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生物炭联合紫云英逐年还田改善稻田土壤氮循环微生物功能而促进水稻增产

摘要：秸秆炭和紫云英还田可有效改善土壤环境及其健康状况，促进水稻氮素吸收利用与增产。然而，关于两者联合还田对土壤氮循环及其潜在微生物机制的研究鲜见报道。因此，通过多年大田定位试验，设置4个处理：常规施氮(CK)、常规施氮+稻秆炭(B)、常规施氮+紫云英(M)、常规施氮+稻秆炭+紫云英(BM)，以探究秸秆炭联合紫云英还田对水稻氮素吸收累积与产量以及土壤碳氮含量、微生物群落和氮循环相关酶活性及其功能基因丰度变化的影响。结果表明，与CK相比，BM不仅分别显著提高土壤SOC、TN、NH₄⁺、NO₃^-、微生物量碳和氮(MBC和MBN)含量23.8%、15.0%、36.0%、26.5%、35.2%、14.3%，以及脲酶(Ure)、硝酸还原酶(Nar)和亚硝酸还原酶(Nir)活性37.4%、88.6%、38.2%，而且促进Proteobacteria、Nitrospirae、Bacteroidetes等微生物富集而改善土壤微生物群落结构与多样性，还显著上调nifH、AOA amoA、AOB amoA、narG、nirS、nirK、nosZ等氮循环相关微生物关键功能基因丰度24.71%~400.00%。由RDA分析可知，微生物量碳氮是导致土壤细菌群落差异的主要原因，Mantel分析显示nifH基因丰度与MBC、MBN等土壤生物因子密切相关，线性回归分析说明水稻氮素累积量及产量与AOA amoA、AOB amoA、narG、nirS、nirK和nosZ丰度呈显著正相关。由PLS-PM分析得出，生物炭与紫云英通过提高土壤碳氮与微生物量碳氮含量而直接影响土壤Ure、Nar和Nir活性，并主要上调固氮、硝化/反硝化微生物功能基因丰度，进而调控土壤氮循环过程，既有利于提升土壤氮素稳定与有效供给，还可能降低氮素损失风险，最终提高籽粒氮素吸收累积量和水稻产量。可见，生物炭联合紫云英还田通过优化红壤稻田土壤微生物群落结构与多样性和提高氮循环相关酶活性及其关键功能基因丰度来改善土壤碳氮养分供应状况，进而促进水稻氮素吸收利用与增产，既可为红壤稻区制定合理氮素管理策略提供新途径，也可为促进水稻绿色增产增效提供理论依据与实践指导，对促进实现国家新一轮千亿斤粮食产能提升和确保我国粮食安全与生态环境安全具有重要现实意义。



关键词：稻秆生物炭；紫云英；氮循环功能基因丰度；氮素吸收；水稻产量