李佳燕，孫良杰，馬南，王豐，汪景寬

不同肥力棕壤玉米根茬和莖葉殘體碳氮的固定特征

李佳燕，孫良杰，馬南，王豐，汪景寬

沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院/農業(yè)農村部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866

【目的】秸稈還田是增加土壤碳固定和改善土壤養(yǎng)分狀況的重要措施之一。研究玉米不同部位殘體碳、氮在土壤中的固定特征，明確秸稈還田的土壤增碳培肥機制。【方法】以沈陽農業(yè)大學棕壤長期定位試驗站為平臺，采集不施肥和有機肥配施化肥處理的土壤分別作為低肥力（LF）和高肥力（HF）土壤，并分別與13C和15N雙標記的玉米莖葉（S）、玉米根茬（R）混合，在25℃條件下進行室內培養(yǎng)試驗。試驗于第1、30、60、180和360 天取樣并測定土壤總有機碳（SOC）、全氮（TN）含量及其同位素豐度，分析玉米不同部位殘體碳、氮在不同肥力水平土壤中的固定特征。【結果】添加玉米殘體顯著提高土壤SOC，一年后仍能提高14.0%。添加玉米殘體后，土壤系統(tǒng)中有一小部分氮素可能以反硝化方式流失，且外源玉米殘體氮和土壤原有老氮均有損失。與添加根茬相比，添加莖葉更有利于外源新碳、氮的增加，而且具有更強的激發(fā)老碳、氮分解/損失的效應，不利于土壤老碳、氮的固持；根茬殘體則更趨向于被分解，使土壤老碳、氮得到相對的保護和固定。外源殘體碳雖然在低肥力土壤中的固定較少，但是對低肥力土壤碳庫的提升具有更大的貢獻。添加殘體后低肥力土壤的C/N和13C/15N（代表土壤中來自于外源殘體的C/N）顯著高于高肥力土壤。但本研究結果表明13C/15N并不是限制低肥力土壤中殘體分解和固定的主要因素，其主要原因可能在于底物長期選擇條件下的特異性土著土壤微生物群落較為穩(wěn)定，對于外源有機質加入的干擾具有抵抗力造成的?！窘Y論】土壤中添加玉米不同部位殘體均可顯著提高土壤碳、氮水平，但其內在的殘體新碳/氮和土壤老碳/氮的固定策略相異。低肥力土壤較高肥力土壤對外源碳的固定少，其對不同部位殘體的固定在本研究中并不受到來自于外源殘留殘體C/N的影響。

玉米殘體；土壤肥力水平；土壤碳氮固定；穩(wěn)定同位素標記

0 引言

【研究意義】土壤有機碳和氮含量的提高不僅有利于土壤肥力的保持與提升，還是保障農田生態(tài)系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的基礎[1-2]。因此，農田土壤碳和氮的固存一直都是農田土壤培肥研究的重點和熱點[3-4]。植物殘體還田作為一項能夠提升土壤有機碳和全氮含量的環(huán)保且經濟措施被廣泛推廣[5]?！厩叭搜芯窟M展】還田植物殘體主要包括植物的非收獲部位——根茬和莖葉，二者因其化學組成不同，可能會導致它們在土壤中的分解和固定過程相異[6]。在傳統(tǒng)認知中，與莖葉相比，木質素含量高的根茬碳更加穩(wěn)定，因此對土壤有機碳積累的貢獻更顯著[7]。然而，最近的研究表明，植物來源的木質素在土壤中的穩(wěn)定性并不高[8]，甚至有研究指出具有較高微生物利用效率的莖葉對于土壤碳固定的作用更大[9]。由此看來，關于植物不同部位殘體碳、氮在土壤中的固定特征還存在一些爭議。此外，不同肥力水平農田土壤因自身的有機碳和氮素養(yǎng)分的差異，而使其通過能量和養(yǎng)分有效性強烈調節(jié)著對外源碳、氮的固持[10-11]，因此，在評估土壤碳、氮動態(tài)響應外源物質輸入時應加以考慮。有研究指出，低肥力土壤可能比高肥力土壤更容易受到外源物質添加的影響，刺激產生更強的微生物活性，進而具有更強固碳能力。郭策等[12]通過研究秸稈添加對耕層（有機碳含量和肥力水平均高）與底層（有機碳含量和肥力水平均低）母質土壤的有機碳含量的影響，發(fā)現(xiàn)母質層的低肥力土壤有機碳增量高于耕層高肥力土壤，土壤固碳潛力更強。然而，也有研究指出，有機物輸入引起了低肥力土壤更大的凈碳損失，而在高肥力土壤中卻促進了碳的固持[13-14]，形成了土壤碳固持的“馬太效應”[15]。由此看來，外源秸稈碳在農田土壤中的固定不僅受到植物殘體特性（不同部位）的影響，而且也受到土壤肥力水平的影響。不同肥力水平土壤的碳庫對外源秸稈的響應情況還存在著不確定性?！颈狙芯壳腥朦c】目前，已有許多研究對植物殘體碳、氮在土壤中的轉化固定進行了研究[16-17]，然而，關于植物不同部位殘體碳、氮在土壤中的固定過程，以及不同肥力水平土壤固碳對外源秸稈碳的響應特征均還存在較大不確定性。此外，傳統(tǒng)的研究不能區(qū)分秸稈來源碳、氮和土壤原有碳、氮，而利用同位素技術可以解決此問題。因此，本研究將以13C、15N雙標記玉米殘體為材料進行農田土壤碳、氮固定特征的研究，為弄清還田秸稈的碳、氮雙元素的土壤固定特征及二者在固定過程中的耦合關系提供更加準確的技術支撐。【擬解決的關鍵問題】本研究以玉米連作棕壤為研究對象，分別向高肥力和低肥力土壤中添加13C、15N雙標記玉米殘體（根茬、莖葉），進行室內培養(yǎng)試驗，分析不同肥力水平棕壤中的碳、氮固定及土壤C/N的動態(tài)變化，探討玉米不同部位殘體在高、低肥力棕壤中的碳氮固定特征，明確秸稈還田措施下農田土壤的固碳固氮機制，為構建合理的秸稈還田土壤培肥措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與供試樣品采集

