控制條件下水肥耦合對黃泥田還田秸稈腐解及土壤碳轉化的影響

蘇 朋, 傅 昱, 何 艷, 徐建明, 吳建軍, 吳良歡

(浙江大學環境與資源學院，浙江省亞熱帶土壤與植物營養重點實驗室，浙江杭州 310058)

控制條件下水肥耦合對黃泥田還田秸稈腐解及土壤碳轉化的影響

蘇 朋, 傅 昱, 何 艷*, 徐建明, 吳建軍, 吳良歡

(浙江大學環境與資源學院，浙江省亞熱帶土壤與植物營養重點實驗室，浙江杭州 310058)

【目的】研究秸稈還田后不同水溫和肥劑管理措施下土壤碳素轉化特征。【方法】以華中雙季稻區低產水稻土黃泥田為供試材料，模擬早稻和晚稻秸稈還田的田間環境，在實驗室控制條件下，開展了兩種溫度環境中(15℃、35℃)不同水分(40%和100%最大田間持水量，即40%WHC、100%WHC)、配施氮肥類型(尿素、豬糞即U、M)、以及促腐菌劑添加對秸稈腐解效果及其過程中土壤碳素轉化影響的研究。對水稻秸稈腐解過程中土壤CO2釋放量、以及土壤可溶性有機碳(DOC)和總有機碳(TOC)含量在105天培養周期內變化特征進行動態監測分析。【結果】 兩種溫度環境中整個培養周期內，各處理的CO2釋放速率和釋放總量通常表現為100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U，即豬糞優于尿素的規律，而不論配施何種氮肥都存在100%WHC > 40%WHC (P<0.01)的現象，同時40%WHC條件下輔施菌劑可顯著提升CO2釋放量；與此相反，兩種溫度環境下DOC含量都表現為40%WHC-M > 40%WHC-U >100%WHC-M > 100%WHC-U(后兩者差異小)，即40%WHC條件下DOC含量顯著高于100%WHC(P<0.05)，且配施豬糞處理優于配施尿素處理，但這兩種氮肥處理間差異隨培養時間延長而減小；以CO2-C釋放量計算0_7 d、0_28 d、0_105 d內物料分解率，結果表明，35℃時100%WHC-U的處理中物料分解最快，15℃時40%WHC-M的處理中物料分解最慢。與之對應，105 d內TOC含量和凈增量則在35℃時100%WHC-U的處理中最小(P<0.01)，而在15℃時40%WHC-M的處理中最大(P<0.01)；TOC的凈增量和凈損失量在相同溫度條件下，尤其試驗前期不同水分(P<0.01)、氮素(P<0.05)間均存在顯著差異，且促腐菌劑添加普遍減小TOC含量；培養周期內所有處理的CO2釋放速率與DOC含量間存在顯著相關(P<0.05)。【結論】水分狀況對碳素的轉化存在極大影響，其次是氮肥類型，且氮肥的影響作用隨秸稈還田時間的延長而減弱；高濕條件更利于促進秸稈腐解，但導致土壤DOC含量較低，TOC的固持量也較少，而配施豬糞則可促進土壤DOC含量的提升及TOC的固持；促腐菌劑添加可促進秸稈腐解，但由于40%WHC條件下顯著激發了CO2的釋放而不利于土壤固碳。因此在華中低產黃泥田雙季輪作稻區，早稻還田時由于氣溫高周期短，建議保持100%WHC、輔施適量尿素、并配合添加秸稈腐解菌劑，側重秸稈快腐；而晚稻還田時氣溫低周期長，建議保持40%WHC并輔施緩效豬糞，側重土壤固碳。

