蔡 苗，董燕婕，李佰軍，周建斌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，楊凌 712100)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人為利用和管理措施的影響較大，作物成熟后地上部分被移除，大量根系殘茬存留在土壤里。作物根茬留田是培肥地力的主要機(jī)理之一，越來越受到人們的重視。

不少學(xué)者從農(nóng)學(xué)角度研究了玉米根系的分布特性。玉米根系的擴(kuò)展范圍一般為1.25 m，大部分根系可達(dá)1.6 m［1］。張喜英［2］指出，夏玉米80% 以上的根系集中分布在0—40 cm 土層中。苗惠田等［3］研究表明，不同施肥處理中玉米根茬平均占整株玉米生物量的5.5%。在表層(0—30 cm)土壤中玉米根系干重占總根重的65.7%—74.2%［4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用化肥，在提高作物產(chǎn)量的同時，也增加了作物秸稈和根茬的數(shù)量。有研究表明，施用氮磷鉀肥料后玉米根茬生物量是不施肥對照的2.5倍［3］;此外，玉米根系分布及其含氮量也明顯受到氮肥種類與施氮量的影響［5］。

一些研究指出，玉米秸稈殘體和根系殘體對土壤有機(jī)碳的積累作用存在差異，與作物地上部分莖稈碳相比，根系中的碳更加穩(wěn)定，對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)作用更顯著［6-7］，且對根際的影響最大［8］。目前關(guān)于不同施肥處理與玉米根茬養(yǎng)分特性的關(guān)系及根茬還田對土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響等報道較少。為此，本文以不同施氮量處理下的玉米根茬為研究對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗方法研究其在不同土層深度的土壤中分解轉(zhuǎn)化特性及對土壤碳、氮組分的影響，旨在了解施肥與作物根茬養(yǎng)分特性的關(guān)系，為合理施肥、維持生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

不同施氮量處理的玉米根茬采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站(108°04'07″E，34°17'56″N)不同栽培模式定位試驗田。該定位試驗始于2003年6月，實行冬小麥—夏玉米輪作，一年兩熟。夏玉米每年6月初播種，10月初收獲。氮肥施用尿素(含N 46%)，每季作物施氮量為0、120和240 kg N/hm2，試驗不同處理重復(fù)4次，玉米種植期間分別在苗期和拔節(jié)期追肥，各占總施氮量的1/3和2/3，穴施。玉米品種為鄭單958。供試土壤取自同一定位試驗田，土壤類型為褐土類，塿土亞類，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。

2010年10月初玉米收獲時，用鐵鍬在施氮量為0、120和240 kg N/hm2小區(qū)收集0—20 cm深度的玉米根茬，分別用R0、R120、R240表示。在不同施氮處理小區(qū)中沿梅花形分別收集5株玉米根茬，帶回實驗室后洗去泥土，90℃殺青半小時，60℃烘干，粉碎并通過1 mm篩，按照相同施氮量處理混合均勻后備用。收集玉米根茬同時，采集玉米種植保護(hù)帶15—20 cm和45—50 cm兩個土層土壤，剔除作物根、石塊等雜物，風(fēng)干，磨細(xì)過2 mm篩備用。土壤樣品及玉米根茬基本性狀如表1所示。

表1 土壤及玉米根茬樣品基本性質(zhì)Table1 Basic properties of soil samples and maize roots

1.2 礦化培養(yǎng)試驗

以上述15—20 cm和45—50 cm兩個層次土壤和R0、R120、R2403種不同施氮量處理玉米根茬為研究因素，同時設(shè)不加玉米根茬的土壤作為對照，組成完全方案，共8個處理，每個處理重復(fù)15次。培養(yǎng)試驗開始前測定土壤含水量，加蒸餾水至含水量為土壤田間持水量的70%，預(yù)培養(yǎng)一周以恢復(fù)土壤微生物活性。稱取土樣20 g(按烘干土計算)，3種不同施氮量處理玉米根茬以2% 的比例分別與兩個層次的土樣混合均勻后裝入培養(yǎng)瓶，同時設(shè)不加根茬的土壤對照(CK)和無土壤樣品的空白處理。在培養(yǎng)的第 1、2、3、5、6、7、8、9、11、16、18、22、26、30、35、41、47、53、58、64、70、76、79、84、89、93、97、103、105 天測定各處理 CO2釋放量，并于培養(yǎng)第 0、10、30、60、100天取各處理中的3個重復(fù)測定土壤微生物量碳、可溶性有機(jī)碳和礦質(zhì)態(tài)氮含量。