供試土壤來源于沈陽農業(yè)大學棕壤長期定位試驗站（41°49′N，123°57′E），該試驗站建于1987年，屬于典型的北溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為730 mm，年平均氣溫為8.2℃，土壤類型為棕壤（簡育濕潤淋溶土）。試驗區(qū)常年連作種植玉米（當地常用品種），于每年4月中下旬農機起壟并人工播種，9月下旬收獲。

試驗布置前采集試驗站0—20 cm土層的土樣，選取2個處理土壤作為高、低肥力土壤：不施肥土壤視為低肥力土壤（LF），高量有機肥配施氮磷肥（年施有機肥折合含純氮270 kg·hm-2，年施用化肥中含N 135 kg·hm-2和P2O567.5 kg·hm-2，一次性施入）視為高肥力土壤（HF）。于9月底玉米收獲后將鮮土采回，在室溫下風干，剔除可見根系和石塊，混勻后過2 mm篩備用，其中一部分過0.15 mm篩測定土壤總SOC、TN、δ13C值、δ15N值，明確土壤碳氮及其同位素的本底值（表1）。

表1 試驗土壤（0—20 cm土層）的基本理化性狀

平均值±標準誤。同一列數據后的不同大寫字母表示不同肥力土壤間的差異顯著（＜0.05）

Means±standard error. Different uppercase letters after the same column of data indicate significant differences between soils with different fertility levels (＜0.05)

供試13C和15N雙標記玉米殘體材料是本研究團隊通過脈沖標記法獲得[18]，標記主要過程如下。利用NaOH 將標記室內的12CO2充分吸收之后，通過HCl與Na213CO3（99% atom%13C）反應產生的13CO2氣體對玉米進行標記。同時在植株根部土壤直接注入(15NH4)2SO4（98 atom%15N）溶液進行玉米的15N標記。脈沖標記從玉米苗期進入拔節(jié)期開始至成熟期結束，總共進行4次。標記完成后，收獲的植株沖洗干凈，105℃下殺青后60℃下烘干。將玉米根茬和莖葉分開，剪成2 cm小段，用粉碎機粉碎，過40目篩（0.425 mm）備用。供試玉米殘體基本碳氮含量和標記豐度性質見表2。

表2 供試玉米殘體的基本理化性狀

1.2 試驗設計

將土壤與標記的玉米不同部位殘體混合后進行室內培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為2020年1月15日至2021年1月9日。培養(yǎng)試驗的具體操作如下。稱取250 g（烘干重計）風干土樣于直徑為11.5 cm、容積為1 L的塑料廣口瓶中，加蒸餾水調節(jié)土壤含水量至田間持水量的40%，用廣口瓶蓋旋緊，并將瓶蓋均勻扎孔以便瓶內外進行氣體交換。將準備好的培養(yǎng)瓶置于培養(yǎng)箱，在25℃條件下避光培養(yǎng)7 d。7 d后取出立即進行混樣：稱取5 g已粉碎的玉米根茬和莖葉（占干土重比例2%），分別與培養(yǎng)土壤充分混勻，再次調節(jié)土壤含水量至田間持水量的60%，25℃下避光培養(yǎng)。試驗共設置如下處理：低肥土壤+玉米根茬（LF+R）；低肥土壤+玉米莖葉（LF+S）；高肥土壤+玉米根茬（HF+R）；高肥土壤+玉米莖葉（HF+S）；以不添加玉米殘體的2種肥力土壤作為對照（LF，HF）。試驗共進行約360 d，通過稱重法每周補水1次。培養(yǎng)期間，在第1、30、60、180和360天進行破壞性取樣，每次取各處理的3個重復土壤樣品進行指標測定。樣品風干后用研缽研磨并過0.15 mm篩，供分析土壤總有機碳、全氮含量及其δ13C和δ15N值。

