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【目的】生物炭在农田土壤固碳和调节氮循环方面具有巨大潜力。微生物是土壤碳氮转化的主要驱动者,但生物炭对土壤微生物碳氮代谢功能的影响还缺乏全面认识。以棉花秸秆及其生物炭为研究对象,阐明秸秆和秸秆炭对土壤有机碳氮含量影响的差异;分析土壤微生物群落组成对秸秆炭的响应,探讨微生物群落代谢活性和功能的变化,为棉花秸秆和秸秆炭的资源化利用提供理论依据。【方法】田间试验于2017~2018年在长期定位试验站进行,设4个处理:对照(CK),氮肥(N,单施氮肥),秸秆(N+ST,氮肥配施棉花秸秆),秸秆炭(N+BC,氮肥配施棉花秸秆炭)。采用Biolog微平板法分析微生物群落代谢活性,利用16s rRNA测序探讨土壤细菌群落组成的变化,通过宏基因组揭示土壤总体微生物群落组成、功能及代谢通路对棉花秸秆和秸秆炭的响应。【主要结果】(1)单施氮肥(N)显著降低土壤有机碳含量,氮肥配施秸秆(N+ST)和秸秆炭(N+BC)显著提高土壤有机碳、全氮含量,较单施氮肥处理分别增加8.9%、16.3%和48.4%、24.8%。N+BC处理土壤无机氮以及有机氮组分中的非酸解氮、酸解铵态氮和氨基糖态氮均显著高于N+ST,而N+ST处理酸解氨基酸态氮显著增加。(2)N+ST处理土壤微生物代谢活性(AWCD值)最高,其次是N+BC,均显著高于N处理。N+ST处理显著提高微生物对碳水化合物类、胺类等易降解碳源的利用能力,N+BC处理微生物对多聚物类、酚类等复杂碳源的代谢能力较强。(3)16s rRNA测序结果表明,N+ST和N+BC处理土壤细菌群落组成多样性均显著高于N处理。其中,N+ST处理显著提高溶杆菌属、类诺卡氏属、变杆菌属、Ilumatobacter菌属相对丰度;N+BC处理硝化螺菌属、RB41菌属、Haliangium菌属、H6菌属、苍白杆菌属、Vibrionimonas菌属相对丰度显著增加。相关分析表明,溶杆菌属、类诺卡氏属、变杆菌属、Ilumatobacter菌属相对丰度与碳水化合物类、氨基酸类、胺类碳源代谢显著正相关;而硝化螺菌属、苍白杆菌属、Vibrionimonas菌属相对丰度与多聚物类碳源代谢呈显著正相关关系。(4)土壤微生物宏基因组分析结果表明,细菌相对丰度占土壤微生物总体的96.98%,古菌和真核生物占1.20%。N+ST处理显著提高土壤微生物群落组成多样性,细菌和真核生物相对丰度均显著高于N+BC处理。N+BC处理古菌相对丰度高于N+ST。(5)宏基因组CAZy功能注释表明,N+ST处理CBMs、CEs、GHs和PLs基因相对丰度(参与碳水化合物降解)显著高于N+BC和N处理,但GTs基因相对丰度(碳水化合物合成酶)显著降低。EggNOG功能注释发现,N+ST处理碳水化合物转运代谢功能相关基因丰度显著增加,而氨基酸转运和代谢功能相关基因丰度降低。N+BC处理则显著增加氨基酸转运和代谢功能相关基因丰度。(6)KEGG碳氮代谢通路富集的差异分析表明,N+ST处理碳代谢通路富集显著高于N+BC处理,N+BC显著提高氮代谢通路富集。从碳代谢通路来看,N+ST处理显著增加三羧酸(TCA)循环相关酶基因丰度,N+BC处理提高了原核微生物碳固持相关酶基因丰度。氮代谢通路分析发现,N+ST处理氨甲酰磷酸合成酶基因丰度显著高于N+BC和N处理,而N+BC处理谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶基因丰度均显著增加。【结论】棉花秸秆增加土壤微生物群落多样性和碳源代谢活性,提高有机碳降解相关酶基因丰度,促进了土壤有机碳降解。棉花秸秆炭改变土壤微生物群落组成,提高微生物碳固持和氨基酸合成相关酶基因丰度,有利于土壤有机碳和氮的积累。