蔡 苗，周建斌，韓霽昌

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

不同施氮量下玉米根茬分解及對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

蔡 苗1，2，周建斌2，韓霽昌1

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

通過(guò)田間埋藏分解試驗(yàn)，比較3種施氮量(0、120和240 kg·hm-2)處理的玉米根茬分別與土婁土和黑壚土混合后，在土壤中分解1 a期間根茬碳分解差異，并利用碳穩(wěn)定同位素δ13C方法，研究根茬碳分解對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示：楊凌地區(qū)水熱條件較好，試驗(yàn)期間降水量總和較長(zhǎng)武高215 mm；楊凌試驗(yàn)地15 cm和45 cm土層平均溫度分別較長(zhǎng)武高3.2 ℃和4.2 ℃。分解1 a后，黑壚土中根茬殘留碳量較土婁土中高20.9%～43.6%。根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳比例在土婁土、黑壚土中分別為22.4%～44.7%和27.4%～38.3%。在黑壚土中，玉米根茬分解1 a后，根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于在土婁土中，而在3種不同施氮量處理的玉米根茬之間，根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。研究表明，水熱條件相對(duì)較好的土壤環(huán)境能夠促進(jìn)玉米根茬殘?bào)w的分解礦化，而土壤深度、質(zhì)地、施肥狀況等會(huì)影響有機(jī)殘?bào)w還田腐解與土壤有機(jī)碳的更新。

施氮量；根茬碳分解；水熱條件；土層深度

各種農(nóng)作物收獲后留在土壤中的有機(jī)殘?bào)w是保持土壤有機(jī)質(zhì)平衡，培肥地力的主要物質(zhì)，也是土壤微生物活動(dòng)的重要能量來(lái)源[1]。植物體內(nèi)固定的碳大約有40%分配到地下根系[2]，特別是生長(zhǎng)在水分和養(yǎng)分限制的地區(qū)時(shí)，其體內(nèi)同化的碳量超過(guò)50%分布在根部區(qū)域[3]?？梢?jiàn)，植物的光合產(chǎn)物通過(guò)根系向地下運(yùn)輸過(guò)程是土壤有機(jī)碳庫(kù)的主要來(lái)源[4]。

在植物殘?bào)w分解過(guò)程中，影響其地上部分解的首要因素是氣候環(huán)境，其次是本身的化學(xué)特性。而由于地下部根系與地上葉片不同的生理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及在土壤中的分布特性，對(duì)土壤條件(水、熱、氧氣、養(yǎng)分等)的變化更加敏感，因此有研究指出根茬的化學(xué)組成是影響其分解的首要因素，其次是氣候和環(huán)境因素[5]。

在根茬化學(xué)組成中，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳氮比，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及木質(zhì)素與氮比[6-7]經(jīng)常用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)根茬的分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程。目前，長(zhǎng)期化學(xué)氮肥施用在提高作物地上秸稈和地下根系生物量的同時(shí)[8]氮肥用量的差異也可能影響有機(jī)殘?bào)w的化學(xué)組成，進(jìn)而對(duì)其在土壤中的分解產(chǎn)生影響。此外，有機(jī)殘?bào)w在分解過(guò)程中，土壤微生物活性受到水分、溫度、養(yǎng)分等因素的影響[9]，因而有機(jī)物料在不同的水熱環(huán)境下分解可能有所差異。

