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世界人口的增长以及人类文明活动的加剧使粮食安全和气候变化问题成为当今人类所面临的两大重要挑战。秸秆还田以及生物炭施用是培肥土壤、增加粮食产量、提升土壤碳库、降低大气温室气体浓度的两大重要措施。然而，在农田土壤类型丰富以及生物炭的生态功能越来越受到重视的现实背景下，土壤肥力和生物炭对秸秆降解过程的影响及其潜在的微生物学机制还不清楚。另外，生物炭的生物稳定性决定其生态效应的稳定性，目前急需一种简单、快速的方法来预测生物炭的生物稳定性。因此，本研究利用13C-DNA稳定性同位素探针与高通量测序技术，相继开展了土壤性质和生物炭对秸秆降解的影响及其潜在的微生物学机制研究，以及表征生物炭生物稳定性的化学方法的研究，主要研究结果如下:
(1)利用13C标记小麦秸秆研究了秸秆在四种不同土壤中的降解速率及激发效应的差异。研究结果表明:小麦秸秆在四种类型的土壤中培养368天后，秸秆碳的累积降解量为寒区水稻土、黄淮海水稻土以及红壤性水稻土中没有显著差异，占秸秆中碳元素的比例为35.5-37.4％。而在低肥力红壤性水稻土中，秸秆碳降解量显著低于寒区水稻土、黄淮海水稻土以及红壤性水稻土，占秸秆中碳元素的比例仅为29.2％。秸秆在四种土壤中均引发了正激发效应，强度为:低肥力红壤性水稻土＞红壤性水稻土＞寒区水稻土＞黄淮海水稻土。相关性分析表明，秸秆在各养分元素含量较高的土壤中降解较快，土壤电导率较低的土壤上激发效应较为强烈。研究表明，为加快秸秆的降解转化速率，低肥力土壤的秸秆还田需与其他养分配合施用。
(2)采用高、低肥力红壤性水稻土，以13C标记的小麦秸秆为试验材料，通过室内培养探究了秸秆在不同肥力土壤中的降解过程，明确了降解秸秆的功能微生物种群。结果表明:秸秆添加后，高肥力中的土壤原有机质降解者被抑制而低肥力土壤中的被激发，这导致了高肥力土壤中较高的微生物代谢效率以及较低的激发效应。土壤原有机质降解者的响应差异主要是由于在营养缺乏的低肥力土壤中，微生物只能通过矿化土壤原有机质来获取营养去支撑对秸秆的利用;而在养分丰富的高肥力土壤中，微生物可以直接对秸秆进行降解和利用。土壤细菌群落对秸秆添加干扰的抵抗力和恢复力均为高肥力土壤高于低肥力土壤。与低肥力土壤相比，高肥力土壤中较高的秸秆降解者丰度以及较低的秸秆降解者群落组成变异，导致了高肥力土壤中较高的微生物群落稳定性。结果表明，由于高肥力土壤拥有较高的微生物代谢效率以及群落稳定性，秸秆添加到肥沃的土壤中比添加到贫瘠的土壤中可能更有利于土壤碳的积累以及肥力的构建。
(3)利用非标记的生物炭与13C标记的小麦秸秆，采用室内培养的方法探究了生物炭对秸秆降解过程以及不同功能微生物群落的影响。结果表明:与单加秸秆的处理相比，生物炭与秸秆一同添加处理中秸秆降解量降低了13.1％;生物炭降低了秸秆添加后的细菌数量，微生物生物量则在培养前8天显著降低，后期则差异不显著。生物炭不仅改变了秸秆添加后的细菌群落结构，且减少了降解秸秆的细菌种群数量，降低了主导秸秆降解的优势细菌的相对丰度，因此最终导致了秸秆降解转化速率的显著下降，减缓了土壤原有机碳的周转速率。
(4)利用13C稳定性同位素标记的小麦秸秆制作成生物炭，研究了生物炭在不同土壤中的矿化速率及激发效应差异。研究结果表明:生物炭添加到四种类型的土壤中室内培养368天后，生物炭碳在不同土壤中的矿化量存在显著差异，寒区水稻土中为15.6mg C/kg土(0.25％)，红壤性水稻土中为14.2mg C/kg土(0.23％)，黄淮海中为10.4mg C/kg土(0.17％)，低肥力红壤性水稻土中为9.92mg C/kg土(0.16％)。生物炭碳矿化量与土壤全钾(r=0.679)以及全碳(r=0.584)含量均有显著的正相关关系。生物炭在寒区水稻土以及黄淮海水稻土中引发了显著的负激发效应，激发效应量分别为-284mg C/kg土和-157mg C/kg土;而其在红壤性水稻土以及低肥力红壤性水稻土中引发正激发效应，但并不显著，激发效应量分别为33.3mg C/kg土和58.0mg C/kg土。生物炭激发效应量与土壤的电导率（r=-0.884）及pH（r=-0.824）成极显著的负相关关系。研究表明，在评估生物炭固碳潜力时，应综合考虑生物炭自身矿化速率和生物炭引发的土壤碳激发效应。
(5)为探究生物炭生物稳定性与化学稳定性的关系，建立生物炭生物稳定性的化学表征方法，本研究利用不同H+浓度以及不同的氧化时间下的K2Cr2O7溶液对生物炭的易氧化量进行测定，并将其与生物炭生物矿化量进行匹配。结果表明:0.1M的K2Cr2O7与0.2M的H+混合溶液在100℃下氧化2小时的化学方法氧化掉的生物炭碳量与生物炭100年后在土壤中的矿化量较为一致（R2＞0.99;REMS=2.53;RD=15.3）。此研究结果提供了一种可靠、有效、廉价且易操作的方法来预测生物炭在土壤中的长期稳定性。
