郭戎博，李國棟，潘夢雨，鄭險峰，王朝輝,2，何剛,2

秸稈還田與施氮對耕層土壤有機碳儲量、組分和團聚體的影響

郭戎博1，李國棟1，潘夢雨1，鄭險峰1，王朝輝1,2，何剛1,2

1西北農林科技大學資源環(huán)境學院/農業(yè)農村部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100

【目的】秸稈還田配施氮肥的固碳研究結果存在爭議，為此展開本研究，旨在揭示秸稈還田配施氮肥對農田土壤固碳能力的影響以及固碳機理，為秸稈還田配施氮肥固碳研究提供依據(jù)。【方法】依托11年的長期定位試驗，采用裂區(qū)設計，主處理為秸稈處理方式（還田與不還田），副處理為3個施氮水平，分別為不施氮（N0）、施氮 168 kg·hm-2（N168）、336 kg·hm-2（N336，過量施氮）?！窘Y果】施用氮肥較不施氮肥小麥增產14.4%—19.5%，秸稈還田對產量影響不顯著。秸稈還田顯著提高土壤碳累積投入量70.8%（＜0.05），但對土壤有機碳儲量影響不顯著。與不施氮相比，施用氮肥分別顯著提高土壤碳累積投入量和土壤有機碳儲量7.7%—8.5%（＜0.05）和4.7%—8.1%（＜0.05）。施用氮肥顯著提高土壤固碳速率32.7%—56.1%（＜0.05），過量施氮（N336）顯著提高土壤固碳效率51.8%（＜0.05）；秸稈還田顯著降低了土壤固碳效率30.9%（＜0.05）。施氮和秸稈還田均能提升土壤碳庫容量，N0和N168處理已經達到碳飽和狀態(tài)。秸稈還田后土壤可溶性有機碳（DOC）、微生物量碳（MBC）、易氧化有機碳（EO）含量分別提高4.6%、11.2%、4.5%。與不施氮（N0）相比，施氮（N168）和過量施氮（N336）的DOC分別提高14.1%、29.5%；MBC分別平均降低14.0%、28.0%；EO分別提高8.2%和11.5%。秸稈還田有利于土壤DOC/SOC、微生物熵的提高。施用氮肥有利于DOC/SOC的提升，但降低了微生物熵。秸稈還田與施用氮肥均對土壤EO/SOC沒有影響。秸稈還田和施氮均有利于大團聚體（＞0.25 mm）的提升，秸稈還田顯著提升了大團聚體的有機碳含量5.2%。秸稈不還田下團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）隨著氮水平增加表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，還田下則表現(xiàn)為隨氮水平的增加而增加，秸稈還田分別提升團聚體MWD和GMD 8.8%和7.5%，施用氮肥相較不施氮對MWD和GMD分別提升14.1%—22.7%和16.8%—23.4%。秸稈還田和施氮均能提高有機碳在大團聚體的分布?！窘Y論】秸稈還田配施氮肥可以通過增加碳投入量，提高活性有機碳含量，降低微生物活性，提高團聚體對有機碳的保護來提高耕層碳儲量。

