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水热炭（hydrochar，通过水热碳化法制备的生物炭），作为一种新兴的炭材料，因其丰富的孔隙结构和含氧官能团等特性，在废弃物资源化利用、土壤改良、固碳减排等方面具有良好的应用前景。为进一步改良水热炭表面特性，同时减少其环境应用中潜在的负作用，本研究提出将水热炭进行微生物陈化改良，并将其应用于稻田土壤中，考察其农学和环境效应。
本研究开展两年的水稻土柱试验。设置不同水热炭处理，包括：锯末水热炭（SHC）、麦秆水热炭（WHC）、微生物陈化锯末水热炭（M-SHC）、微生物陈化麦秆水热炭（M-WHC）、水洗锯末水热炭（W-SHC）和水洗麦秆水热炭（W-WHC），每种水热炭处理均设置两种施用量：0.5%（w/w）和1.5%（w/w）；此外，设置不施加氮肥和生物炭处理（CK0）和施加氮肥且不加生物炭处理（CKU）作为对照。综合考察不同生物质原材料、不同改良方式、不同施加量的水热炭处理对水稻产量及品质、氮素利用率、NH3挥发和温室气体排放的影响。本研究为水热炭的稻田应用，特别是微生物陈化改良水热炭的稻田应用提供数据支撑。本研究结果表明：
（1）经过微生物陈化和水洗改良，锯末和麦秆水热炭的表面特性均得到明显改善。M-SHC和M-WHC的pH值明显高于SHC和WHC。M-SHC和M-WHC浸提液总氮含量明显高于SHC和WHC。微生物陈化改良和水洗改良显著增加了水热炭的比表面积，M-SHC和M-WHC相比SHC和WHC增加了近2倍，表面孔径也得到了明显的提升。同时，M-SHC和M-WHC表面含氧官能团增加，可溶性有机酸、酚类等可能对作物生长产生胁迫的有机物显著减少。
（2）不同水热炭处理对水稻生长、产量、品质和氮素利用率均有不同程度的促进作用。总体上，不同水热炭处理均在一定程度上增加了水稻产量，且在较低施用量（0.5%,w/w）条件下水稻产量更高。微生物陈化改良水热炭和水洗水热炭处理在较高施加量（1.5%,w/w）条件下对水稻产量的促进效果优于原始水热炭。2018年和2019年M-SHC05和M-SHC15处理水稻产量相比CKU分别高出22.99%，17.13%和16.63%，19.34%；微生物陈化改良水热炭和水洗水热炭均有效提高了水稻氮肥利用率和氮肥农学效率，且2018年水热炭及其改良产物普遍提高了水稻籽粒游离氨基酸总量。水稻增产可能是由于水热炭向土壤输入更多的养分；此外，水热炭丰富的孔隙结构有助于对养分的吸附和固持，提高作物对于养分的利用，进而促进水稻的生长及产量。
（3）稻田NH3挥发受生物质原料、水热炭类型和施加量的影响。SHC和WHC处理均显著减少了NH3挥发累积排放量（P＜0.05），且在较低施加量（0.5%，w/w）条件下减排效果更为明显。水热炭改良后对氨挥发减排效果受到原材料的影响，2018年M-SHC15处理NH3挥发累积排放量相对于CKU下降11.52%，而M-WHC处理在不同施加量下与CKU相比均显著增加了NH3挥发累积排放量（P＜0.05）；2019年M-SHC05处理显著减少了NH3挥发累积排放量和单位产量NH3挥发累积排放量（P＜0.05）。水热炭的NH3挥发减排的机制可能是由于水热炭增强了土壤的氨吸附能力和氨氧化基因的丰度，促进稻田土壤氨氧化作用，从而减少了NH3挥发。
（4）微生物陈化改良水热炭对CH4和N2O排放有良好的抑制效果。2018年SHC15和WHC15处理显著增加了CH4排放（P＜0.05），2018年和2019年微生物陈化水热炭均显著降低了CH4排放（P＜0.05）；2018年M-SHC15处理和2019年M-SHC05处理均显著降低了N2O排放（P＜0.05），2019年WHC15和M-WHC15处理对N2O排放有显著减排效果（P＜0.05），相对于CKU，N2O排放量分别减少了57.89%和42.10%。水热炭温室气体减排机制可能是水热炭能够增大土壤的通气量为甲烷氧化菌提供有利的条件，降低产甲烷菌的活性，从而减少CH4的排放；此外，土壤通气量的提高，将抑制厌氧反硝化细菌活性，对于N2O减排起重要作用。
（5）微生物陈化改良水热炭可降低稻田全球增温潜势（global warming potential,GWP）和单位产量全球增温潜势（greenhouse gas intensity,GHGI）。2018年SHC15和WHC15处理显著增加了GWP值和GHGI值（P＜0.05）。相对于SHC15处理，M-SHC15处理下GWP值降低了48.49%。M-WHC05和M-WHC15处理均显著降低了GHGI值（P＜0.05），相对于CKU,分别降低了22.79%和33.33%。2019年也存在类似的温室气体减排规律。
