不同施肥下根際沉積對秸稈碳氮在土壤剖面中固存的影響

梅秀文，祝騰霄，李玉萍，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

不同施肥下根際沉積對秸稈碳氮在土壤剖面中固存的影響

梅秀文，祝騰霄，李玉萍，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866

【目的】秸稈還田是我國東北黑土地保護的重要措施。在實際的農業生產中秸稈與根際沉積同時存在，然而關于它們同時存在時秸稈碳氮在土壤中的固定特征仍不清楚。本研究旨在比較不同土層土壤有機碳（SOC）中秸稈碳（13C-SOC）和土壤全氮（TN）中秸稈氮（15N-TN）含量的差異，探討不同施肥下根際沉積對秸稈碳氮在土壤中固存的影響，以期為東北黑土地的保護和利用提供依據?！痉椒ā恳陨蜿栟r業大學長期定位試驗站不同施肥處理（不施肥，CK；單施化肥，NP）為研究對象，分別僅添加13C15N雙標記秸稈（S）和添加13C15N雙標記秸稈結合根際沉積（以下簡稱“根際沉積”）（SR），即設CK+S、CK+SR、NP+S和NP+SR 4 個處理。分別在田間原位試驗的第50天和第150天采樣，并測定不同土層SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值?！窘Y果】在秸稈分解前期（第50天），施肥、根際沉積及其交互作用顯著影響（＜0.05）表層（0—20 cm）土壤的13C-SOC和15N-TN含量。第50天，CK+SR與CK+S處理相比，表層土壤的13C-SOC和15N-TN含量分別增加了18.6%和21.7%（＜0.05）；不同施肥下，S（CK+S和NP+S）與SR（CK+SR和NP+SR）處理表層土壤13C-SOC對SOC的貢獻率平均分別為10.5%和12.0%；CK下兩個處理（CK+S和CK+SR）與NP下對應的處理（NP+S和NP+SR）相比，表層土壤15N-TN對TN的貢獻率平均增加了27.6%（＜0.05）。第50天，深層土壤（20—50 cm）13C-SOC對SOC的貢獻率和15N-TN對TN的貢獻率分別為1.0%—2.2%和0.5%—0.9%。在秸稈分解后期（第150天），根際沉積和施肥分別顯著影響（＜0.05）表層土壤13C-SOC和15N-TN含量。第150天，僅添加秸稈處理與根際沉積處理相比，表層土壤13C-SOC含量增加了12.6%（＜0.05）；CK下兩個處理與NP下對應的處理相比，表層土壤15N-TN含量平均增加了22.0%（＜0.05）；CK各處理和NP各處理表層土壤15N-TN對TN的貢獻率平均分別為5.5%和4.0%。第150天，深層土壤13C-SOC對SOC的貢獻率和15N-TN對TN的貢獻率分別為0.8%—3.2%和0.7%—1.8%?！窘Y論】秸稈分解后期根際沉積對表層土壤中秸稈碳的固定起負反饋效應，秸稈碳氮不斷從表層土壤向深層土壤遷移和累積，其對土壤有機碳和氮庫穩定性的影響應予以重視。