秸稈還田；氮肥；耕層；碳儲量；活性碳組分；團聚體

0 引言

【研究意義】隨著溫室效應帶來諸多問題，土壤固碳成為近年來人們關注焦點。土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其固碳能力微小的變化影響著溫室效應[1]。據(jù)估計，全球1 m土層有機碳含量增加0.4%，便可使大氣CO2濃度不再增加[2]。農田土壤碳庫是土壤碳庫中最活躍、受人類活動和外界影響最大的碳庫[3]，因此農田土壤固碳被國際糧農組織認為是經濟有效的固碳方法[4]。由于受人為影響劇烈，耕層有機碳對農業(yè)措施的影響敏感，因此耕層有機碳的研究十分重要?！厩叭搜芯窟M展】秸稈作為農副產品，資源豐富，含有大量的有機碳和養(yǎng)分[5]。秸稈還田在提高農田土壤碳儲量上具有重大潛力[6]，LIU等[7]對秸稈還田固碳進行Meta分析認為，秸稈還田平均提升土壤有機碳（SOC）12.8%，活性有機碳提升27.4%—56.6%。甘肅連續(xù)的玉米秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn)秸稈還田時間越長、土壤有機質提升效果越好[8]。由于秸稈C/N高，還田后會造成N限制，引起微生物與作物爭氮和激發(fā)效應[9-10]，秸稈還田需配施氮肥。氮肥的施用作為人為因素影響著秸稈還田的固碳效果。新疆的長期定位試驗表明[11]秸稈直接還田下土壤有機碳含量隨施氮量的增加而增加。關于施氮提高有機碳含量的原因有很多，HU等[12]認為施用氮肥改善了不穩(wěn)定的SOC官能團和化合物，并通過提高土壤微生物豐度促進了SOC在更穩(wěn)定組分中的固存。ZHENG等[13]認為秸稈還田配施氮肥促進了團聚體對有機碳的保護。施用氮肥也會對土壤固碳產生負面影響，戴相林等[14]等認為增加施氮量會顯著提高溫室氣體的排放，從而降低固碳效果。王桂紅[10]認為秸稈還田配施低水平氮肥能降低土壤礦化的激發(fā)強度，高水平氮激發(fā)效應增大不利于土壤碳固持?？梢娛┯玫蕦斩掃€田固碳效果和機理存在爭議，因此需要更多這方面的研究。【本研究切入點】氮肥施用對秸稈還田固碳產生重要影響，目前關于不同施氮量對于秸稈還田的固碳效果的相關文獻較少，對于固碳機理缺少綜合考慮，并且多為短期或培養(yǎng)試驗。【擬解決的關鍵問題】本文依托11年長期定位試驗，研究秸稈還田和不同氮施用量對土壤有機碳儲量、固碳速率、固碳效率、碳飽和點、活性碳組分、土壤團聚體的影響，為秸稈還田下合理氮肥用量提高土壤固碳能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于陜西省周至縣終南鎮(zhèn)（東經108°22′04″，北緯34°07′20″），該區(qū)域屬于半濕潤易旱氣候。當?shù)啬昃鶜鉁?3 ℃，無霜期225 d，平均海拔524 m，降水量674 mm。試驗于2011年開展秸稈還田配施氮肥定位試驗，種植體系為冬小麥-夏玉米輪作，一年兩熟。土壤類型為褐土，試驗開展前耕層土壤基本理化性質為：有機碳10.78 g·kg-1，全氮1.13 g·kg-1，硝態(tài)氮4.03 mg·kg-1，有效磷8.51 g·kg-1，速效鉀188 mg·kg-1，pH 7.28，土壤容重1.21 g·cm-3，土壤有機碳儲量26.39 t·hm-2。

1.2 試驗設計

試驗于2011年10月開展。采用裂區(qū)設計，主處理為玉米秸稈還田和不還田，還田處理是將上茬玉米秸稈粉碎后深翻（30 cm）全量還田（S，年均還田量3.48 t·hm-2），還田后撒施底肥旋耕20 cm，再用播種機播種小麥；不還田處理是將秸稈全部移出田塊，其他耕作措施與還田處理一致。副處理為3個氮水平，施氮量分別為0、168、336 kg N·hm-2，分別用N0、N168、N336表示，共6個處理。所有處理磷、鉀肥用量一致。2011年磷肥用量為150 kg P2O5·hm-2，鉀肥用量135 kg K2O·hm-2。2012—2021年調整為100 kg P2O5·hm-2，75 kg K2O·hm-2。氮、磷、鉀肥種類分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，其中磷、鉀肥在小麥播種前作為底肥一次性施入，氮肥60%作為底肥，40%于小麥拔節(jié)期追肥。冬小麥播種量根據(jù)當年播種品種和播種時間決定，2012—2022年玉米秸稈還田量為5.5、4.91、8.06、11.29、7.84、9.58、6.97、6.38、8.96、9.83和6.83 t·hm-2。小麥生育期內不灌水。收獲小麥后種植夏玉米，品種為鄭丹958，機械播種播量為45 kg·hm-2，每年玉米施氮量為108 kg N·hm-2，施磷量為138 kg P2O5·hm-2。作物生長期間管理措施與農戶一致。

1.3 測定項目

小麥完熟期計產，在每一個小區(qū)中隨機選取3個1 m×1 m具有代表性的區(qū)域測產。待小麥植株風干后脫粒、稱重得到風干樣產量。取部分籽粒于65 ℃烘干至恒重，測定植株含水量，計算小麥籽粒產量。在玉米成熟后計算產量和秸稈還田量。

2022年小麥收獲后，在每個小區(qū)使用土鉆采集耕層（0—20 cm）土樣，按照“S”形5點取樣，將土樣均勻混合后分為兩份，一份鮮土過2 mm篩低溫保存用于測定微生物量碳和可溶性有機碳，另一份風干后研磨過0.15 mm篩用于測定土壤有機碳和易氧化有機碳。土壤有機碳和團聚體有機碳含量（團聚體的有機碳測定值）測定使用重鉻酸鉀-外加熱法測定[15]；土壤微生物量碳采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法測定[16]，未熏蒸的浸提液中的可溶性有機碳（DOC）采用島津TOC-VCPH有機碳分析儀測定，由熏蒸與未熏蒸浸提液DOC的差值除以轉化系數(shù)0.45計算出微生物量碳（MBC）[17]；易氧化碳使用0.333 mol·L-1KMnO4氧化-比色法測定[18]。

