地膜覆蓋與施肥對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

王淑穎，李小紅，程娜，付時豐，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

地膜覆蓋與施肥對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

王淑穎，李小紅，程娜，付時豐，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽 110866

【】作物秸稈不僅含有較高的有機碳，而且含有豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)元素。秸稈還田是東北黑土地區(qū)培肥土壤和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)措施。然而不同地膜覆蓋（簡稱“覆膜”）及施肥方式下秸稈碳（C）和氮（N）在土壤中的固持特征還不是很明確。本研究通過定量分析秸稈碳對土壤有機碳（SOC）和秸稈氮對土壤全氮（TN）的貢獻，探討不同覆膜和施肥條件下秸稈碳和氮在土壤中固定的差異，以期為土壤肥力提升和東北黑土地保護提供依據(jù)?；诟材づc施肥的長期定位試驗，選擇覆膜和不覆膜（裸地）栽培條件下不施肥（CK）、單施氮肥（N4）和有機肥配施氮肥（M2N2）處理，在表層（0—20 cm）土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后在田間原位培養(yǎng)150 d，測定SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值，分析SOC中秸稈來源C（13C-SOC）、TN中秸稈來源N（15N-TN）和土壤碳氮比隨時間的動態(tài)變化特征。施肥、覆膜及其它們的交互作用顯著影響（<0.05）13C-SOC和15N-TN含量。整個培養(yǎng)期間，M2N2處理秸稈碳對SOC的貢獻率（13C-SOC/SOC）和秸稈氮對TN貢獻率（15N-TN/TN）平均分別為10.48%和3.18%；施肥（N4和M2N2）處理13C-SOC/SOC和秸稈碳殘留率在覆膜方式下平均分別為12.65%和37.14%，不覆膜方式下分別為12.08%和34.50%。同一栽培方式培養(yǎng)第150天，N4處理13C-SOC/SOC和秸稈碳殘留率平均分別為14.33%和39.40%，其他施肥處理平均分別為11.77%和33.21%；CK處理15N-TN/TN平均為4.56%，分別比N4和M2N2處理高26.00%和44.53%。培養(yǎng)第150天，秸稈氮殘留率在覆膜和不覆膜條件下CK處理最高，平均為10.03%；不覆膜N4處理最低，為7.87%。無論覆膜與否，N4處理13C-SOC與15N-TN比值為32—39，其他施肥處理均＜30。秸稈碳氮在土壤中的固存對覆膜與施肥的響應(yīng)敏感。單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的積累和有機碳的更新，不施肥處理秸稈氮對土壤氮庫的固定起正反饋效應(yīng)，而有機肥配施氮肥土壤碳氮的更新相對滯后。

