砂姜黑土秸稈還田配施氮肥的固碳效應(yīng)分析

李瑋，喬玉強，陳歡，杜世州，趙竹，曹承富*

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點實驗室，安徽 合肥 230031

砂姜黑土秸稈還田配施氮肥的固碳效應(yīng)分析

李瑋1,2，喬玉強1,2，陳歡1,2，杜世州1,2，趙竹1,2，曹承富1,2*

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點實驗室，安徽 合肥 230031

以安徽蒙城砂姜黑土4年秸稈還田定位試驗為研究對象，研究了秸稈還田配施不同氮肥水平條件下砂姜黑土耕層土壤容重、有機質(zhì)組分的變化特征，分析了土壤有機質(zhì)含量與土壤容重的相關(guān)性以及秸稈還田和氮肥施用對土壤碳庫管理指數(shù)、固碳效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，秸稈還田（S）顯著降低了土壤容重，不同施氮水平間，秸稈移除的土壤容重在1.24～1.31 g·cm-3之間，而秸稈還田在1.14～1.20 g·cm-3范圍內(nèi)，后者較前者下降2.50%～9.20%（p＜0.05），其中以秸稈還田配施N5（S+N 720 kg·hm-2）處理的降幅最高。S較秸稈移除（R）顯著提高了耕層土壤有機質(zhì)含量（TOM）和活性有機質(zhì)（LOM）含量，增加幅度分別為2.38%～10.61%（p＜0.05） 和9.10%～44.74%（p＜0.05)，其中分別以配施N2（N 450 kg·hm-2）、N3（N 540 kg·hm-2）水平的幅度最高。相同施氮條件下，碳庫管理指數(shù)（CPMI）S較R高出2.42%～87.68%（p＜0.05）；秸稈還田配施氮肥較秸稈還田不施氮肥顯著提高了CPMI，提高幅度分別為41.71%、38.17%、74.62%、48.84%和48.86%（p＜0.05），并以配施N3處理的為最高，較 N1（N 360 kg·hm-2）、N2、N4（N 630 kg·hm-2）和N5高出23.22%、26.38%、17.33%和17.31% （p＜0.05）;秸稈還田配施氮肥處理的CPMI較R+N0依次高出2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44%和52.46%（p＜0.01）；秸稈移除各氮肥水平間的CPMI無顯著差異。根據(jù)等質(zhì)量土壤計算方法，等質(zhì)量土壤為2615 Mg·hm-2（0～20 cm），秸稈還田配施氮肥增加了耕層等質(zhì)量土壤有機碳儲量，增加范圍為6.58%～14.83%；秸稈還田配施氮肥較不施氮肥顯著高出10.29%～16.35%（p＜0.05），較R+N0高出25.99%～32.91%（p＜0.01），均以配施N4水平的增幅最高；S+N0較R+N0提高14.23%（p＜0.05）。相關(guān)分析表明，SOM和LOM含量均隨土壤容重的減小而增加，相關(guān)系數(shù)為0.5540和0.7575，分別呈顯著線性負相關(guān)（p＜0.05）和極顯著線性負相關(guān)（p＜0.01）。由此可見，秸稈還田可顯著降低土壤容重，提高SOM、LOM和CPMI，有機質(zhì)和活性有機質(zhì)含量隨土壤容重的增加遞減；秸稈還田和施肥均可提高等質(zhì)量2615 Mg·hm-2的土壤有機碳儲量，秸稈還田以配施N4、N5高氮量時表現(xiàn)為最高，N1、N2和N3處理次之，不施肥最低；單施氮肥對提高等質(zhì)量土壤的有機碳儲量具有顯著作用，但不及秸稈還田與氮肥配施的效果顯著。

