科学研究日益认识到作为秸秆热裂解产物的生物质炭具有农田固碳减排和改良培肥土壤的巨大潜力，这为解决农业生产中秸秆废弃物资源化产业化利用展现了光明的前景。土壤微生物是土壤生物地球化学过程及功能的驱动者和调节者，其区系结构与多样性更是表征土壤肥力和健康的重要指标。阐明秸秆生物质炭施用于农田后土壤微生物群落结构及多样性变化及其对农田生态系统服务功能的影响，有助于认识生物质炭对土壤肥力和作物健康、土壤固碳与温室气体减排等作用的机理，也为综合评价生物质炭施用的农田生态系统功能和生物安全性提供科学依据。　　本课题组自2009年以来在我国主要农业区布设了生物质炭农田施用的田间试验，包括3个稻田土壤（分别位于江西进贤、湖南长沙和四川广汉）和3个旱地土壤（分别位于河南商丘、山东泰安和山西忻州），小麦秸秆生物质炭（出厂时鲜基）处理分别为0（对照）、20和40吨/公顷，进行常规施肥的作物生产。本论文采集了这些田间试验中的表土样品，采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)、454高通量测序和定量PCR(qPCR)及BIOLOG微平板技术等多种微生物分子生态技术，结合土壤酶活性的生物化学测定，研究分析了小麦秸秆生物质炭施用下农田土壤微生物群落及其多样性变化，并进一步以四川广汉稻田土壤样点为对象，研究探讨了生物质炭施用下前后两年稻田土壤微生物群落多样性变化特点，试图从田间试验出发深入分析生物质炭施用对土壤微生物群落多样性的影响，探讨生物质炭施用对土壤碳氮循环过程的可能影响。获得的主要研究结果如下:　　一.秸秆生物质炭施用对稻田土壤微生物群落多样性的影响　　(1)秸秆生物质炭施用提高了土壤微生物生物量并影响了微生物基因丰度，在三个水稻土中细菌丰度均有不同程度的提高;除了江西进贤样点外，真菌丰度和真菌/细菌比例均显著下降。细菌丰度的提高可以促进氮、磷和硫等元素的循环，因而对植物生长可能产生有益的影响。　　(2)施用生物质炭均提高了水稻土细菌多样性指数(Shannonindex)，而降低了土壤真菌群落多样性指数（但江西进贤样点升高），表明细菌和真菌群落多样性对生物质炭施用引起的土壤pH、有机碳和总氮含量提高及容重降低等性质改变存在不同的响应。　　(3)生物质炭施用下的细菌群落结构与对照之间总体相似性较高，表明生物质炭施用并未显著改变土壤细菌群落组成，但不同程度地改变了部分细菌类群的相对丰度。高通量测序表明，酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)是稻田土壤中占主导的细菌类群。在江西进贤样点，在20和40吨/公顷用量下，生物质炭显著增加了β-变形菌纲丰度（分别81％和89％）、δ-变形菌纲丰度（分别148％和152％）、硝化螺旋茵门(Nitrospira)丰度（分别108％和144％）;而在40吨/公顷用量下显著降低了Gp1属的丰度(33％)（p＜0.05）。在四川广汉样点，20和40吨/公顷用量生物质炭显著降低了β-变形菌纲丰度（分别45％和53％），而提高了绿弯菌门丰度（分别36％和69％）;而40吨/公顷用量下，生物质炭显著提高了放线茵门(Actinobacteria)相对丰度(241％)。湖南长沙样点不同处理间的细菌群落组成相似性最高，相对丰度受生物质炭影响不显著。此外，高通量测序进一步发现一些固氮菌、硝化和反硝化菌的丰度相比对照有所提高，尽管它们的相对丰度较低，可能潜在地影响了土壤的氮素循环。另外，生物质炭施用也影响了真菌群落结构，影响程度因地而异。总体上表现为担子菌门(Basidiomycota)相比子囊菌门(Ascomycota)更易受到生物质炭的抑制。　　二.秸秆生物质炭对旱地土壤微生物群落多样性的影响　　(1)DGGE图谱显示，3个旱地土壤不同生物质炭处理间细菌群落相似性很高，条带多样性指数无显著差异，表明秸秆生物质炭施用基本没有影响旱地细菌群落结构和组成。不过，生物质炭施用提高了河南商丘和山东泰安两个样点的细菌丰度。　　(2)相比细菌群落，旱地土壤中真菌群落结构受到生物质炭影响更大，但影响程度不同土壤间不一致。不同用量对旱地土壤真菌丰度的影响不同土壤间一致，即低用量（在20吨/公顷）时显著提高，而高用量（40吨/公顷）时却与对照无显著差异，提示旱地土壤低量生物质炭可以促进真菌生长，而高量生物质炭施用可能因高C/N比以及过高的碱性效应反而可能抑制了真菌丰度。