1.3 分析項目及測定方法

土壤和玉米根茬中的有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法;土壤和玉米根茬中全氮采用半微量凱氏法;土壤碳酸鈣采用氣量法測定;土壤含水量用烘干法;pH值測定水土比為5∶1［9］。

CO2釋放量采用堿液吸收法測定［10］。將盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的塑料瓶和裝有土樣的培養(yǎng)瓶置于同一外瓶中，加蓋密封，置于25℃ 恒溫培養(yǎng)箱中。定期更換NaOH溶液，并用稱重法保持水分。1.5 mL 1 mol/L BaCl2沉淀-0.1 mol/L鹽酸溶液滴定剩余NaOH溶液，根據(jù)NaOH消耗量計算培養(yǎng)期間CO2釋放。

土壤微生物量碳測定采用氯仿熏蒸浸提法［11］，用0.5 mol/L K2SO4浸提(水土比4∶1)，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的碳含量之差除以轉(zhuǎn)化系數(shù)kEC得到(kEC=0.45)［12］。土壤可溶性有機(jī)碳用0.5 mol/L K2SO4浸提(水土比4∶1)，TOC分析儀(Phoenix 8000)測定。土壤礦質(zhì)態(tài)氮用0.5 mol/L K2SO4浸提(水土比4∶1)，流動分析儀測定，礦質(zhì)態(tài)氮為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007和SAS8.0軟件進(jìn)行方差分析，Duncan法進(jìn)行多重比較。采用一次動力學(xué)方程模型，擬合玉米根茬碳礦化隨培養(yǎng)時間的累積量變化［13-14］，表達(dá)式為:Ct=C0(1－e－kt)，式中C0為潛在碳礦化釋放的CO2量，Ct為經(jīng)過t時間后累積釋放的CO2量，k為碳庫周轉(zhuǎn)速率，半周轉(zhuǎn)期T1/2=ln2/k。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量玉米根茬碳礦化特性

培養(yǎng)過程中不同施氮量處理的玉米根茬CO2釋放速率如圖1所示。培養(yǎng)起始階段3種根茬在兩個層次土壤中CO2釋放速率均最高，隨時間延長逐漸降低，這與培養(yǎng)起始玉米根茬中微生物易利用的碳源較多有關(guān)。培養(yǎng)6周后15—20 cm土層土壤各處理CO2釋放速率趨于穩(wěn)定，而45—50 cm土層土壤培養(yǎng)3周后CO2釋放速率趨于平穩(wěn)。不同施氮量處理玉米根茬相比，R120和R240根茬CO2釋放速率高于R0，R120與R240之間差異不顯著。培養(yǎng)后期(＞80 d)不同處理玉米根茬礦化速率基本穩(wěn)定在10 mg·kg－1·d－1。

圖1 不同施氮量處理玉米根茬CO2釋放速率動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of CO2 release rate of maize roots derived from different nitrogen fertilization fields

添加玉米根茬的土壤CO2釋放量與對照土壤CO2釋放量的差值反映了培養(yǎng)過程中玉米根茬有機(jī)碳的表觀礦化量。不同處理玉米根茬累積表觀礦化量動態(tài)變化如圖2所示。15—20 cm土層土壤中不同施氮處理玉米根茬在培養(yǎng)的前20 d累積表觀礦化量差異不顯著，之后R120和R240根茬碳礦化量逐漸高于R0，R120與R240之間無明顯差異。45—50 cm土層土壤中R120和R240根茬的累積表觀礦化量始終高于R0。培養(yǎng)前期(前20d)在15—20 cm土層土壤中根茬礦化量占整個培養(yǎng)過程(105d)根茬有機(jī)碳礦化總量的52.24%—55.01%，在45—50 cm土壤中根茬礦化量占有機(jī)碳礦化總量的32.67%—46.65%。

圖2 不同施氮量處理玉米根茬CO2累積釋放量動態(tài)變化Fig.2 Amount of cumulative CO2 release of maize roots derived from different nitrogen fertilization fields

不同處理玉米根茬在土壤中分解特性見表2。培養(yǎng)結(jié)束時(105d)在15—20 cm和45—50 cm土層土壤中，不同施氮量處理玉米根茬CO2累積釋放量均為R120最高，R240次之，R0最低。15—20 cm和45—50 cm土層土壤中R120根茬的CO2累積釋放量較R0分別高23.69% 和48.44%，差異顯著(P＜0.05)，R120和R240根茬之間差異不顯著。