砂姜黑土；秸稈還田；氮肥水平；有機質(zhì)組分；碳庫管理指數(shù)；碳儲量

安徽省黃淮海南部砂姜黑土質(zhì)地粘重、結(jié)構(gòu)性差，有機質(zhì)含量低。該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來偏向于施用化學氮肥，使土壤結(jié)構(gòu)以及土壤肥力持續(xù)性受到破壞，土壤質(zhì)量下降（張效補，1996；張效補，1994）。目前，有關(guān)秸稈還田和施用氮肥的研究結(jié)果表明，秸稈還田可有效提高耕層總有機碳含量。然而，施肥對土壤有機碳影響的研究主要集中在塿土、灰漠土、黑土、潮土等（徐明崗等，1994），對砂姜黑土研究尚少，而秸稈還田配施氮肥對土壤總有機質(zhì)和活性有機質(zhì)組分以及碳庫管理指數(shù)、固碳效應(yīng)的系統(tǒng)研究則更為缺乏。為此，本研究通過4年大田定位試驗，研究砂姜黑土小麥-玉米兩熟制條件下秸稈還田和施氮對農(nóng)田土壤有機碳組分以及固碳潛力的影響，以期為完善該區(qū)秸稈還田和施肥技術(shù)體系和砂姜黑土培肥制度的建立提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2008～2012年度在安徽省蒙城縣農(nóng)業(yè)示范場進行，試驗地土質(zhì)為砂姜黑土，0～20 cm土層養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)為：土壤有機質(zhì)14.24 g·kg-1，全氮含量0.99 g·kg-1，堿解氮57.84 mg·kg-1，全磷含量0.67 g·kg-1，有效磷21.57 mg·kg-1，速效鉀197.46 mg·kg-1。供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭單958。

1.2 田間試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)秸稈還田和施氮量兩因素。其中秸稈處理為主區(qū)，設(shè)小麥-玉米秸稈全量粉碎還田（S）和移除（R）兩種方式，秸稈全量還田年還田量為15000 kg·hm-2，其中小麥7000 kg·hm-2，玉米8000 kg·hm-2；氮肥施用為副區(qū)，設(shè)置6個處理，年施氮量分別為N 0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示；磷、鉀肥年施用量分別為P2O5180 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2，除N0（對照）之外，其余氮肥處理均施用磷鉀肥，且施用量相等。各處理氮、磷、鉀肥小麥季施用量占年施用總量的45%，玉米季則為55%。小麥季氮肥基追比為55:45，追肥時期為拔節(jié)期，磷鉀肥在小麥播種時一次性基施；玉米季氮肥基追比為45:55，追肥時期為大喇叭口期，磷鉀肥在玉米播種時一次性基施。小麥10月中旬播種，玉米6月中旬播種。小區(qū)面積21.6 m2，隨機排列，3次重復(fù)。

1.3 測定指標及方法

土壤樣品采集：2012年玉米收獲后，取0～20 cm的土樣，每個樣品均為多點采集混合而成，然后用四分法保留足夠的樣品，風干，過篩備用。

土壤總有機碳（TOC）測定：稱取過0.149 mm篩的風干土0.2000 g，采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定（鮑士旦，2005）。

土壤活性有機碳（LOC）：稱取過0.25 mm篩的風干土1.50 g于100 mL離心管中，加入333 mmol·L-1KMnO425 mL，在室溫（25 ℃）條件下震蕩1 h，2000 r·min-1離心5 min，取上清液用去離子水按體積比1:250稀釋，在分光光度計565 nm波長處進行比色（Blair等，1995）。由不加土壤的空白與土壤樣品的吸光率之差，計算出高錳酸鉀濃度的變化，進而計算出氧化的碳量或有機質(zhì)（氧化過程中高錳酸鉀濃度每減少1 mmol·L-1代表碳減少量為0.75 mmol·L-1或9 mg·kg-1或者9 mg·L-1）。

所有處理均以秸稈移除、不施氮土壤為參照土壤，計算各處理的CPMI（Blair等，1995）：

式中：A為碳庫活度；LOC為樣本活性有機碳含量（g·kg-1）；NLOC為樣本非活性有機碳含量（g·kg-1）；AI為碳庫活度指數(shù)；A0為對照碳庫活度指數(shù)；CPI為碳庫活度；TOC為樣本總有機碳含量（g·kg-1）；TOC0為對照總有機碳含量（g·kg-1）；CPMI為碳庫管理指數(shù)。