碳素轉化； 水溫肥劑耦合管理； 秸稈快腐； 低產水稻土； 培肥； 固碳

土壤呼吸是陸地生態系統與大氣之間第二大碳(C)通量，能達到C 68 _ 80 Pg/year[1]，而每年10%左右的土壤碳以CO2形式進入大氣。有機質是改善土壤理化、生物性狀的物質基礎，若有機碳歸還不足易導致土壤肥力衰退[2]。作物秸稈可作為豐富的有機質資源還田，增加土壤有機碳和緩解土壤養分流失[3-4]，提高微生物碳氮固持和供給，其殘體的分解過程也是影響土壤碳轉化的因素之一。多數秸稈結構復雜，短期內不易自然腐解[3]，因此需要技術手段加快腐解過程[5]；同時，微生物易與作物競爭氮素，還田時補充氮肥和水分可解決這一問題[6]。但對部分低產水稻土如華中雙季稻區黃泥田，在不同環境、時令下因地制宜地開展早晚稻稻稈還田，加快秸稈熟化并培肥土壤方面仍缺乏報道，這對保障國家糧食安全、提升農田可持續利用意義重大。

作為重要土壤培肥措施，秸稈碳在土壤中腐解速率、過程受到多種因素影響，如土壤理化性質[7-10]、秸稈性質[5]、農業耕作措施[3, 11]、施用方式[3, 12-14]、環境因子[15]和研究條件[8, 15]等。溫度、水分含量是影響土壤碳轉化[3, 15-16]的重要因素，如溫度升高被認為會加速礦質土壤有機碳分解[15, 17]，但也有研究者發現，碳分解速率在全球維度內年均溫梯度變化條件下的各采樣點存在恒定值[18]。另外，水分差異會影響水稻土有機碳動態變化，最終導致碳累積礦化量差異[19]；干濕交替影響土壤通氣并產生好氧厭氧交替狀況，形成更豐富的微生物多樣性[16]。同時秸稈進入土壤也會引起碳氮比例失調[4]、耕作困難等問題，配施氮肥并適當施用微生物促腐菌劑可緩解爭氮和加快腐解。已有研究表明秸稈配施化肥調節C/N 比例并施用促腐菌劑后土壤微生物量C、N顯著增加[2]，但不同形態氮素對該過程的影響還鮮見報道。夏季早稻和冬季晚稻的秸稈在還田時環境溫度存在較大差異，在不同還田時期，如何通過調控土壤水分狀況和輔施氮肥以實現雙季稻區還田秸稈的快速腐解，以及這些田間管理措施如何影響土壤中碳素的轉化，對低產土壤培肥固碳的效果如何仍有待研究。

因此，本研究針對浙江低產黃泥田雙季輪作稻區實際情況，模擬田間夏季早稻和冬季晚稻還田時的環境溫度，選取水稻秸稈為材料在實驗室控制條件下進行了培養試驗，探討秸稈施入黃泥田后兩種溫度環境中不同土壤水分含量、不同氮肥類型、以及微生物促腐菌劑添加對秸稈腐解過程中土壤碳素轉化的影響，旨在了解非植稻季節秸稈還田后不同水溫和肥劑管理措施下土壤中碳素的轉化動態，從而實現還田秸稈快速腐解的同時，又確保最大化土壤培肥固碳的雙效目標，為制定低產水稻土持續利用的田間優化管理策略提供科學基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤選取低產水稻土黃泥田為代表，采自浙江省金華市婺城區瑯琊鎮新朱村。土壤樣品為稻區田塊0—20 cm耕層混合樣品，去石子、根系等雜物后風干，過2 mm篩備用。土壤有機質含量為11.0 g/kg，pH 5.45，取樣時田間持水量(water holding capacity，WHC)為30.4%。植物材料選取當地前季水稻秸稈為試驗材料，60℃烘48小時、粉碎并過60目篩備用。秸稈促腐微生物菌劑為湖北農科院植保土肥研究所研制的秸稈快速腐熟菌劑(專利號： 201010228347)[20]，以熱帶假絲酵母、米曲霉、綠色木霉菌、枯草芽孢桿菌等為活性成分，總有效菌活數>0.5×109No./g。秸稈腐解過程中，同時選取尿素和豬糞作為輔施氮肥，用于調節C/N條件至適宜微生物發揮作用的25 ∶1[5]。水稻秸稈總C和總N含量分別為44.8%和0.72%，豬糞的總C和總N含量分別為34.3%和2.01%，尿素含N量46.7%。