1.3 土壤樣品測定

將過0.15 mm篩的土樣直接包樣在元素分析儀-穩(wěn)定同位素比例質譜聯(lián)用儀（EA-IRMS, Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國）上測定土壤樣品總有機碳和全氮含量及其δ13C和δ15N值。δ13C值以美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組層位中的擬箭石化石（Pee DeeBelemnite, PDB）為標準物質，δ15N值以純凈大氣氮為標準物質。

1.4 數據計算

土壤有機碳中秸稈碳占比或土壤全氮中秸稈氮占比（，%）的計算公式如下[19]：

式中，δXsample（‰）為添加秸稈處理土壤有機碳的13C值或全氮的15N值；δXcontrol（‰）為不添加秸稈處理土壤有機碳的13值或全氮的15值；δXmaize（‰）為初始添加秸稈的13值或15值。

土壤有機碳含量中秸稈來源碳和土壤全氮含量中秸稈來源氮（m，g·kg-1）的計算如下[20]：

m=sample×（2）

式中，sample（g·kg-1）為添加秸稈處理土壤總有機碳含量或全氮含量；為土壤總有機碳中來自秸稈的碳比例或全氮中來自秸稈的氮比例。

土壤中原有機碳含量或原有機氮含量（Y，g·kg-1）的計算如下：

o=sample-m（3）

采用Excel 2019進行數據整理和計算，使用SPSS 21.0一般線性模型進行方差分析，多重比較采用Duncan 法，顯著水平為＜0.05。用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果

2.1 玉米不同部位殘體碳的固定特征

2.1.1 土壤總有機碳含量變化 試驗期間，高肥力土壤總有機碳（SOC）含量顯著高于低肥力土壤（＜0.05），分別為14.37—15.22 和10.48—11.72 g·kg-1（表3）。兩種肥力土壤總SOC在添加殘體處理條件下均顯著提高（＜0.05），低肥力土壤提高了39.0%，而高肥力土壤則提高了23.0%，這說明添加殘體更有利于促進低肥土壤總SOC的提高。培養(yǎng)開始時（1 d），在低肥力土壤中，添加根茬處理的土壤有機碳含量較對照處理高出76.6%，而添加莖葉土壤高出66.9%；在高肥力土壤中，添加根茬土壤高出54.6%，而添加莖葉土壤高出48.2%，即低肥力和高肥力土壤中，添加根茬對土壤總SOC的提高幅度均較添加莖葉處理的高。隨培養(yǎng)時間延長，各處理總SOC均顯著下降，但是添加玉米殘體總SOC仍然高于對應的不添加殘體的處理，培養(yǎng)結束時（360 d），在低肥力土壤中，添加根茬處理土壤SOC較對照高出17.7%，而添加莖葉土壤高出22.6%；在高肥力土壤中，添加根茬土壤高出10.3%，而添加莖葉土壤高出11.7%，即在低肥力和高肥力土壤中，添加根茬對土壤總SOC的提高幅度均較添加莖葉處理低。由此看來，從試驗初期到試驗末期，不論高肥力和低肥力土壤中，玉米不同部位殘體對土壤總有機碳較對照的提升幅度大小發(fā)生了翻轉?？偟膩碚f，添加根茬土壤的SOC高出13.4%，而添加莖葉土壤高出14.6%。同時發(fā)現(xiàn)，根茬和莖葉添加處理土壤SOC較培養(yǎng)開始時分別降低了8.03和6.61 g·kg-1，這表明，在試驗期內，玉米根茬殘體的分解速度比莖葉殘體快。

表3 不同處理土壤總有機碳含量隨時間變化情況

不同小寫字母表示同一處理不同培養(yǎng)時間差異達5%顯著水平（＜0.05）；不同大寫字母表示同一培養(yǎng)時間不同處理間差異達5%顯著水平（＜0.05）。LF 和 HF 分別代表低肥力和高肥力土壤，R 和 S 分別代表根茬和莖葉。下同

The different lowercase letters indicate that the difference between the same column and different incubation time is 5% significant (＜0.05); the different uppercase letters indicate that the difference between different column at the same incubation time is 5% significant (＜0.05). LF and HF represent the soils with low and high fertility, respectively. R and S represent root and stalk+leaf residues, respectively. The same as below