1.4 有機碳儲量計算

單位體積或單位面積的土壤碳儲量計算取決于土壤質(zhì)量，而土壤容重的改變導(dǎo)致同深度不同處理下的土壤質(zhì)量不同，為減少土壤容重差異帶來的偏差，本文參考Ellert等（Ellert和Bettany，1995）的方法，采取等質(zhì)量方法計算土壤有機碳儲量。等質(zhì)量土壤有機碳儲量指各層土壤有機碳儲量與增加土壤質(zhì)量中有機碳儲量之和，計算公式為：

式中，Melement為等質(zhì)量土壤有機碳儲量（Mg·hm-2）；Msoil,i為土層的土壤質(zhì)量（Mg·hm-2）；conci為土層土壤有機碳含量（kg·Mg-1）；Mj為已確定的相等土壤質(zhì)量，以不同處理下土壤質(zhì)量最大值作為統(tǒng)一的土壤質(zhì)量，即Mj為2615 Mg·hm-2，本文中計算0～20 cm土層的有機碳儲量；concextra為增加土壤質(zhì)量部分的有機碳含量（kg·Mg-1）；ρb,i為土層土壤容重（Mg·m-3）；Ti為土壤厚度（m）；0.001為質(zhì)量單位kg換算成Mg的系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進行處理和作圖。單因素方差分析多重比較采用最小顯著差異法（LSD，Least significant difference）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重變化

砂姜黑土秸稈還田處理4年后，耕層土壤的容重存在明顯差異（圖1），表現(xiàn)為秸稈還田明顯降低了耕層土壤容重。施氮處理間，秸稈移除后土壤容重在1.24～1.31 g·cm-3之間，而秸稈還田在1.14～1.20 g·cm-3范圍內(nèi)，后者較前者下降2.50%～9.20%（p＜0.05），其中以秸稈還田+N5處理的降幅最高。相對于不同的秸稈處理，秸稈還田不同氮肥水平之間，N1、N2、N3、N4和N5較N0(CK)分別下降0.83%、0.83%、2.50%、5.00%和0.83%（p＜0.05）；N4較N3下降2.56%（p＜0.05），較N1、N2和N5下降4.20%（p＜0.05）；秸稈移除氮肥處理間，容重從高到低依次為N5＞N0＞N2=N3=N4＞N1（p＜0.05）。由此可知，不施肥和高氮肥使土壤容重增加。

圖1 秸稈還田配施氮肥對土壤容重的影響Fig. 1 Effect of straw incorporation and N fertilizer application on soil bulk density

圖2 秸稈還田配施氮肥下土壤總有機質(zhì)和活性有機質(zhì)的含量Fig.2 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on soil organic matter and LOM

圖3 土壤有機質(zhì)含量與容重的關(guān)系Fig. 3 Relationship between soil organic matter content and soil bulk density

2.2 土壤有機質(zhì)變化

圖2表明，秸稈還田配施氮肥較單施氮肥明顯提高了土壤總有機質(zhì)（SOM）和活性有機質(zhì)（LOM）。不同氮肥水平間，秸稈還田（S）和移除（R）的總有機質(zhì)分別為17.31～20.06 g·kg-1、15.96～19.49 g·kg-1，前者較后者顯著增加2.38%～10.61%（p＜0.05），其中以秸稈還田配施N2水平的增幅最高。S的總有機質(zhì)含量N1、N2、N3、N4和N5較N0(CK）分別提高11.27%、11.72%、10.14%、15.20%和15.86%（p＜0.05），較R+N0分別提高20.76%、21.25%、19.53%、25.01%和25.73%（p＜0.01），S+N0較R+N0提高8.53%（p＜0.05）。相比總有機質(zhì)，秸稈還田使得活性有機質(zhì)（LOM）的增幅更大，秸稈還田和秸稈移除的LOM波動范圍分別為3.38%～4.48%、3.00%～3.51%，前者高出后者9.10%～44.74%，其中以秸稈還田配施N3處理的增幅最大。