2022年小麥收獲后，在每個小區(qū)耕層采取原狀土。將采集的原狀土壤沿自然結構掰成小土塊，過8 mm篩，自然風干。風干后用濕篩將原狀土分為＞2、2—1、1—0.5、0.5—0.25和＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體。將篩子中的土洗出，在50 ℃下烘干冷卻后稱取土壤團聚體質量。團聚體中的有機碳含量（為該粒徑下的有機碳測定濃度）使用重鉻酸鉀-外加熱法測定[15]。

1.4 計算公式與數(shù)據(jù)分析

1.4.1 有機碳投入量

有機碳投入量：Cinput= Cinputstraw+Cinputcrop

Cinputstraw=Bstraw×Cstraw

Cinputcrop=(YB×R×Dr+YS×RS)×Ccrop

有機碳投入量（Cinput）由兩個部分組成，其一源自玉米秸稈還田投入的碳（Cinputstraw），另一部分由小麥和玉米生長期間通過根系、根茬殘留和根系分泌物向土體中輸入的碳（Cinputcrop）。Bstraw為秸稈還田量，Cstraw為玉米秸稈碳含量0.444 g·g-1。YB和YS分別為作物的生物量和秸稈產量，R為作物光合產物進入地下的比例（小麥為0.3，玉米為0.26），Dr為耕層根系占地下部的比例（小麥為0.753，玉米為0.851），RS為留茬占秸稈的比例（小麥為0.183，玉米為0.03），Ccrop為整個植株的碳含量（小麥碳含量為0.399 g·g-1，玉米碳含量為0.444 g·g-1）[19]。

1.4.2 耕層碳儲量，固碳速率和固碳效率

有機碳儲量：SOCS=SOC×BS×H×10

固碳量：ΔSOCS= SOCS-2022-SOCS-2011

固碳速率：SOCSR=ΔSOCS/a

固碳效率：SOCSE=ΔSOCS/Cinput

式中，SOCS、ΔSOCS、SOCSR、SOCSE分別為有機碳儲量、固碳量、固碳速率、固碳效率。SOC、BD、H分別為耕層有機碳含量（g·kg-1）、容重（g·cm-3）、土層厚度（20 cm）。SOCS-2022、SOCS-2011分別為2022年碳儲量和2011年碳儲量。a為試驗進行的年數(shù)[6]。

1.4.3 團聚體相關指標

各級水穩(wěn)性團聚體質量比例（%）=各級團聚體質量（g）/土壤樣品總質量（g）×100

平均重量直徑（MWD）=∑=1(×)

幾何平均直徑（GMD）=exp[∑=1ln(×)]

為第個篩子上的團聚體平均直徑，為第個篩子上的重量百分比[20]。

1.4.4 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel處理，用DPS軟件進行裂區(qū)試驗方差分析，秸稈還田為主區(qū)，施氮量為裂區(qū)，方差分析采用最小顯著差異法（LSD）在＜0.05水平上進行多重比較。采用Origin2021進行作圖，土壤有機碳儲量變化量與碳投入量的關系用非線性Logistic曲線和線性直線進行擬合。

2 結果

2.1 作物產量和碳累積輸入量

通過圖1-a可知，各處理的11年小麥產量存在差異，11年平均產量分別為N0（5.69 t·hm-2）、N168（6.8 t·hm-2）、N336（6.51 t·hm-2）、S+N0（5.47 t·hm-2）、S+N168（6.6 t·hm-2）、S+N336（6.65 t·hm-2）。相較于不施肥N0處理，還田與不還田的兩種氮水平N168與N336均提高小麥產量（增產范圍14.4%—19.5%）。由表1可知，秸稈還田以及秸稈還田和施氮的交互作用對產量的影響均不顯著。

施用氮肥通過影響小麥根系分泌物碳以及殘茬碳，改變累積碳輸入量。而秸稈還田除了將玉米秸稈中的碳直接輸入土壤中外，同樣也可以通過影響小麥根系殘茬碳以及根系分泌物碳，提高碳輸入量。通過圖1-b可知，與N0相比，N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336的碳累積輸入量分別提高11.7%、8.6%、72.9%、84.7%、85.3%。

箱形圖的實線和虛線分別表示中位數(shù)和平均值。箱形圖的上邊界和下邊界分別表示75%和25%的四分位數(shù)。箱形圖的上緣和下緣分別表示95%和5%的百分位數(shù)。不同小寫字母表示不同處理之間的差異顯著（P＜0.05）。下同

*表示差異顯著（＜0.05）,**表示差異極顯著（＜0.01），NS表示無顯著差異

* Indicates significant difference (＜0.05), ** Indicates very significant difference (＜0.01), NS indicates no significant difference