土壤有機(jī)質(zhì)代表著一個(gè)從新鮮植物殘?bào)w到徹底腐殖化物質(zhì)的連續(xù)體[10]，通過(guò)計(jì)算土壤或其組分中不同植物來(lái)源有機(jī)碳的比例和數(shù)量，能夠定量化評(píng)價(jià)新、老土壤有機(jī)碳對(duì)碳貯量的相對(duì)貢獻(xiàn)[11]。土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量是有機(jī)殘?bào)w輸入及其分解礦化的平衡[12]，相對(duì)于植物地上部秸稈殘?bào)w的分解特性及影響因素的大量研究結(jié)果[13-14]，關(guān)于作物根茬殘?bào)w分解特性的研究相對(duì)較少[15]。因此，本試驗(yàn)以3種施氮量處理的玉米根茬為研究對(duì)象，通過(guò)田間分解試驗(yàn)與δ13C相結(jié)合的方法，旨在了解不同施氮量處理的玉米根茬在水熱等環(huán)境條件下不同的兩個(gè)土壤類型中的根茬碳分解特性及其對(duì)土壤有機(jī)碳更新轉(zhuǎn)化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地分別位于陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站不同栽培模式綜合試驗(yàn)地(34°17′56″N， 108°04′07″E)和陜西長(zhǎng)武縣丁家鎮(zhèn)十里鋪村農(nóng)技中心試驗(yàn)基地(35°12′78″N， 107°44′70″E)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站不同栽培模式綜合試驗(yàn)田始于2003年6月，位于渭河3級(jí)階地，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔523 m，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量600～650 mm，分布不均，主要集中在7-9月(占全年降水量的60%～65%)，冬春季節(jié)易發(fā)生旱情，年均蒸發(fā)量1 400 mm，屬于半濕潤(rùn)易旱地區(qū)。土壤類型為褐土類，土婁土亞類，紅油土屬，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，耕層土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，1年2熟。

陜西長(zhǎng)武縣丁家鎮(zhèn)十里鋪村農(nóng)技中心試驗(yàn)基地位于黃土高原中南部，屬西北內(nèi)陸暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。海拔1 200 m，年均氣溫9.1 ℃，無(wú)霜期171 d，多年平均降水量584 mm，且季節(jié)性分布不均，降水多集中在夏秋季節(jié)，雨熱同季。土壤類型為黃蓋粘黑壚土，土層深厚，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期間的天然降水和前期土壤蓄水，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，種植制度為小麥-休閑，1年1熟。

1.2 供試材料

土婁土、黑壚土土壤樣品于2010年10月分別采自楊凌、長(zhǎng)武試驗(yàn)地，采土?xí)r用鐵鍬收集15 cm和45 cm兩個(gè)土層土壤，剔除作物根系、石塊等雜物，風(fēng)干、磨細(xì)后通過(guò)2 mm篩備用。供試土婁土、黑壚土土壤樣品基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土婁土、黑壚土土壤樣品基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of Lou soil and dark loessial soil samples

注：同列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平差異顯著，下同。

Note:Values with different lowercase letters within a column mean significantly different at 0.05 level,the same as below.

供試玉米根茬采于2010年10月玉米收獲當(dāng)天，品種為‘鄭單958’。根茬采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站不同栽培模式綜合試驗(yàn)田常規(guī)栽培模式下的3種施氮量(0、120和240 kg·hm-2)處理小區(qū)，小區(qū)面積為18 m2(4 m×4.5 m)，每個(gè)小區(qū)定苗玉米98株。在試驗(yàn)小區(qū)沿梅花狀選擇10株玉米，用鐵鍬采集0～20 cm深度根茬，采樣面積為20 cm×20 cm(這是由于超過(guò)60%的玉米根系分布在該層次)。將相同施氮量處理的根茬混合，0、120和240 kg ·hm-2施氮處理小區(qū)的玉米根茬分別用R0、R120和R240表示。將采集的玉米根茬樣品置于孔徑0.15 mm篩之上，用清水小心洗去根系附著的土壤，防止細(xì)小根系損失，后用蒸餾水沖洗。由于在玉米收割時(shí)殘留在地上部分的莖桿高度約為5～10 cm，為避免根茬粉碎過(guò)程中莖桿混入的影響，沿清洗干凈的玉米支持根上緣將殘留的莖桿部分剪去，后將根茬置于90 ℃殺青0.5 h，60 ℃烘干，最后將根茬粉碎并通過(guò)1 mm 篩備用。供試玉米根茬的基本養(yǎng)分性狀見(jiàn)表2。