本研究阐明了土壤肥力与秸秆降解的关系并明确了潜在的微生物机制，提出了生物炭生物稳定性的化学表征方法，对土壤培肥和生物炭研究具有重要意义。
(1)利用13C标记小麦秸秆研究了秸秆在四种不同土壤中的降解速率及激发效应的差异。研究结果表明:小麦秸秆在四种类型的土壤中培养368天后，秸秆碳的累积降解量为寒区水稻土、黄淮海水稻土以及红壤性水稻土中没有显著差异，占秸秆中碳元素的比例为35.5-37.4％。而在低肥力红壤性水稻土中，秸秆碳降解量显著低于寒区水稻土、黄淮海水稻土以及红壤性水稻土，占秸秆中碳元素的比例仅为29.2％。秸秆在四种土壤中均引发了正激发效应，强度为:低肥力红壤性水稻土＞红壤性水稻土＞寒区水稻土＞黄淮海水稻土。相关性分析表明，秸秆在各养分元素含量较高的土壤中降解较快，土壤电导率较低的土壤上激发效应较为强烈。研究表明，为加快秸秆的降解转化速率，低肥力土壤的秸秆还田需与其他养分配合施用。
(2)采用高、低肥力红壤性水稻土，以13C标记的小麦秸秆为试验材料，通过室内培养探究了秸秆在不同肥力土壤中的降解过程，明确了降解秸秆的功能微生物种群。结果表明:秸秆添加后，高肥力中的土壤原有机质降解者被抑制而低肥力土壤中的被激发，这导致了高肥力土壤中较高的微生物代谢效率以及较低的激发效应。土壤原有机质降解者的响应差异主要是由于在营养缺乏的低肥力土壤中，微生物只能通过矿化土壤原有机质来获取营养去支撑对秸秆的利用;而在养分丰富的高肥力土壤中，微生物可以直接对秸秆进行降解和利用。土壤细菌群落对秸秆添加干扰的抵抗力和恢复力均为高肥力土壤高于低肥力土壤。与低肥力土壤相比，高肥力土壤中较高的秸秆降解者丰度以及较低的秸秆降解者群落组成变异，导致了高肥力土壤中较高的微生物群落稳定性。结果表明，由于高肥力土壤拥有较高的微生物代谢效率以及群落稳定性，秸秆添加到肥沃的土壤中比添加到贫瘠的土壤中可能更有利于土壤碳的积累以及肥力的构建。
(3)利用非标记的生物炭与13C标记的小麦秸秆，采用室内培养的方法探究了生物炭对秸秆降解过程以及不同功能微生物群落的影响。结果表明:与单加秸秆的处理相比，生物炭与秸秆一同添加处理中秸秆降解量降低了13.1％;生物炭降低了秸秆添加后的细菌数量，微生物生物量则在培养前8天显著降低，后期则差异不显著。生物炭不仅改变了秸秆添加后的细菌群落结构，且减少了降解秸秆的细菌种群数量，降低了主导秸秆降解的优势细菌的相对丰度，因此最终导致了秸秆降解转化速率的显著下降，减缓了土壤原有机碳的周转速率。
(4)利用13C稳定性同位素标记的小麦秸秆制作成生物炭，研究了生物炭在不同土壤中的矿化速率及激发效应差异。研究结果表明:生物炭添加到四种类型的土壤中室内培养368天后，生物炭碳在不同土壤中的矿化量存在显著差异，寒区水稻土中为15.6mg C/kg土(0.25％)，红壤性水稻土中为14.2mg C/kg土(0.23％)，黄淮海中为10.4mg C/kg土(0.17％)，低肥力红壤性水稻土中为9.92mg C/kg土(0.16％)。生物炭碳矿化量与土壤全钾(r=0.679)以及全碳(r=0.584)含量均有显著的正相关关系。生物炭在寒区水稻土以及黄淮海水稻土中引发了显著的负激发效应，激发效应量分别为-284mg C/kg土和-157mg C/kg土;而其在红壤性水稻土以及低肥力红壤性水稻土中引发正激发效应，但并不显著，激发效应量分别为33.3mg C/kg土和58.0mg C/kg土。生物炭激发效应量与土壤的电导率（r=-0.884）及pH（r=-0.824）成极显著的负相关关系。研究表明，在评估生物炭固碳潜力时，应综合考虑生物炭自身矿化速率和生物炭引发的土壤碳激发效应。
(5)为探究生物炭生物稳定性与化学稳定性的关系，建立生物炭生物稳定性的化学表征方法，本研究利用不同H+浓度以及不同的氧化时间下的K2Cr2O7溶液对生物炭的易氧化量进行测定，并将其与生物炭生物矿化量进行匹配。结果表明:0.1M的K2Cr2O7与0.2M的H+混合溶液在100℃下氧化2小时的化学方法氧化掉的生物炭碳量与生物炭100年后在土壤中的矿化量较为一致（R2＞0.99;REMS=2.53;RD=15.3）。此研究结果提供了一种可靠、有效、廉价且易操作的方法来预测生物炭在土壤中的长期稳定性。
本研究阐明了土壤肥力与秸秆降解的关系并明确了潜在的微生物机制，提出了生物炭生物稳定性的化学表征方法，对土壤培肥和生物炭研究具有重要意义。