根際沉積；秸稈碳；秸稈氮；13C15N雙標記；黑土

0 引言

【研究意義】土壤有機碳作為土壤有機質重要組成部分，不僅是衡量土壤肥力的關鍵因素，而且是陸地生態系統中碳交換的關鍵池，對陸地碳循環意義重大[1]。土壤中氮作為作物生長發育的必需營養元素之一，其供應與作物的生長、產量和品質密切相關[2-3]。東北黑土區是我國糧食的主產區，對保障我國的糧食安全具有重要的戰略意義。然而由于受自然和人為因素的影響，該區域土壤有機質出現持續衰退和提升難度大等問題[4-5]。秸稈還田是東北黑土區培肥土壤的一項重要技術措施，它不僅是土壤有機碳重要的來源，而且可為土壤提供豐富的氮源。因此，探討秸稈碳氮在土壤中的固存和轉化過程對土壤有機質的提升、黑土地保護與利用等具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈碳氮在土壤中的轉化和固存受管理措施（例如施肥）[6-7]和土壤肥力水平等影響[8-10]。有研究表明，添加秸稈230 d后，約42%—79%的秸稈碳被轉化為CO2釋放，約5%—14%的秸稈碳轉化為土壤有機碳[11]。不施肥土壤中秸稈氮的殘留率最高，而單施氮肥則提高了秸稈碳在土壤中的殘留率[12]。低肥力土壤有利于秸稈碳氮在土壤中的固存[8-10]。秸稈還田降低了秸稈來源的無機態氮含量，延緩了秸稈氮在土壤剖面中的垂直遷移[13]，且有利于碳庫質量的提升[14]。秸稈還田配施氮肥則促進了秸稈中養分的釋放[15]，增加了土壤碳氮養分的有效性[16]。施肥不僅影響表層土壤養分的動態，還會影響深層土壤有機碳的穩定性[17-18]，進而改變土壤剖面水、熱和養分的空間分布格局[19-20]，而且對作物根系的生長和土壤微生物活性產生影響[21]，進而可能影響土壤剖面有機碳的穩定和周轉過程。因此，外源碳（例如秸稈碳）在土壤剖面的遷移尤其是對深層土壤有機碳固定的研究日益引起關注[22]。植物根際沉積作為重要的植物與土壤交換的界面過程，是聯系作物、土壤和微生物的重要樞紐。根際沉積是土壤有機碳的主要來源之一，較少根際沉積碳輸入就可對土壤生物地球化學過程產生較大影響[23]。作物地下部總碳中約26%以根際沉積的形式存在于土壤中[24]，從而促進了土壤有機質的更新[24-26]?！颈狙芯壳腥朦c】在實際農業生產中，作物殘體和根際沉積同時存在于土壤中。作物根際沉積物富含低分子量的可溶性物質，易被土壤微生物利用[27]，刺激微生物的活性[28-29]，這可能會影響秸稈的分解與轉化的過程。因此單一的秸稈碳源添加的研究可能會低估田間秸稈的分解率[30]。然而關于根際沉積如何影響秸稈碳氮在剖面土壤中的分布及固存尚不清楚。【擬解決的關鍵問題】本試驗基于沈陽農業大學長期定位試驗站，以不同施肥處理（不施肥，CK；單施化肥，NP）的土壤為研究對象，設置在表層（0—20 cm）土壤中添加13C15N雙標記秸稈和其結合根際沉積的處理，分析不同土層土壤中秸稈碳氮含量及其對土壤有機碳和全氮的貢獻，探討不同施肥下根際沉積對秸稈碳氮在土壤剖面的遷移動態和固存的影響，以期為土壤培肥和東北黑土地的保護提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在沈陽農業大學長期定位試驗站（41°49′N，123°34′E）開展。該試驗站建于1987年，海拔75 m，屬北溫帶大陸性季風氣候區，年均溫7.9 ℃，年均降雨量705 mm，土壤類型為中厚層棕壤（簡育淋溶土）。建站時土壤有機質含量為15.6 g·kg-1，全氮為1.0 g·kg-1，全磷為0.5 g·kg-1，堿解氮為67.4 mg·kg-1，速效磷為8.4 mg·kg-1，有效鉀98.3 mg·kg-1 [31]。試驗站設置了不同施肥處理小區，每個處理3次重復，每個小區面積為69 m2，連作作物為玉米[31]。