表2 供試玉米根茬基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of maize root residues in this study

1.3 根茬田間分解試驗(yàn)

研究因素包括上述供試土婁土、黑壚土的各兩個(gè)層次土壤(15 cm和45 cm，分別用S15、S45表示)及3種施氮量處理玉米根茬(R0、R120、R240)，同時(shí)設(shè)置不添加玉米根茬的土壤作為對(duì)照，共組成8個(gè)處理(S15、S15+R0、S15+R120、S15+R240；S45、S45+R0、S45+R120、S45+R240)，各處理重復(fù)12次。

稱取100 g供試土壤(按烘干土計(jì)算)，3種不同施氮量處理玉米根茬以2%的比例(2 g)[16]分別與2個(gè)土層土壤混合均勻后裝入尼龍網(wǎng)袋(大小為14 cm×14 cm，孔徑80 μm)中封口。尼龍網(wǎng)袋孔徑可阻止土壤動(dòng)物及植物根系穿過(guò)，但不影響土壤水、氣交換。于2010年11月將尼龍網(wǎng)袋分別埋入楊凌農(nóng)作一站和長(zhǎng)武農(nóng)技中心試驗(yàn)地采集土壤樣品的同一田塊。用鐵鍬挖取8個(gè)45 cm×100 cm的長(zhǎng)方形埋藏坑，其中4個(gè)坑深度15 cm，分別埋藏S15、S15+R0、S15+R120、S15+R240等4個(gè)處理的各12個(gè)重復(fù)；另4個(gè)坑深度45 cm，分別埋藏S45、S45+R0、S45+R120、S45+R240等4個(gè)處理的各12個(gè)重復(fù)。將各處理的12個(gè)尼龍網(wǎng)袋對(duì)稱平鋪于埋藏坑內(nèi)，然后將坑內(nèi)挖取的土壤重新回填覆蓋。同時(shí)，在15 cm和45 cm土層深度分別埋入土壤溫度自動(dòng)記錄儀(TidbiT○Rv2)，試驗(yàn)期間及時(shí)除去田間雜草。

分別于2011年3月、6月、9月、11月采集各處理中的3個(gè)重復(fù)，將其中1/3土壤樣品風(fēng)干，通過(guò)0.15 mm篩，測(cè)定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；其余土樣在4 ℃下保存，測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳、微生物量碳。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤及玉米根茬基本理化性質(zhì)中有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀的測(cè)定采用常規(guī)農(nóng)化方法，土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用氣量法[17]，根茬纖維素、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)用碘量法測(cè)定[18]。

土壤及玉米根茬的有機(jī)碳穩(wěn)定同位素比δ13C值在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)元素分析儀(PDZ Europa ANCA-GSL)-質(zhì)譜儀(PDZ Europa 20-20)聯(lián)用方法，采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定誤差為±0.2‰。土壤有機(jī)碳δ13C值測(cè)定采用12 mol·L-1HCl 抽氣熏蒸24 h以去除碳酸鹽的影響[19]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

分解1 a后，土壤有機(jī)碳中來(lái)源于玉米根茬碳的比例f(%)為[11,20]：

(1)

式中：δ為土壤-根茬混合物的有機(jī)碳δ13C值；δs為對(duì)照土壤(CK)有機(jī)碳的δ13C值；δm為玉米根茬的δ13C值，本研究測(cè)得R0、R120、R240根茬的δ13C值分別為-12.85‰、-12.55‰、-12.66‰。

若分解1 a后添加根茬處理的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為C(g·kg-1)，則其中來(lái)源于玉米根茬的有機(jī)碳量Croot(g·kg-1)為：

Croot=C×f

(2)

采用Microsoft Excel 2007和SAS 8.1對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，不同處理多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2試驗(yàn)地月降水量和日均土壤溫度差值計(jì)算均為楊凌減去長(zhǎng)武 Difference of monthly precipitation and mean daily soil temperature between Yangling and Changwu