2.2 秸稈還田配施氮肥對碳儲量、固碳量、固碳速率和固碳效率的影響

土壤有機碳儲量隨著氮投入量的增加而增加（表2），秸稈還田能夠提高土壤有機碳儲量但不顯著（表1）。處理S+N336、N336、S+N168相比N0均能顯著提高土壤有機碳儲量（＜0.05）分別提高11.7%、10.6%、9.0%。適量施氮（168 kg N·hm-2）和過量施氮（336kg N·hm-2）相比不施氮（0kg N·hm-2）均能顯著提高土壤碳儲量（＜0.05），對其提高分別為4.7%和8.1%。秸稈還田相比不還田平均提高了2.9%但未達到顯著水平，秸稈還田和施用氮肥對有機碳儲量沒有交互效應（表1）。本試驗土壤有機碳初始碳儲量為26.39 t·hm-2（2011年），各處理固碳量為當前有機碳儲量減去初始碳儲量，土壤固碳量隨著氮投入的提高而增加，處理N336、S+N168、S+N336的固碳量相比于N0處理分別顯著增加47%、42%、49%（＜0.05）（表2）。適量施氮和過量施氮的固碳量相較于不施氮均顯著增加（＜0.05），分別增加33%和56%，秸稈還田對固碳量的增加不顯著，秸稈還田和施用氮肥對固碳量沒有交互效應（表1）。固碳速率為固碳量除以試驗進行時間。經過11年的長期定位試驗后土壤的固碳速率隨著施氮量的增加。各處理的固碳速率較N0分別提高51.5%（N168）、87.4%（N336）、45.2%（S+N0）、73.9（S+N168）、95.4%（S+N336），其中S+N336、N336和S+N168處理顯著提高固碳速率（＜0.05）。施用氮肥較不施氮顯著提高了固碳速率32.7%—56.1%（＜0.05），秸稈還田對固碳速率的提高不顯著，秸稈還田和施用氮肥對固碳速率沒有交互效應（表1）。固碳量除以累積碳投入量為固碳效率。處理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336的固碳效率較N0分別提高40.9%、73.7%、-15.4%、-5.0%、6.6%。N336相比N0對固碳效率的提高達到顯著水平（＜0.05）。過量施氮處理（336 kg N·hm-2）顯著提高了固碳效率（＜0.05），秸稈還田顯著降低了固碳效率（＜0.05），還田和施用氮肥對固碳效率沒有交互效應（表1）。

表2 秸稈還田配施氮肥對耕層有機碳儲量、固碳量、固碳速率和固碳效率的影響

不同小寫字母表示不同處理差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant differences in different treatments (＜0.05). The same as below

2.3 土壤有機碳儲量與碳累積投入量的關系

土壤有機碳儲量變化量隨碳投入量的增加呈不同的變化趨勢（圖2）。由圖2-f可知，S+N336的有機碳儲量的變化量隨著碳投入量的增加而線性增加，而N336、S+N0、S+N168的有機碳儲量（圖2-c、2-d、2-e）變化量隨著碳投入量的增加呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢，N0和N168（圖2-a、2-b）的有機碳儲量變化量隨著碳投入量的增加呈現(xiàn)前期快速增加中期緩慢增加后期保持不變的趨勢。通過擬合曲線的方程可以得到除S+N336外的預計碳儲量飽和點。N0、N168、N336、S+N0、S+N168的預計碳儲量飽和點分別為30.49、31.96、35.34、32.96和34.02 t·hm-2。S+N336在未達到飽和閾值前保持當前的固碳效率繼續(xù)增長，通過比較當前的碳儲量與預計碳飽和點可以認為處理N0和N168可能已達到碳飽和的狀態(tài)，而其余處理下土壤有機碳儲量還有提升的空間。

有機碳儲量變化量為當前有機碳儲量與初始有機碳儲量之差

2.4 秸稈還田配施氮肥對活性碳組分的影響

秸稈還田可提高土壤耕層有機碳含量，并且能提高耕層的活性碳含量（圖3）。各處理的土壤有機碳相比較N0處理分別提高了6.2%（N168）、10.6%（N336）、5.5%（S+N0）、9.0%（S+N168）、11.6%（S+N336），其中S+N336處理達到了顯著水平（＜0.05），秸稈還田下SOC較不還田平均提高2.9%，適量施氮和過量施氮較不施氮分別平均提高4.7%、8.1%，達到顯著水平（＜0.05）。

秸稈還田下土壤可溶性有機碳較不還田平均提高4.61%。適量施氮（168 kg N·hm-2）和過量施氮（336 kg N·hm-2）較不施氮分別提高14.1%、29.5%，其中N336處理達到顯著水平（＜0.05），各處理的DOC較N0分別提高12.1%（N168）、25.7%（N336）、1.1%（S+N0）、17.4%（S+N168）、34.8%（S+N336）。