1.2 供試土壤和供試秸稈

本研究選取不施肥（CK）和單施化肥（NP，年施氮肥折合純氮為 270 kg·hm-2，磷肥折合P2O5為130 kg·hm-2）處理。NP處理中施用的氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為磷酸氫二銨（含P2O545%），且化肥均作為基肥施入土壤。2021年春季施肥后分別采集不同處理表層（0—20 cm）和深層（20—40和40—50 cm）土樣，供測定土壤的基本性質（表1）。13C15N雙標記秸稈通過13CO2田間原位脈沖標記結合施用(15NH4)2SO4獲得，具體標記過程見安婷婷等[32]，其基本性質為：有機碳含量為387 g·kg-1、δ13C值為292‰、全氮含量為13.01 g·kg-1、δ15N值為7 800‰、C/N比為30。

表1 不同施肥處理土壤（0—50 cm土層）基本性質（2021年）

CK、NP分別代表不施肥、單施化肥。不同小寫字母表示同一土層不同施肥處理間的差異顯著（＜0.05）；不同大寫字母表示同一處理不同土層間的差異顯著（＜0.05）

CK and NP represent the treatments of no fertilization and single application of chemical fertilizer, respectively. Different lowercase letters show the significant difference (＜0.05) between fertilization treatments in the same soil layer; Different uppercase letters indicate the significant difference (＜0.05) among different soil layers in the same treatment

1.3 試驗設計

本試驗共設置4個處理微區，即不施肥土壤僅添加13C15N雙標記秸稈（CK+S）、不施肥土壤添加13C15N雙標記秸稈結合根際沉積（以下簡稱“根際沉積”，CK+SR）、單施化肥土壤僅添加13C15N雙標記秸稈（NP+S）和單施化肥土壤添加13C15N雙標記秸稈結合根際沉積（NP+SR），同時設置對應的不添加秸稈且無根際沉積（CK和NP）和僅根際沉積無秸稈添加（CK+R和NP+R）的對照處理微區。2021年5月22日將PVC盒（長、寬和高分別為1.0、0.5和0.65 m）垂直插入對應處理微區。在添加秸稈的微區中將表層（0—20 cm）土壤與標記秸稈（＜0.425 mm篩，按風干土重的0.8%）充分混勻后回填至PVC盒中；在根際沉積微區中種植3株玉米，并進行常規田間管理（未采取水分管理措施），每個處理3個重復。在添加標記秸稈的第50天（2021年7月12日，玉米生長進入拔節期）和第150 天（2021年10月20日）隨機采集玉米根系附近土壤樣品，采樣深度分別為0—20、20—40和40—50 cm，并在最后一次采樣時（第150天）收獲玉米。將取出的土樣風干，挑除土壤樣品中的石礫和植物根系等雜質后研磨并過篩，測定土壤有機碳（SOC）含量及其δ13C值、全氮（TN）含量及其δ15N值。

1.4 測定指標與方法

利用元素分析儀-穩定同位素比例質譜聯用儀（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime 100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國）測定SOC和δ13C值、TN含量和δ15N值。δ13C值測定以美國南卡州白堊系狄組地層中的美洲擬箭石（Pee Dee Belemnite，PDB）為標準樣品，δ15N值以純凈大氣氮為標準樣品。

土壤有機碳中秸稈碳（13C-SOC，g·kg-1）和土壤全氮中秸稈氮（15N-TN，g·kg-1）含量的計算[33]：

13C-SOC = Csample×fmc/ 100 （1）

15N-TN = Nsample×fmn/ 100 （2）

式中，Csample和Nsample分別指添加秸稈處理SOC和TN含量（g·kg-1）；fmc和fmn分別為SOC中13C-SOC所占比例（即秸稈碳的貢獻率，%）和TN中15N-TN所占比例（即秸稈氮的貢獻率，%）。fmc和fmn的計算公式如下[34-35]：

fmc=(δ13Csample-δ13Ccontrol)×100/(δ13Cmaize-δ13Ccontrol) （3）

fmn=(δ15Nsample-δ15Ncontrol)×100/(δ15Nmaize-δ15Ncontrol) （4）

式中，δ13Csample和δ15Nsample分別指添加秸稈處理SOC的δ13C值和TN的δ15N值（‰）；δ13Ccontrol和δ15Ncontrol分別指不添加秸稈處理SOC的δ13C值和TN的δ15N值（‰）；δ13Cmaize和δ15Nmaize分別指初始添加標記秸稈的δ13C值和δ15N值（‰）。