圖1玉米根茬分解期間楊凌、長(zhǎng)武月降水量差值和不同土層土壤溫度差值
Fig.1DifferencesofmonthlyprecipitationandmeandailysoiltemperaturebetweenYanglingandChangwuduringthemaizerootdecompositionperiod

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地點(diǎn)降水量及土壤溫度比較

由圖1可以看出，楊凌、長(zhǎng)武2個(gè)試驗(yàn)地月降水量、土壤溫度存在顯著差異。楊凌月降水總量較長(zhǎng)武試驗(yàn)地高215 mm，兩地月降水量差值最大為2011年9月(分解337 d)，達(dá)到181.7 mm。與長(zhǎng)武試驗(yàn)地相比，楊凌農(nóng)作一站土壤日平均溫度偏高，試驗(yàn)1 a楊凌15 cm和45 cm土層土壤溫度較長(zhǎng)武平均分別偏高3.18 ℃和4.15 ℃。

2.2 玉米根茬有機(jī)碳分解動(dòng)態(tài)變化

如圖2所示，根茬分解前，在供試土婁土、黑壚土的100 g土壤樣品中按2%比例加入的3種施氮量玉米根茬R0、R120、R240的根茬有機(jī)碳量分別為0.83、0.85、0.89 g，隨著根茬在土壤中分解，其有機(jī)碳量逐漸降低。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，R0根茬殘留的有機(jī)碳量逐漸高于R120和R240根茬。與表層土壤(15 cm)相比，埋藏在45 cm土層的根茬有機(jī)碳量在各采樣時(shí)期較15 cm土層高。試驗(yàn)1 a結(jié)束時(shí)，土婁土15 cm和45 cm土層各處理根茬殘留碳量分別為0.21～0.30 g和0.26～0.32 g；黑壚土15 cm和45 cm土層各處理根茬殘留碳量分別為0.30～0.37 g和0.37～0.44 g，較在土婁土土層中分別高20.9%～42.9%和36.1%～43.6%。各采樣時(shí)期黑壚土中R0、R120、R240根茬有機(jī)碳量均高于土婁土中的相應(yīng)各處理。

*表示差異顯著 * represents significant difference

2.3 土壤碳穩(wěn)定同位素比δ13C值變化

表3所示，在15 cm和45 cm土層，添加玉米根茬的各處理分解前后土壤有機(jī)碳δ13C值均顯著高于相應(yīng)對(duì)照土壤(S15)。埋藏分解1 a后，土婁土土層對(duì)照處理的土壤有機(jī)碳δ13C值與分解前相比有增加的趨勢(shì)；隨著玉米根茬碳在土壤中逐漸分解礦化，添加根茬的處理土壤有機(jī)碳δ13C值較分解前顯著降低。分解1 a后，添加R120和添加R240處理的土壤有機(jī)碳δ13C值高于添加R0根茬的處理，在15 cm土層差異顯著。不同土層相比，45 cm土層各處理分解前后土壤有機(jī)碳δ13C值均顯著高于15 cm土層相應(yīng)處理。不同供試土壤類型相比較，分解前后土婁土中各處理土壤有機(jī)碳δ13C值均較黑壚土中相應(yīng)處理偏高。

表3 根茬分解前后土婁土、黑壚土中15、45 cm土層不同處理土壤有機(jī)碳δ13C值Table 3 The δ13C values of soil organic carbon before and after decomposition at 15 cm and 45 cm depths ‰

注：同一土層同一時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水下差異顯著。下同。

Note:Values with different lowercase letters within a column at the same soil depths during the same period mean significantly different at 0.05 level.The same below.

