王淑穎，李小紅，程娜，付時(shí)豐，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

地膜覆蓋與施肥對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

王淑穎，李小紅，程娜，付時(shí)豐，李雙異，孫良杰，安婷婷，汪景寬

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110866

【】作物秸稈不僅含有較高的有機(jī)碳，而且含有豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)元素。秸稈還田是東北黑土地區(qū)培肥土壤和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)措施。然而不同地膜覆蓋（簡稱“覆膜”）及施肥方式下秸稈碳（C）和氮（N）在土壤中的固持特征還不是很明確。本研究通過定量分析秸稈碳對土壤有機(jī)碳（SOC）和秸稈氮對土壤全氮（TN）的貢獻(xiàn)，探討不同覆膜和施肥條件下秸稈碳和氮在土壤中固定的差異，以期為土壤肥力提升和東北黑土地保護(hù)提供依據(jù)。基于覆膜與施肥的長期定位試驗(yàn)，選擇覆膜和不覆膜（裸地）栽培條件下不施肥（CK）、單施氮肥（N4）和有機(jī)肥配施氮肥（M2N2）處理，在表層（0—20 cm）土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后在田間原位培養(yǎng)150 d，測定SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值，分析SOC中秸稈來源C（13C-SOC）、TN中秸稈來源N（15N-TN）和土壤碳氮比隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征。施肥、覆膜及其它們的交互作用顯著影響（<0.05）13C-SOC和15N-TN含量。整個(gè)培養(yǎng)期間，M2N2處理秸稈碳對SOC的貢獻(xiàn)率（13C-SOC/SOC）和秸稈氮對TN貢獻(xiàn)率（15N-TN/TN）平均分別為10.48%和3.18%；施肥（N4和M2N2）處理13C-SOC/SOC和秸稈碳?xì)埩袈试诟材し绞较缕骄謩e為12.65%和37.14%，不覆膜方式下分別為12.08%和34.50%。同一栽培方式培養(yǎng)第150天，N4處理13C-SOC/SOC和秸稈碳?xì)埩袈势骄謩e為14.33%和39.40%，其他施肥處理平均分別為11.77%和33.21%；CK處理15N-TN/TN平均為4.56%，分別比N4和M2N2處理高26.00%和44.53%。培養(yǎng)第150天，秸稈氮?dú)埩袈试诟材ず筒桓材l件下CK處理最高，平均為10.03%；不覆膜N4處理最低，為7.87%。無論覆膜與否，N4處理13C-SOC與15N-TN比值為32—39，其他施肥處理均＜30。秸稈碳氮在土壤中的固存對覆膜與施肥的響應(yīng)敏感。單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的積累和有機(jī)碳的更新，不施肥處理秸稈氮對土壤氮庫的固定起正反饋效應(yīng)，而有機(jī)肥配施氮肥土壤碳氮的更新相對滯后。

13C15N雙標(biāo)記；秸稈碳；秸稈氮；地膜覆蓋；施肥

0 引言

【研究意義】土壤碳、氮的遷移轉(zhuǎn)化是生物地球化學(xué)循環(huán)最基本的過程之一，是反映土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[1-3]。土壤碳、氮關(guān)系一直以來都是農(nóng)田土壤研究的核心內(nèi)容。土壤碳和氮的固持特征影響土壤碳源和匯的功能、氮庫的儲(chǔ)量和肥力的發(fā)揮。東北黑土帶是我國重要的糧食生產(chǎn)基地和最大的玉米優(yōu)勢種植區(qū)[4]，然而不合理的、高強(qiáng)度的開發(fā)利用導(dǎo)致土壤出現(xiàn)“淺、硬、瘦”等問題，嚴(yán)重影響了作物產(chǎn)量和農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)[5]。近年來，農(nóng)業(yè)部大力實(shí)施增施有機(jī)肥和秸稈還田等培肥措施，以維持或提升黑土有機(jī)質(zhì)質(zhì)量。地膜覆蓋（以下簡稱“覆膜”）具有增溫保墑的作用[6]，是我國干旱半干旱和冷涼地區(qū)作物增產(chǎn)的重要措施[7]。因此，不同覆膜與施肥下土壤碳和氮固持特征的研究具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物秸稈不僅是土壤有機(jī)碳的主要來源，而且也是土壤重要的氮源。秸稈在土壤中分解轉(zhuǎn)化是秸稈養(yǎng)分釋放的過程。土壤添加秸稈培養(yǎng)1年后，秸稈碳在土壤中的殘留率僅有30%[8]。有機(jī)肥的施用顯著提高了土壤肥力[9]，且不施肥的低肥力土壤與施有機(jī)肥的高肥力土壤相比提高了秸稈碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)[10]，促進(jìn)了秸稈碳在土壤中的固定[11]。有機(jī)肥及其與氮肥配施處理通過提高微生物活性促進(jìn)了玉米秸稈的分解[12-13]，而氮肥的施用對玉米秸稈的分解影響較小[14]。有機(jī)肥與等碳量的秸稈相比有利于土壤碳氮的積累[15]，且秸稈還田結(jié)合適量氮肥的施用增加了土壤碳氮養(yǎng)分的有效性[16]。土壤添加秸稈培養(yǎng)56 d后，秸稈氮在土壤的殘留率為22%[17]。秸稈氮對土壤氮庫的貢獻(xiàn)受初始土壤肥力水平的影響顯著，不施肥（低肥力）條件有利于秸稈氮在土壤中的固存[18]。【本研究切入點(diǎn)】覆膜雖然提高了土壤的溫度和水分[19]，實(shí)現(xiàn)了作物增產(chǎn)[20]，但同時(shí)也導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化加速[21-22]，地力消耗增加，土壤肥力降低[19, 23]。覆膜結(jié)合有機(jī)肥的施用顯著提高了土壤有機(jī)碳含量，改善了土壤肥力[24]，而化肥處理的覆膜效應(yīng)則主要是降低了土壤氮的損失[25]。因此，覆膜結(jié)合施肥對土壤有機(jī)碳和氮的作用不一致。前人研究表明秸稈碳氮在土壤中轉(zhuǎn)化與固定對施肥措施的響應(yīng)不同，然而覆膜結(jié)合施肥如何影響秸稈碳氮在土壤中的固存還不是很明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗(yàn)站為平臺，土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后在田間進(jìn)行原位培養(yǎng)，分析土壤有機(jī)碳和全氮隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化和秸稈碳氮對其的貢獻(xiàn)，探討不同覆膜和施肥條件下秸稈碳和氮在土壤中固存的差異，以期為土壤培肥和東北黑土地的保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究主要在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗(yàn)站（北緯41°09′，東經(jīng)123°34′）進(jìn)行。該試驗(yàn)站處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫7.9℃，年均降水量705 mm，海拔75 m，土壤屬中厚層棕壤（簡育淋溶土）。該長期定位試驗(yàn)站始建于1987年，當(dāng)時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量15.6 g·kg-1、全氮1.0 g·kg-1、全磷0.5 g·kg-1、堿解氮67.4 mg·kg-1、有效磷8.4 mg·kg-1。試驗(yàn)地采用完全隨機(jī)裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)分為不覆膜與覆膜栽培兩組，副區(qū)為不同施肥處理，每個(gè)施肥處理3次重復(fù)，每小區(qū)面積為0.0069 hm2。連作作物為玉米（當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N）。每年4月25日左右按常規(guī)方法施肥、播種，實(shí)行常規(guī)田間管理。9月25日前后測產(chǎn)和收割，并對玉米莖稈及殘留地膜進(jìn)行清除，翻地（根系均保留在土壤中）。

