【摘 要】
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农田土壤是温室气体氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）的主要排放源,减缓农田土壤主要温室气体排放在应对全球变暖中起着十分重要的作用。施用生物质炭是增加土壤固碳、提高土壤生产力及减少温室气体排放的重要措施,然而其作用机制和长期减排效果仍然未知。粮食作物在农业生产中占据核心地位,而水稻-小麦轮作（简称稻麦轮作）是中国代表性的作物轮作系统。因此,基于田间原位试验,在较长时间尺度上评价生物质炭的固碳减排潜力
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（No.41171238）农业生物质循环利用减缓稻田综合净温室效应潜力观测与评估； 公益性行业（农业）科研专项（No.201503106）“化肥面源污染农田综合治理技术方案”课题-气态损失过程阻控研究与集成示范；
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农田土壤是温室气体氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）的主要排放源,减缓农田土壤主要温室气体排放在应对全球变暖中起着十分重要的作用。施用生物质炭是增加土壤固碳、提高土壤生产力及减少温室气体排放的重要措施,然而其作用机制和长期减排效果仍然未知。粮食作物在农业生产中占据核心地位,而水稻-小麦轮作（简称稻麦轮作）是中国代表性的作物轮作系统。因此,基于田间原位试验,在较长时间尺度上评价生物质炭的固碳减排潜力,为生物质炭的合理施用和推广提供理论依据。本研究结合整合分析、田间原位观测和室内培养试验各种手段,揭示生物质炭对稻麦轮作系统N2O和CH4排放规律的影响及其影响机制,主要包括以下四个部分:（1）针对粮食作物的田间原位观测试验,通过文献整合分析方法研究生物质炭施用对作物产量、N2O和CH4排放以及单位产量N2O或CH4排放的影响,以期评估在粮食作物种植中施用生物质炭的增产减排潜力。（2）基于稻麦轮作系统的田间原位观测,在生物质炭施用3年后监测温室气体排放动态,设置包括两个氮肥水平（0,250 kg N ha-1）和三个生物质炭水平（0,20和40 t ha-1）共六个处理,通过田间试验探究氮肥及生物质炭对产量和土壤N2O和CH4排放的影响,同时评估净温室效应和温室气体强度,明确施用生物质炭的增产减排潜力和关键影响因素。（3）采用15N-18O双标记结合抑制剂法分析生物质炭对田间试验部分处理N2O产生路径（硝化微生物硝化、硝化细菌反硝化、异养反硝化和硝化耦合反硝化）的影响,以及氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）对氨氧化过程及其N2O产生的相对贡献,并根据N2O相关功能基因丰度明确生物质炭的长期减排机制。（4）测定田间土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌基因丰度,并采土进一步针对CH4氧化潜力进行培养试验,探究不同的无机氮形态和水平对土壤甲烷氧化潜力的影响,并评估生物质炭对土壤CH4相关功能基因丰度和CH4氧化潜力的影响,以及是否具有长期减排CH4的潜力。主要结果如下:1.文献整合分析结果表明,生物质炭增加作物产量9.4%,降低N2O和CH4排放分别为17.1%和8.9%,提高氮肥用量显著增加作物产量,且生物质炭在高施氮（＞100kg N ha-1）土壤中能更有效地增加产量,降低N2O排放。在一次性施入生物质炭后的观测期内均能有效增加产量、降低N2O排放,生物质炭在随后的生长季（除第一季）表现出更大的CH4减排潜力。高用量生物质炭（＞20 tha-1）在更大程度上降低单位产量N2O和CH4排放,分别为47.3%和71.8%。施用生物质炭具有长期的增产减排潜力。2.在连续三年的田间原位观测中,生物质炭在施用三年后仍显著降低稻麦轮作系统中温室气体N2O和CH4排放,平均为32.2%和18.3%,增加作物产量幅度为9.6%,增加土壤固碳速率达2.2倍。综合考虑温室气体排放、土壤固碳速率和作物产量,生物质炭处理降低净温室效应和温室气体强度分别为41.2%和46.7%。施用生物质炭能够在较长时间内通过固碳和降低温室气体排放来减缓气候变化。3.采用15N-180双标记结合抑制剂法发现硝化微生物驱动的过程（硝化微生物硝化过程、硝化细菌反硝化和硝化耦合反硝化）在N2O产生中起主导作用,其中硝化微生物硝化过程占三分之二以上,生物质炭主要增加AOB驱动的氨氧化过程及N2O产生。此外,生物质炭降低了硝化细菌反硝化过程的N2O产生。生物质炭在刚施入后和在田间6年后对N2O产生路径的影响基本一致,且增加了nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ丰度,表明生物质炭具有长期减排N2O的潜力。4.生物质炭增加甲烷氧化菌丰度,对产甲烷菌影响小。添加无机氮（铵态氮和硝态氮）增加甲烷氧化菌丰度和土壤CH4氧化潜力,添加硝态氮对CH4氧化的促进作用大于铵态氮,硝态氮是甲烷氧化菌更好的氮源;此外铵态氮促进type Ⅰ型而硝态氮促进type Ⅱ型甲烷氧化菌。含新鲜生物质炭和6年老化生物质炭的土壤对甲烷氧化潜力和甲烷氧化菌丰度的影响一致,这表明施用生物质炭不仅在短期内能增加土壤CH4氧化能力,在田间施用6年之后仍然对CH4减排起到积极的作用。综上所述,文献整合分析表明施用生物质炭可在保证作物产量的前提下,降低农田温室气体排放。以三年原位观测为基础,进一步揭示了生物质炭在土壤中老化后对N2O和CH4排放动态特征的影响以及内在机制,通过显著影响土壤N2O功能基因丰度及产生路径,增加土壤CH4氧化潜力,长时间降低稻麦轮作系统N2O和CH4排放,因而对稻麦轮作系统固碳减排和改善作物生产具有长期效应。
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