基于以上研究结果，水热炭的微生物陈化改良对于水稻农业生产和环境风险防控均具有良好的效果。未来，水热炭及其改良产物的农学和环境效应建议在小区和大田试验中进一步验证；其理化性质和环境减排的内在机制研究也需要进一步深入。
本研究开展两年的水稻土柱试验。设置不同水热炭处理，包括：锯末水热炭（SHC）、麦秆水热炭（WHC）、微生物陈化锯末水热炭（M-SHC）、微生物陈化麦秆水热炭（M-WHC）、水洗锯末水热炭（W-SHC）和水洗麦秆水热炭（W-WHC），每种水热炭处理均设置两种施用量：0.5%（w/w）和1.5%（w/w）；此外，设置不施加氮肥和生物炭处理（CK0）和施加氮肥且不加生物炭处理（CKU）作为对照。综合考察不同生物质原材料、不同改良方式、不同施加量的水热炭处理对水稻产量及品质、氮素利用率、NH3挥发和温室气体排放的影响。本研究为水热炭的稻田应用，特别是微生物陈化改良水热炭的稻田应用提供数据支撑。本研究结果表明：
（1）经过微生物陈化和水洗改良，锯末和麦秆水热炭的表面特性均得到明显改善。M-SHC和M-WHC的pH值明显高于SHC和WHC。M-SHC和M-WHC浸提液总氮含量明显高于SHC和WHC。微生物陈化改良和水洗改良显著增加了水热炭的比表面积，M-SHC和M-WHC相比SHC和WHC增加了近2倍，表面孔径也得到了明显的提升。同时，M-SHC和M-WHC表面含氧官能团增加，可溶性有机酸、酚类等可能对作物生长产生胁迫的有机物显著减少。
（2）不同水热炭处理对水稻生长、产量、品质和氮素利用率均有不同程度的促进作用。总体上，不同水热炭处理均在一定程度上增加了水稻产量，且在较低施用量（0.5%,w/w）条件下水稻产量更高。微生物陈化改良水热炭和水洗水热炭处理在较高施加量（1.5%,w/w）条件下对水稻产量的促进效果优于原始水热炭。2018年和2019年M-SHC05和M-SHC15处理水稻产量相比CKU分别高出22.99%，17.13%和16.63%，19.34%；微生物陈化改良水热炭和水洗水热炭均有效提高了水稻氮肥利用率和氮肥农学效率，且2018年水热炭及其改良产物普遍提高了水稻籽粒游离氨基酸总量。水稻增产可能是由于水热炭向土壤输入更多的养分；此外，水热炭丰富的孔隙结构有助于对养分的吸附和固持，提高作物对于养分的利用，进而促进水稻的生长及产量。
（3）稻田NH3挥发受生物质原料、水热炭类型和施加量的影响。SHC和WHC处理均显著减少了NH3挥发累积排放量（P＜0.05），且在较低施加量（0.5%，w/w）条件下减排效果更为明显。水热炭改良后对氨挥发减排效果受到原材料的影响，2018年M-SHC15处理NH3挥发累积排放量相对于CKU下降11.52%，而M-WHC处理在不同施加量下与CKU相比均显著增加了NH3挥发累积排放量（P＜0.05）；2019年M-SHC05处理显著减少了NH3挥发累积排放量和单位产量NH3挥发累积排放量（P＜0.05）。水热炭的NH3挥发减排的机制可能是由于水热炭增强了土壤的氨吸附能力和氨氧化基因的丰度，促进稻田土壤氨氧化作用，从而减少了NH3挥发。
（4）微生物陈化改良水热炭对CH4和N2O排放有良好的抑制效果。2018年SHC15和WHC15处理显著增加了CH4排放（P＜0.05），2018年和2019年微生物陈化水热炭均显著降低了CH4排放（P＜0.05）；2018年M-SHC15处理和2019年M-SHC05处理均显著降低了N2O排放（P＜0.05），2019年WHC15和M-WHC15处理对N2O排放有显著减排效果（P＜0.05），相对于CKU，N2O排放量分别减少了57.89%和42.10%。水热炭温室气体减排机制可能是水热炭能够增大土壤的通气量为甲烷氧化菌提供有利的条件，降低产甲烷菌的活性，从而减少CH4的排放；此外，土壤通气量的提高，将抑制厌氧反硝化细菌活性，对于N2O减排起重要作用。
（5）微生物陈化改良水热炭可降低稻田全球增温潜势（global warming potential,GWP）和单位产量全球增温潜势（greenhouse gas intensity,GHGI）。2018年SHC15和WHC15处理显著增加了GWP值和GHGI值（P＜0.05）。相对于SHC15处理，M-SHC15处理下GWP值降低了48.49%。M-WHC05和M-WHC15处理均显著降低了GHGI值（P＜0.05），相对于CKU,分别降低了22.79%和33.33%。2019年也存在类似的温室气体减排规律。
基于以上研究结果，水热炭的微生物陈化改良对于水稻农业生产和环境风险防控均具有良好的效果。未来，水热炭及其改良产物的农学和环境效应建议在小区和大田试验中进一步验证；其理化性质和环境减排的内在机制研究也需要进一步深入。