1.2 供試土壤

本次試驗(yàn)選用3個(gè)施肥處理，即不覆膜栽培方式下不施肥（CK）、單施氮肥（N4，年施氮肥折合N 270 kg·hm-2）和有機(jī)肥配施氮肥（M2N2，年施有機(jī)肥折合N 135 kg·hm-2，氮肥N 135 kg·hm-2）以及與之相對應(yīng)的覆膜栽培處理。有機(jī)肥和氮肥均作為基肥在春播前撒施入土壤。施用的有機(jī)肥為豬廄肥，其有機(jī)質(zhì)含量為150 g·kg-1左右，全氮為10 g·kg-1，施用的氮肥為尿素（含N 46%）。2019年春季施肥前分別采集不同處理的表層（0—20 cm）土壤，挑除土壤樣品中的植物根系和石礫等雜質(zhì)后，用手沿自然破碎面輕輕掰開后于室內(nèi)自然風(fēng)干。土樣風(fēng)干后，過2 mm篩，備用。各處理土壤的基本性質(zhì)（2019年）見表1。

表1 不同處理土壤（0—20 cm）基本性質(zhì)（2019年）

CK、N4和M2N2分別代表不施肥、單施氮肥和有機(jī)肥配施氮肥處理。數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示不同施肥處理間的差異顯著（<0.05）

CK, N4and M2N2denote no fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with nitrogen fertilizer, respectively. Different lowercase letters show the significant differences (<0.05) among different fertilization treatments

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用尼龍網(wǎng)袋法進(jìn)行田間培養(yǎng)試驗(yàn)。將100 g風(fēng)干土壤與13C15N雙標(biāo)記的玉米秸稈（? 0.425 mm）按照風(fēng)干土重1%比例充分混勻（混合后C/N為51），調(diào)節(jié)含水量至田間持水量60%—70%后裝入300目尼龍網(wǎng)袋中，同時(shí)按照同樣方法布置不添加秸稈的對照處理。2019年5月12日將網(wǎng)袋分別埋入對應(yīng)處理小區(qū)0—20 cm土層。13C15N雙標(biāo)記玉米秸稈的基本性質(zhì)：δ13C值為565‰、δ15N值為36620‰、全碳415 g·kg-1、全氮7.12 g·kg-1、C/N為58。

在培養(yǎng)后的第30天（2019年6月15日）和150天（2019年9月27日）分別從每個(gè)處理隨機(jī)取出3個(gè)尼龍網(wǎng)袋，樣品自然風(fēng)干后研磨過篩，供分析土壤樣品總有機(jī)碳、全氮含量及其δ13C和δ15N值。δ13C值以美國南卡羅來納州白堊紀(jì)皮狄組層位中的擬箭石化石（Pee DeeBelemnite，PDB）為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，δ15N值以純凈大氣氮為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜聯(lián)用儀（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國）測定。

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤總有機(jī)碳中秸稈碳貢獻(xiàn)率（Fmc，%）和土壤全氮中秸稈氮貢獻(xiàn)率（Fmn，%）的計(jì)算公式如下[26]：

（1）

（2）

式1中，δ13Csm（‰）為添加秸稈處理土壤有機(jī)碳的δ13C值；δ13Cs（‰）為不添加秸稈處理土壤有機(jī)碳的δ13C值；δ13Cm（‰）為初始添加秸稈的δ13C值。式2中，δ15Nsm（‰）為添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Ns（‰）為不添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Nm（‰）為初始添加秸稈的δ15N值。

土壤總有機(jī)碳中秸稈來源碳含量（Cmc，g·kg-1）和土壤全氮中秸稈來源氮含量（Cmn，g·kg-1）的計(jì)算如下[27]：

Cmc=Csmc×Fmc/100 （3）

Cmn=Csmn×Fmn/100 （4）

式3中，Csmc（g·kg-1）為添加秸稈處理土壤有機(jī)碳含量。式4中，Csmn（g·kg-1）為添加秸稈處理土壤全氮含量。

秸稈碳?xì)埩袈剩≧mc，%）和秸稈氮?dú)埩袈剩≧mn，%）的計(jì)算如下：

式5中，Cmc0（g）為初始秸稈碳含量。式6中，Cmn0（g）為初始秸稈氮含量。

采用Excel 2016、Origin 9.1和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。處理間差異采用單因素鄧肯（Duncan）法、配對樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果

2.1 覆膜與施肥下土壤有機(jī)碳δ13C值和全氮δ15N值

栽培模式、施肥、時(shí)間及它們之間的交互作用顯著影響（<0.05）土壤有機(jī)碳（SOC）的δ13C值（栽培模式、栽培模式與時(shí)間的交互作用除外）和土壤全氮（TN）的δ15N值（表2）。無論覆膜與否，SOC的δ13C值在第30天表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）；在第150 天表現(xiàn)為N4>CK>M2N2，其中不覆膜條件下CK與N4處理差異不顯著（圖1-a）。在整個(gè)培養(yǎng)期間，TN的δ15N值均表現(xiàn)為CK>N4>M2N2（圖1-b），且覆膜處理TN的δ15N值較不覆膜處理平均高9.81%（第150天 CK處理除外）。