土壤中秸稈碳殘留率（Rmc，%）和秸稈氮殘留率（Rmn，%）的計算如下：

Rmc= (ΣCmaize/Cmaize0)×100 （5）

Rmn= (ΣNmaize/ Nmaize0)×100 （6）

式中，ΣCmaize和ΣNmaize分別為3個采樣深度土壤中13C-SOC含量總和及15N-TN含量的總和（g·kg-1）；Cmaize0和Nmaize0分別為初始添加秸稈的碳和氮含量（g·kg-1）。

1.5 數據處理

利用Microsoft Office Excel 2016、SPSS 25.0和OriginPro 2019軟件進行數據處理、統計分析和繪圖。圖表數據為平均值±標準誤差。采用雙因素方差分析（two-way ANOVA）分析施肥、根際沉積及其交互作用對不同土層土壤中秸稈碳氮固存的影響，采用鄧肯（Duncan）法多重比較（α=0.05）。

2 結果

2.1 不同土層土壤有機碳含量

第50天，各處理0—20 cm土層SOC含量平均分別比20—40 和40—50 cm土層增加了53.1%和182.8%；在0—20 cm土層，CK+S處理SOC含量與其他處理相比降低了8.9%—13.3%；在20—40 cm土層，NP+S處理SOC含量與其他處理相比降低了11.1%—14.9%；在40—50 cm土層，NP+SR處理SOC含量與CK+S處理相比降低了15.0%（＜0.05，圖1）。第150天，單施化肥下兩個處理（NP+S和NP+SR）與對應的不施肥下兩個處理（CK+S和CK+SR）相比，0—20 cm土層SOC含量平均增加了11.3%；NP+S處理與其他處理相比，20—40和40—50 cm土層SOC含量分別提高了11.5%—15.4%和6.4%—27.8%（＜0.05，圖1）。第50天與第150天，施肥與根際沉積的交互作用顯著影響（＜0.05）20—40 cm土層SOC含量（表2）。

2.2 不同土層土壤有機碳中秸稈碳含量

圖2顯示，第50天和第150 天，各處理0—20 cm土層13C-SOC含量平均分別為其他土層的15.5倍和8.6倍。第50天，CK+S處理與其他處理相比，0—20 cm土層13C-SOC含量平均降低了14.4%；NP+SR處理與CK+SR處理相比，20—40和40—50 cm土層13C-SOC含量分別降低了20.4%和35.4%（＜0.05）。第150天，根際沉積顯著影響（＜0.05）0—20 cm土層13C-SOC含量（表2），且根際沉積處理（CK+SR和NP+SR）與僅添加秸稈處理（CK+S和NP+S）相比13C-SOC含量平均降低了11.2%（＜0.05）。第150天，CK+S與CK+SR處理相比20—40和40—50 cm土層13C-SOC含量分別增加了55.2%和38.1%，而NP+S與NP+SR處理相比卻分別降低了15.0%和45.4%（＜0.05）。

2.3 不同土層秸稈碳對土壤有機碳的貢獻率（fmc）

圖3表明，第50天，各處理0—20、20—40和40—50 cm土層fmc平均分別為11.3%、1.2%和2.0%。其中，根際沉積處理與僅添加秸稈處理相比，0—20 cm土層fmc平均增加了14.1%；NP+SR與CK+SR處理相比，20—40和40—50 cm土層fmc分別降低了17.4%和25.4%（＜0.05）。第150天，各處理0—20、20—40和40—50 cm土層fmc平均分別為9.4%、2.7%和1.4%。其中，NP+SR處理與NP+S處理相比0—20 cm土層fmc降低了9.5%，而20—40和40—50 cm土層fmc卻分別提高了31.6%和133.7%；CK+SR與CK+S處理相比，0—20、20—40和40—50 cm土層的fmc分別降低了9.2%、26.9%和28.5%（＜0.05）。第50天和第150天，施肥與根際沉積的交互作用顯著影響（＜0.05）20—40 cm土層fmc（表2）。