2.3 土壤有機質(zhì)含量與土壤容重的關(guān)系

秸稈還田和施肥可對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接或間接的作用，通過改變土壤的物理特性及局部小氣候，進而對土壤有機質(zhì)的礦化分解速率產(chǎn)生影響。本文分別對SOM、LOM含量與土壤容重進行了相

關(guān)分析（圖3），由圖可知，SOM和LOM含量均隨土壤容重的減小而增加，相關(guān)系數(shù)分別為0.5540和0.7575，分別呈顯著線性負相關(guān) （p＜0.05）、極顯著線性負相關(guān)（p＜0.01）。

2.4 秸稈還田與施肥對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

CPMI受秸稈還田的影響顯著（表1）。不同氮肥水平之間，S較R的CPMI高出2.42%～87.68%（p＜0.05）。與S+N0相比，S+N1、S+N2、S+N3、S+N4和S+N5的CPMI均表現(xiàn)為顯著增加，增加幅度分別為41.71%、38.17%、74.62%、48.84%和48.86%（p＜0.05），以配施N3處理的增幅最高，S+N3較 S+N1、S+N2、S+N4和S+N5高出23.22%、26.38%、17.33%和17.31%（p＜0.05）。所有S處理的CPMI較R+N0依次高出2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44%和52.46%（p＜0.01）。秸稈移除各處理間的CPMI無顯著差異。由此可見，秸稈還田可顯著提高砂姜黑土的碳庫管理指數(shù)。

2.5 秸稈還田與施肥對砂姜黑土有機碳儲量的影響

經(jīng)過連續(xù)4年的全量秸稈還田和施肥，對耕層土壤有機碳儲量分析可知（表2），等質(zhì)量土壤為2615 Mg·hm-2（0～20 cm）時，與秸稈移除相比，秸稈還田增加了耕層有機碳儲量，不同氮肥處理分別增加N0 14.23%、N1 6.58%、N2 14.83%、N3 8.82%、N4 8.53% 和N5 12.92%。秸稈還田條件下，N1、N2、N3、N4和N5較N0顯著高出10.50%、10.87%、10.29%、16.35%和14.33%（p＜0.05），較R+N0高出26.23%、26.66%、25.99%、32.91%和30.60%（p＜0.01）；S+N0較R+N0提高14.23%（p＜0.05）。單施氮肥處理的等質(zhì)量土壤有機碳儲量均顯著高于不施肥處理。可見，秸稈還田和施肥均可提高等質(zhì)量2615 Mg·hm-2的土壤有機碳儲量，秸稈還田以配施N4、N5高氮量時表現(xiàn)為最高，N1、N2和N3處理次之，不施肥最低；單施氮肥對提高等質(zhì)量土壤的有機碳儲量具有顯著作用，但不及秸稈還田與氮肥配施的效果。

表1 秸稈還田和不同氮肥施用量下砂姜黑土的碳庫管理指數(shù)Table 1 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on carbon management index

表2 秸稈還田配施氮肥下等質(zhì)量土壤有機碳的儲量Table 2 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on soil organic carbon stock on equivalent soil mass basis

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

（1）秸稈還田配施氮肥顯著降低了耕層土壤容重，這與前人研究結(jié)果一致（慕平等，2011；張亞麗等，2012）。相反，雖然單施氮肥的處理間土壤容重差異顯著，但中、低量氮肥相比秸稈還田配施氮肥，下降幅度不大，且高氮肥增加了土壤容重。秸稈還田顯著提高了SOM和LOM含量。這與Li等（2012）、Dou等（2008）、Jacabs等（2009）、Roper等（2010）以及蔡太義等（2012）、陳鮮妮等（2012）在不同類型土壤上的研究結(jié)果相似，其原因可能是秸稈施用后，經(jīng)過微生物的分解，部分進入土壤轉(zhuǎn)化成有機碳，從而提高了土壤有機質(zhì)含量，有助于增加土壤碳庫（Xu等，2011）。同時，秸稈施用后降低了耕層土壤容重，土壤孔隙度增大，利于微生物的活動，因此秸稈還田亦有利于LOM含量的提高（Zhou等，2012）。以上結(jié)果充分證明秸稈還田直接補充了土壤有機質(zhì)，而增施氮肥可促使土壤養(yǎng)分平衡增加作物生物量從而間接增加土壤有機質(zhì)含量，同時對改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤質(zhì)量有明顯作用。