2.1.2 土壤中外源新碳和原有老碳的含量變化 外源新碳主要是指土壤中加入玉米殘體后新固定下來的來自于玉米殘體的有機碳，原有老碳則指的是新碳以外，來自于土壤中原有的有機碳。由圖1可知，隨培養(yǎng)時間延長，各處理土壤外源新碳含量顯著下降（＜0.05），到培養(yǎng)結束時，添加的秸稈分解了大半部分，低肥力和高肥力土壤的外源新碳含量分別降低了5.66和3.96 g·kg-1，降幅分別為73.9%和63.4%，低肥力土壤中外源新碳較高肥力土壤分解得更多。在低肥力土壤中，莖葉添加處理土壤外源新碳含量較根茬處理高出13.7%，主要發(fā)生在試驗前期（60 d以前），但是在高肥力土壤中二者卻未表現(xiàn)出顯著性差異（＞0.05）。隨培養(yǎng)時間的延長，各處理間差異不斷縮小，到180 d以后不同處理間無顯著差異（＞0.05）。

高肥力土壤老碳含量顯著高于低肥力土壤（＜0.05），高出31.2%，玉米殘體添加并未使這種趨勢發(fā)生改變（圖 1）。然而，玉米不同部位殘體添加使土壤老碳發(fā)生了顯著變化。在低肥力土壤中，添加根茬處理土壤老碳在試驗1、60和180 d顯著高于添加莖葉處理（＜0.05），而在高肥力土壤中二者之間則在30 d開始即轉變?yōu)椴伙@著（＞0.05）?？偟膩碚f，添加莖葉和添加根茬之間的差異在逐漸縮小。在培養(yǎng)過程中，各處理土壤老碳含量變化也呈下降趨勢，到培養(yǎng)結束時，在低肥力和高肥力土壤中添加玉米殘體后老碳含量較培養(yǎng)開始時分別降低了1.88和3.14 g·kg-1，降幅分別為15.1%和18.5%。其中，在低肥力土壤中，添加莖葉和添加根茬處理分別降低了0.29和3.47 g·kg-1，降幅分別為2.6%和25.3%；在高肥力土壤中，添加莖葉和添加根茬處理分別降低了2.42和3.86 g·kg-1，降幅分別為14.9%和21.8%。

圖1 不同處理條件下土壤中外源新碳和原有老碳含量隨時間變化情況

2.1.3 外源新碳和原有老碳對土壤總有機碳的貢獻率 結果表明（圖2），土壤原有老碳對SOC的貢獻（SOC-Fsoil）始終大于新碳對SOC的貢獻（SOC-Fmaize）（＜0.05），前者隨著培養(yǎng)的進行逐漸上升，而后者則逐漸下降（＜0.05），其中，低肥力土壤平均下降了57.7%，高肥力土壤平均下降了49.9%。在低肥力土壤中添加玉米根茬和莖葉土壤新、老碳的貢獻率顯著差異，在高肥力土壤中則差異不顯著（＞0.05），表現(xiàn)為培養(yǎng)前60 d低肥力土壤中添加莖葉處理SOC-Fmaize顯著高于添加根茬處理，高出20.6%，而在60 d之后，卻未表現(xiàn)出顯著差異（＞0.05）。玉米殘體添加對低肥力土壤新、老有機碳比例變化的影響大于高肥力土壤，使低肥力土壤SOC-Fmaize較高肥力土壤高出33.7%（＜0.05），與之相對應的高肥力土壤SOC-Fsoil較低肥力土壤高出8.9%（＜0.05）。

2.2 不同部位玉米殘體氮的固定特征

2.2.1 土壤全氮含量 分析比較土壤全氮（TN）變化情況（表4）發(fā)現(xiàn)，不同處理條件下土壤TN在培養(yǎng)期間整體上呈現(xiàn)下降趨勢，但是下降幅度不大，到試驗結束時（360 d）低肥力和高肥力土壤TN與培養(yǎng)開始時（1 d）相比分別降低了0.31和0.44 g·kg-1，降幅分別為7.7%和8.1%。各處理之間土壤TN含量有顯著差異（＜0.05），高肥力土壤TN顯著高于低肥力土壤，高出27.3%，而添加莖葉和根茬殘體后，也使土壤TN有所增加。與不添加殘體的對照相比，添加殘體處理使兩種肥力土壤TN含量在試驗1 d顯著提高（＜0.05），高肥力土壤中這種趨勢一直持續(xù)到試驗結束，而低肥處理中則在1 d后差異不顯著（＞0.05）。