不同處理玉米根茬碳礦化率為培養(yǎng)結(jié)束時根茬CO2累積釋放量占培養(yǎng)起始時加入根茬總有機(jī)碳含量的比例。由表2可見，培養(yǎng)結(jié)束時不同處理玉米根茬碳礦化率在15—20 cm和45—50 cm土層土壤中均為R120＞R240＞R0，3 種根茬彼此間差異顯著(P＜0.05)。不同土層相比，R0、R120、R240根茬在15—20 cm 土層土壤中的碳礦化率分別比其在45—50 cm土層土壤中高51.70%、26.41%、27.84%。

如表2所示，采用一次動力學(xué)方程擬合玉米根茬CO2累積釋放量隨培養(yǎng)時間變化方程的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。不同土層土壤中，根茬潛在碳礦化量C0為R120＞R240＞R0。不同土層土壤比較，15—20 cm土層土壤玉米根茬的潛在碳礦化量高于45—50 cm土壤相應(yīng)根茬。生物活性碳庫周轉(zhuǎn)速率k在15—20 cm土層土壤大于在45—50 cm土層土壤，即在下層土壤中R0、R120和R240根茬的活性碳庫半周轉(zhuǎn)期較上層土壤分別長2.1、3.4 和4.4 d。

表2 不同施氮量處理玉米根茬在土壤不同土層的分解特性Table2 Decomposition characteristics of maize roots derived from different nitrogen fertilization fields in two soil layers

2.2 添加玉米根茬對土壤碳、氮組分的影響

2.2.1 土壤微生物量碳(SMBC)含量動態(tài)變化

由圖3可知，添加玉米根茬處理在15—20 cm及45—50 cm土層土壤中的微生物量碳含量均較對照土壤顯著提高(P＜0.05)。添加3種不同施氮量處理玉米根茬處理的土壤在培養(yǎng)過程中15—20 cm和45—50 cm土層SMBC平均含量范圍分別為355.88—468.37 mg/kg和103.57—180.42 mg/kg。培養(yǎng)期間(105d)同一土層不同施氮量玉米根茬處理SMBC的平均含量為R120最高，R240次之，R0處理最低，R120與R240之間差異不顯著。15—20 cm土層土壤CK、R0、R120和R240處理土壤微生物量碳的平均含量分別為45—50 cm土層土壤相應(yīng)處理的13.45、3.12、2.55 和2.65 倍，差異顯著(P＜0.05)。培養(yǎng) 10d 時 45—50 cm 土層土壤中添加 R0、R120和R240根茬的處理土壤微生物量碳含量較培養(yǎng)起始(0 d)提高了11.94%—43.96%。

圖3 不同根茬處理培養(yǎng)過程中SMBC含量動態(tài)變化Fig.3 Dynamics of SMBC concentrations in soils mixed with different maize roots during the 105-day incubation period

2.2.2 土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量動態(tài)變化

由圖4可見，添加玉米根茬處理15—20 cm和45—50 cm土層土壤DOC含量均較對照土壤顯著提高。培養(yǎng)過程中15—20 cm及45—50 cm土層土壤DOC平均含量分別為90.1—155.6 mg/kg和52.0—160.8 mg/kg，R0、R120、R240處理差異不顯著。DOC平均含量最高為45—50 cm土層土壤R120處理，最低為45—50 cm土層CK處理。同一土層土壤，DOC平均含量為R120最高，R240次之，R0最低。15—20 cm土層CK、R0、R240處理DOC平均含量較45—50 cm土層分別高73.4%、28.0% 和1.7%。

培養(yǎng)30 d時15—20 cm土層各處理土壤DOC含量達(dá)到整個培養(yǎng)期間最低，比起始DOC含量降低了26.9%—45.9%;45—50 cm土層除CK處理在30 d時DOC含量最低，其余處理DOC含量均在培養(yǎng)10 d時達(dá)到最低值，較起始降低了60.5%—71.2%，之后各處理土壤DOC含量呈逐漸增加趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，15—20 cm和45—50 cm土層 R0、R120、R240處理 DOC含量較培養(yǎng)起始分別降低了14.0%—35.8% 和31.4%—61.1%，其中R120處理DOC含量下降最多，R240處理次之，R0處理下降幅度最小。

