生物质炭是农业废弃物经高温厌氧热裂解炭化获得的固体产物。生物质炭农田施用不仅显著增加土壤中的稳定有机质,有助于陆地碳封存,而且还具有提升土壤肥力、促进作物生长及改善土壤健康等诸多积极效应。生物质炭的有机质组成及特点与这些功能和效应具有怎样的联系,生物质炭农田施用后是否可能影响或改变土壤有机质的分子组成,这些问题是认识生物质炭土壤和环境效应的基础问题。本论文以所在实验室推广应用的农业生物质炭为研究对象,分析了生物质炭可溶性组分分子组成及其种子萌发效应。同时,基于稻田一次性施用生物质炭的长期定位试验,分析了生物质炭施用下土壤有机质的组分结构及分子组成的变化,以期探讨生物质炭施用对土壤碳稳定性及土壤肥力影响的有机质作用机制。主要研究结果及认识如下:1.生物质炭可溶性组分的分子鉴定及种子萌发生物效应测试,采用实验室长期研究的小麦秸秆生物质炭(简称小麦炭)和玉米秸秆生物质(简称玉米炭)为试验材料,通过稀酸溶液提取其可溶的活性有机质组分(AQU1),按AQU1中的碳浓度梯度开展了玉米种子萌发试验。并采用红外光谱(FTIR)、核磁共振光谱(13C-NMR和1H-NMR)以及高分辨液相色谱质谱(LC/MS)等技术,分析鉴定了该两种生物质炭AQU1的有机分子组成特点,探讨其分子组成与种子萌发生物效应的联系。两种生物质炭AQU1组分中,都检测到一定数量对植物生长有益的元素,包括锌、锰、钙、钾和铁,但均未检测到毒性重金属元素。玉米炭AQU1的碳和氮含量分别为7.7%和0.5%,而小麦炭分别为0.7%和0.3%,前者的C/N比明显高于后者。电位滴定显示玉米炭AQU1有机质组分具有类腐殖质超分子的结构特征,小麦炭的这种特征不明显,其主要以无机组分为主。LC/MS分析及鉴定得出两种生物质炭AQU1均含分子量较小的杂环氮化合物,有机分子Van Krevelen分布图显示这些杂环氮化合物在玉米炭AQU1中表现为同质性,而在小麦炭AQU1中表现为异质性。生物质炭AQU1的玉米种子萌发试验结果显示,不同碳浓度梯度的玉米炭AQU1稀释液均显著促进了胚芽鞘的伸长,与相应碳浓度匹配的伴随提取盐分对玉米种子萌发的影响均未达到显著水平,然而,小麦炭AQU1则表现出抑制作用;玉米炭AQU1含有的类腐殖质超分子,可能具有能粘附到玉米幼苗根表面传递生物活性分子,刺激胚芽鞘生长的性质,而小麦炭AQU1的生物刺激作用不明显。研究首次证实了生物质炭的正面或负面的生物刺激作用不仅与其有机质浓度有关,还与腐殖质超结构的类型有关。2.生物质炭施用后稻田土壤有机质组分分子组成的研究,以实验室团队在四川广汉设置的生物质炭稻田长期试验土壤为研究对象。该试验仅在2010年小麦收获后一次性施用小麦炭,于2014年和2015年分两次采集了不同施炭处理(0、20和40 t·ha-1,分别记为C0、C20和C40)的表土(0～15cm),进行了元素和离线热裂解气相色谱质谱(off-line Pyr-TMAH-GC/MS)分析,用以剖析施用生物质炭后稻田土壤有机质的分子组成变化,探究生物质炭在稻田中的稳定性,理解生物质炭促进土壤固碳的有机质作用机制。所用小麦炭热裂解产物主要由胺、芳族化合物、烷烃和脂肪族酯组成。比较了生物质炭原样、2014和2015年未施炭对照土壤和不同施炭处理土壤的有机质组分分子组成,结果显示施炭土壤有机质的构成包括生物质炭所固持的原土壤有机质分子(不稳定)、不受生物质炭影响的原土壤有机质分子(稳定)、来源于生物质炭的有机质分子,以及生物质炭与土壤相互作用产生的新有机质分子。与对照相比,C20和C40处理5年后土壤有机碳含量分别提升了 27.4%和40.6%,供试水稻土有机质组分表现出酚性特征的增强和类固醇产物的提高。高施炭量(40 t·ha-1)的C40处理下,土壤中明显存在生物质炭起源的烷烃和胺等衍生分子,而C20处理下活性有机分子的相对丰度和稳定性较高。但C40处理含有更多生物质炭起源的分子,可能会对微生物群落及其SOM转化活性产生影响。3.对上述小麦炭及其田间长期试验的水稻土进行了土壤腐殖质组学(Humeomics)分析研究。腐殖质组学技术可通过不同强度的有机无机提取剂,连续提取同一样品的有机质组分,获得非键合游离态组分(AQU1,ORG1)、弱酯键组分(AQU2,ORG2)、强酯键组分(AQU3,ORG3)和醚键组分(AQU4),以及提取后的残渣通过碱提取最后获得残留有机质组分(RESOM),其中AQU和RESOM为水溶性组分,ORG为有机溶性组分。RESOM组分可以用于进一步理解生物质炭对稻田土壤有机质的稳定和保持作用。质量和元素分析揭示了 土壤腐殖质组学组分的碳和氮含量。不同施炭量(20 t·ha-1和40 t·ha-1)土壤Humeomic残留有机质的质量和氮含量均低于对照土壤。然而,与对照相比,C20处理显示出强酯键结合有机组分和Humeomic残留有机组分的增加;C40处理中表现出弱酯键结合水溶性组分的减少。2014年Humeomics和碱提法获得的土壤有机质质量和碳含量均高于2015年样品,表明生物炭可促进土壤有机质的固存,这与腐殖质组学组分的研究结果一致,即减少了游离态不稳定水溶性组分的数量,增加了强酯键有机溶性组分及残余水溶性有机组分的数量。总体上,本文的研究阐明了生物质炭提取物的分子特征,以及其水溶性活性组分与生物刺激作用的潜在关系,揭示了 4年前一次性施用生物质炭的稻田土壤有机组分的分子变化。生物质炭提取物的生物效应随着制备生物质炭原料的类型而变化。玉米秸秆生物质炭中可溶性有机碳含量高,其中的同质杂环氮化合物有助于植物生长。生物质炭施用后可以增加土壤有机质含量,但也可以改变土壤有机质组分的有机碳组成。运用腐殖质组学这一先进的分子表征技术,探明了生物质炭可能是通过提高残留组分中结合态胡敏素而降低了土壤有机质的可提取性,这在某种程度上可以解释为什么施用生物炭能够提高稻田土壤有机碳的稳定性及实现稻田土壤固碳。然而,这些有机质分子的长期变化趋势,以及其对碳循环、土壤肥力和植物生长的潜在影响,还需借助更多的田间试验进行研究。