13C15N雙標(biāo)記；秸稈碳；秸稈氮；地膜覆蓋；施肥

0 引言

【研究意義】土壤碳、氮的遷移轉(zhuǎn)化是生物地球化學(xué)循環(huán)最基本的過程之一，是反映土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[1-3]。土壤碳、氮關(guān)系一直以來都是農(nóng)田土壤研究的核心內(nèi)容。土壤碳和氮的固持特征影響土壤碳源和匯的功能、氮庫的儲量和肥力的發(fā)揮。東北黑土帶是我國重要的糧食生產(chǎn)基地和最大的玉米優(yōu)勢種植區(qū)[4]，然而不合理的、高強度的開發(fā)利用導(dǎo)致土壤出現(xiàn)“淺、硬、瘦”等問題，嚴重影響了作物產(chǎn)量和農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)[5]。近年來，農(nóng)業(yè)部大力實施增施有機肥和秸稈還田等培肥措施，以維持或提升黑土有機質(zhì)質(zhì)量。地膜覆蓋（以下簡稱“覆膜”）具有增溫保墑的作用[6]，是我國干旱半干旱和冷涼地區(qū)作物增產(chǎn)的重要措施[7]。因此，不同覆膜與施肥下土壤碳和氮固持特征的研究具有重要的意義。【前人研究進展】作物秸稈不僅是土壤有機碳的主要來源，而且也是土壤重要的氮源。秸稈在土壤中分解轉(zhuǎn)化是秸稈養(yǎng)分釋放的過程。土壤添加秸稈培養(yǎng)1年后，秸稈碳在土壤中的殘留率僅有30%[8]。有機肥的施用顯著提高了土壤肥力[9]，且不施肥的低肥力土壤與施有機肥的高肥力土壤相比提高了秸稈碳對總有機碳的貢獻[10]，促進了秸稈碳在土壤中的固定[11]。有機肥及其與氮肥配施處理通過提高微生物活性促進了玉米秸稈的分解[12-13]，而氮肥的施用對玉米秸稈的分解影響較小[14]。有機肥與等碳量的秸稈相比有利于土壤碳氮的積累[15]，且秸稈還田結(jié)合適量氮肥的施用增加了土壤碳氮養(yǎng)分的有效性[16]。土壤添加秸稈培養(yǎng)56 d后，秸稈氮在土壤的殘留率為22%[17]。秸稈氮對土壤氮庫的貢獻受初始土壤肥力水平的影響顯著，不施肥（低肥力）條件有利于秸稈氮在土壤中的固存[18]?！颈狙芯壳腥朦c】覆膜雖然提高了土壤的溫度和水分[19]，實現(xiàn)了作物增產(chǎn)[20]，但同時也導(dǎo)致土壤有機碳礦化加速[21-22]，地力消耗增加，土壤肥力降低[19, 23]。覆膜結(jié)合有機肥的施用顯著提高了土壤有機碳含量，改善了土壤肥力[24]，而化肥處理的覆膜效應(yīng)則主要是降低了土壤氮的損失[25]。因此，覆膜結(jié)合施肥對土壤有機碳和氮的作用不一致。前人研究表明秸稈碳氮在土壤中轉(zhuǎn)化與固定對施肥措施的響應(yīng)不同，然而覆膜結(jié)合施肥如何影響秸稈碳氮在土壤中的固存還不是很明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗站為平臺，土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后在田間進行原位培養(yǎng)，分析土壤有機碳和全氮隨時間的動態(tài)變化和秸稈碳氮對其的貢獻，探討不同覆膜和施肥條件下秸稈碳和氮在土壤中固存的差異，以期為土壤培肥和東北黑土地的保護提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究主要在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗站（北緯41°09′，東經(jīng)123°34′）進行。該試驗站處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫7.9℃，年均降水量705 mm，海拔75 m，土壤屬中厚層棕壤（簡育淋溶土）。該長期定位試驗站始建于1987年，當(dāng)時土壤有機質(zhì)含量15.6 g·kg-1、全氮1.0 g·kg-1、全磷0.5 g·kg-1、堿解氮67.4 mg·kg-1、有效磷8.4 mg·kg-1。試驗地采用完全隨機裂區(qū)試驗設(shè)計，主區(qū)分為不覆膜與覆膜栽培兩組，副區(qū)為不同施肥處理，每個施肥處理3次重復(fù)，每小區(qū)面積為0.0069 hm2。連作作物為玉米（當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N）。每年4月25日左右按常規(guī)方法施肥、播種，實行常規(guī)田間管理。9月25日前后測產(chǎn)和收割，并對玉米莖稈及殘留地膜進行清除，翻地（根系均保留在土壤中）。

1.2 供試土壤

本次試驗選用3個施肥處理，即不覆膜栽培方式下不施肥（CK）、單施氮肥（N4，年施氮肥折合N 270 kg·hm-2）和有機肥配施氮肥（M2N2，年施有機肥折合N 135 kg·hm-2，氮肥N 135 kg·hm-2）以及與之相對應(yīng)的覆膜栽培處理。有機肥和氮肥均作為基肥在春播前撒施入土壤。施用的有機肥為豬廄肥，其有機質(zhì)含量為150 g·kg-1左右，全氮為10 g·kg-1，施用的氮肥為尿素（含N 46%）。2019年春季施肥前分別采集不同處理的表層（0—20 cm）土壤，挑除土壤樣品中的植物根系和石礫等雜質(zhì)后，用手沿自然破碎面輕輕掰開后于室內(nèi)自然風(fēng)干。土樣風(fēng)干后，過2 mm篩，備用。各處理土壤的基本性質(zhì)（2019年）見表1。

表1 不同處理土壤（0—20 cm）基本性質(zhì)（2019年）

CK、N4和M2N2分別代表不施肥、單施氮肥和有機肥配施氮肥處理。數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示不同施肥處理間的差異顯著（<0.05）

CK, N4and M2N2denote no fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with nitrogen fertilizer, respectively. Different lowercase letters show the significant differences (<0.05) among different fertilization treatments