CK+S和NP+S分別代表不施肥和單施化肥土壤僅添加13C15N雙標記秸稈處理；CK+SR和NP+SR分別代表不施肥和單施化肥土壤13C15N雙標記秸稈添加結合根際沉積處理。不同大寫字母表示同一處理不同土層間的差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示同一土層不同處理間的差異顯著（P＜0.05）。下同

表2 施肥、根際沉積及其交互作用對土壤剖面秸稈碳氮固定影響的方差分析（P值）

SOC和13C-SOC分別表示土壤有機碳含量和SOC中的秸稈碳含量，fmc表示秸稈碳對土壤有機碳的貢獻率，TN和15N-TN分別表示土壤全氮含量和全氮中的秸稈氮含量，fmn表示秸稈氮對土壤全氮的貢獻率

SOC and13C-SOC represent soil organic carbon content and straw-derived soil organic carbon content, respectively; fmcmeans the contribution percentage of straw carbon to soil organic carbon; TN and15N-TN represent total nitrogen content and straw-derived soil nitrogen content, respectively;fmnmeans the contribution percentage of straw nitrogen to soil total nitrogen

圖2 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天不同土層土壤有機碳中秸稈碳含量

圖3 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天不同土層秸稈碳對土壤有機碳的貢獻率

2.4 不同土層土壤全氮含量

圖4表明，第50天和第150天，各處理土壤TN含量均隨土層深度的增加而顯著降低（＜0.05）。第50天，單施化肥下兩個處理與對應的不施肥下兩個處理相比，0—20 cm土層TN含量平均提高了18.2%；CK+SR與NP+SR處理相比，40—50 cm土層TN含量增加了12.9%（＜0.05）。第150天，單施化肥下兩個處理與對應的不施肥下兩個處理相比，0—20和20—40 cm土層TN含量平均分別提高了12.2%和14.7%；NP+S處理與其他處理相比，40—50 cm土層TN含量增加了6.6%—15.9%（＜0.05）。第150天，20—40和40—50 cm土層TN含量受施肥與根際沉積交互作用的影響顯著（＜0.05，表2）。

2.5 不同土層土壤全氮中秸稈氮含量

第50天和第150天，各處理0—20 cm土層15N-TN含量平均分別為其他土層的13.3倍和6.9倍（圖5）。第50天，施肥與根際沉積的交互作用顯著影響不同土層15N-TN含量（＜0.05，表2）。第50天，CK+SR與其他處理相比0—20 cm土層15N-TN含量平均提高了22.6%；在20—40和40—50 cm土層中，NP+S處理15N-TN含量比NP+SR處理分別增加了31.3%和60.6%（圖5）。第150天，不施肥下兩個處理與對應的單施化肥下兩個處理相比0—20 cm土層15N-TN含量平均提高了22.0%；CK+S與CK+SR處理相比20—40和40—50 cm土層15N-TN含量分別增加了55.1%和40.4%；NP+S與NP+SR處理相比，20—40 cm土層15N-TN含量降低了20.1%，而40—50 cm土層15N-TN含量卻增加了17.6%（圖5）。

圖4 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天不同土層土壤全氮含量

圖5 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天不同土層土壤全氮中秸稈氮含量

2.6 不同土層中秸稈氮對土壤全氮的貢獻率（fmn）

第50天，各處理0—20、20—40和40—50 cm土層fmn平均分別為5.5%、0.6%和0.8%（圖6），且受施肥與根際沉積交互作用的影響顯著（＜0.05，表2）。第50天，不施肥下兩個處理與對應的單施化肥下兩個處理相比，0—20 cm土層fmn平均提高了27.6%；NP+S處理與NP+SR處理相比，20—40和40—50 cm土層fmn分別提高了34.6%和30.3%（＜0.05）。第150天，各處理0—20、20—40和40—50 cm土層fmn平均分別為4.8%、1.5%和0.7%（圖6）。第150天，不施肥下兩個處理與對應的單施化肥下兩個處理相比，0—20 cm土層fmn平均提高了36.7%；CK+S與其他處理相比，20—40和40—50 cm土層fmn分別平均提高了39.9%和35.1%（＜0.05）。