（2）本試驗表明，秸稈移除施氮的處理SOM、LOM含量高于不施氮處理，但二者的增加幅度低于秸稈還田配施氮肥的處理，與徐明崗等研究的長期單施化肥或不施肥土壤質(zhì)量下降的結(jié)論相似（徐明崗等，2006）。然而長期施用化學氮肥，將加快土壤原有有機碳的消耗，使積累在土壤中的有機碳總量減少，根茬還田的有機物料提供的有機碳量能補償部分土壤穩(wěn)定有機碳每年分解的量；不施氮肥條件下，作物根茬減少，土壤穩(wěn)定有機碳每年的分解量大于有機物料提供的碳殘留量(Freibauer等，2004)。故針對研究區(qū)氣候條件和土壤類型，若不施

用任何氮肥，僅依靠作物根茬殘留碳的循環(huán)，不能長期維持土壤有機碳的平衡，土壤有機碳含量呈下降趨勢。

（3）碳庫管理指數(shù)可以系統(tǒng)、敏感的反應(yīng)和監(jiān)測土壤有機碳的變化，表征土壤質(zhì)量下降或更新的程度，其值的高低表明農(nóng)田管理措施對土壤碳庫管理指數(shù)的影響（徐明崗等，2006；沈宏等，1999）。本研究中，以R+N0作為參考土樣，秸稈還田較秸稈移除有利于提高A、AI、CPI及CPMI，這與高飛等（高飛等，2011）、蔡太義等（蔡太義等，2011）的研究結(jié)果相同。比較不同施氮水平，秸稈還田配施N3處理顯著提高了A、AI和CPMI，而秸稈移除施氮處理雖然提高了A、AI、CPI和CPMI，顯著高于不施肥處理，但施肥處理間CPMI無顯著差異，與陳小云等（陳小云等，2011）的研究結(jié)論一致，這主要是因為單施化肥對土壤微生物多樣性的影響不明顯（張北贏等，2010）。

（4）本研究結(jié)果表明，秸稈還田和施肥均有助于增加0～20 cm土層的有機碳儲量，并以秸稈還田配施N4、N5處理的增幅最高，這與王振忠（王振忠等，2003）等關(guān)于秸稈還田方式（粉碎還田、配施適量氮肥）以及秸稈全量直接還田、劉守龍等（劉守龍等，2006）通過自主建立的模型模擬全量秸稈還田下關(guān)于土壤碳儲量的研究結(jié)果一致。

3.2 結(jié)論

通過對4年秸稈還田配施化學氮肥處理下砂姜黑土耕層土壤容重、有機質(zhì)組分變化以及土壤固碳效應(yīng)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）秸稈還田配施化學氮肥顯著降低耕層土壤容重2.50%～9.20%（p＜0.05），其中年配施N 720 kg·hm-2時土壤容重下降幅度最大；土壤總有機質(zhì)和活性有機質(zhì)含量較秸稈移除分別增加2.38%～10.61%（p＜0.05）和9.10%～44.74% (p＜0.05)，其中分別以配施N 450 kg·hm-2、N 540 kg·hm-2水平的增幅最高；碳庫管理指數(shù)（CPMI）較秸稈移除增加了2.42%～87.68%；土壤容重與土壤總有機質(zhì)和活性有機質(zhì)之間均呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

（2）秸稈還田和氮肥施用均可增加耕層0～20 cm等質(zhì)量土壤（2615 Mg·hm-2）的有機碳儲量，但秸稈還田配施氮肥的增加幅度高于單施氮肥或者單獨秸稈還田，且以配施高氮水平的有機碳儲量最高。

（3）選擇LOM和CPMI指標可以表征短期內(nèi)砂姜黑土有機質(zhì)活性對農(nóng)田管理措施的響應(yīng)特征，另外，秸稈還田對砂姜黑土耕層土壤具有明顯的固碳減排效應(yīng)。

BLAIR G J, LEFROY R, LISLE L. 1995. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 46(7): 1459-1466.