CK、N4和M2N2分別代表不施肥、單施氮肥和有機(jī)肥配施氮肥；不同大寫字母表示培養(yǎng)第30天不同處理之間的差異顯著（P<0.05）；不同小寫字母表示培養(yǎng)第150天不同處理之間的差異顯著（P<0.05）；*表示相同處理不同培養(yǎng)時(shí)間之間的差異顯著（P<0.05）。下同

2.2 覆膜與施肥下土壤有機(jī)碳和全氮含量

同一栽培方式下，CK處理SOC含量第30天比第150天顯著高4.96%（<0.05，圖2-a）。在整個(gè)培養(yǎng)期間，M2N2處理在覆膜和不覆膜栽培條件下SOC的含量平均分別比其他施肥處理高18.23%和13.61%。培養(yǎng)期間同一N4處理，覆膜栽培SOC含量顯著比不覆膜栽培高6.21%。不覆膜栽培CK和N4處理第30天時(shí)TN含量分別比第150天顯著高7.80%和12.53%（<0.05，圖2-b）。TN含量受栽培模式與時(shí)間的影響不顯著（0.05，表2）。

圖2 不同覆膜和施肥處理土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈土壤有機(jī)碳（a）和全氮（b）含量

表2 栽培模式、施肥和時(shí)間對土壤中秸稈碳氮固定影響的方差分析

施肥：不施肥、單施氮肥和有機(jī)肥配施氮肥；栽培模式：覆膜與不覆膜；時(shí)間：第30天和第150天；δ13C：土壤總有機(jī)碳δ13C值；SOC：土壤總有機(jī)碳；13C-SOC：土壤總有機(jī)碳中秸稈碳含量；Fmc：秸稈碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率；Rmc：土壤中秸稈碳的殘留率。δ15N：土壤全氮δ15N值；TN：土壤全氮；15N-TN：土壤全氮中秸稈氮含量；Fmn：秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率；Rmn：土壤中秸稈氮的殘留率。SOCTN：土壤有機(jī)碳與土壤全氮的比值；13C-SOC/15N-TN：土壤總有機(jī)碳中秸稈碳含量與土壤全氮中秸稈氮含量的比值

Fertilization: No fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with chemical nitrogen fertilizer; Cultivation mode: Mulching and no-mulching; Time: 30 d and 150 d; δ13C: The δ13C value of soil organic carbon; SOC: Total soil organic carbon;13C-SOC: Soil organic carbon derived from straw carbon; Fmc: Contribution percentage of straw carbon to total soil organic carbon; Rmc: Residue percentage of straw carbon in soil. δ15N: The δ15N value of total nitrogen; TN: Soil total nitrogen;15N-TN: total nitrogen derived from straw nitrogen; Fmn: Contribution percentage of straw nitrogen to total nitrogen; Rmn: Residue percentage of straw nitrogen in soil. SOC/TN: Ratio of total soil organic carbon to total nitrogen;13C-SOC/15N-TN: Ratio of soil organic carbon derived from straw carbon to total nitrogen derived from straw nitrogen

2.3 覆膜與施肥下土壤有機(jī)碳中秸稈來源碳和全氮中秸稈來源氮含量

施肥、栽培模式、時(shí)間及它們的交互作用顯著影響（<0.05）SOC中秸稈來源碳（13C-SOC）含量（栽培模式與時(shí)間交互作用對13C-SOC含量影響除外）和TN中秸稈來源氮（15N-TN）含量（表2）。無論覆膜與否，13C-SOC含量在第30天表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，在第150天時(shí)N4處理比其他施肥處理平均高19.08%，且施肥處理間差異顯著（圖3-a）。第150天，覆膜CK處理13C-SOC含量顯著比不覆膜CK降低了6.79%，而N4和M2N2處理13C-SOC含量覆膜較不覆膜平均高8.37%（<0.05）。整個(gè)培養(yǎng)期間，覆膜后15N-TN含量較不覆膜平均增加了6.59%（圖3-b）。第30天，CK處理15N-TN含量平均比其他施肥處理高27.44%；第150天，不覆膜條件下15N-TN含量表現(xiàn)為CK>M2N2>N4，覆膜條件下15N-TN含量平均值為0.048 mg·kg-1。

2.4 覆膜與施肥下秸稈碳對土壤總有機(jī)碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率

施肥、栽培模式、時(shí)間及它們交互作用顯著影響（<0.05）秸稈碳對SOC的貢獻(xiàn)率（Fmc，栽培模式除外）和秸稈氮對TN的貢獻(xiàn)率（Fmn）（表2）。整個(gè)培養(yǎng)期間覆膜處理Fmc較不覆膜處理平均高5.29%（CK處理除外，表3）。第30天時(shí)Fmc為10.13%—16.91%，同一栽培方式表現(xiàn)為CK>N4> M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）。第150天時(shí)Fmc為9.95%—14.34%，同一栽培方式N4>CK> M2N2（其中不覆膜條件下CK與N4處理無顯著差異，>0.05）。整個(gè)培養(yǎng)期間Fmn為3.03%—5.53%，且覆膜處理較不覆膜處理平均高9.87%，同一栽培方式表現(xiàn)為CK>N4>M2N2。

2.5 覆膜與施肥下秸稈碳和氮在土壤中的殘留率

覆膜和不覆膜CK處理土壤中秸稈碳?xì)埩袈势骄鶑牡?0天的44.96%明顯降低到第150天的33.62%（<0.05，表4）。施肥、栽培模式、時(shí)間及它們交互作用（栽培模式與時(shí)間交互作用除外）顯著影響（<0.05）秸稈碳的殘留率（表2）。同一栽培方式下第30天，不同施肥處理秸稈碳?xì)埩袈士傮w表現(xiàn)為CK>N4>M2N2，且施肥處理間差異顯著（<0.05）；第150天，N4處理秸稈碳?xì)埩袈势骄鶠?9.40%，而其他施肥處理秸稈碳?xì)埩袈实陀?5%。除CK處理外，同一施肥處理覆膜栽培秸稈碳的殘留率高于不覆膜栽培。

土壤中秸稈氮的殘留率在第30天為8.48%—12.24%，且同一栽培方式下CK>N4>M2N2（其中覆膜N4與覆膜M2N2處理差異不顯著，>0.05，表4）。第150天，CK處理秸稈氮?dú)埩袈势骄鶠?0.03%，分別比N4和M2N2處理高28.62%和12.25%。整個(gè)培養(yǎng)期間覆膜處理秸稈氮?dú)埩袈曙@著（<0.05）較不覆膜處理高4.90%—21.70%（CK處理除外）。