圖4 不同根茬處理培養(yǎng)過程中DOC含量動態(tài)變化Fig.4 Dynamics of DOC concentrations in soils mixed with different maize roots during the 105-day incubation period

圖5 不同根茬處理培養(yǎng)過程中土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量動態(tài)變化Fig.5 Dynamics of soil mineral N concentrations in soils mixed with different maize roots during the 105-day incubation period

2.2.3 土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量動態(tài)變化

由圖5可見，培養(yǎng)起始時15—20 cm和45—50 cm土層土壤R120和R240處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著高于R0和CK處理。隨著培養(yǎng)時間延長，CK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量呈逐漸增加趨勢。R0、R120和R240處理的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量在培養(yǎng)10 d時顯著下降，在15—20 cm和45—50 cm土層土壤中，分別比培養(yǎng)起始降低了63.7%—96.1% 和80.0%—95.8%，其中15—20 cm土層土壤R0處理礦質(zhì)態(tài)氮含量下降幅度最大。培養(yǎng)10d至結(jié)束，R0、R120和R240處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量均顯著低于對照土壤，添加R0、R120和R240根茬的各處理之間礦質(zhì)態(tài)氮含量差異不顯著。培養(yǎng)后期(60—100 d)添加R0、R120和R240根茬處理的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量有所增加，培養(yǎng)100 d時礦質(zhì)態(tài)氮含量在15—20 cm和45—50 cm土層土壤分別比培養(yǎng)60 d時增加了14.17%—338.45% 和 36.41%—235.96%。

3 討論

3.1 不同施氮處理玉米根茬在土壤中分解特性的差異

從培養(yǎng)過程中玉米根茬的分解動態(tài)看，培養(yǎng)前期根茬碳礦化速率較高，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，其分解釋放的CO2量逐漸降低。這是因為培養(yǎng)起始時根茬中單糖、有機(jī)酸和蛋白質(zhì)等易分解有機(jī)物質(zhì)的逐漸消耗，微生物難降解利用的組分(如木質(zhì)素、多酚等)比例增加有關(guān)［15］，與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致［16］。

本試驗表明，長期不同施肥處理會影響根茬在土壤中的分解特性。與不施氮肥根茬R0相比，施氮量為120和240 kg N/hm2小區(qū)的玉米根茬在培養(yǎng)過程中有機(jī)碳礦化率在15—20 cm和45—50 cm土層土壤中分別增加了21.06%、12.65%和45.28%、33.68%，這與施用氮肥處理提高了玉米根茬氮素含量，降低了根茬的碳氮比有關(guān)。與不施氮肥根茬R0相比，R120、R240根茬全氮含量分別提高103.77%、89.94%，C/N分別降低49.87%、43.40%(表1)。Saetre等［17］利用15N標(biāo)記試驗表明，C/N低的有機(jī)物料能夠加快土壤碳、氮循環(huán)。陳興麗［16］等研究表明施用化肥或化肥與有機(jī)肥配施顯著增加了玉米秸稈中氮素含量，使得秸稈C/N明顯降低，施氮量為0、120和240 kg N/hm2處理的玉米秸稈C/N為N120＞N0＞N240，碳礦化率N120與N0秸稈無明顯差異，N240秸稈高于前兩者。本研究結(jié)果中玉米根茬C/N為R0＞R240＞R120，R120和R240根茬碳礦化率顯著高于R0，根茬C/N與其培養(yǎng)過程中有機(jī)碳累積表觀礦化量呈極顯著(P＜0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系。植物殘體中易分解活性有機(jī)物的含量與其分解特性具有緊密的聯(lián)系，作物秸稈與根茬存在差異。從培養(yǎng)起始時加入不同處理玉米根茬土壤礦質(zhì)氮及可溶性有機(jī)碳的含量看(圖4，圖5)，加入R120、R240處理玉米根茬土壤礦質(zhì)氮及可溶性有機(jī)碳含量顯著高于不施氮肥根茬R0，說明不同增施氮肥處理同時增加了玉米根茬中活性有機(jī)碳及無機(jī)氮的含量，這可能是其有機(jī)碳分解率較不施肥根茬高的主要原因。