DOU F, WRIGHT A L, HONS F M. 2008. Sensitivity of labile soil organic carbon to tillage in wheat-based cropping systems [J]. Soil Science Society of America Journal, 72(5): 1445-1453.

ELLERT B, BETTANY J R. 1995. Calculation of organic matter and nutrients stored in soils under contrasting management regimes [J]. Canadian Journal of Soil Science, 75(4): 529-538.

FOLLETT R. 2001. Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils [J]. Soil and Tillage Research, 61(1): 77-92.

FREIBAUER A, ROUNSEVEL M D A, SMITH P, et al. 2004. Carbon sequestration in the agricultural soils of Europe [J]. Geoderma, 122(1): 1-23.

JACOBS A, RAUBER R, LUDWIG B. 2009. Impact of reduced tillage on carbon and nitrogen storage of two Haplic Luvisols after 40 years [J]. Soil and Tillage Research, 102(1): 158-164.

JIANG P K , XU Q F. 2006. Abundance and dynamics of soil labile carbon pools under different types of forest vegetation [J]. Pedosphere, 16(4): 505-511.

LI C F, YUE L X, ZHANG Z S, et al. 2012. Short-term effects of conservation management practices on soil labile organic carbon fractions under a rape–rice rotation in central China [J]. Soil and Tillage Research, 119: 31-37.

LU F, WANG X E, HAN B, et al. 2009. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no‐tillage in China's cropland [J]. Global Change Biology, 15(2): 281-305.

ROPER M M, GUPTA V V S R, MURPHY D V. 2010. Tillage practices altered labile soil organic carbon and microbial function without affecting crop yields [J]. Soil Research, 48(3): 274-285.

SMITH P, POWLSON D, GLENDINING M, et al. 1997. Potential for carbon sequestration in European soils: preliminary estimates for five scenarios using results from long‐term experiments [J]. Global Change Biology, 3(1): 67-79.

WANDER M, TRAINA S J, STINNER B R, et al. 1994. Organic and conventional management effects on biologically active soil organic matter pools [J]. Soil Science Society of America Journal, 58(4): 1130-1139.

XU M G, LOU Y L, SUN X L, et al. 2011.Soil organic carbon active fractions as early indicators for total carbon change under straw incorporation [J]. Biology and Fertility of Soils, 47(7): 745-752.

ZHOU X Q, CHEN C R, LU S B, et al. 2012. The short-term cover crops increase soil labile organic carbon in southeastern Australia [J]. Biology and Fertility of Soils, 48(2):239-244.

鮑士旦. 2005. 土壤農(nóng)化分析[M]. 第3版. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社.

蔡太義, 黃會娟, 黃耀威, 等. 2012. 不同量秸稈覆蓋還田對土壤活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 自然資源學報, 27(6): 964-974.

蔡太義, 黃耀威, 黃會娟, 等. 2011. 不同年限免耕秸稈覆蓋對土壤活性有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 30(9): 1962-1968.

陳鮮妮, 岳西杰, 葛璽祖, 等. 2012. 長期秸稈還田對觩土耕層土壤有機碳庫的影響[J]. 自然資源學報, 27(1): 25-32.

陳小云, 郭菊花, 劉滿強, 等. 2011. 施肥對紅壤性水稻土有機碳活性和難降解性組分的影響[J]. 土壤學報, 48(1): 125-131.

高飛, 賈志寬, 張鵬, 等. 2011. 秸稈覆蓋對寧南旱作農(nóng)田活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 29(3): 107-111.

韓冰, 王效科, 逯非, 等. 2008. 中國農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力[J]. 生態(tài)學報, 28(2): 612-619.

劉守龍, 童成立, 張文菊, 等. 2006. 湖南省稻田表層土壤固碳潛力模擬研究[J]. 自然資源學報, 21(1): 118-125.

逯非, 王效科, 韓冰, 等. 2009. 農(nóng)田土壤固碳措施的溫室氣體泄漏和凈減排潛力[J]. 生態(tài)學報, 29(9):4993-5006.

