如何应对气候变化已成为全球社会需面对的重大挑战之一。来自农田生态系统的温室气体排放是加剧全球气候变化的重要原因,而温室效应不断增强也会加剧全球土壤冻融效应,进而导致农田土壤氮素流失及温室气体的加速排放。因此,探寻有效增强土壤碳汇功能、减缓农田土壤系统中温室气体排放、促进冻融条件下土壤氮高效利用途径,并揭示这些过程的机制,对于减缓全球气候变化和提高农田土壤肥力质量具有重要意义,目前已成为热点研究领域。近年来,秸秆还田成为增加农田土壤有机碳氮固存数量的主要方式,然而秸秆进入土壤腐解时会排放大量温室气体,因而将秸秆制成生物炭加以利用已逐渐成为重要的农艺措施。生物炭是一类高度芳香化、稳定性高的富碳有机物料,具有较大的比表面积和疏松多孔的特性,在田间施用可明显减缓温室气体排放,降低土壤容重,有效固持土壤水分和养分,明显改善土壤理化性质,为作物生长提供良好环境;尤其是生物炭具备同时固持土壤硝态氮和铵态氮的能力,因而有望显著提高作物的氮素利用率。然而,不同类型生物炭由于制备原料、生产条件、土壤环境各异,施用后带来的氮固持效应也不尽相同。特别是不同热解温度制备的生物炭对冻融土壤氮循环及作物产量的影响还鲜有报道。鉴于此,本研究主要采用室内模拟试验与田间土柱试验相结合的方法,研究了秸秆与其生物炭施用后的腐解特征、有机碳动态变化和团聚体组成的影响,以及不同温度下制备的生物炭对冻融土壤氮固持和吸收利用、作物产量和土壤微生物的影响等内容,以揭示秸秆及其生物炭对农田土壤碳氮循环的影响及其潜在增产效应,评价其维持农业可持续性发展的潜力。本文所获得的主要研究结果如下:(1)进行不同物料(小麦秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆生物炭及玉米秸秆生物炭,依次以WS、MS、WB、MB表示)添加及其用量(5、10、20 g/kg土)的室内模拟培养试验,通过比较这些有机物料腐解特征,探讨腐解过程中CO2释放规律,并对腐解过程进行数学模拟,以评估生物炭固碳潜力。结果表明,小麦和玉米秸秆生物炭在石灰性土壤中的矿化速率比对应的秸秆分别降低77%、76%,两种生物炭CO2累积释放量(84.6和82.4 mg/pot)远低于其对应秸秆释放量(355.8和347.0 mg/pot);不同生物炭施入土壤后的矿化规律符合对数模型,在培养条件不变时能够较为有效预测其长期腐解特征;根据模型预测,百年尺度下生物炭降解率与其施用量成反比,即生物碳施用量越大,预计百年后土壤中所剩余生物炭量相对越多。(2)通过秸秆、生物炭及其施用量的模拟培养试验,探讨对土壤各有机碳组分影响,并对各碳库指标敏感度变化进行综合评价。结果表明,两种生物炭(WB、MB)的累积矿化率在培养结束时分别为9.0%、8.2%,而两种秸秆(WS、MS)的矿化率高达55.6%、52.6%,平均高出生物炭5.3倍;添加四种有机物料均能显著增加土壤总有机碳(soc)含量,增幅依次为wb>mb>ms>ws,且其增幅与施用量呈正比;生物炭不同用量对土壤活性有机碳(loc)和可溶性有机碳(doc)含量无显著影响,但显著影响土壤微生物量碳(mbc)含量。这表明本试验条件下施用生物炭能快速增加soc含量,而对土壤活性有机碳库影响有限。(3)进行土壤灭菌与否、不同秸秆或生物炭添加为研究因素的室内恒温培养试验,通过测定土壤干湿团聚体组成、土壤容重、比重、孔隙度及团聚体中各碳组分含量,探讨土壤、生物炭和土壤微生物之间的互作关系及对土壤理化性质的影响。结果表明,土壤灭菌能显著降低土壤干团聚体数量,且添加生物炭可显著提高<1mm土壤各粒级团聚体干重,而添加秸秆仅增加>2mm干团聚体数量;而对湿团聚体而言,添加秸秆和生物炭均能显著提高土壤大团聚体(>0.25mm)的比例,较ck平均分别增加400%和50%。