2.6 覆膜與施肥下土壤碳氮比

整個(gè)培養(yǎng)期間覆膜M2N2、不覆膜M2N2和覆膜N4處理土壤有機(jī)碳與全氮的比值（SOC/TN）平均分別為8.81、9.08和9.31（圖4-a）。覆膜CK處理SOC/TN從第30天的10.06顯著降低到第150天的9.15，然而不覆膜條件下CK和N4處理的SOC/TN在第150天較第30天顯著增加了3.57%和10.91%（<0.05）。無論覆膜與否，CK處理SOC/TN比其他施肥處理平均高6.13%。

CK和M2N2處理（包括覆膜和不覆膜）土壤中秸稈碳與秸稈氮含量的比值（13C-SOC/15N-TN）均低于30，尤其覆膜CK處理在第150天僅為25.37，而不覆膜N4處理從第30天的32.79顯著升高到第150天的38.52（<0.05，圖4-b）。無論覆膜與否，N4處理13C- SOC/15N-TN比其他施肥處理高16.17%—23.05%。第150天，CK和N4處理13C-SOC/15N-TN覆膜較不覆膜平均低10.82%。

圖3 不同覆膜和施肥處理土壤總有機(jī)碳中13C含量（a）和全氮中15N含量（b）的變化

表3 不同覆膜及施肥處理秸稈碳對土壤總有機(jī)碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率

表4 不同覆膜和施肥處理土壤秸稈碳和氮?dú)埩袈?/p>

圖4 秸稈添加后土壤有機(jī)碳與全氮含量的比值（a）及土壤中秸稈碳與氮含量的比值（b）

3 討論

3.1 施肥對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳、全氮積累水平主要依賴于輸入（如田間作物殘?bào)w和外源有機(jī)物料添加等）與輸出（土壤原有有機(jī)質(zhì)分解）之間的平衡[28]。無論覆膜與否，M2N2處理SOC、TN含量高于N4處理和CK處理。長期有機(jī)肥與氮肥配施提高了作物地下和地上生物量，從而增加了土壤中有機(jī)物質(zhì)的輸入，有利于土壤有機(jī)碳和氮的固存[29-30]。隨著秸稈的分解，秸稈碳與秸稈氮在土壤中殘留率減少[31-32]。一般而言，秸稈在土壤中的分解經(jīng)歷迅速分解和緩慢分解兩個(gè)階段[33]。施肥（N4和M2N2）處理土壤秸稈碳?xì)埩袈试?0—150 d無明顯變化，說明田間原位培養(yǎng)加速了秸稈的分解[8]，0—30 d秸稈中可溶性物質(zhì)很快被微生物優(yōu)先利用轉(zhuǎn)化，30 d后微生物開始對秸稈中難分解物質(zhì)分解，分解速率相對緩慢。然而長期不施肥處理土壤肥力水平較低，土壤本身養(yǎng)分和碳源相對匱乏，微生物活性弱，土壤微生物對秸稈碳添加的響應(yīng)滯后[34]，秸稈碳和氮的殘留率隨時(shí)間顯著降低。

秸稈碳氮在土壤中的固存與轉(zhuǎn)化受土壤肥力水平[8-10]和施肥措施的影響[35-36]。長期有機(jī)無機(jī)配施處理明顯提高了土壤的肥力水平[25]，土壤初始有機(jī)碳、全氮和微生物量相對較高，對秸稈碳氮的添加起到稀釋作用，秸稈碳對土壤有機(jī)碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)較低。ZHENG等[37]研究表明不施肥處理與施肥處理相比增加了秸稈氮在土壤中的殘留。本研究發(fā)現(xiàn)不施肥處理明顯增加了秸稈氮對土壤氮的貢獻(xiàn)及其在土壤中的殘留，說明不施肥土壤添加秸稈主要對土壤氮固定起到積極的作用。土壤中秸稈來源碳氮比值對不同施肥的響應(yīng)也可以解釋這一點(diǎn)。這與陳興麗等[38]的研究結(jié)果相似。秸稈添加第150天所有施肥處理中N4處理13C-SOC含量、秸稈碳貢獻(xiàn)率和秸稈碳?xì)埩袈首罡?，說明單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的固存和土壤有機(jī)碳的更新[39]。土壤C/N比也是影響土壤碳氮固存的重要因子[25,40]。本研究不覆膜N4處理土壤初始C/N較低，C源相對缺乏，秸稈碳的添加可以為土壤微生物提供碳源，有利于土壤碳的積累和更新[8,41]；初始土壤N源相對充足，秸稈氮在土壤中的固持在土壤中被稀釋，秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)相對較低。覆膜N4處理雖然土壤本身C/N較高，C源相對充足，N源相對缺乏，但秸稈碳在土壤的殘留率最高，秸稈氮在土壤中的殘留率相對較低，這可能與土壤本身氮源（δ15N值）和氮的有效性有關(guān)。總之，不同施肥處理秸稈碳氮在土壤中固存的差異主要與土壤本身的性質(zhì)有關(guān)（例如初始土壤養(yǎng)分狀況和碳氮比），而微生物在這一過程起重要作用，關(guān)于秸稈碳氮在土壤固存的微生物機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