2.4 玉米根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳比例及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)表3中各處理土壤有機(jī)碳δ13C值及公式1，得到埋藏分解1 a后，來(lái)源于玉米根茬碳的土壤有機(jī)碳比例(圖3)。土婁土中各處理土壤有機(jī)碳中來(lái)源于根茬的比例為22.4%～44.7%。黑壚土中各處理土壤有機(jī)碳來(lái)源于根茬的比例為27.4%～38.3%，S15+R120和S15+R240處理根茬來(lái)源的有機(jī)碳比例較S15+R0處理在土婁土中和黑壚土中分別提高7.9%～27.9%和7.2%～8.7%；在土婁土和黑壚土中各處理根茬來(lái)源的有機(jī)碳比例在45 cm土層無(wú)顯著差異。

圖3 供試土婁土、黑壚土中添加根茬處理分解1 a后來(lái)源于玉米根茬的有機(jī)碳比例Fig.3 Portion of root-derived organic carbon in residues of maize root additiontreatments in Lou soil and dark loessial soil after 1 a decomposition

由圖4可以看到，根茬分解1 a后，來(lái)源于玉米根茬的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土壤類型中存在顯著差異。在土婁土15 cm土層，S15+R0、S15+R120和S15+R240處理根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.48、2.47和3.05 g·kg-1，S15+R240處理顯著高于S15+R0和S15+R120處理；在S45+R0、S45+R120和S45+R240處理為2.74、2.58和2.49 g·kg-1。在黑壚土中，S15+R0、S15+R120和S15+R240處理根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.23、3.30和3.29 g·kg-1；在S45+R0、S45+R120和S45+R240處理中根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.47、3.40和3.50 g·kg-1，3種根茬處理之間均無(wú)顯著差異。黑壚土中各處理根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于土婁土中相應(yīng)處理。

圖4 供試土婁土、黑壚土中添加根茬處理分解1 a后來(lái)源于玉米根茬的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Mass fraction of root-derived organic carbon in residues of maize root addition treatmentsin Lou soil and dark loessial soil after 1 a decomposition

表4所示，玉米根茬在土壤中經(jīng)過(guò)1 a腐解，約2/3的根茬碳分解損失，在供試土婁土土壤中28.3%～34.6%的根茬碳經(jīng)腐殖化進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)中，在黑壚土土壤中為37.4%～42.4%，不同施氮量根茬僅在土婁土15 cm土層中有顯著性差異。黑壚土土壤中根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳量占加入根茬的總碳量平均比例較土婁土土壤中高28.0%。分解1年后，土婁土中各處理根茬碳的分解率為61.6%～74.8%，黑壚土土壤中各處理根茬碳?xì)埩袈势骄递^土婁土土壤中各處理平均值高33.8%。

表4 分解1 a后根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳占加入根茬總碳量的比例及根茬碳?xì)埩袈蔜able 4 Percentage of root-derived organic carbon in total input root C and contributionof remaining root C after 1 a decomposition %

3 討 論

3.1 根茬分解與有機(jī)碳δ13C值變化

本研究中供試的土婁土、黑壚土土壤中不同處理45 cm土層的土壤有機(jī)碳在埋藏分解前后均顯著高于15 cm土層相應(yīng)處理。在土壤剖面中，深層土壤的有機(jī)碳δ13C值比表層偏正2‰～3‰，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相一致[21-23]，且這種趨勢(shì)與土壤的物理和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)[24]。土壤有機(jī)碳δ13C值隨深度的變化可以近似地代表有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程，其產(chǎn)生的原因主要有：土壤中的異養(yǎng)微生物在分解枯枝落葉和氧化有機(jī)質(zhì)時(shí)發(fā)生了碳同位素的動(dòng)力學(xué)分餾，微生物優(yōu)先利用較輕(貧13C)的碳源，從而使殘留有機(jī)質(zhì)的δ13C值逐漸升高；工業(yè)革命以來(lái)，由于貧13C的化石燃料燃燒導(dǎo)致大氣CO2的δ13C值降低(約1.3‰)，使早期形成的深層土壤有機(jī)質(zhì)富集13C，即Suess效應(yīng)；與地表生物量(主要為葉子)相比，地下生物量(根)通常富集13C，最大差異達(dá)1.5‰，來(lái)自地表植物葉、莖的土壤有機(jī)質(zhì)與地下植物根殘?bào)w相混，從而影響剖面有機(jī)碳的同位素組成[25]。土壤有機(jī)碳δ13C值在剖面不同層次的差異表明深層土壤有機(jī)碳降解程度較高，而上層土壤有機(jī)質(zhì)較新[26]。各土層未添加根茬的對(duì)照土壤有機(jī)碳δ13C值在分解1 a后較分解前有所偏正，也說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和腐殖化伴隨有碳同位素的分餾過(guò)程[10]。

