氧化亚氮（N₂O）是环境中主要的温室气体之一,农田土壤是其最主要的排放源,也是土壤氮素重要的损失途径之一。土壤中矿质氮的含量、土壤pH值以及硝化反硝化微生物的数量和多样性是影响土壤N₂O排放的重要因素。生物炭是通过在缺氧条件下将农业废弃物等生物质材料热解转化制成的,在改善土壤性状、减缓气候变化等方面有着巨大的应用前景。研究表明,施用生物炭能够改善土壤质量、提高氮素利用率、改变土壤氮素循环,从而影响土壤的硝化反硝化过程,间接影响土壤N₂O排放。本研究选取华北平原冬小麦-夏玉米复种区的土壤为研究对象,采用室内培养试验,通过同位素标记法结合乙炔抑制技术研究施用生物炭对土壤硝化作用和反硝化作用的影响,探讨了添加生物炭对土壤硝化反硝化过程的N₂O排放速率、土壤pH、土壤矿质氮含量的影响,并通过qPCR和MiSeq高通量测序对土壤AOA-amoA、AOB-amoA、nirK、nirS和nosZ五种功能基因进行绝对定量和微生物群落结构多样性分析,阐明生物炭对华北农田土壤N₂O排放的微生物机理,为华北农田施用生物炭提供一定的理论依据。主要得出以下结论:1、在室内培养期间,不同处理¹⁵N₂O排放速率的动态变化趋势基本相同,其中硝化作用处理¹⁵N₂O排放主要集中在前24 h中,2%生物炭处理的减排效果主要集中在这个时期;反硝化作用各处理的¹⁵N₂O排放集中在前36 h并且在24 h时达到峰值,期间2%生物炭处理显著低于对照处理,而5%生物炭处理仅在36 h时显著低于对照;异养硝化作用处理中¹⁵N₂O排放速率均处于较低水平,两种比例的生物炭在前24 h内均显著的降低了¹⁵N₂O排放速率。2、从累积排放量上看,自养硝化作用中2%生物炭与对照相比减少了20.6%的¹⁵N₂O排放,而5%生物炭与对照无差异;在异养硝化作用中2%生物炭和5%生物炭与对照相比分别显著降低了15.7%和13.2%的¹⁵N₂O排放;在反硝化作用中2%生物炭和5%生物炭与对照相比分别显著降低了40.9%和11.7%的¹⁵N₂O排放。整体来看2%生物炭对硝化反硝化作用的减排效果优于5%生物炭,尤其是对反硝化作用产生的¹⁵N₂O有巨大的减排潜力。3、在该土壤及环境条件下,来自自养硝化作用产生的N₂O约占77.4%⁸1.9%,异养硝化作用约占0.68%⁰.85%,反硝化作用约占17.1%²5.7%。添加生物炭对自养硝化、异养硝化、反硝化作用产生的N₂O相对贡献影响不显著。4、施加生物炭对土壤pH的调节具有一定的潜在作用,各处理的土壤pH仅在几个时间点存在一定的差异,但是各处理的土壤pH的整体变化范围仅为0.1⁰.2个单位内,且整体上差异并不显著,说明生物炭在短时间内对土壤pH无影响。5、硝化反硝化各处理中生物炭与对照之间的土壤¹⁵NH₄⁺-N含量的变化趋势基本一致。添加5%生物炭后,显著降低了硝化反硝化处理中土壤¹⁵NH₄⁺-N含量,添加2%生物炭对土壤¹⁵NH₄⁺-N含量也表现出了降低趋势,说明生物炭对土壤¹⁵NH₄⁺-N有一定的固持能力。6、硝化反硝化各处理中生物炭与对照之间的土壤¹⁵NO₃^--N含量的变化趋势有所不同,但添加2%生物炭和5%生物炭均显著降低了硝化反硝化处理中土壤¹⁵NO₃^--N含量,说明生物炭对土壤中的¹⁵NO₃^--N有一定的固持能力,这可能是生物炭对反硝化作用减少¹⁵N₂O排放的原因。7、施用生物炭显著增加了AOA-amoA拷贝数,并且表现为随施炭量增加成倍数增加的趋势,而AOB-amoA受生物炭的影响则显著减少,AOA-amoA的增加未表现为N₂O排放量的升高,说明在该条件下AOB-amoA在氨氧化作用中起到了主要作用。施用生物炭均显著增加了nirK基因的拷贝数,且5%生物炭增加幅度较大,而nirS基因的拷贝数略有降低,生物炭对nirS基因和nirK基因的调节作用有可能是生物炭减少反硝化作用N₂O排放的原因。nosZ基因拷贝数受生物炭的影响较小,可能不是短期实验内生物炭减排的原因。8、不同处理中硝化反硝化微生物的群落结构组成变化不大,对于AOA来说,其多样性较单一,其优势门、纲、属分别为Thaumarchaeota、Nitrososphaeria、Nitrososphaera相对丰度占比约为94.5%,生物炭对其群落结构组成无影响。对于AOA来说,其优势门、纲、属分别为Proteobacteria、Betaproteobacteria、Nitrosospira和Nitrosovibrio,其中生物炭提高了Nitrosospira降低了Nitrosovibrio。对于nirK和nirS型反硝化菌,nirK在属水平上对生物炭的响应较敏感,其中Bradyrhizobium,Rhodopseudomonas,Rhodococcus和Mesorhizobium为主要优势属,Rhodococcus属在2%生物炭中有显著的提高,被归类为other的属所占的相对丰度随生物炭施用量提高。生物炭并未改变nirS型反硝化微生物的群落结构组成,Azospirillum、Rubrivivax、Herbaspirillum、Cupriavidus和Sulfuritalea为nirS型反硝化微生物主要优势属。nosZ型反硝化菌的主要优势属为Pseudogulbenkiania、Cupriavidus和Burkholderia,其中生物炭对Cupriavidus和Burkholderia属的相对丰度有显著的影响,nosZ型反硝化菌中未鉴定属和相对丰度小于1%的属占了很大一部分,其在N₂O还原上发挥的具体作用还有待继续研究。9、硝化作用产生的¹⁵N₂O与土壤¹⁵NH₄⁺-N极显著正相关、与土壤¹⁵NO₃^--N极显著负相关,与土壤pH无显著相关性。反硝化作用产生的¹⁵N₂O与土壤¹⁵NO₃^--N显著正相关,与土壤¹⁵NH₄⁺-N和pH无显著相关性。异养硝化作用产生的¹⁵N₂O与土壤¹⁵NH₄⁺-N显著正相关、与土壤¹⁵NO₃^--N显著负相关,与土壤pH无显著相关性。