3.2 覆膜對秸稈碳氮在土壤中固存的影響

地膜覆蓋已被證明可以增加土壤溫度和濕度，使土壤與外部空氣隔絕，進(jìn)而抑制土壤水分的蒸發(fā)速度[6,42]，提高土壤養(yǎng)分的有效性[43-44]。N4處理覆膜后SOC和TN含量增加。裸地條件下長期單施氮肥降低了土壤pH，導(dǎo)致土壤酸化和作物產(chǎn)量降低[25,45]，從而使土壤有機(jī)質(zhì)輸入減少。而覆膜使土壤水分和鹽基離子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，進(jìn)而延緩甚至避免土壤酸化[46]，有利于作物地下生物量的積累和土壤有機(jī)質(zhì)輸入。溫度和濕度是影響秸稈在土壤中分解轉(zhuǎn)化的主要因子。雖然覆膜可以增加土壤溫度和濕度，但本研究卻發(fā)現(xiàn)栽培模式與時(shí)間的交互作用對SOC、13C-SOC和秸稈碳的殘留率的影響不顯著（>0.05），這說明秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化與固定對短期覆膜的響應(yīng)不敏感。然而施肥、覆膜與施肥的交互作用顯著影響SOC與TN、13C-SOC與15N-TN和秸稈碳氮的貢獻(xiàn)率及其殘留率，說明微生物對秸稈碳氮的作用主要與土壤本身的養(yǎng)分狀態(tài)有關(guān)。AN等[8]研究也表明秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化與初始土壤有機(jī)碳有關(guān)。CK處理本身有機(jī)碳與全氮含量很低，秸稈的添加使處于饑餓狀態(tài)的微生物激活，覆膜后使秸稈分解加快[47]。這可能導(dǎo)致CK處理覆膜后秸稈碳氮的貢獻(xiàn)率和殘留率降低。覆膜施肥（M2N2和N4處理）處理秸稈碳氮的貢獻(xiàn)率和殘留率高于不覆膜處理，這說明秸稈碳氮在土壤中的固存不僅與初始土壤SOC和TN含量有關(guān)，而且受初始土壤碳氮比的影響。培養(yǎng)期間CK處理與其他施肥處理13C-SOC/15N-TN較低，而SOC/TN較高，說明秸稈的添加可能引起土壤氮的正激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致原土壤氮的礦化[48]；不覆膜N4處理13C-SOC/15N-TN較高，而SOC/TN較低，這說明在養(yǎng)分和碳源相對缺乏的土壤，秸稈的添加可能引起土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)[8]。土壤養(yǎng)分的供應(yīng)、碳氮比和微環(huán)境的變化影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響秸稈碳和氮在土壤中的固持動(dòng)態(tài)，關(guān)于土壤微生物對秸稈碳和氮的耦合作用還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

表層土壤添加13C15N雙標(biāo)記秸稈后，施肥（N4和M2N2）處理土壤覆膜顯著增加了土壤有機(jī)碳中秸稈來源碳和全氮中秸稈來源氮含量、秸稈碳對土壤有機(jī)碳和秸稈氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率、秸稈碳和氮在土壤中的殘留率，而不施肥條件下覆膜的影響與之相反。培養(yǎng)結(jié)束后，同一栽培方式單施氮肥有利于秸稈碳在土壤中的積累，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的更新；不施肥處理土壤中秸稈來源碳氮比值低于其他施肥處理，說明不施肥處理添加秸稈的主效應(yīng)是對土壤氮庫的固定起正反饋?zhàn)饔茫欢袡C(jī)肥配施氮肥土壤碳氮的更新相對滯后。秸稈碳氮在土壤中的固存不僅與土壤微環(huán)境和初始養(yǎng)分狀況有關(guān)，而且受碳氮比的影響。土壤碳氮比對施肥、覆膜和時(shí)間的響應(yīng)不同，這可能與土壤微生物的活性有關(guān)，關(guān)于秸稈碳和氮在土壤的轉(zhuǎn)化和固定機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

[1] HUANG Y, SUN W J, ZHANG W, YU Y Q. Changes in soil organic carbon of terrestrial ecosystems in China: A mini-review. Science China (Life Sciences), 2010, 53(7): 766-775. DOI: 10.1007/s11427-010-4022-4.

[2] 李海波, 韓曉增, 王風(fēng). 長期施肥條件下土壤碳氮循環(huán)過程研究進(jìn)展. 土壤通報(bào), 2007, 38(2): 384-388. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2007.02.037.

LI H B, HAN X Z, WANG F. Review of soil carbon and nitrogen cycling under long-term fertilization. Chinese Journal of Soil Science, 2007, 38(2): 384-388. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2007.02.037. (in Chinese)

[3] 張春華, 王宗明, 居為民, 任春穎. 松嫩平原玉米帶土壤碳氮比的時(shí)空變異特征. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(5): 1407-1414. DOI: 10.13227/j.hjkx.2011.05.014.

ZHANG C H, WANG Z M, JU W M, REN C Y. Spatial and temporal variability of soil C/N ratio in Songnen Plain maize belt. Environmental Science, 2011, 32 (5): 1407-1414. DOI: 10.13227/j.hjkx.2011.05.014. (in Chinese)

[4] 韓秉進(jìn), 張旭東, 隋躍宇, 解宏圖, 趙軍, 劉煥軍. 東北黑土農(nóng)田養(yǎng)分時(shí)空演變分析. 土壤通報(bào), 2007, 38(2): 238-241. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2007.02.007.

HAN B J, ZHANG X D, SUI Y Y, JIE H T, ZHAO J, LIU H J. Spatial-temporal evolution analysis of Black Soil farmland nutrients in Northeast China. Chinese Journal of Soil Science, 2007, 38(2): 238-241. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2007.02.007. (in Chinese)

[5] 韓曉增, 李娜. 中國東北黑土地研究進(jìn)展與展望. 地理科學(xué), 2018, 38(7): 1032-1041. DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2018.07.004.

HAN X Z, LI N. Research progress and prospects of Black Soil in Northeast China. Scientia Geographica Sinica, 2018, 38(7): 1032-1041. DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2018.07.004. (in Chinese)

[6] 劉順國, 付時(shí)豐, 汪景寬, 王洪祿, 于樹. 長期地膜覆蓋對棕壤水分含量和儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化影響. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 37(5): 725-728.

LIU S G, FU S F, WANG J K, WANG H L, YU S. Effect of long-term covering with plastic film on dynamic changes of soil water in Brown Earth. Journal of Shenyang Agricultural University, 2006, 37(5): 725-728. (in Chinese)

[7] 李尚中, 王勇, 樊廷錄, 王立明, 趙剛, 唐小明, 黨翼, 王磊, 張建軍. 旱作地膜不同覆膜方式的水溫及增產(chǎn)效應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(5): 922-931. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.05.005.

LI S Z, WANG Y, FAN T L, WANG L M, ZHAO G, TANG X M, DANG Y, WANG L, ZHANG J J. Effects of different plastic film mulching modes on soil moisture, temperature and yield of dryland maize. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(5): 922-931. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.05.005. (in Chinese)

[8] AN T T,SCHAEFFER S, ZHUANG J, RADOSEVICH M, LI S Y, LI H, PEI J B, WANG J K. Dynamics and distribution of13C-labeled straw carbon by microorganisms as affected by soil fertility levels in the Black Soil region of Northeast China. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51: 605-613. DOI: 10.1007/s00374-015-1006-3.