克隆测序表明，河南商丘样点中生物质炭施用明显促进了子裘菌门的部分真菌生长，而山东泰安和山西忻州样点中却显著抑制了它们的生长。对于不同土壤间不一致的响应还有待进一步的研究。　　三.秸秆生物质炭对稻田微生物群落多样性影响的年际变化（以四川广汉样点为例）　　(1)生物质炭施用两年后，稻田土壤的pH、有机碳和总氮含量仍然显著高于对照，土壤容重也有所降低，再次证明生物质炭一旦施用对稻田土壤质量的提高具有持续作用。定量PCR结果显示，与第一年相似，生物质炭施用第二年仍然显著提高了细菌丰度而降低了真菌丰度，表明生物质炭施用对细菌和真菌丰度的影响存在年际持续性，可能与生物质炭对提高土壤pH和有机碳含量及生物质炭多孔性结构等持续性效应有关。　　(2)T-RFLP结合克隆文库分析表明生物质炭施用对细菌群落结构的影响也两年内相似。均显著降低了β-变形菌纲的嗜氢菌科(Hydrogenophilaceae)和嗜甲基菌科(Methylophilaceae）的相对丰度，同时促进了绿弯菌门中的厌氧蝇菌科(Anaerolineaceae)生长，表明生物质炭可以促进和抑制特定类群的细菌。相比对照，大部分真菌群落未受影响，但是生物质炭促进了少数伞菌纲(Agaricomycetes)和粪壳菌纲（Sordariomycetes）等腐生真菌生长，同时减少了部分球囊茵门(Glomeromycota)和子囊菌门的丰度。　　四.秸秆生物质炭对稻田土壤活性微生物群落多样性和功能的影响　　(1)通过提取稻田土壤总RNA及后续的反转录和活性群落结构DGGE和T-RFLP分析，表明生物质炭施用影响了活性微生物群落多样性。生物质炭施用下，嗜氢菌科和嗜甲基菌科活性丰度约降低了50％，而厌氧蝇菌科则提高了近40％。并且高用量(40吨/公顷)下，生物质炭显著提高了活性细菌基因拷贝数，表明高量生物质炭施用提高了细菌群落的代谢活性，可能有助于加速细菌介导的养分循环。　　(2)生物质炭施用显著提高了不施氮下微生物碳源利用能力和功能多样性;而氮肥施用下则降低了微生物碳源利用能力。主成分分析表明，在不施氮肥时，生物质炭施用促使微生物类群更偏向于代谢单糖类和氨基酸类底物;在施氮肥时，使得微生物除了利用糖类和氨基酸类外，更加偏向于利用脂肪酸和脂类及少量的中间代谢物。微生物碳源利用能力的变化是群落组成变化的反映。　　(3)生物质炭施用影响了土壤酶活性，表现为高用量（40吨/公顷）下生物质炭显著提高了土壤的脱氢酶、碱性磷酸酶和转化酶活性，而降低了β-葡萄糖苷酶活性，表明生物质炭施用可以影响土壤的养分转化能力。　　(4)DGGE分析表明，生物质炭施用没有显著影响氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古茵(AOA)、反硝化细菌(nirK和nosZ)的群落结构，但是影响了土壤的AOB丰度。表现为在无氮肥施用下显著提高了AOB丰度，施氮后反而降低，而对AOA无影响;生物质炭施用均降低了nirK和nosZ基因丰度，这些变化说明生物质炭施用可能影响了土壤的反硝化作用进程，可以佐证生物质炭试用下稻田N20排放系数和排放量的一致性降低。　　综上所述，采用包含稻田和旱地田间试验的分子微生物研究揭示了生物质炭对农田土壤微生物群落结构及其多样性的影响因稻田和旱地而不同，随用量而变化，但一次使用后的效应两年内基本不变。这种变化主要与生物质炭使用后的非生物因子变化，例如pH升高、有机碳增加及伴随的容重降低而孔隙度提高以及氧化还原状况的改变等有关，尤其引起了稻田土壤中反硝化细菌丰度的降低。旱地土壤中有机质增加的C/N效应较稻田明显，因而真菌变化在旱地中较稻田中显著。这些变化一方面未显示生物质炭对土壤微生物区系结构的根本性变化，更未见影响微生物区系的不利效应;另一方面，生物质炭施用下微生物区系变化及功能活性变化提示土壤质量与环境功能的改善，特别是有利于固碳减排的良好作用。　　本研究还显示，传统的熏蒸-浸提法可能不适于反映生物质炭施用下微生物丰度的变化，可能因生物质炭的吸附作用导致浸提法低估了生物质炭存在下微生物生物量碳。　　对于生物质炭施用后微生物区系结构及功能多样性的问题，还需要更长时期的监测研究。