圖6 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天不同土層秸稈氮對土壤全氮的貢獻率

2.7 土壤中秸稈碳氮殘留率（Rmc，Rmn）

第50天，土壤中Rmc和Rmn平均分別為43.1%和72.3%，其中CK+SR處理Rmc和Rmn分別比其他處理提高了6.3%—24.2%和15.0%—21.5%（表3）。第150天，土壤中Rmc和Rmn平均分別為41.4%和76.8%，其中CK+S處理Rmc和Rmn分別比其他處理提高了6.1%—19.0%和14.8%—23.2%。在這兩個時期，Rmc和Rmn均受施肥與根際沉積交互作用的顯著影響。

3 討論

3.1 不同施肥根際沉積對表層土壤中秸稈碳氮固定的影響

秸稈還田后，秸稈碳可為土壤微生物活動提供碳源和能源，從而促進土壤微生物活動，導致秸稈在土壤中的快速分解。第50天，僅添加秸稈處理（CK+S與NP+S）土壤中秸稈碳的殘留率平均為40.5%（表3），低于謝檸檜等[36]的研究結果。這主要與田間培養條件和低的秸稈添加量有關[9]。第50天，玉米生長進入旺盛的營養生長時期，提高了土壤中根際沉積物的數量[37]。根際沉積物主要由可溶性物質組成，土壤（尤其是不施肥土壤）中微生物可能優先利用根際沉積碳，從而降低了對秸稈碳的分解[38]。因此，第50天，根際沉積輸入增加了秸稈碳在土壤中的殘留率（表3），促進了其在表層（0—20 cm）土壤的固定（圖2），有利于表層土壤有機碳碳源的更新（圖3）。第150天，根際沉積輸入卻降低了秸稈碳在土壤中的殘留和固存，這可能是因為隨著玉米的生長尤其是在作物收獲后，作物根系分泌物的數量和質量發生變化。與此同時，在秸稈分解后期，殘留的秸稈中難分解物質的比例增加[39]，而當秸稈和根際沉積兩種碳源共存時，土壤微生物群落及其生理代謝可能發生變化[40]，可從根際沉積碳和秸稈碳中共同受益[41]，從而促進了秸稈的分解，降低了秸稈碳在表層土壤中的固存。第50天和第150天根際沉積對秸稈碳在土壤中的殘留和固存的影響可能與土壤微生物群落結構和功能的變化有關。在作物營養生長時期，根際沉積物數量的增加會刺激一些偏好利用植物源碳的細菌群體如放線菌[42]。同時，由于新鮮的根系分泌物誘導根際產生激發效應，加速土壤原有機質的降解，使秸稈碳在土壤中的富集比例增加。當作物進入生長期后期，由于根系分泌量減少或部分根系的死亡，根際激發效應的強度降低[43]，此時寡營養型微生物占主導地位，促進了秸稈中難降解物質的分解[42]。本研究僅研究了根際沉積和秸稈同時存在時根際沉積對秸稈碳固定的影響，然而關于秸稈如何影響根際沉積碳的固定與轉化仍不清楚，未來需要結合13C平行標記（dual-labeling）進行進一步探討。

表3 添加13C15N雙標記秸稈第50天和第150天土壤中秸稈碳、氮的殘留率

不同小寫字母表示同一時期不同處理間的差異顯著（＜0.05）

Different lowercase letters show significant difference (＜0.05) among different treatments at the same day