1.3 試驗設(shè)計

本研究采用尼龍網(wǎng)袋法進行田間培養(yǎng)試驗。將100 g風(fēng)干土壤與13C15N雙標(biāo)記的玉米秸稈（? 0.425 mm）按照風(fēng)干土重1%比例充分混勻（混合后C/N為51），調(diào)節(jié)含水量至田間持水量60%—70%后裝入300目尼龍網(wǎng)袋中，同時按照同樣方法布置不添加秸稈的對照處理。2019年5月12日將網(wǎng)袋分別埋入對應(yīng)處理小區(qū)0—20 cm土層。13C15N雙標(biāo)記玉米秸稈的基本性質(zhì)：δ13C值為565‰、δ15N值為36620‰、全碳415 g·kg-1、全氮7.12 g·kg-1、C/N為58。

在培養(yǎng)后的第30天（2019年6月15日）和150天（2019年9月27日）分別從每個處理隨機取出3個尼龍網(wǎng)袋，樣品自然風(fēng)干后研磨過篩，供分析土壤樣品總有機碳、全氮含量及其δ13C和δ15N值。δ13C值以美國南卡羅來納州白堊紀(jì)皮狄組層位中的擬箭石化石（Pee DeeBelemnite，PDB）為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，δ15N值以純凈大氣氮為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜聯(lián)用儀（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國）測定。

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤總有機碳中秸稈碳貢獻率（Fmc，%）和土壤全氮中秸稈氮貢獻率（Fmn，%）的計算公式如下[26]：

（1）

（2）

式1中，δ13Csm（‰）為添加秸稈處理土壤有機碳的δ13C值；δ13Cs（‰）為不添加秸稈處理土壤有機碳的δ13C值；δ13Cm（‰）為初始添加秸稈的δ13C值。式2中，δ15Nsm（‰）為添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Ns（‰）為不添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Nm（‰）為初始添加秸稈的δ15N值。

土壤總有機碳中秸稈來源碳含量（Cmc，g·kg-1）和土壤全氮中秸稈來源氮含量（Cmn，g·kg-1）的計算如下[27]：

Cmc=Csmc×Fmc/100 （3）

Cmn=Csmn×Fmn/100 （4）

式3中，Csmc（g·kg-1）為添加秸稈處理土壤有機碳含量。式4中，Csmn（g·kg-1）為添加秸稈處理土壤全氮含量。

秸稈碳殘留率（Rmc，%）和秸稈氮殘留率（Rmn，%）的計算如下：

式5中，Cmc0（g）為初始秸稈碳含量。式6中，Cmn0（g）為初始秸稈氮含量。

采用Excel 2016、Origin 9.1和SPSS19.0進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和繪圖。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。處理間差異采用單因素鄧肯（Duncan）法、配對樣本t檢驗進行方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果

2.1 覆膜與施肥下土壤有機碳δ13C值和全氮δ15N值

栽培模式、施肥、時間及它們之間的交互作用顯著影響（<0.05）土壤有機碳（SOC）的δ13C值（栽培模式、栽培模式與時間的交互作用除外）和土壤全氮（TN）的δ15N值（表2）。無論覆膜與否，SOC的δ13C值在第30天表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）；在第150 天表現(xiàn)為N4>CK>M2N2，其中不覆膜條件下CK與N4處理差異不顯著（圖1-a）。在整個培養(yǎng)期間，TN的δ15N值均表現(xiàn)為CK>N4>M2N2（圖1-b），且覆膜處理TN的δ15N值較不覆膜處理平均高9.81%（第150天 CK處理除外）。

CK、N4和M2N2分別代表不施肥、單施氮肥和有機肥配施氮肥；不同大寫字母表示培養(yǎng)第30天不同處理之間的差異顯著（P<0.05）；不同小寫字母表示培養(yǎng)第150天不同處理之間的差異顯著（P<0.05）；*表示相同處理不同培養(yǎng)時間之間的差異顯著（P<0.05）。下同

2.2 覆膜與施肥下土壤有機碳和全氮含量

同一栽培方式下，CK處理SOC含量第30天比第150天顯著高4.96%（<0.05，圖2-a）。在整個培養(yǎng)期間，M2N2處理在覆膜和不覆膜栽培條件下SOC的含量平均分別比其他施肥處理高18.23%和13.61%。培養(yǎng)期間同一N4處理，覆膜栽培SOC含量顯著比不覆膜栽培高6.21%。不覆膜栽培CK和N4處理第30天時TN含量分別比第150天顯著高7.80%和12.53%（<0.05，圖2-b）。TN含量受栽培模式與時間的影響不顯著（0.05，表2）。