3.2 不同施氮處理玉米根茬對土壤活性有機(jī)碳組分的影響

與對照土壤相比，添加玉米根茬顯著增加了土壤SMBC含量，與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致［18］。王淑平［19］等研究，較對照和單施化肥土壤相比，玉米秸稈和根茬留田可分別增加土壤微生物量碳含量38.4%—84.9%和27.2%—51.6%。這與玉米根茬為土壤微生物提供有效養(yǎng)分和能源，促進(jìn)了微生物的活性、繁衍有關(guān)。不同施氮處理玉米根茬相比，施用氮肥處理玉米根茬(R120、R240)培養(yǎng)過程中土壤微生物量碳含量均高于不施肥玉米根茬R0。不同施肥處理玉米根茬對土壤微生物量碳的影響主要與不同玉米根茬的碳、氮等化學(xué)組分的差異性有關(guān)，同時也反映了微生物利用根茬中養(yǎng)分的特異性。

土壤可溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫中最活躍的組分之一，是土壤微生物的最主要能源［20］，可溶性有機(jī)物中有10%—40%的組分能夠直接被微生物分解利用［21］。土壤中的可溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動的中間產(chǎn)物，其含量的高低是土壤微生物對有機(jī)物分解與利用的綜合反映［22］。張晉京等［23］試驗表明，玉米秸稈本身含有較多的水溶性物質(zhì)。本研究中加入玉米根茬后，給土壤中補(bǔ)充了豐富的可溶性有機(jī)碳，為土壤微生物繁殖提供了可利用的碳源，促使微生物數(shù)量增加。不同處理隨著培養(yǎng)時間延長，土壤可溶性有機(jī)碳含量逐漸降低。培養(yǎng)30 d時15—20 cm土層土壤各處理DOC含量比起始時降低了26.9%—45.9%，45—50 cm土層土壤DOC含量在培養(yǎng)10 d時比起始降低了60.5%—71.2%，說明土壤中大量可溶性有機(jī)碳因易被微生物利用而在培養(yǎng)前期大量發(fā)生礦化，這與趙滿興［22］的培養(yǎng)試驗結(jié)果相符。隨著培養(yǎng)進(jìn)行，微生物逐漸利用難分解的有機(jī)物質(zhì)，產(chǎn)生可溶性有機(jī)物，使得土壤中可溶性有機(jī)碳含量緩慢增加。

雖然土壤微生物量碳及可溶性有機(jī)碳均是土壤有機(jī)碳庫中最活躍的組分，但培養(yǎng)過程中其變化趨勢存在差異(圖3，圖4)。土壤DOC含量可能來源于根系本身，也可來自土壤有機(jī)物質(zhì)在腐解過程中的分解，因此有必要進(jìn)一步研究這兩個組分間的聯(lián)系。

3.3 根茬在不同土層土壤中的分解特性差異

不同土層土壤比較，不同施氮量處理根茬在15—20 cm土層土壤的CO2累積表觀釋放量、有機(jī)碳礦化率、潛在可釋放CO2量、土壤微生物量碳含量等均高于45—50 cm土層土壤，玉米根茬在下層土壤的半周轉(zhuǎn)期也較上層土壤時間長，這與下層土壤肥力較低，土壤微生物活性弱有關(guān)。Sanaullah［24］研究稱，根系物質(zhì)對下層土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)很大，有機(jī)物在下層土壤中的平均滯留時間較長。根系殘體的加入能夠顯著增加土體上、下層中的微生物數(shù)量。與表土相比，下層土壤較好的非生物腐解條件能夠彌補(bǔ)其不良的物理化學(xué)特性。本研究采用培養(yǎng)試驗的方法比較了不同施肥處理玉米根茬在采自不同土層土壤中的分解特性，應(yīng)該看到，室內(nèi)培養(yǎng)條件與田間實際存在很大差異，因此，有必要進(jìn)一步采用田間試驗研究作物根茬還田在不同層次土壤中的分解轉(zhuǎn)化特性及其對土壤碳、氮等養(yǎng)分循環(huán)的影響。

根茬是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)物歸還的主要來源。許多研究關(guān)注施肥提高作物產(chǎn)量及增加歸還土壤根茬的數(shù)量，本研究表明，不同施肥處理影響玉米根茬碳、氮等養(yǎng)分含量，進(jìn)而對其施入土壤后分解轉(zhuǎn)化特性產(chǎn)生影響。因此，在評價根茬還田培肥土壤及其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮等養(yǎng)分循環(huán)中的作用時，應(yīng)考慮不同施肥處理對根茬特性的影響，以達(dá)到平衡施肥，提高產(chǎn)量和保持地力常新的目的。

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