圖2 不同處理下土壤外源新碳和原有老碳對總有機碳的貢獻率隨時間變化情況

表 4 不同處理下土壤全氮含量隨時間變化情況

2.2.2 土壤中外源新氮和原有老氮的含量變化 無論在高肥力還是低肥力土壤中，添加莖葉處理土壤外源新氮含量顯著高于添加根茬處理（＜0.05），前者比后者高出36.4%—55.6%（圖3）。不同部位玉米殘體添加對土壤老氮含量也有顯著影響（＜0.05），在低肥力土壤中，培養(yǎng)30、60和180 d時，添加莖葉處理土壤原有老氮含量顯著低于添加根茬處理（＜0.05），而在高肥力土壤中，添加根茬和添加莖葉處理間土壤老氮含量差異不顯著（＞0.05）。此外，土壤新氮和老氮含量在各處理條件下的時間變化趨勢與土壤全氮含量相一致，到培養(yǎng)試驗結束時（360 d），低肥力和高肥力處理土壤新碳含量與培養(yǎng)開始時（1 d）相比分別降低了0.04和0.02 g·kg-1，降幅分別為28.6%和14.3%，土壤老氮含量降低了0.08和0.16 g·kg-1，降幅分別為6.5%和9.4%。

圖3 不同處理下土壤外源新氮和原有老氮含量隨時間變化情況

2.2.3 外源新氮和原有老氮對土壤全氮的貢獻率 由圖4可知，整體上看，添加殘體處理使低肥力土壤外源新氮貢獻率（TN-Fmaize）較高肥力土壤高出16.6%（＜0.05），這種提高主要是由添加莖葉處理造成的，添加莖葉處理使低肥TN-Fmaize較高肥土壤高出22.4%（＜0.05），而添加根茬條件下高肥力和低肥力土壤間TN-Fmaize沒有顯著差異（＜0.05）。與外源新氮相對應的，添加殘體處理整體上使高肥力土壤原有老氮貢獻率（TN-Fsoil）較低肥力土壤高出1.6%（＜0.05），添加莖葉處理使高肥力土壤TN-Fsoil較低肥力土壤顯著高出2.7%（＜0.05）。隨時間延長，在高肥力土壤中，添加根茬處理TN-Fmaize呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但是添加莖葉處理TN-Fmaize沒有顯著差異（＞0.05），而在低肥力土壤中，添加莖葉處理TN-Fmaize呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但是添加根茬處理TN-Fmaize沒有顯著差異（＞0.05）。

圖4 不同處理下土壤外源新氮和原有老氮對全氮的貢獻率隨時間變化情況

2.3 添加玉米殘體對不同肥力土壤碳氮比的影響

2.3.1 土壤碳氮比 高肥力和低肥力土壤碳氮比（C/N）分別為8.87—9.45和8.07—9.25（表5），高肥力土壤C/N主要在第30天和第180天顯著高于低肥力土壤（＜0.05）。殘體添加可顯著提高土壤C/N（＜0.05），使高、低肥力土壤分別提高了12.1%和34.1%，可見殘體添加對于低肥力土壤C/N的影響更大。隨培養(yǎng)時間延長，各處理土壤C/N整體呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢。低肥力土壤中，根茬添加處理C/N高于莖葉添加處理（＜0.05）；在高肥力土壤中，僅培養(yǎng)30、60 d后C/N表現(xiàn)為根茬添加處理C/N高于莖葉添加處理（＜0.05），180 d開始往后則表現(xiàn)出莖葉添加處理的C/N高于根茬添加處理。

2.3.2 土壤外源碳氮比（13C/15N） 土壤外源碳氮比（13C/15N）是指土壤中來自新添加秸稈的有機碳和全氮比值。由圖 5可知，整個培養(yǎng)時期內，不同處理條件下的土壤13C/15N均顯著下降，到180 d后則轉變?yōu)槠椒€(wěn)階段。對玉米不同部位殘體添加處理間差異比較發(fā)現(xiàn)，高肥力土壤中的根茬添加處理13C/15N僅在培養(yǎng)第30、60天時顯著高于添加莖葉處理（＜0.05），其余時間兩者差異不顯著；而在低肥力土壤中，根茬添加處理13C/15N均顯著高于莖葉添加處理，在培養(yǎng)1 d其差異幅度可達43.6%。另外，土壤肥力水平也對13C/15N產生顯著影響（＜0.05），表現(xiàn)為添加根茬條件下高肥力土壤13C/15N在試驗期間均顯著小于低肥力土壤，而添加莖葉處理條件下高、低肥力土壤間13C/15N差異在60 d以前與添加根茬處理相同，而在60 d以后則表現(xiàn)為差異不顯著（＞0.05）。各處理之間的差異隨試驗的進行逐漸變小。