第50天，單施化肥（NP）下兩個處理表層土壤中秸稈氮含量及其對土壤全氮的貢獻（fmn）均不受根際沉積的影響（圖5和圖6），說明根際沉積不影響單施化肥處理表層土壤秸稈氮的固定。這可能是因為NP處理土壤本身的氮和磷養分豐富（表1），高碳氮比的秸稈還田后土壤本身氮磷養分和速效肥料的施入可能降低了地上作物和土壤微生物生長對氮磷養分的競爭[41]。不施肥（CK）處理初始土壤較低的氮素含量使作物生長受到養分脅迫，玉米根系通過分泌有機酸來促進土壤有機質中養分的釋放[44]，提高微生物對秸稈氮的固定，促進其在表層土壤的固存（圖5），增加了秸稈氮在土壤中的殘留（表3），從而有利于土壤中氮源的更新（圖6）。作物收獲后，秸稈氮僅在地下部進行轉化與分配，第150天的表層土壤中秸稈氮含量和fmn僅受施肥的顯著影響（表2），且CK下兩個處理顯著高于NP下兩個處理（＜0.05，圖5和6）。不施肥處理土壤本身微生物數量和活性較低，這可能限制了微生物對秸稈氮的分解，從而增加了秸稈氮在土壤中的殘留（表3）。未來研究需要結合微生物分子生物學的技術探討秸稈與根際沉積共存時微生物與作物對氮素的競爭與調控機制。

3.2 不同施肥秸稈碳氮在土壤剖面的遷移與固定

在表層土壤中添加秸稈后，秸稈碳氮可通過土壤優先流、重力作用在土壤剖面發生移動[18]。第50天，各處理深層土壤（20 cm以下）中均發現秸稈碳氮的固定。秸稈碳氮隨時間持續不斷地向深層土壤遷移，使第150天各處理深層土壤秸稈碳氮的含量均高于第50天（圖2和圖5）。施肥和根際沉積的交互作用顯著影響（＜0.05）第150天深層土壤的13C-SOC含量（表2）。在秸稈分解后期，不施肥處理下根際沉積對深層土壤秸稈碳固定的影響與表層土壤的影響相同，即根際沉積的輸入不利于秸稈碳在深層土壤的固存（圖3）。隨著玉米的生長，深層土壤中玉米根際沉積的輸入增加。單施化肥下，深層土壤中有效氮磷養分豐富，微生物可能優先利用根際沉積碳源，而遷移到深層土壤的秸稈碳通過與礦物結合或與團聚體包裹而固存在土壤中[45]，從而有利于深層土壤有機碳碳源的更新。第150天的40—50 cm土層土壤15N-TN含量僅受根際沉積的顯著影響（＜0.05），說明土壤性質對該土層秸稈氮的固存影響較小。此外，深層土壤中低氧、低溫等環境限制可能限制微生物的底物利用率，有利于秸稈碳氮在深層土壤中固存[46]。雖然深層土壤中13C-SOC和15N-TN含量較少，但其對該土層土壤有機碳和全氮的貢獻較高，同時也促進了深層土壤有機碳和氮源的更新。這些秸稈碳氮在深層土壤的固存是否會激發深層土壤有機碳和氮的礦化，影響深層土壤有機碳和氮庫的穩定性則有待進一步研究。

4 結論

在秸稈分解前期（第50天），施肥和根際沉積的交互作用顯著影響（＜0.05）表層（0—20 cm）土壤中秸稈碳和氮的含量。秸稈分解后期（第150天）的表層土壤中，秸稈碳的固定主要受根際沉積的影響（＜0.05），且根際沉積對秸稈碳的固定起到負反饋效應；而秸稈氮的固定主要受施肥的影響（＜0.05）。秸稈碳氮隨時間不斷從表層向深土層（20 cm以下）遷移和累積。單施化肥下根際沉積有利于秸稈碳氮在深層土壤中固存，而不施肥下根際沉積卻減少了秸稈碳氮在深層土壤中的固存。雖然秸稈碳和氮占深層土壤有機碳和氮的比例不超過3%，但其對深層土壤有機碳和氮穩定的影響不容忽視。