慕平, 張恩和, 王漢寧, 等. 2011. 連續(xù)多年秸稈還田對玉米耕層土壤理化性狀及微生物量的影響[J]. 水土保持學報, 25(5): 81-85.

沈宏, 曹志洪, 胡正義. 1999. 土壤活性有機碳的表征及其生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學雜志, 18(3): 32-38.

沈宏, 曹志洪, 王志明. 1999. 不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫管理指數(shù)的研究[J]. 自然資源學報, 14(3):206-211.

王振忠, 吳敬民, 陳留根, 等. 2003. 稻麥兩熟地區(qū)秸稈全量直接還田施肥技術(shù)的增產(chǎn)培肥效果[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學報, 19(3): 151-156.

徐明崗, 梁國慶, 張夫道. 2006. 中國土壤肥力演變[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社.

徐明崗, 于榮, 孫小鳳, 等. 2006. 長期施肥對我國典型土壤活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 12(4): 459-465.

徐明崗, 于榮, 王伯仁. 2006. 長期不同施肥下紅壤活性有機質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學報, 43(5):723-729.

張北贏, 陳天林, 王兵. 2010. 長期施用化肥對土壤質(zhì)量的影響[J]. 中國農(nóng)學通報, 26(11): 182-187.

張迪, 韓曉增. 2010. 長期不同植被覆蓋和施肥管理對黑土活性有機碳的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 43(13): 2715-2723.

張國盛, 黃高寶, Chan Y. 2005. 農(nóng)田土壤有機碳固定潛力研究進展[J].生態(tài)學報, 25(2): 351-357.

張俊華, 李國棟, 南忠仁, 等. 2012. 耕作歷史和種植制度對綠洲農(nóng)田土壤有機碳及其組分的影響 [J]. 自然資源學報, 27(2): 196-203.

張效樸. 1994. 淮北砂姜黑土區(qū)小麥高產(chǎn)高效的施肥技術(shù)[J]. 土壤, 26(1): 14-18.

張效樸. 1996. 淮北砂姜黑土的肥力特點與高產(chǎn)高效糧食生產(chǎn)的施肥管理技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 17(4): 218-224.

張亞麗, 呂家瓏, 金繼運, 等. 2012. 施肥和秸稈還田對土壤肥力質(zhì)量及春小麥品質(zhì)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 18(2): 307-314.

Carbon storages lime concretion black soils as affected by straw incorporation and fertilization

LI Wei1,2, QIAO Yuqiang1,2, CHEN Huan1,2, DU Shizhou1,2, ZHAO Zhu1,2, CAO Chengfu1,2*
1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China; 2. Anhui Key Laboratory of Improved Varieties of Crops; Hefei 230031, China