[9] 張黛靜, 王艷杰, 陳倩青, 楊雪倩, 宗潔靜, 李春喜. 不同耕作方式與增施有機(jī)肥對麥田土壤有機(jī)碳庫及小麥產(chǎn)量的影響. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 47(11): 128-133. DOI: 10.15889 /j.issn.1002-1302. 2019.11.028.

ZHANG D J, WANG Y J, CHENG Q Q, YANG X Q, ZONG J J, LI C X. Effects of different tillage methods and application of organic fertilizer on soil organic carbon pool and wheat yield in wheat field. Jiangsu Agricultural Sciences, 2019, 47(11): 128-133. DOI: 10.15889 /j.issn.1002－1302.2019.11.028. (in Chinese)

[10] 裴久渤. 玉米秸稈碳在東北旱田土壤中的轉(zhuǎn)化與固定[D]. 沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

PEI J B. Transformation and fixation of maize straw carbon in the dryland soils of Northeast China[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2015. (in Chinese)

[11] POIRIER V, ANGERS D A, ROCHETTE P, WHALEN J K. Initial soil organic carbon concentration influences the short-term retention of crop-residue carbon in the fine fraction of a heavy clay soil. Biology and Fertility of Soils, 2013, 49(5): 527-535. DOI: 10.1007/ s00374-013-0794-6.

[12] JIN X X,AN T T, GALL A R, LI S Y, FILLEY T, WANG J K. Enhanced conversion of newly-added maize straw to soil microbial biomass C under plastic film mulching and organic manure management. Geoderma, 2018, 313: 154-162. DOI: 10.1016/j.geoderma.2017.10.036.

[13] 解麗娟. 長期施肥下我國典型農(nóng)田土壤有機(jī)碳與全氮分布特征[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2011.

XIE L J. Distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen under long-term fertilization in typical arable land soil of China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2011. (in Chinese)

[14] 張學(xué)林, 周亞男, 李曉立, 侯小畔, 安婷婷, 王群. 氮肥對室內(nèi)和大田條件下作物秸稈分解和養(yǎng)分釋放的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(10): 1746-1760. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.008.

ZHANG X L, ZHOU Y N, LI X L, HOU X P, AN T T, WANG Q. Effects of nitrogen fertilizer on crop residue decomposition and nutrient release under lab incubation and field conditions. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(10): 1746-1760. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.008. (in Chinese)

[15] 徐虎, 張敬業(yè), 蔡岸冬, 王小利, 張文菊. 外源有機(jī)物料碳氮在紅壤團(tuán)聚體中的殘留特征. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4660-4668. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.007.

XU H, ZHANG J Y, CAI A D, WANG X L, ZHANG W J. Residual characteristics of carbon and nitrogen from amendments in different size aggregates of Red Soil. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4660-4668. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.007. (in Chinese)

[16] 王士超, 閆志浩, 王瑾瑜, 槐圣昌, 武紅亮, 邢婷婷, 葉洪齡, 盧昌艾. 秸稈還田配施氮肥對稻田土壤活性碳氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53(4): 782-794. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.010.

WANG S C, YAN Z H, WANG J Y, HUAI S C, WU H L, XING T T, YE H L, LU C A. Nitrogen fertilizer and Its combination with straw affect soil labile carbon and nitrogen fractions in paddy fields. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(4): 782-794. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.010. (in Chinese)

[17] 閆德智, 王德建, 張剛, 查書平.15N 標(biāo)記秸稈在太湖地區(qū)水稻土上的氮素礦化特征研究. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(1): 77-85．

YAN D Z, WANG D J, ZHANG G, CHA S P. Nitrogen mineralization of applied15N labeled straw in paddy soils in the Taihu lake region. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(1): 77-85. (in Chinese)

[18] 徐英德, 丁雪麗, 李雙異, 孫良杰, 高曉丹, 謝檸檜, 金鑫鑫, 白樹彬, 孫海巖, 汪景寬. 不同肥力棕壤全氮和微生物量氮對外源玉米殘?bào)w氮的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(20): 6818-6826. DOI: 10.5846 /stxb201608031602.

XU Y D, DING X L, LI S Y, SUN L J, GAO X D, XIE N H, JIN X X, BAI S B, SUN H Y, WANG J K. Effect of maize-derived nitrogen supplementation on the total and microbial biomass nitrogen of brown earths with different fertility levels. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(20): 6818-6826. DOI: 10.5846 /stxb201608031602. (in Chinese)

[19] 汪景寬, 張繼宏, 須湘成, 張旭東, 祝鳳春. 地膜覆蓋對土壤肥力影響的研究. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 23: 32-37.

WANG J K, ZHANG J H, XU X C, ZHANG X D, ZHU F C. Effect of mulching on soil fertility. Journal of Shenyang Agricultural University, 1992, 23: 32-37. (in Chinese)

[20] 王秀芬, 陳百明, 畢繼業(yè). 基于縣域的地膜覆蓋糧食增產(chǎn)潛力分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(11): 146-149.

WANG X F, CHEN B M, Bi J Y. Analysis of potential of grain yield increase under film-mulching condition on a county scale. Transactions of the CSAE, 2005, 21(11): 146-149. (in Chinese)

[21] LI F M, SONG Q H, JJEMBA P K, SHI Y C. Dynamics of soil microbial biomass C and soil fertility in cropland mulched with plastic film in a semiarid agro-ecosystem. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(11): 1893-1902. DOI: 10.1016/j.soilbio.2004.04.040.

[22] ZHOU L M, JIN S L, LIU C A, XIONG Y C, SI J T, LI X G, GAN Y T, LI F M. Ridge-furrow and plastic-mulching tillage enhances maize-soil interactions: opportunities and challenges in a semiarid agroecosystem. Field Crops Research, 2012, 126, 181-188. DOI: 10.1016/j.fcr.2011.10.010.

[23] 汪景寬, 王鐵宇, 張旭東, 關(guān)連珠, 王秋兵, 胡洪祥, 趙永存. 黑土土壤質(zhì)量演變初探Ⅰ: 不同開墾年限黑土主要質(zhì)量指標(biāo)演變規(guī)律. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 33(1): 43-47.