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Effects of Rhizodeposition on Straw Carbon and Nitrogen Sequestrationin Soil Profile Under Different Fertilization Conditions

MEI XiuWen, ZHU TengXiao, LI YuPing, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866

【Objective】Straw returning is an important measure for protecting black soil in Northeast China. Straw and rhizodeposition coexisted in the practical agricultural production, while the sequestration characteristics of straw carbon (C) and nitrogen (N) in soils remained not very clear under this condition. The purpose of this study was to compare the differences in the content of soil organic C (SOC) derived from straw C (13C-SOC) and that of soil total N (TN) derived from straw N (15N-TN) among different soil layers, and to investigate the effects of rhizodeposition on straw C and N sequestration in soil profile under different fertilization conditions, so as to provide a basis for the protection and utilization of black soil in Northeast China. 【Method】Based on the long-term experimental station of Shenyang Agricultural University, the treatments of adding13C15N double-labeled straw (S) and its combination with rhizodeposition (hereafter referred to as “rhizodeposition”) (SR) were designed under different fertilization plots (no fertilization, CK; single application of chemical fertilizer, NP), including four treatments: CK+S, CK+SR, NP+S, NP+SR. The contents of SOC and TN, and values of δ13C and δ15N at different soil layers were measured after the 50 and 150 days ofexperiment. 【Result】At the early stage of straw decomposition (the 50thday), fertilization, rhizodeposition and their interactions significantly affected (＜0.05) the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil (0-20 cm). On the 50thday, compared with the CK+S treatment, the CK+SR treatment increased the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil by 18.6% and 21.7% (＜0.05), respectively. The contribution percentage of13C-SOC to SOC in the topsoil was, on average, 10.5% and 12.0% in the S (CK+S and NP+S) and SR (CK+SR and NP+SR) treatments under different fertilization, respectively. The contribution percentage of15N-TN to TN in the topsoil was, on average, higher 27.6% (＜0.05) in the two treatments under CK (CK+S and CK+SR) than that in the corresponding treatments under NP (NP+S and NP+SR). On the 50thday, the contribution percentage of13C-SOC to SOC and that of15N-TN to TN at deep soil (20-50 cm) were 1.0%-2.2% and 0.5%-0.9%, respectively. At the later stage of straw decomposition (the 150thday), rhizodeposition and fertilization significantly affected (＜0.05) the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil, respectively. On the 150thday, compared with the treatment of rhizodeposition, the treatment of straw addition increased the13C-SOC content in the topsoil, on average, by 12.6% (＜0.05). The15N-TN content in the topsoil was, on average, higher 22.0% (＜0.05) in the two treatments under CK than that in the corresponding treatments under NP. The contribution percentage of15N-TN to TN in the topsoil in CK and NP treatments was 5.5% and 4.0%, respectively. On the 150thday, the contribution percentage of13C-SOC to SOC and that of15N-TN to TN at deep soil were 0.8%-3.2% and 0.7%-1.8%, respectively. 【Conclusion】Rhizodeposition had a negative feedback effect on the sequestration of straw C in topsoil during the later stage of straw decomposition. Straw derived C and N were constantly migrated and then accumulated from topsoil to deep soil, and their influences on the stabilities of soil organic C and N pools should be paid more attention.

rhizodeposition; straw carbon; straw nitrogen;13C15N double-labelling; black soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.012

2022-11-04；

2022-12-09

國家重點研發計劃（2022YFD1500301，2021YFD1500205）、沈陽農業大學2022年研究生創新培育項目（2022YCXS40）、遼寧省科學研究經費項目（LSNQN202008）、國家自然科學基金面上項目（41771328）

梅秀文，E-mail：mxw18837135304@163.com。通信作者安婷婷，E-mail：atting@syau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）