由农业废弃物热裂解生物质炭的土壤及环境行为,特别是在污染土壤修复上的作用受到广泛关注。生物质炭可能通过直接和间接作用影响土壤中的微生物丰度及群落结构,而改变土壤生物功能及生态系统物质循环。因土壤性质、生物质炭种类以及田间试验条件的广泛差异,关于生物质炭的土壤微生物效应还存在巨大的不确定性。尽管对生物质炭用于重金属污染治理已有较多的试验报道,但是缺少对土壤微生物丰度、活性及功能变化的认识,成为农业生物质炭科学技术的薄弱领域。论文首先整合分析了全球文献报道的生物质炭农业试验结果,评估了生物质炭对土壤微生物生物量及代谢活性的影响,进一步按土壤性质、生物质炭特点及试验条件辨析这种影响的差异。继而选择了华北某地重金属长期污染的潮褐土,进行生物质炭污染修复的两个小麦季的田间试验,用于研究生物质炭施用下重金属污染农田的土壤微生物丰度、活性及群落结构的变化,特别是氮循环功能微生物区系的丰度、组成的2年的消长动态。本论文研究期望对深刻认识生物质炭修复重金属污染土壤微生物效应及生态系统功能的变化,特别是为生物质炭恢复土壤微生物生长及健康,特别是促进农田土壤氮循环功能提供科学依据和技术参考。主要研究结果如下:(1)截止2015年3月,搜集到生物质炭-农业土壤-微生物量及呼吸的全球文献97篇,提取其中的有效数据采用整合分析方法进行统计计量,评估了生物质炭对土壤呼吸熵(RQ)、微生物熵(MQ)和微生物代谢商(qCO2)的影响效应。生物质炭施入农业土壤中,土壤微生物量碳(SMBC)及氮(SMBN)含量平均提高了 25%,土壤呼吸总体上无变化,而土壤微生物qC02平均降低13%。短于六个月的生物质炭短期实验中,SMBC含量平均提高25%,但土壤呼吸速率(SR)无显著变化。生物质炭的炭化原料多种,仅秸秆和畜禽粪便制成的生物质炭显著降低了土壤qCO2;就炭化的热裂解温度的影响来说,高温(>500℃)炭化的生物质炭显著降低了土壤qC02;生物质炭的酸碱度不同,pH>9的生物质炭显著降低了土壤qCO2;这些变化的平均幅度都<20%。受试的土壤条件差异巨大,有机质匮乏的贫瘠土壤中,生物质炭降低土壤qCO2的平均幅度为15%;粘土和中性(pH 6.6-7.5)土壤中qCO2的平均降幅最大,可达30%;然而,在碱性(pH>7.5)土壤中,qCO2却平均提高7%。因此,生物质炭施用于农田土壤后qCO2的变化主要取决于土壤自身的性质,生物质性质的影响次之;(2)选择了位于华北平原的河南省济源市某金属冶炼企业周边的Cd、Pb长期污染旱地(潮始成土),为有机质含量低、土壤贫瘠的玉米小麦长期轮作农田,开展了不同用量生物质炭土壤修复试验。采用小麦秸秆炭化的生物质炭,分别按施炭0,20和40 t ha-1(分别为CO、C1和C2)进行处理,在2013年小麦播种前一次性施入,试验观测为2013年10月至2015年5月的两个年度的小麦生长季,小麦收获时采样测定分析土壤。两个小麦季土壤的分析表明,生物质炭施用下根际土壤pH和DOC含量可持续升高,根际有效态Cd和Pb的含量持续降低,且用量40t ha-1的处理两年的变化均十分显著。不过,非根际土壤pH、DOC含量以及有效态重金属含量的变化,在第一个小麦季与根际土壤类似,而在第二季这些指标无显著变化。显示了生物质炭对土壤污染重金属的钝化作用,尽管施用后次年非根际土壤中效果消失。生物质炭施用后两年,根际及非根际土壤的微生物生物量都显著提高,但随之也提高了土壤呼吸。与文献计量分析中生物质炭施用提高碱性土壤qCO2的结果不同,生物质炭施入后第一季小麦根际及非根际qCO2分别降低26%和24%,第二季仅C2处理根际土壤的qCO2降低了 17%。说明生物质炭施用短期内缓解了重金属污染对微生物的胁迫效应;采用荧光酶标仪分析表明,第一季根际土壤酶活性(C循环相关酶包括α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶和木糖苷酶)、N循环相关的β-乙酰氨基葡萄糖苷酶、S循环相关的硫酸酯酶以及P循环相关的磷酸酯酶),C1处理下没有显著变化,但C2处理下降低;第一季非根际土壤,这些酶活性C1下显著提高,而C2下没有显著变化;施入后第二季,仅C2处理下,根际土壤β-葡萄糖苷酶及与N、P、S循环相关酶的活性有显著提高,而非根际土壤的α-葡萄糖苷酶和磷酸酯酶的活性表现升高;不过,荧光酶检测因生物质炭对酶的可能吸附而低估了生物质炭存在下土壤酶活性的变化;(3)在上述污染旱地生物质炭修复试验中,与非根际土壤相比,根际土壤细菌及真菌丰度高于非根际,但其比值低于非根际;施入后第一季,土壤细菌/真菌比在非根际无显著变化,在根际土壤C1和C2处理下均显著降低;采用Illumina高通量测序,细菌、真菌群落结构在根际与非根际土壤间存在显著差异,根际细菌与真菌的多样性均低于非根际土壤。