1.2 試驗設計

試驗在實驗室控制條件下采用常規培養方法進行[21]。稱取相當于50 g烘干土重的經過預培養的土壤樣品，放入塑料封口袋中，每公斤土加入秸稈15 g，每公斤秸稈加入腐解菌劑0.5 g，用尿素(U)或豬糞(M)調節C/N至25 ∶1，添加量以尿素和豬糞材料的含氮量作為計算依據。混勻并分別調節至最大田間持水量的40%和100%后培養105天，培養溫度模擬雙季稻區稻桿還田的田間實際溫度，分別設定為15℃和35℃。塑料袋封閉并保留小口以保證氣體交換及減少水分散失，同時以不加菌劑作為空白對照，所有處理重復3次。試驗所用土樣需在25℃恒溫箱中黑暗條件下好氧預培養7天，用來恢復土壤微生物活性。試驗過程中每隔3天采用稱重法調節土壤含水量。本試驗共16個處理，包括溫度條件(15℃、35℃)、水分條件(40%WHC、100%WHC)、氮素類型(U、M)和微生物腐解菌劑添加與否(+、-)四個因素，采用完全隨機設計。

培養試驗開始后，分別于第0、1、3、7、15、30、60、105 d破壞性采樣測定土壤可溶性有機碳(DOC)，第0、30、105 d破壞性采樣測定土壤總有機碳(TOC)含量。與上述處理相同，以密閉好氧培養(NaOH吸收)氣室法開展呼吸培養試驗，并分別在第1、3、5、7、10、13、17、22、28、38、53、74、105 d置換CO2吸收液，動態監測秸稈分解過程中CO2釋放速率及累積釋放量。

1.3 測定方法

植物秸稈中碳和氮含量的測定同土壤中有機碳和氮的測定方法，分別采用高錳酸鉀-硫酸外加熱法和全自動凱氏定氮法。可溶性有機碳采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提(土水比1 ∶5)，往復震蕩儀上振蕩30 min，爾后4000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜后用總有機碳/總氮分析儀(Multi N/C 3100, Analytic Jena, 德國)測定。呼吸試驗中，CO2吸收液用1 mol/L 的BaCl2溶液沉淀后，采用0.5 mol/L 標準鹽酸溶液滴定。

1.4 數據分析及繪圖

試驗數據采用Microsoft Excel 2003處理；各處理間的差異性和相關性分析分別采用SPSS 16.0軟件的t檢驗(Student′sttest)和皮爾遜雙尾相關性分析(Pearson 2-tails test of significance)進行；圖形制作采用Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 秸稈分解過程中CO2-C的釋放動態

添加稻稈使CO2釋放速率迅速增加并在短時間內達到最大值： 15℃條件下在培養第5 _ 7 d達到峰值，35℃條件下幾乎僅培養1 d就顯現了最大釋放速率；相同溫度條件下，100%WHC條件下釋放速率最大值也較大(圖1上)。達到峰值后，隨培養時間的延長CO2釋放速率快速下降，至第28 d時多數處理已降至相當低水平。整個培養周期內，CO2釋放速率都存在100%WHC > 40%WHC的規律，尤其在培養53 d內這種差異達到顯著水平(P<0.05)；相同水、溫條件下(尤其是水分)，培養7 d后，豬糞處理中釋放的CO2顯著高于尿素處理。添加秸稈促腐菌劑的處理中CO2釋放速率平均要優于不加菌劑處理。