圖3 秸稈還田配施氮肥對耕層有機碳含量和活性碳組分的影響

秸稈還田顯著提高土壤微生物量碳（表1），平均提高11.2%（＜0.05），土壤微生物量碳隨著施氮量的增加而降低，適量施氮和過量施氮平均分別降低14.0%、28.0%，N336達到顯著水平（＜0.05）。相較于N0處理，處理N168、S+N336、N336對MBC的降低達到顯著水平（＜0.05）。還田處理的易氧化碳較不還田平均提高了4.5%，施氮提高了易氧化碳的含量，適量施氮（N168）和過量施氮（N336）相較于不施氮（N0）分別提高了8.2%和11.5%，N336的提高達到了顯著水平（＜0.05），相較于N0處理，N336、S+N168、S+N336對易氧化碳的提高達到了顯著水平（＜0.05）。

表3為不同處理下活性碳組分比例。從表3中可知，處理S+N336的DOC/SOC顯著高于N0和S+N0（＜0.05），過量施氮相比不施氮顯著提高了可溶性有機碳在土壤有機碳中的占比，平均提高19.1%（＜0.05），適量施氮和秸稈還田對可溶性有機碳在土壤有機碳中的占比影響不顯著。處理N336的微生物熵顯著低于處理N0和S+N0（＜0.05），秸稈還田下微生物熵較不還田平均提高了8.1%，微生物熵隨著施氮量的增加而降低，適量施氮（168 kg N·hm-2）和過量施氮（336 kg N·hm-2）相較不施氮分別平均下降18.6%、32.3%，N336達到顯著水平（＜0.05）。各處理對易氧化碳在土壤有機碳中的占比沒有影響。

2.5 秸稈還田配施氮肥對耕層水穩(wěn)性團聚體的影響

秸稈還田配施氮肥影響耕層水穩(wěn)性團聚體的分布（表4）。所有處理中，微團聚體（＜0.25 mm）的含量最高（29.7%—41.9%），大團聚體（＞0.25 mm）的含量從大到小依次為粒級1—0.5、0.5—0.25、2—1 和＞2 mm的團聚體。相比于N0處理，N168、N336、S+N168、S+N336均顯著提高了土壤大團聚體的含量（＜0.05），分別提高14.8%、13.9%、14.7%、21.0%，適量氮水平（168 kg N·hm-2）和過量氮水平（336 kg N·hm-2）均顯著提高大團聚體含量（＜0.05）。秸稈還田對大團聚體整體影響不顯著，但顯著提高了粒級2—1 mm大團聚體含量（＜0.05）。

秸稈還田配施氮顯著影響了土壤團聚體中有機碳的含量（表4）。所有處理的大團聚體有機碳含量隨著粒級減少而降低，微團聚體除S+N0處理外有機碳含量均少于粒級為0.5—0.25 mm的大團聚體。處理間微團聚體有機碳含量大小順序為S+N336＞S+N168＞N0＞N168＞S+N0＞N336（10.7—12.1 g·kg-1），處理N168、S+N0、N336的微團聚體有機碳含量均與S+N336呈顯著差異（＜0.05），秸稈還田顯著提高了微團聚體有機碳含量，施氮對微團聚體有機碳含量影響不顯著。處理間大團聚體有機碳含量大小順序為S+N336＞S+N168＞S+N0＞N0＞N336＞N168（12.2—13.3 g·kg-1），處理S+N336大團聚體有機碳顯著高于N0、N336、N168（＜0.05），處理S+N168顯著高于N168（＜0.05），秸稈還田顯著提高了大團聚體有機碳含量，施氮對大團聚體有機碳含量影響不顯著。

表3 秸稈還田配施氮肥對土壤活性有機碳組分占比的影響

表4 秸稈還田配施氮肥對團聚體組成、有機碳含量和分配的影響

所有處理的有機碳主要分布在大團聚體（＞0.25 mm）中，各處理有機碳在大團聚體中分布由大到小依次為S+N336、N336、S+N168、N168、S+N0、N0（60.9%—72.8%），其中處理N168、N336、S+N168、S+N336較N0均能顯著提高有機碳在大團聚體中的分布（＜0.05），處理S+N336的有機碳在大團聚體中的分布顯著高于S+N0（＜0.05）。適量施氮（168kg N·hm-2）和過量施氮（336 kg N·hm-2）均能顯著提高有機碳在大團聚體的分布（＜0.05），秸稈還田對其提高不顯著。有機碳在1—0.5 mm粒級大團聚體分配的比例最高，在＞2 mm粒級大團聚體分布的最少。秸稈還田和適量施氮（168 kg N·hm-2）顯著提高了2—1 mm和1—0.5 mm大團聚體有機碳的分布（＜0.05），過量施氮處理（336 kg N·hm-2）均能提高除0.5—0.25 mm團聚體外，其他粒級大團聚體的有機碳分布（＜0.05）。適量施氮（168 kg N·hm-2）和過量施氮（336 kg N·hm-2）均顯著減少了有機碳在微團聚體中的分布（＜0.05）。

