1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
1.1 本课题的意义
我国是一个农业大国，为了满足生产的需要，人们普遍采用工业固氮生产各种以nh4 -n和no3--n为基础的氮肥。而随着农业的发展，我国氮肥施用量也呈逐年上升的趋势。从1935年开始，我国已进行了3次全国性、大规模的化肥肥效田间试验。不可否认，氮肥的使用在一定程度上提高了我国的粮食产量，但是它的使用也带来了一些问题。氮素肥料利用率低下是一个全球性的问题。一般认为，国际上氮肥的作物利用率在33%左右，西方发达国家的氮肥利用率为50%-60%[1]，而我国的利用率平均在30%左右[2]，而红壤地区的氮肥作物利用率仅为25%-28%[3-4]。过量施用氮肥不仅导致氮肥利用率下降，而且土壤中残留的多余的氮素也会造成一定的土壤问题和环境污染。
氮素是构成一切生命体的重要元素。在作物生产中，对氮素的需求量比较大，土壤供氮不足是引起农产品产量下降和品质降低的主要因素，同时氮素肥料施用过多会造成水体富营养化、地下水硝态氮积累和毒害等环境问题。土壤中氮素绝大部分为有机的结合形态，无机形态的氮一般占全氮的1%-5%，无机态氮主要是铵态氮和硝态氮[5]。有机态氮大部分必须经过土壤微生物的转化作用变成无机态氮才能被植物吸收利用，土壤微生物氮是重要的土壤活性氮的库和源，直接调节土壤氮素的供给。因此土壤氮素在铵态氮、硝态氮和微生物氮等不同形态的分布对于作物氮素利用效率有着重要的影响。
2. 研究的基本内容和问题
2.1研究的目标
（1）通过田间试验，阐明不同施用量的生物质炭对旱地红壤氮素转化的影响，即土壤氮素(全氮、铵态氮、硝态氮)和微生物氮等不同形态的分布情况；
（2）确定不同施用量的生物质炭对油菜和红薯轮作各生育期内土壤微生物氮的变化及其影响生育期变化的主导因素；
3. 研究的方法与方案
3.1 研究方法
3.1.1 工作假说：本课题以南方典型旱地红壤区域为研究对象，研究不同生物质炭用量对红壤氮素转化和土壤酶活性的影响，即采用生物质炭和氮肥配施的野外长期定位试验，分析旱地红壤氮素分布、不同形态氮素转化和土壤酶的活性，探讨限制氮肥利用的主控因素。根据前人的研究结果及自己的部分实验提出下列假说：（1）施用生物质炭能够提高旱地红壤全氮和微生物量氮；（2）施用生物质炭能够提高土壤中脲酶的活性。最后筛选出对旱地红壤改良效果最为显著的生物质炭及氮肥施用量，为旱地红壤的改良利用提供科学依据。
3.1.2 项目测定方法：土壤全氮的测定：H2SO4-混合催化剂消煮-蒸馏滴定法；土壤铵态氮的测定：KCl浸提-靛酚蓝比色法；土壤硝态氮的测定：紫外分光光度计法；微生物氮的测定：氯仿熏蒸浸提法；土壤脲酶的测定：比色法。
3.1.3数据分析方法：运用Microsoft Excel2010和Spss16.0进行数据分析。
3.2 技术路线：
典型旱地红壤 |
生物质炭与氮肥配施的野外长期定位试验 |
红壤氮素转化 |
土壤酶活性 |
全氮含量 |
铵态氮、硝态氮含量 |
微生物氮 |
土壤脲酶活性 |
生物质炭对典型旱地红壤氮素转化和酶活性的影响研究 |
3.3 实验方案
3.3.1 试验材料
供试土壤为由第四纪红色黏土发育而来的旱地红壤，黏粒（0.002 mm）含量31.6%-50.1%，是典型的酸度高，质地黏，硬度大，地利用率低，产出率低的旱地红壤。