由于光合途徑不同，C3、C4植物的δ13C值存在顯著差異(平均值C3： -27‰，C4：-12‰)而地表植物種類是制約土壤有機(jī)質(zhì)δ13C值變化的主要因素[24]。添加3種施氮量玉米根茬(δ13C值平均為 -12.69‰)的土壤有機(jī)碳δ13C值顯著高于對(duì)照土壤，這是由于植物物料中較多的富13C化合物(水溶性組分、碳水化合物和纖維素等)進(jìn)入了土壤。埋藏1 a后，添加根茬處理的土壤有機(jī)碳δ13C值顯著低于分解前，這主要是由于加入的玉米根茬碳?xì)埩袅恐饾u減少，富13C化合物不斷礦化分解和貧13C化合物(如纖維素)相對(duì)增多[27]，從而使土壤δ13C值降低。

與供試黑壚土土壤相比，土婁土各處理土壤有機(jī)碳δ13C值偏正，這可能與兩個(gè)類型土壤的顆粒組成不同有關(guān)。土婁土耕層土壤小于0.002 mm的粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于長(zhǎng)武黑壚土[28]。土壤不同粒徑組分中所含有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度各不相同，隨著組分粒徑的減小，其對(duì)微生物代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定和保護(hù)能力增強(qiáng)，而這些代謝產(chǎn)物通常具有較高的δ13C值，因此，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的土壤具有更高的δ13C值[29]。此外，土婁土較黑壚土偏正的有機(jī)碳δ13C值可能與2個(gè)地區(qū)不同的氣候條件有關(guān)。土壤有機(jī)碳同位素受植被狀況影響，而植被生長(zhǎng)主要由氣候決定，有研究指出，在中國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)，在降雨量大于400 mm的地區(qū)，有機(jī)碳δ13C值隨著年降雨量的增加而增大[30]，而土婁土地區(qū)的年均降雨量較黑壚土地區(qū)偏高。

3.2 不同土壤類型中玉米根茬分解差異

分解1 a后，玉米根茬碳?xì)埩袈试谕翃渫梁秃趬劳镣寥乐蟹謩e為25.2%～38.4%和35.3%～53.3%，即根茬有機(jī)碳分解率在土婁土土壤中為61.6%～74.8%，顯著高于黑壚土土壤中的46.7%～65.1%。根茬分解率的差異可能與兩個(gè)試驗(yàn)地區(qū)不同的水、熱條件有關(guān)[31,16]。試驗(yàn)期間楊凌月降水量總和較長(zhǎng)武試驗(yàn)地高215 mm，土壤溫度較長(zhǎng)武平均偏高3～4℃。有研究指出，根系的化學(xué)組成是影響其分解的首要因素，其次是環(huán)境條件，其中溫度和降水量與根系分解顯著正相關(guān)[32]。此外，兩個(gè)試驗(yàn)地土壤質(zhì)地的差異(主要是粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù))也可能影響外源有機(jī)殘?bào)w的分解速率，根系在粘壤土中的分解速率顯著高于其他質(zhì)地的土壤類型[15]。