此外,添加生物炭还显著提高了土壤微团聚体比例(0.25-0.053mm),并且灭菌与否及材料类型对湿团聚体无显著影响;添加生物炭可明显提高土壤保水能力;施用生物炭与秸秆相比,前者能显著增加soc含量,而后者主要增加三种活性有机碳(loc、doc、mbc)含量;同时,土壤灭菌能显著降低了mbc含量。可见,添加生物炭对土壤团聚体的影响与土壤微生物之间存在密切关系。(4)连续两年(2014-2015)进行室外原生态土柱培养试验,包括添加不同温度(250、300、350、400、450、500、550、600℃)制备的生物炭、春季强化冻融两个研究因子,以在-10℃恒温冰箱中冷冻3d作为春季强化冻融措施,记录全年土壤冻融循环数据,并测定温室气体释放量及土壤硝铵态氮淋溶量。结果表明,田间n2o释放量在春融期第4d达到峰值,生物炭添加与冻融条件的交互作用达显著水平,即在冻融条件下,施用高温(>450℃)下制备生物炭时n2o释放量最大;在土壤冻融条件下,土壤淋溶硝态氮含量显著增加,但添加高温制备的生物炭能显著降低硝态氮淋溶量,而对铵态氮淋溶无显著影响,同时添加生物炭也显著降低了淋溶液中硝铵比(由7.1降至4.1)。可见,添加高温制备的生物炭能有效缓解土壤冬春季冻融引起的土壤氮素淋溶损失,但同时对春季n2o释放有加剧效应。(5)采用前述的室外原生态土柱培养试验方法,并配合15n同位素示踪技术,研究配施生物炭条件下氮素在土壤-作物体系中的循环过程。结果表明,相对于不添加生物炭的土壤而言,添加生物炭能显著提高春季对土壤氮素的固持能力及作物的氮素吸收能力,分别从20%、1.5%提高到39%、3.2%,其中高温制备生物炭提高氮素利用率的效果尤为显著。由15n示踪结果可知,添加生物炭不仅可提高土壤氮素固持能力,也能提高作物对氮素的吸收利用;土壤冻融使作物产量降低30%,但添加生物炭能有效减缓这种降低作用,两者间互作显著,同时15n同位素示踪技术结果也验证了这一发现。可见,高温制备生物炭的施用能有效缓解土壤冬季冻融对淋溶氮素的损失和作物减产现象。(6)采用田间土柱试验并配合离子交换树脂袋方法,在2015-2016年间,通过吸附试验研究不同温度制备生物炭配施绿肥对冻融土壤氮循环及作物产量的影响。试验包括三个因素,分别为是否除雪、是否配施豆科绿肥及添加不同温度制备的生物炭,以进一步验证生物炭对全年氮素淋溶的影响。结果表明,生物炭能降低冬春休闲期间土壤硝态氮淋溶损失,尤其在配施绿肥条件下,施用生物炭能显著降低此阶段硝态氮淋溶总量,降幅达8.7%,且在氮素供应充足条件下,生物炭对氮素固持能力更强;冻融效应虽能间接降低作物产量,但施用生物炭能有效补偿冻融对作物产量的降低作用,与冻融条件相比可增产20%,同时,与单施绿肥相比,绿肥与生物炭配施还能将产量再提高5.1%;生物炭不同制备温度与土壤微生物量氮(MBN)含量之间存在显著负相关关系,生物炭制备温度越高,施用后MBN含量越低,而土壤pH升幅越大。这似乎表明,pH可能是影响MBN的因素之一。因此,生物炭配施绿肥不仅能够有效提高冻融土壤的氮固持能力,同时也能达到稳固增产的作用。综上所述,本研究主要得到以下结论:第一,添加生物炭与添加秸秆相比,前者在减排方面效果极为显著,并对土壤惰性碳库有显著增加效果,而对活性有机碳库提升并不明显,原因可能在于生物炭自身的碳组分相对稳定;第二,添加生物炭能显著提高土壤微团聚体比例,其效果与土壤微生物存在与否密切相关,而添加秸秆主要提高了土壤大团聚体数量;第三,在土壤冻融条件下,添加生物炭能降低氮素淋溶损失并提高作物产量,而对N2O排放有促进作用;同时,生物炭配施绿肥能进一步达到增产效果。综上,在全球气候变暖条件下,农田土壤中施入生物炭和秸秆各有利弊,但总体而言生物炭对土壤碳/氮养分固持效果明显,在促进农业可持续发展方面增汇减排效果更好,并能降低土壤冻融和氮肥投入带来的潜在养分流失。然而,田间施用生物炭作为土壤改良材料,仍需根据不同土壤条件、气候类型综合考虑,其对土壤的长期培肥及增产效果,仍有待不同的长期定位试验进行验证。