秸秆生物炭还田已被视作实现农田肥力改良、固碳减排、资源利用的多赢之举。由于生物炭独特的性质及其施入后对土壤性质的改变，生物炭还田会对包括碳、氮、磷、硫等元素循环产生干扰。在减氮增产的大背景下，开展生物炭对农田氮素循环的研究具有重要意义。硝化是土壤氮转化的关键核心过程且与反硝化作用紧密相连，是决定作物氮素吸收、损失、土壤酸化、温室气体排放等过程的重要途径之一。本研究选择中国典型农田土壤及作物体系，采用好气培养、氦环境密闭培养、膜进样质谱仪MIMS及现代分子生物学技术qPCR、克隆文库等手段，研究了多年秸秆炭还田（设每季生物炭施用0、2.25、11.3、22.5Mg ha-1等处理）与短期施加对土壤硝化反硝化作用的影响。得到的主要结论如下:　　(1)通过室内培养实验，结合土壤的硝化动力学方程和qPCR技术研究了秸秆炭施加（w/w，1％和5％两个施加量）对酸性红壤硝化作用的影响。结果表明，两种酸性土壤的硝化作用较弱，硝化过程符合属于酶活限制的零级方程，氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB的基因丰度较低。秸秆炭的添加促进了两种土壤的硝化作用，改变了其硝化动力学方程为一级方程，使其不再是酶活的障碍性土壤;其中，增加AOB的基因丰度高达14倍，这种促进作用随着秸秆炭施加量的增加更显著。秸秆炭施加显著降低了两种土壤培养过程中N2O的累积排放分别为37.6％和46.4％，可能与秸秆炭提高土壤pH、增加土壤通气性等使其更利于硝化作用的进行有关。　　(2)之前关于生物炭对土壤氮循环的研究大多是基于生物炭短期添加（＜2年）的室内培养试验;生物炭作为一种易被氧化的外源物质，其施入到土壤的理化性质随着施加年限的变化而变化。那么，多年施加生物炭的土壤的硝化响应是否与短期混合添加土壤的硝化响应是否相同，其相关的微生物会如何发生变化？基于这一思想，结合土壤硝化动力学和硝化微生物两个方面，探究了多年秸秆炭还田酸性红壤（盆栽试验，每季秸秆炭还田数量:0、2.25、22.5Mg ha-1，分别记为BC0、BC2.25、BC22.5;小麦-小米轮作3年6季后）的硝化特征，且采集同样处理的碱性石灰性潮土进行对比验证。结果发现，多年秸秆炭还田的红壤的硝化强度明显提升。动力学模拟结果显示，BC0的NO3-N累积过程符合零级动力学，酶活是其反应的主要限制因子。BC22.5处理的NO3--N累积过程符合一级动力学，其硝化作用不再受酶活的限制，底物浓度逐渐控制其硝化过程。和BC0相比，BC22.5显著增了AOA和AOB的基因拷贝数达9.55和22.0倍。进一步的克隆文库结果分析显示，AOB的群落组成中，Nitrosospira Cluster3随着秸秆炭的施加逐渐成为优势菌群。石灰性潮土本身硝化能力远大于酸性红壤，其硝化作用符合一级动力学反应，即底物NH4+/NH3是硝化的主要限制因子，外源铵的加入可以大大促进石灰性土壤的硝化潜势，但秸秆炭施加对其无明显影响且并未改变氨氧化微生物的数量，仅有BC22.5处理改变AOB菌群的相对丰度。相关分析表明，秸秆炭多年还田的土壤的硝化速率主要与土壤pH及AOB群落多样性的变化有关。　　(3)水稻田作为一类特殊的人工湿地，导致水稻土不论在结构、功能还是物质循环过程方面均有别于旱地土壤。在上两章的研究基础上，开展了多年秸秆炭还田与秸秆炭短期一次添加两种施加方式（等碳量）对稻田土壤硝化影响的对比研究工作。试验处理分别为:秸秆炭多年还田处理（0、2.25、11.3、22.5Mg ha-1每季秸秆炭施用量;分别记做L0BC、L1BC、L5BC、L10BC;小麦一水稻轮作5.5年11季后土壤）与秸秆炭一次添加处理(分别与上述多年施炭处理等碳量，记为:S1BC、S5BC、S10BC)。　　室内好气培养及硝化动力学方程模拟结果表明，两种施炭方式均能促进稻田土壤的硝化反应;与多年秸秆炭还田相比，秸秆炭一次添加对土壤硝化作用的影响更为强烈，可能与短期秸秆炭添加营养物质的直接释放有关。对于稻田土壤L0BC本身来说，其硝化动力学方程属于酶活限制的零级方程;多年施加秸秆炭的不同程度的促进了其硝化过程，L5BC和L10BC处理改变了其动力学方程为一级反应。对于短期秸秆炭一次添加的处理来说，其对土壤硝化作用的影响更为强烈，S5BC处理的硝化速率常数约是L5BC处理的1.5倍;相关分析表明土壤硝化速率与pH呈极显著正相关;特别的，对于短期添加秸秆炭的处理来说，pH值和AOB的基因拷贝数可解释其最大硝化速率变异的89.7％。　　(4)上一章试验证明了两种施炭方式（等碳量）均能促进稻田土壤的硝化作用，硝化作用的最终产物NO3-是反硝化作用的底物，秸秆炭施加对稻田土壤中这一过程的影响还有待研究。为此，通过充氦淹水密闭系统和膜进样质谱仪MIMS的方法测定稻田土壤淹水环境下NO3--N的消减及脱氮速率，开展多年秸秆炭还田与秸秆炭一次性添加两种施炭方式（等碳量）对土壤反硝化作用影响的研究工作。结果发现:多年秸秆炭还田提高土壤pH最高达到5.62，为反硝化微生物的生长提供了适宜的酸碱环境;但各处理的可溶性碳源DOC之间无明显差异，且多年施加的生物炭可能对土壤无机氮或碳源产生吸附，进而限制了反硝化作用的底物能源，改变了各反硝化功能基因数量的相对比例，减少了参与反硝化作用的NO3--N，降低了NO3--N的还原速率，N2O排放和N2O/(N2O+N2)所占比例，且减少了总的脱氮气体损失;而秸秆炭一次性添加处理增加了培养结束时NO3--N量的消失量及反硝化作用，最高达25.7％及42.2％。新鲜秸秆炭一次性大量添加增加了土壤可溶性有机碳（高达2.60倍）和营养元素的含量，为异养反硝化微生物提供充足碳源和营养物质，促进了反硝化作用的进行和NO3--N的还原（也可能发生了厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成铵的过程，有待进一步验证）;秸秆炭较大的其氧化还原能力及其对pH值的增加（最高增幅达4.52个单位）促进了N2O还原酶的活性，进而极大的促进了N2O的还原和N2的排放，增加了总脱氮损失(N2O+N2)-N。本研究采用的膜进样质谱法MIMS法直接测定反硝化作用的最终产物N2的产生速率及总脱氮损失，与充氦环境密闭培养下硝酸盐消失法互相印证，可为解释田间条件下秸秆炭多年施用的稻田土壤肥料氮利用与损失规律变化提供支撑。