土壤有機(jī)碳中來(lái)源于玉米根茬的碳比例也稱為土壤有機(jī)碳的更新率。分解1 a后，玉米根茬對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率在土婁土土壤中為22.4%～44.7%，在黑壚土土壤中為27.4%～38.3%。值得注意的是，在長(zhǎng)期種植C3植物(如小麥)的土壤上改種C4植物(如玉米)后能夠更加確切地研究土壤有機(jī)碳的來(lái)源，也有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用δ13C手段進(jìn)行了這方面的研究[11,16,20-21]。本研究通過(guò)人為添加玉米根茬，測(cè)定其在土壤中分解1 a后土壤δ13C值的變化情況來(lái)分析土壤有機(jī)碳中根茬來(lái)源的比例。本試驗(yàn)中由于設(shè)置未添加根茬的土壤作為對(duì)照，在相同試驗(yàn)條件下，分解前后土壤δ13C值的變化可以在一定程度上計(jì)算出根茬有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，同時(shí)本研究試驗(yàn)結(jié)果顯示出根茬添加與否對(duì)土壤有機(jī)碳δ13C值有影響。有研究表明，在盆栽試驗(yàn)條件下，種植一季玉米后，玉米根際沉積碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為25%[33]；在室內(nèi)培養(yǎng)條件下土壤添加12%的玉米秸稈分解1 a后，來(lái)源于秸稈的有機(jī)碳比例為44%[11]。而在田間種植條件下，連續(xù)種植玉米37 a后，土壤表層有機(jī)質(zhì)中僅有15%來(lái)源于玉米根際沉積[34]，其他研究者也指出當(dāng)林地耕作30～50 a后，源于農(nóng)作物C4植物的土壤有機(jī)碳僅占20%～40%[35]。

本試驗(yàn)中較高的根茬碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率與模擬條件下根茬添加量較實(shí)際農(nóng)田玉米根茬還田量高及擾動(dòng)的土壤條件有關(guān)。本研究中試驗(yàn)田玉米種植的密度為18 m2定苗98株，密度較適宜。根據(jù)每667 m2耕作層土壤150 t(常用估算)及本研究中3種施氮量處理玉米根茬干質(zhì)量平均值12.4 g計(jì)算，得到田間實(shí)際耕作層根茬歸還量最少約為0.03%。本研究中粉碎后根茬的添加量為干土質(zhì)量的2%，與田間估算值有所差異，原因一方面是從研究角度考慮，土壤和根系都經(jīng)過(guò)了風(fēng)干(烘干)、粉碎處理，與田間實(shí)際條件確實(shí)已產(chǎn)生很大差異，但是試驗(yàn)的結(jié)果仍然具有一定的參考價(jià)值；另一方面，在參考多篇有關(guān)土壤添加作物殘?bào)w后(比例在0.15%～4%之間)在田間分解的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上重點(diǎn)參考Sanaullah等[16]在研究中的玉米殘?bào)w添加比例，即2%作為本研究中根茬的添加比例。

與15 cm土層相比較，土壤有機(jī)碳來(lái)源于玉米根茬的比例在45 cm土層顯著提高(圖3)，這可能是因?yàn)榕c表層土壤相比，深層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，上、下土層土壤微生物種類、活性等存在差異。同時(shí)深層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低且主要為有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定組分，對(duì)作物生長(zhǎng)的養(yǎng)分有效性較低[36]。新鮮根茬有機(jī)殘?bào)w的加入對(duì)深層土壤中微生物數(shù)量和活性的影響相對(duì)較大，這也表明作物根茬留田不僅能夠增加土壤有機(jī)碳來(lái)源，也有利于土壤有機(jī)碳更新，特別是為深層土壤補(bǔ)充更多新鮮有機(jī)碳。