圖1(下)為水稻秸稈添加后黃泥田中CO2累積釋放量的動態變化特征。以CO2累積釋放量表征的土壤累積呼吸量在整個培養周期內均呈現100%WHC>40%WHC的規律，且兩水分處理間的差異達到極顯著水平(P<0.01)；不論何種氮素添加，低水分含量環境中土壤CO2釋放量相對較少，而若在這些處理中添加微生物促腐菌劑，均能顯著提高CO2釋放總量(P<0.01)。同時，35℃處理中的土壤累積呼吸量在各取樣期均比15℃處理更大(P<0.01)，28 _ 38 d內輔施菌劑對CO2的累積釋放也會有顯著提升作用。總的來說，至培養結束時，不同處理間CO2累積釋放量的動態變化大致呈現的一致趨勢為： 高溫、高濕及豬糞添加情況下可促進秸稈腐解，從而釋放較多CO2(如35℃條件下100%WHC-M+與100%WHC-M的兩個處理)。若以CO2釋放量占總外源投加碳量的百分比進行計算，各處理在培養的第7、28和105 d內以CO2釋放形式分解的所添加總碳量的變幅分別為1.06%_20.7%、2.97%_38.4%和6.58%_55.9%，其中顯現最大分解率的處理為35℃、100%WHC條件下施用尿素的處理，而顯現最小分解率的處理為15℃、40%WHC條件下不加菌劑的兩種氮肥處理(表1)。 若將整個培養周期內(105 d)的累積釋放CO2量作為100%計算，則培養的前7 d和28 d所釋放的CO2量分別即可達到9.96%_39.0%和28.0%_71.6%，兩個時間點以35℃下100%WHC-U+處理中最大，15℃下40%WHC-M處理中最小(表1)。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時添加 Adding both manure and inoculation. 同列數據后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

2.2 秸稈分解過程中DOC含量的動態變化

在整個培養周期內，土壤中DOC的最大含量基本上出現在培養初期，隨培養時間的延長而降低，培養15 d內，相同水分條件下，各處理間DOC含量的變化趨勢相似。在整個培養周期內，35℃處理下土壤中DOC含量普遍低于15℃處理(圖2)，培養0、1、3、7和60 d時差異達到顯著水平(P<0.05)。與加入尿素相比，加入豬糞土壤DOC含量更高，兩者差異均達顯著水平(P<0.05)，但差異由培養初期的60 mg/kg逐漸降到培養末期的30 mg/kg左右。兩個培養溫度下，整個培養周期內40%WHC處理中土壤DOC均顯著高于100%WHC處理(P<0.05)。添加菌劑與否對土壤中DOC的含量變化無實質影響。綜合土壤濕度、培養溫度、氮素來源和添加菌劑因素，高溫培養土壤DOC含量較低，添加尿素和高濕土壤條件下，土壤中DOC的含量會更低。

2.3 秸稈分解過程中總有機碳(TOC)的動態變化

分別于培養第0、30 和105 d采樣測定秸稈分解過程中土壤TOC含量(表2)，各試驗處理土壤TOC含量隨培養時間的延長而漸少，但在采樣的三個時期均遠大于初始水平(11.0 g/kg)。三個時期取樣測定結果，最大值均出現在15℃、40%WHC條件下施用豬糞的處理中，最小值則在35℃、100%WHC條件下施用尿素的處理中(P<0.05)。

105 d時各試驗處理條件下土壤TOC的凈增量如圖3所示，無論添加尿素還是豬糞，35℃、100%WHC條件下土壤TOC凈增量最小(P<0.01)。豬糞處理土壤TOC凈增量高于尿素處理，添加菌劑后，土壤TOC凈增量均減小。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+ —尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時添加 Adding both manure and inoculation. 同列數據后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followewd by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

計算加入物料后0_30 d、30_105 d和0_105 d有機碳的凈損失量(NET0-30、NET30-105及NET0-105)可知，秸稈促腐菌劑加入量對土壤TOC的凈增量與凈損失量影響差異不顯著。不同溫度處理和不同水分處理在分解前期(0_30 d)和后期(30_105 d)差異均顯著，但整個培養周期內(0_105 d)差異不顯著。不同氮源間在前期(0_30 d)顯著，但后期(30_105 d)差異不顯著，但整個周期內依然顯著(表3)。TOC凈增值和凈損失量在不同水分及氮素處理間也存在差異，特別是不同水分處理的差異在各時段均達到顯著水平。

注(Note): S30、S105分別指土壤有機碳在30及105 d后的凈增量Net increment of TOC after 30 and 105 d of incubation; NET0-30、NET30-105、NET0-105分別指物料加入后土壤TOC在0_30、30_105 d 以及整個培養周期(0_105 d)內的凈損失量Net loss of TOC within incubation period of 0-30, 30-105 and 0-105 d;n=48；*—P<0.05；**—P<0.01.