本研究以生物质炭和氮肥作为提升红壤地力的改良材料。其中，生物质炭是河南省三利能源有限公司制备的小麦秸秆炭，由小麦秸秆在330-350 ℃下厌氧烧制，其35%的生物质材料转化为生物质炭。生物质炭pH值为10.35 [m(土)：m(水) = 1：5]，阳离子交换量217 cmol/kg，容重0.45 g/cm3，比表面积8.9 m2/g，有机碳467.1 g/kg，有效磷4.7 g/kg，全氮5.9 g/kg。氮肥为当地农民普遍施用的尿素（含氮46.67%）。
供试作物为：油菜和红薯，品种分别为德油5号和苏薯8号。
3.3.2 试验方案
设置生物质炭（C因素）用量7个水平、氮肥（N因素）用量3个水平，采用73完全方案设计，随机区组排列，加上一个完全空白处理（CK）共计22个处理，每个处理三次重复，共66个小区，小区面积5 m4 m=20 m2，试验地面积为1928.5 m2，保护行宽为 1.0 m，走道宽及小区间排水沟宽均为0.5 m。
油菜季施用的基肥为氯化钾（K2O 60%）、钙镁磷肥（P2O5 12.5%）和硼砂（B 11%），用量分别为195 kg/ha，375 kg/ha和15 kg/ha；红薯季施用基肥为氯化钾和钙镁磷肥，用量分别为195 kg/ha和375 kg/ha。生物质炭于2011年油菜种植前按田间试验方案一次性施入各小区，并通过人工翻耕与红壤表层土壤混匀，后期不再追施；氮磷钾肥于每季油菜和红薯播种前作为基肥一次性施入。
种植方式与当地生产习惯保持一致，为油菜红薯轮作。油菜种植及收获时间分别为每年10月上旬和5月中旬；红薯种植及收获时间分别为每年5月中下旬和9月下旬。
表1-1田间试验方案
处理 | 因素 | 处理 | 因素 | ||
C/生物黑炭用量 （t/ha） | N/氮肥用量 （kg/ha） | C/生物黑炭用量（t/ha） | N/氮肥用量 （kg/ha） | ||
CK | 0 | 0 | C3N2 | 10 | 90 |
C0N1 | 0 | 60 | C3N3 | 10 | 120 |
C0N2 | 0 | 90 | C4N1 | 20 | 60 |
C0N3 | 0 | 120 | C4N2 | 20 | 90 |
C1N1 | 2.5 | 60 | C4N3 | 20 | 120 |
C1N2 | 2.5 | 90 | C5N1 | 30 | 60 |
C1N3 | 2.5 | 120 | C5N2 | 30 | 90 |
C2N1 | 5 | 60 | C5N3 | 30 | 120 |
C2N2 | 5 | 90 | C6N1 | 40 | 60 |
C2N3 | 5 | 120 | C6N2 | 40 | 90 |
C3N1 | 10 | 60 | C6N3 | 40 | 120 |
3.4 可行性分析：
本课题组长期从事土壤物理过程和水土资源利用方面的研究工作，在田间试验、土壤改良及土壤地力提升方面积累了一定的工作经验，加之良好的仪器设备（压力膜、紫外分光光度计、定氮仪、原子荧光光谱仪、原子吸收分光光度计等）和稳定的科研队伍，均为本研究思路和技术路线的实施提供了保障。预期设计的技术路线是可行的。4. 研究创新点
本试验采为野外长期定位实验，研究不同用量的生物质炭与氮肥配施对旱地红壤氮素转化的影响，从而探究对氮肥有效性提升最有效的生物质炭与氮肥配施比例。本试验还研究长期施用生物质炭对旱地红壤中微生物量氮的影响，在研究内容和研究方法上均具有创新性。
5. 研究计划与进展
5.1 研究计划：
2014.4-2015.6：（1）田间大田试验：生物质炭与氮肥配施对旱地红壤团聚体氮素和微生物氮的影响：旱地红壤水力学性质及其影响因素研究；作物各个生长阶段土壤的物理性质及养分的变化趋势研究；作物产量的评估；
（2）室内模拟试验：通过添加不同量的生物质炭的室内土柱模拟试验，得出生物质炭对旱地红壤中氮磷的淋溶和保持能力的研究；