秸稈還田和施用氮肥提高了團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑，處理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336相比N0對平均重量直徑分別提高了19.1%、11.7%、5.0%、14.9%、39.9%，N168和S+N336達到顯著水平（＜0.05），S+N336的平均重量直徑顯著高于其他處理（＜0.05），適量氮處理（168 kg N·hm-2）、高氮處理（336 kg N·hm-2）、秸稈還田處理均顯著提高平均重量直徑（＜0.05）。處理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336相比N0對幾何平均直徑分別提高了21.1%、16.3%、5.9%、19.3%、37.8%，處理N168、N336、S+N168、S+N336均達到顯著水平（＜0.05），S+N336的幾何平均直徑顯著高于其他處理（＜0.05），適量氮處理（168 kg N·hm-2）和過量施氮（336 kg N·hm-2）均能顯著提高幾何平均直徑（＜0.05），秸稈還田對其提高不顯著。

圖4 秸稈還田配施氮肥對團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑的影響

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對耕層有機碳的影響

秸稈還田能促進耕層土壤固碳[6-7,13]，本研究施氮顯著提高耕層土壤有機碳儲量、固碳速率、固碳效率，秸稈還田對耕層碳儲量和固碳速率的提升不顯著，顯著降低了固碳效率。研究認為施用氮肥可通過增加作物地上部凋落物、根茬、根系分泌物和還田量來提高土壤有機碳[21]，本研究中秸稈還田配施氮肥對冬小麥產量產生了影響，施氮顯著增加小麥產量，高氮相比適量施氮的小麥有減產趨勢。盡管秸稈中含有大量的碳[22]，還田可顯著提高土壤碳投入量，但由于環(huán)境、農作方式、還田年限、起始有機碳濃度的不同，秸稈還田對于土壤有機碳提高的效果也不同[23]。本試驗秸稈還田平均提高有機碳儲量2.9%，這是由于秸稈還田在向土壤中輸入大量碳的同時，增強了土壤微生物的活性，增強了對有機碳的礦化作用[24]。除了還田與否造成的碳投入量的變化，裂區(qū)處理的3個不同氮水平則會引起碳氮投入比值發(fā)生改變。土壤微生物生長繁殖時除了需要碳源外，氮源也是必不可少的。起初微生物缺少的氮素可以通過土壤無機氮進行補充，但微生物活性隨著碳投入的增多而提高[25]，土壤無機氮無法滿足，需礦化土壤有機質滿足微生物的氮素需求[26]。因此較高的投入C/N會降低土壤有機碳含量。本文中施氮提高了有機碳含量可能是由于降低了投入C/N，滿足了微生物對氮素的需求，減少了有機碳的分解，從而提高了土壤固碳。文中單施化肥和秸稈還田配施化肥的固碳速率平均分別為0.484和0.568 t·hm-2·a-1，單施化肥與金琳等[27]對中國農田固碳速率的估算之間差異較大（施用化肥0.129 t·hm-2·a-1，秸稈還田0.597 t·hm-2·a-1)，秸稈還田處理的固碳速率較為接近。涇陽的11年長期定位試驗秸稈還田的固碳效率為7.5%[28]，固碳效率與本試驗接近（本試驗固碳效率為7.0%— 8.8%）。有研究認為影響固碳效率的有氣候、土壤性質、耕作措施、有機物料的性質等因素[29]。趙雅雯等[30]的研究發(fā)現(xiàn)小麥根系的固碳效率16.9%，大于玉米根系11.2%和玉米秸稈11.4%的固碳效率，還田處理的大部分有機物料為秸稈碳，相比較不還田的根系殘留碳更容易被分解。另有研究認為碳投入量過大會降低固碳效率，當碳累積投入量超過83 t·hm-2這一閾值時，固碳效率相比之前降低了37.2%[31]。本試驗中秸稈還田處理平均碳累積投入量為79.3 t·hm-2，相比較不還田平均降低了固碳效率30.9%。有研究認為施用氮肥可以緩解因有機物物料的高C/N帶給土壤微生物的抑制，從而降低固碳效率[32]。本文中過量施氮處理顯著提高了固碳效率可能是因為過量施用氮肥導致土壤酸化抑制了土壤微生物活性從而提高了固碳效率[33]。碳飽和理論[34]認為土壤有機碳會隨著碳投入量的增加呈現(xiàn)線性加平臺的趨勢，與本試驗結果一致。SIX等[35]土壤有機碳的穩(wěn)定機制將土壤碳庫分為化學穩(wěn)定、物理保護、生物化學穩(wěn)定和游離態(tài)的4種碳庫，認為土壤碳飽和受這4種碳庫共同影響，一般認為化學穩(wěn)定碳庫由礦物數(shù)量、表面積和配體數(shù)量決定，難以被改變。因此不同措施對農田土壤碳飽和的影響主要決定于剩余的3個碳庫。前人試驗證明秸稈還田和施用氮肥均對這3種碳庫容量提升產生積極作用[36-37]，這與本文秸稈還田和施用氮肥能夠提高碳飽和點的結果一致。