3 討論

土壤微生物在有機質分解中起主導作用[7]，秸稈還田后腐解過程很大程度是微生物作用下的生物化學過程。土壤呼吸速率與溫度間的相關關系(R2= 0.308**)證實，高溫易激發高CO2釋放速率[9]，溫度主要影響微生物細胞的物理反應及生物化學反應速率[15]。有研究將土壤在一天內的CO2排放速率與氣溫進行曲線擬合，發現CO2排放速率以拋物線形式響應氣溫變化，擬合效果達到顯著相關水平[22]。同時，微生物活性與土壤水分狀態關系緊密[8-9]，且本試驗呼吸速率、呼吸總量與水分也存在很好相關性(R2= 0.469**,R2= 0.787**)。有研究表明土壤水分含量在60%_80%WHC時，有機質礦化作用最強烈[19]；干濕交替影響土壤通氣并產生好氧厭氧交替狀況，形成更豐富微生物多樣性[16]。若土壤水分含量較低，可導致土著微生物活性較低，進而導致秸稈在田間的腐解進程和培肥效果受到抑制，這與本試驗中40%WHC條件下的變化一致： 同水分條件下，豬糞易釋放出較多CO2，而40%WHC條件下配施豬糞處理中釋放的CO2比100%WHC條件下配施尿素的處理少，說明是低水分含量而不是氮素種類限制了微生物的代謝。100%WHC條件下配施豬糞處理在培養末期顯現了最大CO2釋放量，這或許與豬糞中氮被緩慢利用有關。

徐明崗等[23]認為土壤活性有機C、微生物量C和DOC與TOC相比可以更客觀地反映土壤質量和土壤肥力狀況。土壤中的DOC是有機物轉化和微生物代謝活動的中間產物，是土壤有機碳庫中最活躍的組分之一，與土壤生態系統中有機碳的遷移、固持和CO2的釋放有密切聯系[24,26]。本試驗中，DOC釋放的變化規律與之前的報道相似[24-27]。隨著培養試驗的延長，本試驗土壤中DOC含量顯著降低，這與趙滿興等人對不同地域農田和林地土壤好氣培養的研究結果一致[26]，原因是培養起始階段微生物的大量繁殖消耗。尿素處理DOC要比豬糞處理減少得快，可能是豬糞初期帶來更多豐富的水溶性有機碳(對應處理有較大的初始值)；尿素能為腐解菌群短時間內利用生物有效性碳提供更多容易利用的氮素。同時，尿素處理和豬糞處理之間的差異隨時間延長而減小，說明氮素種類對DOC的影響逐漸減弱。本試驗中，40%WHC條件下DOC含量顯著高于100%WHC條件下，或許說明40%WHC條件下DOC未被大量利用，低土壤水分成為微生物活動限制因子，這與上述對CO2分解釋放的影響相似。水分對代謝活動至關重要，但也有研究報道DOC濃度與培養溫度或土壤水分含量等并不相關[28]。

秸稈促腐處理可利用腐解菌劑中富含的功能微生物，利用秸稈中的碳源大量進行自身繁殖[2]，增加土壤微生物群落的功能多樣性和活性，加快還田秸稈腐解進程。本試驗結果表明，外源秸稈促腐菌劑的添加確實激發了土壤呼吸作用，提高了秸稈腐解及其過程中的CO2釋放，且這種提升作用在低水分環境中更為顯著，如15℃、40%WHC條件下不論施用何種氮肥，釋放速率都顯著提升(圖1)，同時各時間點40%WHC條件下所有處理CO2釋放量占碳總投入量的比例也顯著提升(表1)。不論哪種氮肥，添加菌劑使15℃和35℃時40%WHC條件下所有處理的CO2釋放量在整個培養周期內，尤其前28 d顯著升高(P<0.05)，這也是外源有機物料施入土壤后環境因子對外源有機C影響最大的前期快速分解階段[14,29]。100%WHC條件下僅在15℃施用尿素時促腐菌劑作用才得到顯著發揮，其他處理的提升效果均不顯著。而秸稈促腐菌劑對于TOC的各變化量，如S30、S105、NET0-30、NET30-105和NET0-105等的影響卻幾乎檢測不到顯著性。因此，土壤有機碳含量值只是礦化分解和合成固定之間動態平衡的結果，不能很好地反映土壤有機碳的質量。但本試驗證實，秸稈還田對土壤有機碳的恢復與累積有正面效應，這應得益于水稻土本身團聚體發育形成對有機碳的物理保護以及微生物對碳的低利用率[22]。試驗中較高的溫度、水分條件、合適的氮源以及微生物引入導致土壤TOC消耗。培養末期(105 d)各處理，尤其35℃、100%WHC條件下TOC含量相當(表2)，表明在一個較長的周期內，氮素來源的影響不明顯(表3，NET30-105)，時間可能是控制土壤TOC的唯一因素[29]。