WANG J K, WANG T Y, ZHANG X D, GUAN L Z, WANG Q B, HU H X, ZHAO Y C. An approach to the changes of Black Soil quality (I) Changes of the indices of Black Soil with the year(s)of reclamation. Journal of Shenyang Agricultural University, 2002, 33(1): 43-47. (in Chinese)

[24] 薛菁芳. 棕壤有機(jī)質(zhì)組分及轉(zhuǎn)化的研究13C和15N雙標(biāo)記法[D]. 沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.

XUE J F. Studies on organic matter composition and transformation in Brown Soil by13C and15N double labeling[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2007. (in Chinese)

[25] 李世朋, 蔡祖聰, 楊浩, 汪景寬. 長期定位施肥與地膜覆蓋對土壤肥力和生物學(xué)性質(zhì)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(5): 2490-2498.

LI S P, CAI Z C, YANG H, WANG J K. Effects of long-term fertilization and plastic film covering on some soil fertility and microbial properties. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(5): 2489-2498. (in Chinese)

[26] CONRAD R, KLOSE M, YUAN Q, LU Y H, CHIDTHAISONG A. Sable carbon isotope fractionation, carbon flux partitioning and priming effects in anoxic soils during methanogenic degradation of straw and soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 49: 193-199. DOI: 10.1016/j.soilbio.2012.02.030.

[27] BLAUD A, LERCH T Z, CHEVALLIER T, NUNAN N, CHENU C, BRAUMAN A. Dynamics of bacterial communities in relation to soil aggregate formation during the decomposition of13C-labelled rice straw. Applied Soil Ecology, 2012, 53: 1-9. DOI: 10.1016/j.apsoil.2011.11.005.

[28] 潘根興, 周萍, 李戀卿, 張旭輝. 固碳土壤學(xué)的核心科學(xué)問題與研究進(jìn)展. 土壤學(xué)報(bào), 2007, 44(2): 327-337.

PAN G X, ZHOU P, LI L Q, ZHANG X H. Core issues and research progresses of soil science of C sequestration. Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(2): 327-337. (in Chinese)

[29] 史康婕, 周懷平, 解文艷, 楊振興, 程曼. 長期施肥下褐土易氧化有機(jī)碳及有機(jī)碳庫的變化特征. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 542-552. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160688.

SHI K J, ZHOU H P, XIE W Y, YANG Z X, CHENG M. Characteristics of readily oxidizable organic carbon and soil organic carbon pool under long-term fertilization in cinnamon soils. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 542-552.DOI: 10.13930/j. cnki.cjea.160688. (in Chinese)

[30] 梁斌, 趙偉, 楊學(xué)云, 周建斌. 氮肥及其與秸稈配施在不同肥力土壤的固持及供應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(9): 1750-1757. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.09.010.

LIANG B, ZHAO W, YANG X Y, ZHOU J B. Nitrogen retention and supply after addition of N fertilizer and its combination with straw in the soils with different fertilities. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(9): 1750-1757.DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.09.010. (in Chinese)

[31] 馬想, 徐明崗, 趙慧麗, 段英華. 我國典型農(nóng)田土壤中有機(jī)物料腐解特征及驅(qū)動(dòng)因子. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(9): 1564-1573. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.008.

MA X, XU M G, ZHAO H L, DUAN Y H. Decomposition characteristics and driving factors of organic materials in typical farmland soils in China. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(9): 1564-1573. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.008. (in Chinese)

[32] 王金達(dá), 劉淑霞, 劉景雙, 于君寶. 用δ13C方法研究黑土添加有機(jī)物料后有機(jī)碳的變化規(guī)律. 土壤通報(bào), 2005, 36(3): 333-336. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2005.03.011.

WANG J D, LIU S X, LIU J S, YU J B. Dynamic change of soil organic carbon in Black soils by δ13C method. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(3): 333-336. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2005.03.011. (in Chinese)

[33] MARSCHNER P, UMAR S, BAUMANN K. The microbial community composition changes rapidly in the early stages of decomposition of wheat residue. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(2): 445-451. DOI: 10.1016/j.soilbio.2010.11.015.

[34] 程娜, 李雙異, 安婷婷, 朱平, 葛壯, 劉旭, 張維俊, 郭昆, 汪景寬. 不同施肥處理土壤覆膜后秸稈碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn). 水土保持學(xué)報(bào), 2020, 34(2): 195-200. DOI: 10.13870/j.cnki.stbcxb.2020.02.028.

CHENG N, LI S Y, AN T T, ZHU P, GE Z, LIU X, ZHANG W J, GUO K, WANG J K. Contribution of straw carbon to soil organic carbon in different fertilization treatments with plastic film mulching. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(2): 195-200. DOI: 10.13870/j.cnki.stbcxb.2020.02.028. (in Chinese)

[35] 楊艷華, 蘇瑤, 何振超, 喻曼, 陳喜靖, 沈阿林. 還田秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化分配及對土壤有機(jī)碳庫影響的研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2019, 30(2): 668-676. DOI: 10.13287 /j.1001－9332.201902.026.

YANG Y H, SU Y, HE Z C, YU M, CHEN X J, SHEN A L. Transformation and distribution of straw-carbon in soil and the effects on soil organic carbon pool. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(2): 668-676.DOI: 10.13287 /j.1001－9332.201902.026. (in Chinese)

[36] 王金洲. 秸稈還田的土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)特征[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

WANG J Z. Soil organic carbon turnover under straw return[D]. Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese)

[37] ZHENG L H, PEI J B, JIN X X, SEAN S, AN T T, WANG J K. Impact of plastic film mulching and fertilizers on the distribution of straw derived nitrogen in a soil-plant system based on15N-labeling. Geoderma, 2018, 317: 15-22. DOI: 10.1016/j.geoderma.2017.12.020.

[38] 陳興麗, 周建斌, 劉建亮, 高忠霞, 楊學(xué)云. 不同施肥處理對玉米秸稈碳氮比及其礦化特性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(2): 1-6.

CHEN X L, ZHOU J B, LIU J L, GAO Z X, YANG X Y. Effects of fertilization on carbon/nitrogen ratio of maize straw and its mineralization in soil. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(2): 1-6. (in Chinese)

[39] LEMKE R L, VANDENBYGAART A J, CAMPBELL C A, LAFOND G P, GRANT B. Crop residue removal and fertilizer N: Effects on soil organic carbon in a long-term crop rotation experiment on a Udic Boroll. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2010, 135(1-2): 42–51. DOI: 10.1016/j.agee.2009.08.010.