The effects of a combination of returned straw and different N fertilizer application rates on soil bulk density, organic matter fractions, carbon management index (CPMI) and soil carbon storage of lime concretion black soil were systematically studied, and analyzing the correlations between soil bulk density and organic matter fractions, based on data from a four year experiment using a winter wheat-summer maize rotation system in Mengcheng City, Anhui Province, China. The results showed that the bulk density of surface soil under areas where straw was either incorporated or removed were 1.14～1.20 g·cm-3and 1.24～1.31 g·cm-3, respectively. Straw incorporation significantly decreased soil density by 2.50%～9.20%, while soil organic matter(SOM) and labile organic matter(LOM) increased over the four years by 2.38%～10.61% (p＜0.05) and 9.10%～44.74% (p＜0.05), respectively, after the return of the straw, especially with N fertilizer application rates of 450 and 540 kg N·hm-2.The carbon management index of top soil under the returned straw treatment areas was significantly increased by from2.42% to 87.68% (p＜0.05) greater than that of the areas where straw was removed when nitrogen fertilizer application was the same, especially with N fertilizer application rates of N 540 kg ·hm-2compared to area where no fertilizer was N applied. Under the straw incorporation conditions, combination and different N fertilizer application rates increased in CPMI by 41.71%、38.17%、74.62%、48.84% and 48.86% (p＜0.05) comparison with no nitrogen fertilizer application. The highest CPMI was discovered with treatment S+N3 of nitrogen application rate, compared to S+N1(S+N 360 kg·hm-2), S+N2(S+N 450 kg·hm-2), S+N4(S+N 630 kg·hm-2) and S+N5(S+N 720 kg·hm-2), increased by 23.22%、26.38%、17.33% and 17.31% (p＜0.05), respectively. CPMI of all treatments of combination of returned straw and different nitrogen fertilizer application rates increased by 2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44% and 52.46% (p＜0.01) than that of R+N0 treatment, however, for areas where straw was removed, CPMI had no significant difference among treatments. The change law of soil carbon storage was consistent with variation of CPMI, according to method for the equal soil quality accumulation, showing a significant difference between areas where straw was incorporated or removed, under the returned straw treatment areas, with N fertilizer application rates treatments were significantly increased by 10.29%～16.35% greater than that of the areas where no fertilizer was added, especially with N application rates of 630 and 720 kg N·hm-2, whilst the same parameters ranged from 25.99%～32.91%, compared to the areas where straw was removed and no fertilizer applied. The relationship analysis showed that SOM and LOM were significantly increased along with decrease in soil bulk density, and relationship coefficient were 0.5540 (p＜0.05) and 0.7575 (p＜0.01), respectively. The analysis indicated that incorporated straw has remarkable function on the aspects of decreasing soil bulk density, and increasing TOM, LOM, CPMI and carbon storage, especially with N fertilizer application rates of middle and high fertilizer levels.

lime concretion black soil; straw incorporation; nitrogen management; organic matter fractions; carbon management index; carbon storage

S156.93

A

1674-5906（2014）05-0756-06

國家科技支撐計劃項目(2012BAD04B09; 2011BAD16B06; 2013BAD07B08)；安徽省農(nóng)業(yè)科學院院長青年基金項目(13B0217)

李瑋（1980年生），女，助理研究員，博士，主要從事土壤物理及作物栽培生理生態(tài)方面的研究。E-mail:jtlw2007@163.com

*通信作者：曹承富（1963年生），男，研究員，主要研究方向為作物栽培。E-mail:caocfu@126.com

2014-01-20

李瑋，喬玉強，陳歡，杜世州，趙竹，曹承富. 砂姜黑土秸稈還田配施氮肥的固碳效應(yīng)分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(5): 756-761.

LI Wei, QIAO Yuqiang, CHEN Huan, DU Shizhou, ZHAO Zhu, CAO Chengfu. Carbon storages lime concretion black soils as affected by straw incorporation and fertilization [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 756-761.

農(nóng)田土壤固碳措施從增加有機碳的輸入量（如草田輪作、秸稈還田、施肥等）和減少土壤有機碳的礦化（少、免耕等）兩方面入手，使農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢（張國盛等，2005；逯非等，2009）。施肥尤其是施用有機肥作為最常見的一種固碳措施，有關(guān)其固碳能力的問題在國內(nèi)外已有較深入的研究（韓冰等，2008；Smith等，1997；Lu等，2009）。然而，土壤有機質(zhì)在較短時間內(nèi)的微小變化難以被觀測。土壤活性有機碳（LOC）是指一定時空條件下，在土壤中不穩(wěn)定、易氧化、易分解礦化，受植物、微生物影響劇烈，具有一定溶解性，有利于植物、微生物利用的那一部分土壤有機碳（沈宏等，1999；Follett，2001；Jiang等，2006）。雖然只占土壤全碳的小部分，但能更敏感的反應(yīng)短期農(nóng)田管理措施下土壤的微小變化（Wander等，1994；張迪等，2010），對土壤碳素的轉(zhuǎn)化、土壤養(yǎng)分流有著重要作用（張俊華等，2012），與土壤的生產(chǎn)能力密切相關(guān)（Blair等，1995），在不同程度上反映有機質(zhì)的有效性，指示土壤有機質(zhì)或土壤質(zhì)量?；诨钚杂袡C碳指標而提出的碳庫管理指數(shù)概念，更加全面和動態(tài)地反映農(nóng)業(yè)管理措施對土壤有機性狀的影響（Blair等，1995）。