摘要
氮被喻为作物的“生命元素”，更是提升农业生产力的先决条件。在农业生产活动中，维持土壤氮素主要依赖化学氮肥的施入，过多、过频施氮会对多重环境要素造成恶劣影响。生物炭被认为是改良土壤性质、减少土壤氮素损失的潜在工具。但在实际应用中，生物炭会与土壤环境中的空气、水分、矿物颗粒及微生物等产生相互作用，引发“老化”。为明确生物炭进入土壤环境后的老化效应，探究不同环境条件对生物炭的老化作用及老化后的环境效应，需对不同老化生物炭展开对比研究。目前，关于生物炭对土壤环境的影响研究多以新鲜生物炭或单一老化方生物炭为主，关于不同老化生物炭对土壤氮动态的影响仍有待进一步研究。本研究以玉米秸秆生物炭为研究对象，通过人工加速模拟自然界中常见的老化过程，包括干湿循环（WBC）、冻融交替（FBC）、氧化老化（OBC）、矿化老化（KBC）及生物老化（MBC）五种过程，制备得到不同老化生物炭。结合灰分、pH测定、有机元素分析、扫描电镜观测（SEM-EDS）、比表面积及孔隙度表征、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱检测（XPS）等多元化表征手段，定性对比不同老化方式对原生物炭（BC）性质的影响。利用主成分分析法（PCA），建立来综合反映生物炭性质的新指数，定量表达不同老化方式的老化强度。然后开展生物炭还田实验，设置空白对照（C）、单施肥（F）、施肥并施加6种老化前后生物炭，共8种处理，动态监测夏玉米生长周期内各处理土壤不同氮素形态的变化，对比不同处理对土壤不同氮素形态及含量、NH3挥发及N2O释放的影响。在作物成熟期采集各处理根际土壤，利用高通量测序技术，探讨不同老化生物炭施用对土壤中细菌和真菌群落的影响。最后，结合冗余分析（RDA）、皮尔逊（Pearson）相关分析和结构方程模型（SEM）整合分析生物炭对土壤不同氮素形态、土壤微生物群落之间的相互作用机理，为生物炭的长期发展提供科学依据。主要研究结果如下： （1）通过生物炭老化试验得出，各老化过程均显著增加了BC的比表面积（SBET）和孔容（Vt），表现为：KBCgt;OBCgt;MBCgt;FBCgt;WBCgt;BC，老化生物炭的SBET和Vt分别是BC处理的2.77—18.26倍和1.07—4.55倍。但正是由于老化过程中产生的大量的介孔和微孔结构，降低了其平均孔径（Dp）。老化过程还降低了BC的灰分、pH值、碳元素含量（C%）及其稳定性，表现为：BCgt;WBCgt;FBCgt;MBCgt;KBCgt;OBC。但提升了极性（(O+N)/C）、亲水性（O/C）、氧元素含量（O%）及表面含氧基团数量，表现为：OBCgt;KBCgt;MBCgt;FBCgt;WBCgt;BC。通过PCA得到不同老化方式的老化强度排序为：OBCgt;KBCgt;MBCgt;WBCgt;FBC ，化学老化（OBC和KBC）对生物炭影响最大，生物老化（MBC）居中，物理老化（WBC和FBC）影响最弱。 （2）通过田间微区试验得出，与F相比，添加生物炭能够显著提高土壤温度、湿度及pH值，还显著增加了土壤TN和NO3--N含量，OBC和KBC处理提升效果最好，但对土壤NH4+-N的影响不显著。同时，添加生物炭显著降低了土壤NH3挥发和N2O释放量，老化后的生物炭仍具有对土壤NH3和N2O的减排效应。各处理土壤NH3累计挥发量表现为：F＞WBC＞FBC＞BC＞MBC＞KBC＞OBC＞C ，生物炭的施加减少了13.57%—29.50%的NH3挥发量（P＜0.05）。与BC相比，OBC和KBC分别减少了14.71%和9.38%的NH3挥发量（p＜0.05），MBC处理降低了3.38%（p＞0.05），而WBC和FBC处理分别增加了4.55%和2.72%（p＞0.05）。各处理N2O累计排放量表现为：F＞OBC＞KBC＞MBC＞FBC＞WBC＞BC＞C，生物炭施入减少了22.36%—40.43%的N2O排放量（p＜0.05）。与BC相比，OBC、KBC、MBC、FBC和WBC分别增加了30.34%、26.36%，19.96%、18.29%和10.92%的N2O累计排放量（p＜0.05）。 （3）通过细菌测序试验得出，添加生物炭提高了土壤细菌Shannon多样性（除KBC），各老化作用削弱了BC对细菌多样性的增益效果。同时，生物炭施入后提升了变形菌门、放线菌门、蓝细菌和硝化螺旋菌门等具有固氮能力菌门的相对丰度，降低了酸杆菌门、绿弯菌门等的相对丰度。与BC相比，FBC、OBC和MBC显著降低了变形菌门丰度， FBC、OBC和WBC显著降低了放线菌门丰度，但老化增加了酸杆菌门、蓝细菌的丰度。生物炭施入还增加了多数菌属的丰度，但显著降低了Subgroup 6的相对丰度。生物炭对土壤不同氮素形态、细菌群落有显著的直接和间接影响，通过RDA和Pearson分析可知，土壤温度、湿度、TN、NH4+-N、NO3--N含量与细菌多个多样性指数呈正相关性，而土壤NH3挥发和N2O排放与多样性指标间呈负相关性，N2O的负作用更强。变形菌门、放线菌门和蓝细菌与土壤TN、NH4+-N、NO3--N含量间呈显著正相关性（p＜0.05），变形菌门与N2O排放呈显著负相关性（p＜0.05），酸杆菌门与土壤pH二者呈极显著负相关性（p＜0.01）。 （4）通过真菌测序试验得出，生物炭对土壤真菌alpha多样性未有显著影响，但改变了真菌群落结构。生物炭施入增加了子囊菌门、担子菌门等的相对丰度，降低了不利菌群壶菌门的丰度值。与细菌不同，生物炭仅能对土壤真菌群落结构造成直接影响，通过RDA和Pearson分析得出，真菌多个多样性指标与土壤温度、湿度、TN、NH4+-N含量及N2O排放之间呈负相关性，表明土壤氮素含量增加会抑制真菌群落多样性并降低其均匀度。土壤子囊菌门、类原生动物门与土壤温度、NH4+-N、NO3--N含量间呈显著正相关性（p＜0.05），担子菌门与土壤pH值呈显著正相关性（p＜0.05），壶菌门与土壤NO3--N含量之间呈显著负相关（p＜0.05）。 综上，生物炭的老化效应会通过不同的机制改变生物炭的理化性质，进而对土壤不同氮素形态、气态氮释放、土壤微生物群落造成影响。通过对比不同的老化方式，发现化学老化过程对生物炭的性质及施用后对农田土壤氮动态、微生态的影响最为显著，生物老化作用居中，物理老化作用影响最弱。
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