在埋藏分解前，土婁土和黑壚土土壤中分別添加的3種施氮量根茬有機(jī)碳量相同，而分解1 a后根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳量占分解前加入的根茬總碳量在黑壚土土壤中顯著高于在土婁土中，這主要是由于根茬在黑壚土土壤中分解率較低，根茬殘留有機(jī)碳量較高，其對(duì)土壤有機(jī)碳更新的貢獻(xiàn)也相對(duì)較高。此外還應(yīng)注意到，相同根茬添加量下(2%)，分解1 a后根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3種施氮量根茬中無(wú)顯著差異(除土婁土15 cm土層外)。而從前面的研究中可知，氮肥施用顯著增加了玉米根茬的生物還田量，同時(shí)考慮到玉米根茬在土壤剖面的自然分布深度，不同氮肥用量下根茬還田量的差異可能會(huì)影響其對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。

4 結(jié) 論

在田間埋藏分解1 a后，0、120和240 kg·hm-23種施氮量處理的玉米根茬的有機(jī)碳分解率在土婁土中為61.6%～74.8%，顯著高于黑壚土中的46.7%～65.1%，這主要與試驗(yàn)期間土婁土地區(qū)相對(duì)偏高的降水量和土壤溫度有關(guān)，此外施用氮肥及在上層土壤中埋藏的玉米根茬碳分解相對(duì)較快。田間試驗(yàn)條件下分解1 a后，玉米根茬對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率在土婁土中為22.4%～44.7%，在黑壚土中為27.4%～38.3%，下層土壤中根茬來(lái)源的土壤有機(jī)碳比例相對(duì)較高。

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DecompositionCharacteristicsofDifferentNitrogenFertilizationinMaizeRootsandItsEffectsonSoilOrganicCarbon

CAI Miao1,2，ZHOU Jianbin2and HAN Jichang1

(1. Shaanxi Land Construction Group Co.Ltd,Xi’an 710075,China; 2.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture of P.R.China,Yangling Shaanxi 712100,China)

Through a field burial decomposition experiment,we investigated differences in decomposition of maize root residues which were fertilized with three N rates [(0 kg·hm-2(R0),120 kg·hm-2(R120),240 kg·hm-2(R240)] in the Lou soil (Yangling) and the dark loessial soil (Changwu),and the factors influencing root decay. The stable carbon isotope (δ13C) technique was used to determine contribution of root-derived carbon decomposition to total turnover of soil organic carbon.During the whole experiment period,a hydrothermal condition was found better in Yangling than in Changwu. The cumulative precipitation was 215 mm in Yangling,which was much more than in Changwu; and the average of soil temperature was 3.2 ℃ and 4.2 ℃ greater at the depths of 15 cm and 45 cm respectively in Yangling than Changwu. The amount of the remaining root carbon in the dark loessial soil was 20.9%-43.6% higher than in the Lou soil after 1 a decay. The contribution of root-derived carbon was 22.4%-44.7% and 27.4%-38.3% in Lou soil and dark loessial soil,respectively. The root-derived carbon mass fraction was significantly greater (P<0.05) in the dark loessial soil than the Lou soil,however,no significant difference was observed among R0,R120,and R240. In conclusion,maize root decomposed faster in the Lou soil under favorable hydrothermal conditions. Additionally,soil depths,texture,and fertilization management would affect organic residues decomposition and the sequestration and turnover of organic carbon in soils.

Nitrogen fertilization rate; Root carbon decomposition; Soil moisture and temperature; Soil depth

2016-09-08

2016-10-31

National Natural Science Foundation of China (No.31372137); the Key Scientific and Technological Innovation Team Project in Shaanxi Province (No.2016KCT-23).

CAI Miao,female,Ph.D. Research area:organic residues decomposition and soil carbon sequestration. E-mail: caimiao@nwsuaf.edu.cn

S143.1；S513

A

1004-1389(2017)10-1559-10

日期：2017-10-18

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171018.1733.042.html

2016-09-08

2016-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金(31372137)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2016KCT-23)。

蔡 苗，女，博士，研究方向?yàn)橛袡C(jī)殘?bào)w分解與土壤固碳。E-mail: caimiao@nwsuaf.edu.cn

(責(zé)任編輯：史亞歌Responsibleeditor:SHIYage)