3.2 秸稈還田配施氮肥對活性碳組分的影響

活性碳主要包括DOC、MBC、EO，因為其活性高在短時間內能對施肥和秸稈還田等耕作措施做出反應，常被當作土壤碳循環(huán)和養(yǎng)分轉化的敏感指標[38]。本文中秸稈還田提高了活性碳組分的含量，這與Liu等研究的結果一致[7]。MBC在一定程度上可以反映土壤微生物的數(shù)量與活性[39]，MBC的提高說明秸稈還田刺激了土壤微生物，促進了秸稈的分解，而微生物分解秸稈碳的產物正是活性碳的來源[25]。施用氮肥一方面可促進作物生長、提高有機碳輸入量，從而提高活性碳的含量。另一方面提高了土壤氮有效性、降低了因新鮮有機物料輸入土體的“正激發(fā)效應”，加快微生物對新鮮物料的腐解，提高活性有機碳含量[40]。本文中施氮顯著提高了DOC、EO的含量，但顯著降低MBC的含量（表1、圖3）。研究認為過量施用氮肥的硝化過程會顯著引起土壤pH降低[41]。有研究表明pH的降低會減少微生物數(shù)量和活性，抑制土壤呼吸，從而降低了微生物量碳含量，促進了其他組分有機碳的存埋[33]。本文中秸稈還田配施氮肥均提高了DOC和EO，但僅顯著提高了DOC/SOC，這可能由于DOC活性和移動性較強導致對處理更加敏感。施用氮肥和秸稈還田未能改變EO/SOC，這說明本試驗處理并未改變耕層土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象可能是由于秸稈還田提高了氨基酸、簡單糖等易氧化碳的投入，但也增加了纖維素，木質素等不易氧化的穩(wěn)定碳，盡管秸稈與根茬碳的組成不同，但由于還田提高了微生物活性同時也提高了微生物分解秸稈碳的機會，從而消除了這種差異。也有研究認為成分差異顯著的有機物料在經過微生物體內周轉后，化學成分和復雜程度會趨于相同[42]，而施用氮肥可能并未對這一過程產生影響。

3.3 秸稈還田配施氮肥對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是在生物和環(huán)境因子的共同作用下形成土壤基本結構[43]。土壤團聚體與土壤有機碳關系密不可分，前者是后者物理保護，防止被礦化的場所，后者是前者形成的重要膠結物質。本研究中施用氮肥顯著提高了大團聚體的含量、MWD和GMD，秸稈還田顯著提高了2—1 mm粒級團聚體含量，但對大團聚體含量、MWD和GMD的提高未達到顯著。在本研究中秸稈不還田下，過量施用氮肥（N336）的大團聚體含量、MWD和GMD有下降的趨勢，而秸稈還田下是隨著施氮量的增加而增高。有研究認為施用氮肥可以通過提高土壤有機質和促進根系生長來增強土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性[20]。本研究還田條件下氮對團聚體的影響可能是因為施氮增加了團聚體的有機膠結劑，提高了穩(wěn)定性。但不還田下有機膠結劑并未隨施氮量的增加而減少，這可能是因為過量施用氮肥抑制了微生物活性，尤其是抑制了真菌菌絲的形成，減少了微生物衍生結合劑[44]。本研究中秸稈還田未顯示影響團聚體穩(wěn)定性，可能是由于秸稈還田對有機碳領導儲量的提高不顯著導致的。

本研究中除了處理S+N0的微團聚體有機碳含量大于0.5—0.25 mm大團聚體外，團聚體有機碳含量均隨著粒徑的減小而降低。這與SIX的團聚體的動力學過程對有機碳分布的解釋一致[45]。有機物料在投入土體后先受到大團聚體的物理保護，然后慢慢轉化為保護性更強的微團聚體碳[46]。本研究有機碳主要分布在大團聚體中的結論與朱樹偉的結果相似[20]。有機碳主要在大團聚體中分布，可能是因為秸稈還田和施用氮肥提高了有機碳含量，有利于大團聚體的形成，同時施用氮肥降低微生物對有機碳的分解，增加了大團聚包裹有機碳進行物理保護的機會。

