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生物炭作为土壤添加剂,被视为保障国家粮食安全、改善土壤生态系统功能和解决土壤环境问题的新途径,已成为当今世界土壤环境领域的研究亮点。生物炭不仅影响土壤内在的理化性质和生物学特性,而且在许多生物地球化学过程中起着关键性作用,尤其是在碳、氮素循环中更为突出。本论文以玉米秸秆为原料,在300℃、450℃和600℃下制备生物炭并对其进行性质表征测定;通过盆栽和田间试验,采用15N示踪、土壤酶学和分子生态等方法和技术,研究生物炭及其与氮肥配施对华北石灰性潮土土壤碳、氮及微生物特性的影响,并阐明生物炭与土壤碳、氮的相互作用机理,旨在为生物炭与氮肥合理施用、作物增产增效、保护农田生态环境提供科学依据。研究取得以下进展:(1)在300℃、450℃和600℃下制备的生物炭(MC300、MC450和MC600)基本成分中主要是C,其次是O和次生矿物(Ca、Mg、Si、P和K等)。随着裂解温度的升高,pH值、灰分含量、C含量、比表面积、孔体积、芳香碳含量和碱性基团含量均增加,而生物炭的产率、H和O含量、H/C和O/C原子比以及生物炭表面酸性基团均显著降低。电导率(EC)和矿质元素总量(水溶性和交换性K、Na、Ca、Mg)随裂解温度的增加而先增后减,以MC450值最大或含量最高。裂解温度对生物炭官能团的种类无显著影响,对其丰富程度影响显著。试验表明,MC300的横截面出现明显管状孔结构,但大多数孔内壁上附着了一些颗粒状物质,而MC450和MC600表面结构更加明显和光滑,而且还可以观察到MC600表面有更小孔径的孔洞出现。MC300的外表面轮廓略显杂乱、不太清晰,且附着诸多颗粒,而MC450和MC600表面排列整齐、清晰,胞壁越来越薄。(2)盆栽试验表明,所有添加生物炭的土壤pH值、有机碳、全氮、水溶有机碳和微生物量碳氮含量较对照(MC0)均显著增加,而土壤水溶性氮和硝态氮含量有所降低。土壤有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和氮含量随裂解温度的增加而降低。研究发现,在冬小麦成熟期MC450处理提高了土壤EC和全氮含量,而MC300处理提高了土壤微生物量碳、氮含量。不同裂解温度的生物炭对肥料氮的去向影响显著,所有添加生物炭的处理15N利用率均显著提高,而15N的损失率降低,其中450℃裂解的生物炭下肥料氮的利用率最高,较MC0增加7.2%,且损失率最低,较MC0降低8.2%。土壤酶活性对不同裂解温度生物炭的响应各异,生物炭均能提高土壤有机氮分解酶和碳水化合物分解酶类活性。600℃裂解的生物炭降低了碳水化合物分解酶类活性,而提升了有机氮分解酶类活性。其中,450℃裂解的生物炭显著提高土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶和氨态基酶活性。土壤全氮和微生物量碳是土壤酶活性的主要影响因素。所有添加生物炭的处理均显著增加了土壤PLFA总量、细菌和放线菌摩尔百分比,而降低了土壤革兰氏阳性菌与阴性菌之比和真菌摩尔百分比。土壤微生物群落结构的变化与土壤硝态氮含量密切相关。总的来看,450℃裂解的生物炭对土壤肥力提升,增加碳存储和氮肥的利用率更有效。(3)田间试验表明,生物炭对土壤养分含量、微生物量碳氮及作物产量有极显著影响(P<0.01)。随生物炭用量的增加,土壤有机碳、全氮、水溶性有机碳、硝态氮含量、以及SOC/TN比值均显著增加,其中MC22.5处理其含量均达最大值,且较对照(MC0)分别增加了165.0%、74.1%、39.1%、75.1%和44.0%。土壤微生物量碳、氮含量和作物产量均以生物炭施用量为7.5t/hm2时达最大值,较对照(MC0)分别增加了49.2%、57.6%和46.1%。随着氮肥施用量的增加SOC、DOC、NH4+-N、MBC、MBN含量和作物产量均先增后减,在施氮水平为150 kg/hm2时其含量均达最大值,较对照(N0)分别增加了29.7%、22.9%、44.8%、79.4%和115.3%。所有施氮处理作物产量均高于N0,但处理之间差异不显著。土壤全氮和微生物生物量碳含量是导致土壤胞外酶活性变化的主导因素。微生物群落结构的变化与土壤pH值和微生物量碳含量密切相关。生物炭7.5 t/hm2和氮肥150 kg N/hm2配施作物产量最高,较单施氮肥225 kg N/hm2(农民习惯施肥)作物增产17.18-22.65%,节氮肥33%。综上所述,在300℃、450℃和600℃下制备的玉米秸秆生物炭,以450℃裂解的秸秆生物炭对增加碳存储、提升氮肥利用率和土壤肥力更有效。在维持作物产量不降低的情况下,短期内N150BC7.5处理对提升土壤肥力的效果最佳,是较为理想的施肥方式。