表5 不同處理下土壤C/N比隨時間變化情況

圖5 不同處理下土壤13C/15N變化

3 討論

3.1 玉米不同部位殘體添加對土壤固碳的影響

植物殘體是農田土壤有機碳（SOC）的主要來源，大量研究表明植物殘體添加能夠提高SOC含量[21-23]。本研究通過為期360 d的室內培養(yǎng)試驗結果表明玉米殘體添加顯著提高了土壤總有機碳含量，進一步證明殘體添加是提高土壤有機碳含量的有效途徑，尤其是在有機碳含量較低的土壤上，由于其本身有機碳含量低，所以等量外源殘體碳的添加對低肥力土壤總SOC的提升幅度更加顯著。

添加不同類型的植物殘體對土壤SOC的提升程度在整個試驗期間內平均條件下相似，但在不同分解時期卻表現(xiàn)出明顯的不同：與對照相比，添加根茬處理使總SOC的提升在前期高于添加莖葉處理，而在后期則低于添加莖葉處理，表明莖葉殘體碳在土壤中的固定與傳統(tǒng)上所認為的不易分解的木質素含量高的根茬碳更易被固定下來的觀點并不完全一致，甚至在殘體分解的后期與傳統(tǒng)觀點相反[9]，然而，近些年也有一些研究結果與我們的發(fā)現(xiàn)保持一致。這些研究指出植物來源的木質素在土壤中穩(wěn)定性不高，反而易被土壤微生物分解，莖葉殘體成為了土壤碳固定的潛在來源[24-25]。本研究的同位素標記結果發(fā)現(xiàn)，試驗前期（60 d以前）添加莖葉殘體處理的外源新碳含量高于添加根茬處理，而老碳與之相反，即添加莖葉殘體處理低于添加根茬處理。而試驗后期（180 d以后）則處理間外源新碳含量差異不再顯著。因此，添加莖葉處理土壤總碳下降主要是由于土壤老碳分解造成的，而外源莖葉殘體碳在培養(yǎng)初期反而相對地得到了一定的保護；反之添加根茬殘體處理土壤中主要是外源新碳受到分解，原有老碳相對地受到了一定的保護。從另一個角度來講，莖葉殘體碳對土壤原有有機碳分解具有更大的激發(fā)效應。有研究指出[26-27]，由于作物根系一方面在土壤中生長衰亡不斷向土壤中提供根系殘體，另一方面作物收獲后根系往往被殘留在土壤中，因此，相較于植株地上部分，土壤微生物群落更適應于分解利用土壤根茬殘體有機碳，也更傾向于獲取和利用作物根茬殘體。這可能是本研究發(fā)現(xiàn)的莖葉殘體碳易于固定且對土壤老碳產生更大激發(fā)效應的原因。隨著試驗的進行，不同殘體類型之間的差異最終不再顯著，這表明，殘體類型造成的外源碳固定差異只發(fā)生在其固碳過程的早期，它們最終（360 d）的固碳率相一致。

不同土壤肥力狀況下有63.4%—73.9%的外源殘體碳在試驗結束（360 d）時被分解，也就是大部分外源碳在添加一年內被分解了，只有26.1%—36.7%的外源碳還被固定在土壤中。其中，在試驗結束時低肥力土壤中外源碳被分解的量較高肥力土壤更多，即其固定下來的外源碳更少，但低肥力土壤SOC中外源新碳的貢獻率卻顯著高于高肥力土壤，達33.7%。低肥力土壤有機碳含量較低，養(yǎng)分長期處于缺乏狀態(tài)，不利于土壤微生物的生長，然而一旦有外源碳輸入，土壤微生物對于能量和養(yǎng)分的需求得到滿足，便會對外源碳進行更加激烈地分解，導致低肥力土壤中外源碳的固定減少[28]。然而，即便如此，由于低肥力土壤初始有機碳含量較低，外源碳對于土壤有機碳的貢獻還是要高于高肥力土壤。另外，研究結果還顯示，在低肥力土壤中添加不同類型殘體后外源新碳的含量有顯著差異，而在高肥力土壤中添加則差異不顯著，這可能是由于在高肥力土壤中有機碳含量高的背景下殘體類型所產生的固碳差異被掩蓋[21]，表明土壤肥力水平的高低是影響土壤固碳的主要因素，而殘體類型的影響次之。

