000、10000、20000kg·hm-2（B0、B5、B10、B20）；2个氮肥水平：高氮240kgN·hm-2（NC）和低氮120kgN·hm-2（NH），共计8个处理。利用干筛、红外光谱和高通量测序技术研究生物炭与氮肥对土壤团聚体分布和稳定性、不同粒级土壤团聚体（＞2mm、0.25~2mm和＜0.25mm）中不同活性碳氮组分及有机碳化学结构和微生物群落的影响，并结合其他土壤性质，进一步分析团聚体的物理保护作用和碳氮组分与微生物群落之间的关联，主要研究结果如下： （1）施加生物炭能显著增加土壤团聚体稳定性（P＜0.05）。与不施生物炭相比，施加生物炭显著提高＞2mm粒级机械稳定性团聚体和＞0.25mm粒级水稳性团聚体含量（P＜0.05），且这种效应随施用量的增加而提升。高生物炭施用量（B10和B20）能显著提高土壤平均重量直径（MWD）。无论是干筛还是湿筛，同等生物炭施用水平下，NH处理的MWD均显著高于NC处理。 （2）施加生物炭能显著提高全土和各粒级团聚体中有机碳和全氮（TN）含量（P＜0.05），且这种效应随施用量的增加而显著提升。与不施生物炭相比，施加生物炭能提高SOC含量9.32%~19.34%以及TN含量7.35%~10.02%。同等生物炭施用水平下，NC处理的SOC和TN含量分别比NH处理平均高4.41%和1.53%。从各组分变化来看，施加生物炭后，易氧化有机碳（ROC）和可溶性有机碳（DOC）含量增加，而土壤微生物生物量碳（MBC）含量呈现下降趋势。相反的是，NH处理的MBC、DOC含量更高。且微团聚体的SOC、ROC、DOC和TN含量显著高于大团聚体，MBC含量显著低于大团聚体。 （3）生物炭和氮肥处理下全土和各粒级团聚体的红外光谱特征峰主要在1030（多糖C—O）、1433（芳香族C=C）、1635（芳香族的酰胺C=O）、3421（醇酚—OH）、3620cm-1（自由—OH）处。与不施生物炭相比，施加生物炭可以提高多糖C—O、酰胺C=O、醇酚—OH和自由—OH相对强度，降低芳香族C=C相对强度。0.25~2mm粒级团聚体中酰胺C=O、醇酚—OH和自由—OH的相对强度低于其他两个粒级，微团聚体中的芳香族C=C相对强度低于大团聚体。施加生物炭后全土和各粒级团聚体的SOC结构稳定性下降；NH处理下的全土和各粒级团聚体的SOC结构稳定性显著高于NC处理。 （4）生物炭、氮肥和土壤团聚体均显著影响土壤微生物群落的多样性（P＜0.05）。与B0处理相比，B10处理可以显著提高微生物群落的Simpsoneven指数和真菌群落的Shannon指数；NH处理相较于NC处理可以显著提高土壤微生物群落的丰富度；微团聚体土壤微生物的Chao、ACE指数高于大团聚体。施加生物炭能够改变各粒级团聚体在门水平上的微生物群落组成，显著提高各粒级团聚体中的厚壁菌门、芽单胞菌门和被孢霉门的相对丰度，降低0.25~2mm粒级团聚体中放线菌门和壶菌门的相对丰度，降低＜0.25mm粒级团聚体中子囊菌门的相对丰度。同等生物炭施用水平下，NH下各处理的拟杆菌门的相对丰度显著高于NC，而壶菌门的相对丰度显著低于NC。随着团聚体粒级的增大，放线菌门、变形菌门、拟杆菌门和子囊菌门相对丰度逐渐降低，而酸杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门和被孢霉门的相对丰度升高。B5NH和B20NH处理可以增强细菌间的连通性和相互作用强度；大团聚体的细菌群落更复杂，而微团聚体的真菌群落更为复杂。微生物群落结构与MBC、DOC、TN、DON含量呈显著正相关。 综上，本研究结果表明关中地区麦玉复种体系下农田土壤对生物炭和氮肥的响应主要是由团聚体、碳组分稳定性和微生物的相互作用决定。而在不同施氮量下，主要调节因子存在差异：高施氮量下生物炭施用量主要通过影响微生物群落而最终改变了SOC含量，而低施氮量下生物炭施用量主要通过影响碳组分而最终改变了SOC含量。
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