4 結論

施用氮肥顯著提升了小麥產量，從而提升了小麥根系碳輸入量。施氮和秸稈還田均顯著提高碳投入量，但僅施氮處理增加了耕層有機碳儲量，提高了固碳速率以及固碳效率，秸稈還田降低了固碳效率。秸稈還田和施氮均有利于土壤碳飽和點的提高。施氮量越高，碳飽和點越高。秸稈還田顯著提升了微生物量碳，施用氮肥顯著降低了微生物量碳。秸稈還田配施氮肥顯著提高了可溶性碳、易氧化碳含量，但未影響有機碳的氧化穩(wěn)定性。有機碳主要分布在大團聚體中。秸稈還田配施氮肥還通過提高團聚體對有機碳的物理保護提高碳儲量，秸稈還田可以緩解過量施用氮（336 kg N·hm-2）造成的團聚體穩(wěn)定性下降。

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Effects of Long-Term Straw Return and Nitrogen Application Rate on Organic Carbon Storage, Components and Aggregates in Cultivated Layers

GUO RongBo1, LI GuoDong1, PAN MengYu1, ZHENG XianFeng1, WANG ZhaoHui1,2, HE Gang1,2

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Area, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The results of carbon sequestration studies on combining straw returning with nitrogen fertilizer are controversial. Aimed at such problem, this experiment was carried out to reveal the effects of combining straw returning with nitrogen fertilizer on Carbon sequestration capacity and mechanism of farmland, so as to provide a reference for the future research.【Method】Based on 11 years of long-term positioning experiments, this paper adopted split-zone design, the main treatment included straw returning to soil and removal straw from field, and the subplots included three N application rate, which were no nitrogen (N0), 168 kg·hm-2(N168, nitrogen), and 336 kg·hm-2(N336, excessive nitrogen application).【Result】Compared with wheat without nitrogen fertilizer, wheat yield increased by 14.4%-19.5% with nitrogen fertilizer. The effect of straw returning to the field on yield was not significant. Straw returning significantly increased the cumulative input of soil carbon by 70.8% (＜0.05), but had no significant effect on soil organic carbon storage. Compared N0, the nitrogen application significantly increased soil carbon accumulation input and soil organic carbon storage by 7.7%-8.5% (＜0.05) and 4.7%-8.1% (＜0.05), respectively. The application of nitrogen fertilizer significantly increased the carbon fixation rate by 32.7%-56.1% (＜0.05), and N336 significantly increased the soil carbon fixation efficiency by 51.8% (＜0.05); straw returning to the field did not significantly improve the soil carbon fixation rate, but significantly reduced the carbon fixation efficiency by 30.9% (＜0.05). Both nitrogen application and straw returning could improve soil carbon pool capacity, and N0 and N168 have reached carbon saturation. The content of soluble organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC) and easily oxidized organic carbon (EO) in the soil increased by 4.6%, 11.2% and 4.5% respectively after returning straw to the field. Compared N0, DOC under N168 and N336 increased by 14.12% and 29.54% respectively; MBC decreased by 14.0% and 28.0% on average, respectively; EO increased by 8.2% and 11.5%, respectively. Straw returning to the field was beneficial to the improvement of soil DOC/SOC and microbial entropy. Applying nitrogen fertilizer was beneficial to the increase of DOC/SOC, but reduced the microbial entropy. Both straw returning and nitrogen fertilizer application had no effect on soil EO/SOC. Both straw returning and nitrogen application were beneficial to the improvement of macroaggregates (＞0.25 mm), and straw returning significantly increased the organic carbon content of macroaggregates by 5.2%. The average weight diameter (MWD) and geometric average diameter (GMD) of aggregates under non-return showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of nitrogen level, while under straw returning, it showed an increase with the increase of nitrogen level. Straw returning increased the MWD and GMD of aggregates by 8.8% and 7.5% respectively, and the application of nitrogen fertilizer increased the MWD and GMD by 14.1%-22.7% and 16.8%-23.4% respectively, compared with CK. Both straw returning and nitrogen application could improve the distribution of organic carbon in large aggregates. 【Conclusion】Straw returning with nitrogen fertilizer could increase carbon input, increase activated organic carbon content, reduce microbial activity, and improve the protection of organic carbon by aggregates.

straw returning; nitrogen fertilizer; tillage layer; carbon storage; activated carbon components; aggregates

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.20.009

2022-11-16；

2023-02-08

國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1900700）

郭戎博，E-mail：1229542936@qq.com。通信作者鄭險峰 ，E-mail：zhengxf@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯 李云霞）