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【目的】土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子，施用氮肥是保证作物高产的重要措施，提高土壤有机碳含量和氮肥利用率是农业生产管理的重要目标。本研究旨在探讨生物碳对新疆灰漠土有机碳积累及氮肥利用率的影响，为增加土壤有机碳储量和提高氮肥利用率提供理论依据。 【方法】通过盆栽试验探讨了棉花秸秆直接还田对土壤有机碳积累和小麦生长的影响，棉花秸秆施用量设置四个水平为0（CK）、0.5％、1.0%和2.0%（占土壤干重的比例）；同时，以棉花秸秆为原料，采用高温厌氧法分别在450°C、600°C和750°C下热解制备三种生物碳（以450BC、600BC和750BC表示），通过小麦盆栽试验研究生物碳对灰漠土有机碳和氮素平衡的影响。试验采用生物碳类型和施用量两因素三水平完全随机设计，生物碳类型为450BC、600BC和750BC三种，每种生物碳的施用量设3个水平为0.5%、1.0%和2.0%（占土壤干重的比例）；并以空白土壤为对照（CK）。通过棉花土柱模拟试验，应用15N同位素失踪方法研究了生物碳对棉花生长和氮肥利用率的影响，试验设置生物碳类型和施氮量两个因素，生物碳类型为450BC、600BC和750BC三种；施氮（N）量设3个水平为0、675、1350kghm-2（分别以N0、N1、N2表示）。 【主要结果】（1）连续两茬的小麦盆栽试验结果表明棉花秸秆直接还田后，土壤总有机碳和稳定态有机碳含量的增加不显著，但土壤活性有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳显著增加。秸秆还田可显著提高小麦干物质重，但对第一茬小麦的影响大于第二茬；同时，小麦氮素吸收量和土壤氮素残留量均显著增加，氮素表观损失量显著降低。三个秸秆用量处理（0.5%、1.0%、2.0%）氮素表观损失量较对照（CK）分别减少了19.1%、33.9%和36.2%。 （2）生物碳可显著提高灰漠土有机碳含量，促进有机碳积累。生物碳的热解温度越高、施用量越大，土壤总有机碳尤其是土壤稳定态有机碳增加越显著。三种生物碳（450BC、600BC和750BC）处理土壤总有机碳较对照（CK）分别增加了30.1-216%、54.9-225%和77.2-279%。生物碳也可显著提高灰漠土活性有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳含量，但600BC和750BC处理土壤活性有机碳和微生物量碳含量显著低于450BC。随着生物碳施用量的增加（0.5%、1%和2%），土壤活性有机碳和微生物量碳显著增加，但土壤水溶性有机碳含量显著降低。 （3）生物碳可显著提高小麦干物质重，且对第二茬小麦的影响大于第一茬。生物碳处理小麦氮素吸收量和土壤中氮素残留量显著高于对照（CK），三种生物碳处理（450BC、600BC和750BC）氮素表观损失量平均较对照（CK）分别减少了34.1%、53.7%和88.6%。 （4）在施氮水平较低情况下（N0、N1），三种生物碳处理棉花干物质重和氮素吸收量均显著高于对照（CK）；在高氮水平下（N2），生物碳对棉花干物质重的影响较小，但氮素吸收量显著高于对照（CK）。 （5）15N同位素示踪试验结果表明生物碳可以显著提高氮肥利用率，在施氮量675（N1）和1350kghm-2（N2）下，450BC、600BC和750BC处理氮肥利用率分别较对照（CK）提高了24.2-32.7%、32.6-40.3%、38.3-47.4%，但三种生物碳处理之间差异不显著。施用生物碳土壤15N残留率显著增加，肥料15N损失率显著降低。450BC、600BC和750BC处理土壤15N残留率分别较对照（CK）增加了85.8-117%、102-193%和131-270%；15N损失率较对照（CK）减少了25.4-27.7%、31.7-57.2%和39.0-91.3%。 【结论】因此，施用生物碳可促进灰漠土有机碳积累，促进作物生长和养分吸收，提高氮肥利用率，增强土壤对氮素养分的保持能力，减少土壤-作物系统的氮素损失，降低环境污染风险。