3.2 玉米不同部位殘體添加對土壤固氮的影響

土壤全氮在試驗期間呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度不大，這表明土壤中有部分氮素產生了損失，可能是土壤中的反硝化作用使土壤氮轉化為氮氣和氮的氧化物等氣體排出土壤導致的，但是這部分損失相對較少，在0.31—0.44 g·kg-1范圍內。李忠徽[29]通過為期360 d的培養(yǎng)試驗探究有機肥配施化肥對土壤氮礦化特征的影響，發(fā)現(xiàn)土壤全氮隨培養(yǎng)時間延長呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，并指出這是由于反硝化作用所造成的。土壤15N同位素結果表明，土壤中原有老氮和外源新氮均隨培養(yǎng)時間逐漸下降，因此我們推測土壤全氮的下降可能是由老氮和新氮的反硝化消耗共同貢獻的。但是高肥力和低肥力土壤對于不同類型殘體氮的反硝化消耗程度是不一樣的。有研究指出[30]高肥力土壤中來源于根茬的殘體氮貢獻率隨時間下降，低肥力土壤中則是來源于莖葉的殘體氮貢獻率隨時間下降，表明高肥力土壤更利于根茬氮的反硝化作用，而低肥力土壤則更利于莖葉氮的反硝化作用。研究表明高肥力土壤因其本身碳氮含量較高，尤其高碳量可直接為反硝化細菌提供能量和電子而促進反硝化，而且可以激發(fā)自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)硝化，為反硝化提供底物。與此相反，LI等[31]研究發(fā)現(xiàn)提升土壤中氮素對土壤反硝化作用具有抑制作用。本研究中高肥力土壤和低肥力土壤中氮素的反硝化消耗均不大，但是對不同類型殘體氮的消耗表現(xiàn)出一定的“偏好”，這可能是由微生物群落組成的差異所導致的[32]。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)無論是在高肥力還是低肥力土壤中，添加莖葉殘體處理的外源氮含量高于添加根茬殘體處理，這可能是由于所添加的莖葉殘體含氮量高于根茬造成的。同時，對于土壤老氮來說，低肥力土壤中添加莖葉處理土壤老氮含量小于添加根茬，但高肥力土壤中二者差異不顯著。這表明相較于根茬殘體來說，低肥力土壤中莖葉殘體氮不易發(fā)生反硝化損失，而土壤中老氮的反硝化損失卻受到了促進作用，表現(xiàn)出一定的激發(fā)作用現(xiàn)象。就根茬來看，其C/N較高，N素含量較低，在土壤中組分更穩(wěn)定，不易被分解，因此土壤中的部分氮素會被微生物固持，減小其在土壤中的反硝化作用損失[33-34]。低肥力土壤中添加莖葉殘體處理新氮對全氮貢獻率高于高肥力土壤，而老氮貢獻率低于高肥力土壤，進一步驗證了這一結論。這與低肥力土壤中外源新碳的情況相類似，也佐證了低肥力土壤中的微生物群落對于氮素的利用傾向于利用更長時間接觸和利用的根茬氮素，而非莖葉氮素這一推斷。

3.3 玉米不同部位殘體添加對土壤碳氮比的影響

土壤碳氮比（C/N）反映的是土壤中碳和氮之間的計量比情況，是土壤質量的敏感指標，該比值的變化可引起微生物活性及其對土壤碳和氮轉化狀況的改變，進而影響土壤碳氮固存[35]。添加玉米殘體后，不論高肥力還是低肥力土壤的C/N均顯著提高，且一直到試驗結束時（360 d），雖然土壤C/N已經大幅下降，處理間差異也在不斷縮小，但仍維持著高于不添加玉米殘體處理這一趨勢。這表明玉米殘體的C/N對土壤C/N帶來的影響較為深刻且持續(xù)時間長。多數研究[36-38]表明，秸稈還田后，部分氮素被釋放并供土壤微生物利用，從而導致土壤C/N增加。但是由于低肥力土壤本身的碳氮含量較高肥力土壤低，因此外源殘體碳氮對低肥力土壤C/N的提升幅度顯著大于高肥力土壤，即外源殘體所產生的影響對低肥力土壤更加深刻。

值得注意的是，根據同位素結果計算得到的土壤外源碳氮比（13C/15N）在添加不同類型殘體條件下表現(xiàn)為，添加根茬處理大于添加莖葉處理，尤其是在低肥力土壤中，前者比后者高出43.6%，這種較大的差異在試驗開始時最為明顯，到了后期有所下降，但是仍保持較高水平。一般認為，外源殘體C/N是影響其分解速度的重要因素。對于一般作物殘體來說，C/N高則給微生物的生長活動帶來相對的氮匱乏環(huán)境，阻礙植物殘體的分解，有利于殘體碳固定，反之，C/N低則氮素充分，有利于植物殘體的分解[39-40]，不利于殘體碳固定。然而，本研究發(fā)現(xiàn)在低肥力土壤中添加根茬后13C/15N高的條件下，其殘體碳的固定情況要低于與之相對的添加莖葉處理（圖1）。這與傳統(tǒng)的觀點不一致。在本研究中，造成這種現(xiàn)象的可能原因再次與前文所闡述的土壤微生物群落更趨向于利用能夠經常獲得的根系相關有機碳、氮相關聯(lián)。