圖2 不同覆膜和施肥處理土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈土壤有機碳（a）和全氮（b）含量

表2 栽培模式、施肥和時間對土壤中秸稈碳氮固定影響的方差分析

施肥：不施肥、單施氮肥和有機肥配施氮肥；栽培模式：覆膜與不覆膜；時間：第30天和第150天；δ13C：土壤總有機碳δ13C值；SOC：土壤總有機碳；13C-SOC：土壤總有機碳中秸稈碳含量；Fmc：秸稈碳對總有機碳的貢獻率；Rmc：土壤中秸稈碳的殘留率。δ15N：土壤全氮δ15N值；TN：土壤全氮；15N-TN：土壤全氮中秸稈氮含量；Fmn：秸稈氮對土壤全氮的貢獻率；Rmn：土壤中秸稈氮的殘留率。SOCTN：土壤有機碳與土壤全氮的比值；13C-SOC/15N-TN：土壤總有機碳中秸稈碳含量與土壤全氮中秸稈氮含量的比值

Fertilization: No fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with chemical nitrogen fertilizer; Cultivation mode: Mulching and no-mulching; Time: 30 d and 150 d; δ13C: The δ13C value of soil organic carbon; SOC: Total soil organic carbon;13C-SOC: Soil organic carbon derived from straw carbon; Fmc: Contribution percentage of straw carbon to total soil organic carbon; Rmc: Residue percentage of straw carbon in soil. δ15N: The δ15N value of total nitrogen; TN: Soil total nitrogen;15N-TN: total nitrogen derived from straw nitrogen; Fmn: Contribution percentage of straw nitrogen to total nitrogen; Rmn: Residue percentage of straw nitrogen in soil. SOC/TN: Ratio of total soil organic carbon to total nitrogen;13C-SOC/15N-TN: Ratio of soil organic carbon derived from straw carbon to total nitrogen derived from straw nitrogen

2.3 覆膜與施肥下土壤有機碳中秸稈來源碳和全氮中秸稈來源氮含量

施肥、栽培模式、時間及它們的交互作用顯著影響（<0.05）SOC中秸稈來源碳（13C-SOC）含量（栽培模式與時間交互作用對13C-SOC含量影響除外）和TN中秸稈來源氮（15N-TN）含量（表2）。無論覆膜與否，13C-SOC含量在第30天表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，在第150天時N4處理比其他施肥處理平均高19.08%，且施肥處理間差異顯著（圖3-a）。第150天，覆膜CK處理13C-SOC含量顯著比不覆膜CK降低了6.79%，而N4和M2N2處理13C-SOC含量覆膜較不覆膜平均高8.37%（<0.05）。整個培養(yǎng)期間，覆膜后15N-TN含量較不覆膜平均增加了6.59%（圖3-b）。第30天，CK處理15N-TN含量平均比其他施肥處理高27.44%；第150天，不覆膜條件下15N-TN含量表現(xiàn)為CK>M2N2>N4，覆膜條件下15N-TN含量平均值為0.048 mg·kg-1。

2.4 覆膜與施肥下秸稈碳對土壤總有機碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻率

施肥、栽培模式、時間及它們交互作用顯著影響（<0.05）秸稈碳對SOC的貢獻率（Fmc，栽培模式除外）和秸稈氮對TN的貢獻率（Fmn）（表2）。整個培養(yǎng)期間覆膜處理Fmc較不覆膜處理平均高5.29%（CK處理除外，表3）。第30天時Fmc為10.13%—16.91%，同一栽培方式表現(xiàn)為CK>N4> M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）。第150天時Fmc為9.95%—14.34%，同一栽培方式N4>CK> M2N2（其中不覆膜條件下CK與N4處理無顯著差異，>0.05）。整個培養(yǎng)期間Fmn為3.03%—5.53%，且覆膜處理較不覆膜處理平均高9.87%，同一栽培方式表現(xiàn)為CK>N4>M2N2。