[40] SCHIPPER L A, SPARLING G P. Accumulation of soil organic C and change in C:N ratio after establishment of pastures on reverted scrubland in New Zealand. Biogeochemistry, 2011, 104, 49-58. DOI: 10.1007/s10533-009-9367-z.

[41] LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science, 2004, 304, 1623-1627.

[42] 陳林, 楊新國, 翟德蘋, 宋乃平, 楊明秀, 候靜. 檸條秸稈和地膜覆蓋對土壤水分和玉米產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 108-116. DOI: 10.3969/j.issn.1002-6819.2015.02.016.

CHEN L, YANG X G, ZHAI D P, SONG N P, YANG M X, HOU J. Effects of mulching withpowder and plastic film on soil water and maize yield. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(2): 108-116. DOI: 10.3969/j.issn.1002-6819.2015.02.016. (in Chinese)

[43] HAI L, LI X G, LIU X E, JIANG X J, GUO R Y, JING G B, RENGEL Z, LI F M. Plastic mulch increase soil nitrogen mineralization in a semiarid environment. Agronomy Journal, 2015, 107: 921-930. DOI: 10.2134/agronj14.0538.

[44] ZHANG H Y, LIU Q J, YU X X, LU G, WU Y Z. Effects of plastic mulch duration on nitrogen mineralization and leaching in peanut () cultivated land in the Yimeng Mountainous Area, China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 158: 164-171. DOI: 10.1016/j.agee.2012.06.009.

[45] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, Shen J L, Han W X, Zhang W F, Christie P, Goulding K W T, Vitousek P M, Zhang F S. Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 2010, 327(5968): 1008-10. DOI: 10.1126/science.1182570.

[46] 沈新磊, 黃思光, 王俊, 凌莉, 李世清, 李鳳民. 半干旱農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)地膜覆蓋模式和施氮對小麥產(chǎn)量和氮效率的效應(yīng). 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 31(1): 1-13. DOI: 10. 13207/j.cnki. jnwafu.2003.01.002.

SHEN X L, HUANG S G, WANG J, LING L, LI S Q, LI F M. Effects of plastic film mulching models and nitrogen fertilizer on wheat yield and nitrogen efficiency. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2003, 31(1): 1-13. DOI: 10. 13207 /j.cnki.jnwafu.2003.01.002. (in Chinese)

[47] 汪景寬, 張旭東, 張繼宏, 須湘成, 范冬梅, 祝鳳春. 覆膜對有機(jī)物料的腐解及土壤有機(jī)質(zhì)特性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料科學(xué), 1995, 1(3-4): 22-28．

WANG J K, ZHANG X D, ZHANG J H, XU X C, FAN D M, ZHU F C. Effects of covering with plastic film on decomposition of organic materials and characteristics of soil organic matter. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 1995, 1(3-4): 22-28. (in Chinese)

[48] 呂殿青, 張樹蘭, 楊學(xué)云. 外加碳、氮對土壤氮礦化、固定與激發(fā)效應(yīng)的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13(2): 223-229．

Lǘ D Q, ZHANG S L, YANG X Y. Effect of supplying C and N on the mineralization, immobilization and priming effect of soil nitrogen. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(2): 223-229. (in Chinese)

Effects of Plastic Film Mulching and Fertilization on the Sequestration of Carbon and Nitrogen from Straw in Soil

WANG ShuYing, LI XiaoHong, CHENG Na, FU ShiFeng, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/ Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affair/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

【】Crop straws not only contain high content of organic carbon (C), but also are rich in mineral nutrients. Straw returning to field is an important technique for improvement of soil fertility and sustainable development of agriculture in the region of Black Soil in Northeast China. However, the sequestration and characteristics of C and nitrogen (N) from straw in soil under different plastic film mulching and fertilization treatments were not clear. In this study, the contributions of straw C to soil organic C (SOC) and straw N to soil total nitrogen (TN) were quantified to compare the differences of straw C and N in soil among different mulching and fertilization treatments, so as to provide a basis for improvement of soil fertility and protection of Black Soil in Northeast China.【】Based on a long-term mulching and fertilization experiment, the13C15N double-labeled straw was added to the topsoil (0-20 cm) from the different fertilization treatments, including no fertilization (CK), chemical N fertilizer application (N4), and organic manure combined with chemical N fertilizer (M2N2), with/without mulching, and then which were incubatedin the field for 150 days. The contents of SOC and TN and the values of δ13C and δ15N were measured to analyze the dynamics changes of SOC derived from straw C (13C-SOC), TN derived from straw N (15N-TN) and their ratio with time.【】Fertilization, mulching and their interactions significantly influencedthe contents of13C-SOC and15N-TN (<0.05). During the whole incubation period, the contribution percentage of13C-SOC to SOC (13C-SOC/SOC) and that of15N-TN to TN (15N-TN/TN) were 10.48% and 3.18% under M2N2treatment, respectively; the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil under fertilization (N4and M2N2) treatments were on average 12.65% and 37.14% under mulching, and averaged 12.08% and 34.50% under no mulching, respectively. On the 150thday of incubation under the same cultivation mode, the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil were on average 14.33% and 39.40% under N4treatment and averaged 11.77% and 33.21% in the other fertilization treatments, respectively;15N-TN/TN under CK treatment was with an average of 4.56%, and was 26.00% and 44.53% higher than that in N4and M2N2treatments. The residual percentage of straw N was the highest under CK treatment with/without mulching, with an average of 10.03%, which was the lowest under N4treatment without mulching, with a value of 7.87% on the 150thday of incubation. Regardless of mulching or not, the ratio of13C-SOC to15N-TN ranged from 32 to 39 in N4treatment, but was lower than 30 in the other fertilization treatments. 【】The sequestrations of straw C and N in soil were sensitive to mulching and fertilization. The single application of chemical N fertilizer promoted the accumulation of straw C and the renewal of organic C in soil, and the long-term no fertilization played a positive feedback effect on the sequestration of straw N in soil N pool, while the renewal of soil organic C and N in organic manure combined with chemical N fertilizer lagged behind that in the other fertilization treatments.

13C15N double-labeling; straw carbon; straw nitrogen; plastic film mulching; fertilization

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.02.010

2020-05-07；

2020-08-18

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41771328、41977086）、遼寧省科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（LSNQN202008）

王淑穎，E-mail：wsy585313@163.com。通信作者安婷婷，E-mail：atting@syau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）