一般認為秸稈分解初期釋放CO2，從而大量損耗碳；之后微生物繁殖開始利用秸稈中含碳組分作碳源，引發分解強降解能力微生物的發育[5]；后期殘體只剩下木質素等難分解化合物。所以碳循環是動態的，在土壤中既有分解又有合成[5]。圖4顯示了整個培養周期內秸稈碳素在不同處理下的分配比例。以CO2形式釋放與TOC形式固存的兩種碳量之和在35℃時相近，但在兩水分水平上表現相反，40%WHC傾向固定為TOC而100%WHC為更多CO2釋放；35℃、40%WHC與15℃、100%WHC相比CO2釋放更少，TOC固定更多，說明分解過程中水分應起到的作用更大，與前面圖1和表3中的結果一致。100%WHC條件下施用尿素處理中新加入物料碳得到最大程度的分解，尿素含有豐富的微生物有效性氮源，因此，輔施尿素可推薦為田間環境下短時間內加速還田的水稻秸稈腐解的舉措；而施加豬糞的處理有較小的分解比例，同時固碳并提升了土壤有機碳含量。此外，土壤呼吸速率達到極值(約28 d)后立即迅速降低，這與土壤中DOC含量在22 d內降至較低的結果相對應。大量研究結果證實，CO2釋放速率與DOC濃度呈現極好的相關[27-28]，比如Chou等對農業草炭土壤的培養試驗中發現CO2釋放速率與DOC濃度間呈線性相關并且有賴于溫度和水分含量變化[27]。將所有取樣期的呼吸速率與DOC濃度進行線性擬合(表4)，同樣發現在幾乎所有處理中都有顯著的相關關系，證實土壤微生物在培養周期內，尤其分解前期是以DOC為基質參加代謝活動的。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時添加 Adding both manure and inoculation.

4 結論

1)總的來說，高溫、高濕環境條件下顯示較大CO2釋放量、較少可溶性有機碳含量及較少總有機碳固持；而相比速效尿素，添加豬糞后出現較多可溶性有機碳及較多總有機碳固持；促腐菌劑的添加促進了各處理CO2形式的釋放，但由于低水分含量條件下顯著激發了CO2的釋放，其添加可能不利于土壤固碳。

2)若忽略溫度因素的影響，水分對碳素各形態的轉化起到更大作用，輔施氮肥類型差異的影響是隨時間延長而逐漸弱化或消失的，因此在不同溫度制度下的生產實踐中具體操作時，應更關注對水分的調控，其次才是氮肥的選擇。

3)施用尿素處理得到更大的物料分解比例，而施用豬糞處理有顯著較大物料分解量(CO2)和總有機碳固持量，因此在加速還田秸稈快速腐解時，對于氮肥品種的選擇應綜合考慮不同氮肥輔施后的效應，包括短時期內最大化的腐解、溫室氣體釋放及土壤有機碳含量提升等。

4)在華中低產黃泥田雙季輪作稻區，推薦采用以下田間優化管理措施，實現還田秸稈快速腐解的同時又確保最大化土壤培肥固碳的雙效目標，即早稻還田時氣溫高周期短，建議側重快腐，推薦保持100%WHC，將 輔施適量尿素， 并配合添加秸稈腐解菌劑的田間管理措施；晚稻還田時氣溫低周期長，建議側重固碳，推薦保持40%WHC并輔施緩效豬糞的田間管理措施，對農田總有機碳提升有利。