4 結論

4.1 土壤中添加玉米殘體可以有效提高土壤有機碳、氮含量。對于有機碳來說，雖然在培養(yǎng)系統(tǒng)內會受到土壤微生物的分解而隨時間下降，但一年后試驗結束時仍有這種提高效果，這表明秸稈還田對土壤有機碳固存的長效性。而對于土壤氮來說，由于培養(yǎng)系統(tǒng)內沒有植物參與，因此，玉米殘體添加后土壤系統(tǒng)中氮素損失較小，但是仍有一小部分氮素（0.31—0.44 g·kg-1）可能以反硝化變成氣體的方式而流失到土壤系統(tǒng)之外，而外源玉米殘體氮和土壤原有老氮均對這部分損失的氮素有貢獻。

4.2 盡管添加玉米殘體均能有利于土壤有機碳、氮庫的提高，但玉米不同部位殘體的影響機制不同，且外源殘體碳對不同肥力水平土壤有機碳庫的影響程度也不同。莖葉殘體碳、氮較根茬殘體碳、氮更多地被固定到土壤中，而添加莖葉殘體促進了土壤原有老碳、氮的分解/損失，比根茬殘體具有更強的激發(fā)效應；根茬殘體則更趨向于被徹底分解為CO2釋放到土壤系統(tǒng)之外，從而土壤老碳、氮得到一定的保護和固定。

4.3 對于不同肥力水平的土壤來說，盡管外源殘體碳在低肥力土壤中分解得較多，導致其被固定下來的較少，但外源碳對低肥力土壤有機碳庫提升的貢獻率卻十分重要。

4.4 本研究還發(fā)現(xiàn)外源殘體的碳氮比并不是限制低肥力土壤中玉米殘體分解和固定的主要因素，這主要是由于底物長期選擇條件下的特異性土著土壤微生物群落較為穩(wěn)定，對于外源有機質加入的干擾具有抵抗力造成的。

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Carbon and Nitrogen Fixation Characteristics of Maize Root and Straw Residues in Brown Soil Under High and Low Fertility

LI JiaYan, SUN LiangJie, MA Nan, WANG Feng, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Cultivated Land Conservation in Northeast China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shenyang 110866

【Objective】Straw returning to the field is one of important measures to increase soil carbon (C) fixation and to improve soil nutrient status. Studying the C and nitrogen (N) fixation characteristics of different parts of maize residues in the soil is of great significance for clarifying the C and N sequestration mechanism under straw returning. 【Method】This study was based on the long-term experiment station of Shenyang Agricultural University. The soils treated with no fertilization and organic fertilizer combined with chemical fertilizers were collected as low fertility (LF) and high fertility (HF) soils, respectively, and combined with13C and15N double-labeled maize residues. Maize stalk and leaf part (S) as well as root part (R) are mixed with collected soils, respectively, and incubated at 25℃. In the experiment, the samples were taken on the 1st, 30th, 60th, 180thand 360thdays to determine the total organic C (SOC), total N (TN) content, and their isotopic abundances, and to analyze C and N fixing dynamics of different parts of maize residues in the soil with different fertility levels. 【Result】Adding maize residues significantly increased soil SOC, and could still increase by 14.0% after one year. After adding maize residues, a small part of N in the soil system might be lost by denitrification, and both added N deriving from maize residues and native N in soil were contributed in the lost. Compared with the addition of root residues, the addition of straw residues was more conducive to retaining the added residual C and N, which had a stronger effect on stimulating the local C decomposition and N loss. In contrast, the root residues tended to be decomposed, while the native soil C and N were relatively protected. Although the fixation of added residual C in low-fertility soil was higher than that in high-fertility soil, the fixed added residual C presented a greater contribution to the promotion of C pool in the low-fertility soil. Under the treatment of residues addition, C/N and13C/15N (representing residue-deriving C/N in the soil) in low-fertility soil were significantly higher than those in high-fertility soil. However, the results showed that13C/15N was not the main factor limiting the decomposition and fixation of residues in low-fertility soil, which might be related to the distinctive soil microbial community favoring of utilizing the specific substrate under the long-term substrate selection. 【Conclusion】Adding maize residues from different parts of the soil could significantly increase soil carbon and nitrogen levels, but the immobilization strategies of new carbon/nitrogen in the residues and soil old carbon/nitrogen were different. The low-fertility soil had higher capacity to fix exogenous carbon and less fertility, and their fixation of residues in different parts was not affected by the limitation of C/N from exogenous residues in this study.

maize residue; soil fertility level; soil organic carbon and total nitrogen fixation; stable isotope labeling

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.23.008

2021-11-10；

2022-12-24

國家自然科學基金（41977086）、國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1500202）

李佳燕，E-mail：jylfearless@126.com。通信作者孫良杰，E-mail：sunlj@syau.edu.cn。通信作者汪景寬，E-mail：jkwang@syau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）