该土壤中主导的细菌类群为拟杆菌门(Baacteroidetes),变形菌门(Proteobacteria),放线菌门(Actinobacteria),酸杆菌门(Acidobacteria),浮霉菌门(Planctomycetes)和绿弯菌门(Chloroflexi),前三个菌门的相对丰度根际高于非根际。生物质炭两季均提高了小麦根际及非根际细菌多样性,但降低了根际真菌多样性。生物质炭显著改变了根际和非根际细菌群落结构,且C2处理强于C1处理。生物质炭处理两季均降低了根际酸杆菌门类细菌相对丰度,但仅C2持续提高了根际放线菌门类细菌相对丰度(达40%)。施入后第二季,生物质炭显著提高了根际变形菌门、绿弯菌门和浮霉菌门的相对丰度(分别为9%,85%和66%),但仅C2处理降低了根际拟杆菌门细菌类群的相对丰度(25%);高量生物质炭处理(C2)还影响占种群1%左右的细菌类群的相对丰度,施后第一年显著提高了根际厚壁菌门(Firmicutes)和蓝藻细菌门(Cyanobacteria)的相对丰度,在第二年显著提高了根际厚壁菌门、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、装甲菌门(Armatinobactia)的相对丰度。非根际土壤细菌类群相对丰度,施入后第一季是酸杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门等类群降低,而放线菌门和变形菌门提高;施入后第二季,土壤酸杆菌门细菌的相对丰度降低。该土壤中主导的真菌类群是子囊菌门(Ascomycota)、接合菌门(Zygomycota)和担子菌门(Basidiomycota),生物质炭施入后根际和非根际土壤中子囊菌门相对丰度两季均有提高,接合菌门、担子菌门的相对丰度两季均有降低,不过根际土壤的变化甚于非根际土壤;(4)上述污染旱地生物质炭试验中,生物质炭处理下小麦根际及非根际NH4+和NO3-含量及硝化潜势两季均显著提高;施入后第一季,C1和C2处理均显著提高了AOA和AOB的丰度,但后者变化强于前者;施入后第二季,仅AOB丰度有提高。施入后第一季,C1和C2处理下根际土壤N2O还原潜势和N20氧化潜势均显著提高,但幅度前者高于后者;相应地,根际亚硝酸还原细菌nirK和nirS丰度和N2O还原细菌nosZ丰度均显著提高,但前者幅度小于后者,导致nosZ/(nirS+nirK)比值升高;但非根际土壤中,土壤N20还原速率和N2O氧化速率的提高幅度相似,使nosZ/(nirS+nirK)比值无变化。施入后第二季,仅根际N20还原潜势显著提高而N20产生潜势无变化,导致nosZ/(nirS+nirK)的比值升高;因此,生物质炭促进了根际反硝化过程N20向N2转化,可能是生物质炭施用下污染旱地N20排放降低的主要机理。综上所述,生物质炭可以促进农田土壤微生物生长并改善微生物活性及生态功能,其效应受材料(生物质炭的类型和性质)、受体土壤(土壤性质和肥力水平)和试验条件(用量、方式和时限)等因素的多重影响。在碱性、贫瘠和污染的旱地土壤中,生物质炭缓解重金属对微生物胁迫的效应可能弱于酸性稻田土壤,高施炭下微生物丰度、活性及氮循环功能得到提升,且以根际土壤的显著和持续变化为特征。当然,这些效应随着试验的持续而趋于减弱。本研究也提示,需要从根际-生物质炭-土壤微生物相互作用的角度深入研究和剖析生物质炭的农田作用,也需要从生物质炭施用下土壤pH和DOC含量与重金属有效性的消长关系去表征生物质炭对污染土壤的修复机制。土壤中不同微生物区系及其生态系统物质循环对生物质炭输入的不同响应,也是今后研究污染土壤中生物质炭修复的生态系统功能的发展方向。