2.5 覆膜與施肥下秸稈碳和氮在土壤中的殘留率

覆膜和不覆膜CK處理土壤中秸稈碳殘留率平均從第30天的44.96%明顯降低到第150天的33.62%（<0.05，表4）。施肥、栽培模式、時間及它們交互作用（栽培模式與時間交互作用除外）顯著影響（<0.05）秸稈碳的殘留率（表2）。同一栽培方式下第30天，不同施肥處理秸稈碳殘留率總體表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）；第150天，N4處理秸稈碳殘留率平均為39.40%，而其他施肥處理秸稈碳殘留率低于35%。除CK處理外，同一施肥處理覆膜栽培秸稈碳的殘留率高于不覆膜栽培。

土壤中秸稈氮的殘留率在第30天為8.48%—12.24%，且同一栽培方式下CK>N4>M2N2（其中覆膜N4與覆膜M2N2處理差異不顯著，>0.05，表4）。第150天，CK處理秸稈氮殘留率平均為10.03%，分別比N4和M2N2處理高28.62%和12.25%。整個培養(yǎng)期間覆膜處理秸稈氮殘留率顯著（<0.05）較不覆膜處理高4.90%—21.70%（CK處理除外）。

2.6 覆膜與施肥下土壤碳氮比

整個培養(yǎng)期間覆膜M2N2、不覆膜M2N2和覆膜N4處理土壤有機碳與全氮的比值（SOC/TN）平均分別為8.81、9.08和9.31（圖4-a）。覆膜CK處理SOC/TN從第30天的10.06顯著降低到第150天的9.15，然而不覆膜條件下CK和N4處理的SOC/TN在第150天較第30天顯著增加了3.57%和10.91%（<0.05）。無論覆膜與否，CK處理SOC/TN比其他施肥處理平均高6.13%。

CK和M2N2處理（包括覆膜和不覆膜）土壤中秸稈碳與秸稈氮含量的比值（13C-SOC/15N-TN）均低于30，尤其覆膜CK處理在第150天僅為25.37，而不覆膜N4處理從第30天的32.79顯著升高到第150天的38.52（<0.05，圖4-b）。無論覆膜與否，N4處理13C- SOC/15N-TN比其他施肥處理高16.17%—23.05%。第150天，CK和N4處理13C-SOC/15N-TN覆膜較不覆膜平均低10.82%。

圖3 不同覆膜和施肥處理土壤總有機碳中13C含量（a）和全氮中15N含量（b）的變化

表3 不同覆膜及施肥處理秸稈碳對土壤總有機碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻率

表4 不同覆膜和施肥處理土壤秸稈碳和氮殘留率

圖4 秸稈添加后土壤有機碳與全氮含量的比值（a）及土壤中秸稈碳與氮含量的比值（b）

3 討論

3.1 施肥對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳、全氮積累水平主要依賴于輸入（如田間作物殘體和外源有機物料添加等）與輸出（土壤原有有機質(zhì)分解）之間的平衡[28]。無論覆膜與否，M2N2處理SOC、TN含量高于N4處理和CK處理。長期有機肥與氮肥配施提高了作物地下和地上生物量，從而增加了土壤中有機物質(zhì)的輸入，有利于土壤有機碳和氮的固存[29-30]。隨著秸稈的分解，秸稈碳與秸稈氮在土壤中殘留率減少[31-32]。一般而言，秸稈在土壤中的分解經(jīng)歷迅速分解和緩慢分解兩個階段[33]。施肥（N4和M2N2）處理土壤秸稈碳殘留率在30—150 d無明顯變化，說明田間原位培養(yǎng)加速了秸稈的分解[8]，0—30 d秸稈中可溶性物質(zhì)很快被微生物優(yōu)先利用轉(zhuǎn)化，30 d后微生物開始對秸稈中難分解物質(zhì)分解，分解速率相對緩慢。然而長期不施肥處理土壤肥力水平較低，土壤本身養(yǎng)分和碳源相對匱乏，微生物活性弱，土壤微生物對秸稈碳添加的響應(yīng)滯后[34]，秸稈碳和氮的殘留率隨時間顯著降低。

