【摘 要】
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稻田是我国农业生态系统的重要组成部分,为我国的粮食安全生产提供了重要保障。为维持稻田高产,化肥的施用量大幅增加,但我国氮肥利用率较低,大量氮素损失到了环境中。稻田长期处于淹水状态,为厌氧氮转化提供了充足的条件。厌氧氮转化过程包括反硝化和厌氧氨氧化过程,两者均为在厌氧环境下经微生物作用将硝酸根转化为氮气（N2）,因此统称为脱氮过程,微生物介导的脱氮过程是稻田氮素损失的主要途径。秸秆生物炭具有改良土壤
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41771338;41807088;41807096）； 中国科学院青年创新促进会人才基金（Y201956）；
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稻田是我国农业生态系统的重要组成部分,为我国的粮食安全生产提供了重要保障。为维持稻田高产,化肥的施用量大幅增加,但我国氮肥利用率较低,大量氮素损失到了环境中。稻田长期处于淹水状态,为厌氧氮转化提供了充足的条件。厌氧氮转化过程包括反硝化和厌氧氨氧化过程,两者均为在厌氧环境下经微生物作用将硝酸根转化为氮气（N2）,因此统称为脱氮过程,微生物介导的脱氮过程是稻田氮素损失的主要途径。秸秆生物炭具有改良土壤、固碳减排等作用被广泛用作农田土壤改良剂。因其独特的性质,生物炭施入稻田后将改变氮转化相关微生物的活性及其生存环境,从而影响稻田土壤脱氮过程。因此本文以太湖流域长期秸秆炭化还田稻田为研究对象,通过室内氦气密闭培养试验及田间原位监测,利用膜进样质谱定量15N同位素标记技术及分子生物学技术研究了长期秸秆炭化还田(0BC:每季0 t hm-2;1BC:每季2.25 t hm-2;5BC:每季11.3 t hm-2;10BC:每季22.5 t hm-2)及直接还田处理(RST:每季22.5 t hm-2)下不同深度（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm）脱氮强度和主要影响因素,同时监测田间原位表层（0～10 cm）土壤-水系统净脱氮速率的动态变化及其影响因子,得到主要结论如下:1、各处理下稻田土壤不同土层反硝化潜势为（0.150±0.049）～（4.424±0.373）nmol Ng-1h-1,厌氧氨氧化潜势为0～（1.255±0.101）nmol Ng-1h-1。反硝化过程脱氮贡献率为39.65～100%。在垂直剖面上,反硝化潜势随土壤深度的增加逐渐降低,而厌氧氨氧化具有垂直分异特征;稻田脱氮损失仍以表层反硝化过程为主。高倍量生物炭的施加降低了反硝化和厌氧氨氧化速率,不同生物炭添加量处理下60～100 cm深层土壤的差异不显著。2、生物炭的施加改变了土壤剖面的理化性质及微生物功能基因丰度。hzs B拷贝数远低于nir K和nir S拷贝数;nir K和nir S拷贝数随土壤深度的增加逐渐降低,hzs B功能基因具有垂直分异特征;生物炭的施加增加了nir K和nir S功能基因丰度,降低了hzs B功能基因丰度。稻田脱氮过程与土壤环境因子和功能基因nir S和hzs B显著相关,但功能基因并非影响脱氮过程的关键限制因子。3、田面水中无溶解性N2的积累,溶解性N2O浓度峰值的出现与田间施肥有关;生物炭和秸秆的施加增加了田面水溶解性N2O浓度,生物炭剂量越大,溶解性N2O浓度越高;可溶性有机碳DOC含量是影响溶解性N2O含量的关键因子。高量生物炭通过土壤及水体硝态氮含量等降低了表层土壤-水系统的净脱氮速率。4、稻田土壤-水系统中净脱氮速率在时间尺度上呈现先降低后增加的趋势;净脱氮速率受到田面水和土壤的底物浓度的共同影响。稻田淹水期间累计脱氮损失量在31.2～44.6kg N hm-2之间,占到稻田施氮水平的13.03～18.56%,与不施用生物炭处理相比,1BC、5BC、10BC和RST处理平均减少了9.62%、12.22%、14.75%和29.8%的氮素损失。上述结果表明,稻田土壤剖面反硝化过程发生速率高于厌氧氨氧化发生速率,且表层土壤脱氮速率高于深层土壤,因此脱氮过程仍以表层土壤反硝化过程为主。反硝化过程产生的N2O会以溶解性气态氮在田面水中积累;高倍量生物炭的施加降低了稻田氮素损失量。
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