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Effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of carbon under controlled conditions

SU Peng, FU Yu, HE Yan*, XU Jian-ming, WU Jian-jun, WU Liang-huan

(CollegeofEnvironmentalandNaturalResourceSciences,ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSubtropicalSoilandPlantNutrition,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

【Objectives】 To study the effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of soil carbon (C). 【Methods】 We investigated impacts of moisture content [40% vs. 100% of water holding capacity (WHC)], N fertilizer [urea(U) vs. pig manure(M)], and supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula on the decomposition of straw residues and soil C transformation using a low yield yellow-paddy soil in double rice cropping area, central China. A controlled laboratory experiment was conducted in two temperature (15℃ vs. 35℃) regimes with a total incubation period of 105 days. During the period, CO2, dissolved organic carbon (DOC) and total organic carbon (TOC) were monitored periodically. 【Results】 In general, under both temperature regimes, the CO2release rate and cumulative CO2emission were in a order of 100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U. Those treatments added with manure were higher than with urea, those treatments under 100%WHC were always higher than those under 40%WHC (P< 0.01), regardless of N fertilizer, in which microbial inoculation significantly improved CO2emissions. On the contrary, DOC contents of treatments under two temperatures followed a sequence of 40%WHC-M > 40%WHC-U>100%WHC-M > 100%WHC-U, namely DOC contents detected under condition of 40%WHC were significantly higher than 100%WHC (P< 0.05), and treatments with manure had higher DOC contents than those with urea but accompanied by a decreasing difference between them. Material decomposition ratio during the 0-7 d, 0-28 d and 0-105 d, which were calculated by CO2release, showed the maximum value in 35℃-100%WHC-U while the minimum value in 15℃-40%WHC-M. Additionally, TOC contents and net TOC increment were the least in 35℃-100%WHC-U (P< 0.01) while the largest in 15℃-40%WHC-M (P<0.01); net TOC increment and net TOC loss were different in different moisture contents (P<0.01) and nitrogen (P<0.05) when incubated under the same temperature, in particular the early stage, and microbial inocula generally reduce TOC content; CO2release rates were significantly correlated to DOC contents in all treatments (P<0.05). 【Conclusions】The water content showed the greatest effect on C transformation, followed by N fertilizer, of which the effect was reduced over time of straw returning; high humidity was more conducive for facilitating the decomposition of straw residues as compared with low humidity, and also caused relatively lower DOC content and TOC immobilization. Application of pig manure could enhance the content of DOC and the immobilization of TOC in soils. Moreover, supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula generally accelerated the decomposition of straw residues, but this might be a drawback for C sequestration if at 40%WHC since the addition stimulated a significant release of CO2. Therefore, the coupling management of keeping 100%WHC incorporated with application of urea and microbial inocula was suggested as the best management practice (BMP) during the field-returning period of early season rice straw, with emphasis to stimulate the decomposition of straw residues as soon as possible since the temperature was usually high and the time provided for decomposition before the sowing of late rice was usually short. The coupling management of keeping 40%WHC incorporated with application of pig manure was suggested as the BMP during the field-returning period of late season rice straw, with emphasis to promote soil C sequestration since the temperature was usually low and the time provided for decomposition before the sowing of next early season rice was usually enough.

carbon transformation; coupling management of water, temperature, N fertilizer and microbial inocula; facilitated decomposition of rice straw; low yield paddy soil; improvement of soil fertility; soil carbon sequestration

2013-11-04 接受日期： 2014-05-22

國家公益性行業(農業)科研專項項目(201003016)； 國家重點基礎研究發展973計劃項目(2011CB100502)； 國家科技支撐計劃課題(2012BAD15BO4-2)聯合資助。

蘇朋(1988—), 男, 山東肥城人, 博士研究生, 主要從事土壤化學與環境方面的研究。E-mail: supervtu@163.com * 通信作者 Tel: 0571-88982065, E-mail: yhe2006@zju.edu.cn

S141.4

A

1008-505X(2015)01-0001-11