秸稈碳氮在土壤中的固存與轉(zhuǎn)化受土壤肥力水平[8-10]和施肥措施的影響[35-36]。長期有機無機配施處理明顯提高了土壤的肥力水平[25]，土壤初始有機碳、全氮和微生物量相對較高，對秸稈碳氮的添加起到稀釋作用，秸稈碳對土壤有機碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻較低。ZHENG等[37]研究表明不施肥處理與施肥處理相比增加了秸稈氮在土壤中的殘留。本研究發(fā)現(xiàn)不施肥處理明顯增加了秸稈氮對土壤氮的貢獻及其在土壤中的殘留，說明不施肥土壤添加秸稈主要對土壤氮固定起到積極的作用。土壤中秸稈來源碳氮比值對不同施肥的響應(yīng)也可以解釋這一點。這與陳興麗等[38]的研究結(jié)果相似。秸稈添加第150天所有施肥處理中N4處理13C-SOC含量、秸稈碳貢獻率和秸稈碳殘留率最高，說明單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的固存和土壤有機碳的更新[39]。土壤C/N比也是影響土壤碳氮固存的重要因子[25,40]。本研究不覆膜N4處理土壤初始C/N較低，C源相對缺乏，秸稈碳的添加可以為土壤微生物提供碳源，有利于土壤碳的積累和更新[8,41]；初始土壤N源相對充足，秸稈氮在土壤中的固持在土壤中被稀釋，秸稈氮對土壤全氮的貢獻相對較低。覆膜N4處理雖然土壤本身C/N較高，C源相對充足，N源相對缺乏，但秸稈碳在土壤的殘留率最高，秸稈氮在土壤中的殘留率相對較低，這可能與土壤本身氮源（δ15N值）和氮的有效性有關(guān)?？傊煌┓侍幚斫斩捥嫉谕寥乐泄檀娴牟町愔饕c土壤本身的性質(zhì)有關(guān)（例如初始土壤養(yǎng)分狀況和碳氮比），而微生物在這一過程起重要作用，關(guān)于秸稈碳氮在土壤固存的微生物機制需要進一步研究。

3.2 覆膜對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

地膜覆蓋已被證明可以增加土壤溫度和濕度，使土壤與外部空氣隔絕，進而抑制土壤水分的蒸發(fā)速度[6,42]，提高土壤養(yǎng)分的有效性[43-44]。N4處理覆膜后SOC和TN含量增加。裸地條件下長期單施氮肥降低了土壤pH，導(dǎo)致土壤酸化和作物產(chǎn)量降低[25,45]，從而使土壤有機質(zhì)輸入減少。而覆膜使土壤水分和鹽基離子的運動方向發(fā)生改變，進而延緩甚至避免土壤酸化[46]，有利于作物地下生物量的積累和土壤有機質(zhì)輸入。溫度和濕度是影響秸稈在土壤中分解轉(zhuǎn)化的主要因子。雖然覆膜可以增加土壤溫度和濕度，但本研究卻發(fā)現(xiàn)栽培模式與時間的交互作用對SOC、13C-SOC和秸稈碳的殘留率的影響不顯著（>0.05），這說明秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化與固定對短期覆膜的響應(yīng)不敏感。然而施肥、覆膜與施肥的交互作用顯著影響SOC與TN、13C-SOC與15N-TN和秸稈碳氮的貢獻率及其殘留率，說明微生物對秸稈碳氮的作用主要與土壤本身的養(yǎng)分狀態(tài)有關(guān)。AN等[8]研究也表明秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化與初始土壤有機碳有關(guān)。CK處理本身有機碳與全氮含量很低，秸稈的添加使處于饑餓狀態(tài)的微生物激活，覆膜后使秸稈分解加快[47]。這可能導(dǎo)致CK處理覆膜后秸稈碳氮的貢獻率和殘留率降低。覆膜施肥（M2N2和N4處理）處理秸稈碳氮的貢獻率和殘留率高于不覆膜處理，這說明秸稈碳氮在土壤中的固存不僅與初始土壤SOC和TN含量有關(guān)，而且受初始土壤碳氮比的影響。培養(yǎng)期間CK處理與其他施肥處理13C-SOC/15N-TN較低，而SOC/TN較高，說明秸稈的添加可能引起土壤氮的正激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致原土壤氮的礦化[48]；不覆膜N4處理13C-SOC/15N-TN較高，而SOC/TN較低，這說明在養(yǎng)分和碳源相對缺乏的土壤，秸稈的添加可能引起土壤有機碳礦化的激發(fā)效應(yīng)[8]。土壤養(yǎng)分的供應(yīng)、碳氮比和微環(huán)境的變化影響土壤微生物的活性，進而影響秸稈碳和氮在土壤中的固持動態(tài)，關(guān)于土壤微生物對秸稈碳和氮的耦合作用還需要進一步研究。

4 結(jié)論

表層土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后，施肥（N4和M2N2）處理土壤覆膜顯著增加了土壤有機碳中秸稈來源碳和全氮中秸稈來源氮含量、秸稈碳對土壤有機碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻率、秸稈碳和氮在土壤中的殘留率，而不施肥條件下覆膜的影響與之相反。培養(yǎng)結(jié)束后，同一栽培方式單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的積累，促進了土壤有機碳的更新；不施肥處理土壤中秸稈來源碳氮比值低于其他施肥處理，說明不施肥處理添加秸稈的主效應(yīng)是對土壤氮庫的固定起正反饋作用；而有機肥配施氮肥土壤碳氮的更新相對滯后。秸稈碳氮在土壤中的固存不僅與土壤微環(huán)境和初始養(yǎng)分狀況有關(guān)，而且受碳氮比的影響。土壤碳氮比對施肥、覆膜和時間的響應(yīng)不同，這可能與土壤微生物的活性有關(guān)，關(guān)于秸稈碳和氮在土壤的轉(zhuǎn)化和固定機制需要進一步研究。

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Effects of Plastic Film Mulching and Fertilization on the Sequestration of Carbon and Nitrogen from Straw in Soil

WANG ShuYing, LI XiaoHong, CHENG Na, FU ShiFeng, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/ Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affair/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

【】Crop straws not only contain high content of organic carbon (C), but also are rich in mineral nutrients. Straw returning to field is an important technique for improvement of soil fertility and sustainable development of agriculture in the region of Black Soil in Northeast China. However, the sequestration and characteristics of C and nitrogen (N) from straw in soil under different plastic film mulching and fertilization treatments were not clear. In this study, the contributions of straw C to soil organic C (SOC) and straw N to soil total nitrogen (TN) were quantified to compare the differences of straw C and N in soil among different mulching and fertilization treatments, so as to provide a basis for improvement of soil fertility and protection of Black Soil in Northeast China.【】Based on a long-term mulching and fertilization experiment, the13C15N double-labeled straw was added to the topsoil (0-20 cm) from the different fertilization treatments, including no fertilization (CK), chemical N fertilizer application (N4), and organic manure combined with chemical N fertilizer (M2N2), with/without mulching, and then which were incubatedin the field for 150 days. The contents of SOC and TN and the values of δ13C and δ15N were measured to analyze the dynamics changes of SOC derived from straw C (13C-SOC), TN derived from straw N (15N-TN) and their ratio with time.【】Fertilization, mulching and their interactions significantly influencedthe contents of13C-SOC and15N-TN (<0.05). During the whole incubation period, the contribution percentage of13C-SOC to SOC (13C-SOC/SOC) and that of15N-TN to TN (15N-TN/TN) were 10.48% and 3.18% under M2N2treatment, respectively; the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil under fertilization (N4and M2N2) treatments were on average 12.65% and 37.14% under mulching, and averaged 12.08% and 34.50% under no mulching, respectively. On the 150thday of incubation under the same cultivation mode, the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil were on average 14.33% and 39.40% under N4treatment and averaged 11.77% and 33.21% in the other fertilization treatments, respectively;15N-TN/TN under CK treatment was with an average of 4.56%, and was 26.00% and 44.53% higher than that in N4and M2N2treatments. The residual percentage of straw N was the highest under CK treatment with/without mulching, with an average of 10.03%, which was the lowest under N4treatment without mulching, with a value of 7.87% on the 150thday of incubation. Regardless of mulching or not, the ratio of13C-SOC to15N-TN ranged from 32 to 39 in N4treatment, but was lower than 30 in the other fertilization treatments. 【】The sequestrations of straw C and N in soil were sensitive to mulching and fertilization. The single application of chemical N fertilizer promoted the accumulation of straw C and the renewal of organic C in soil, and the long-term no fertilization played a positive feedback effect on the sequestration of straw N in soil N pool, while the renewal of soil organic C and N in organic manure combined with chemical N fertilizer lagged behind that in the other fertilization treatments.

13C15N double-labeling; straw carbon; straw nitrogen; plastic film mulching; fertilization

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.02.010

2020-05-07；

2020-08-18

國家自然科學(xué)基金面上項目（41771328、41977086）、遼寧省科學(xué)研究經(jīng)費項目（LSNQN202008）

王淑穎，E-mail：wsy585313@163.com。通信作者安婷婷，E-mail：atting@syau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）