砂姜黑土秸秆还田配施氮肥的固碳效应分析

李玮，乔玉强，陈欢，杜世州，赵竹，曹承富*

1. 安徽省农业科学院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽 合肥 230031

砂姜黑土秸秆还田配施氮肥的固碳效应分析

李玮1,2，乔玉强1,2，陈欢1,2，杜世州1,2，赵竹1,2，曹承富1,2*

1. 安徽省农业科学院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽 合肥 230031

以安徽蒙城砂姜黑土4年秸秆还田定位试验为研究对象，研究了秸秆还田配施不同氮肥水平条件下砂姜黑土耕层土壤容重、有机质组分的变化特征，分析了土壤有机质含量与土壤容重的相关性以及秸秆还田和氮肥施用对土壤碳库管理指数、固碳效应的影响。结果表明，秸秆还田（S）显著降低了土壤容重，不同施氮水平间，秸秆移除的土壤容重在1.24～1.31 g·cm-3之间，而秸秆还田在1.14～1.20 g·cm-3范围内，后者较前者下降2.50%～9.20%（p＜0.05），其中以秸秆还田配施N5（S+N 720 kg·hm-2）处理的降幅最高。S较秸秆移除（R）显著提高了耕层土壤有机质含量（TOM）和活性有机质（LOM）含量，增加幅度分别为2.38%～10.61%（p＜0.05） 和9.10%～44.74%（p＜0.05)，其中分别以配施N2（N 450 kg·hm-2）、N3（N 540 kg·hm-2）水平的幅度最高。相同施氮条件下，碳库管理指数（CPMI）S较R高出2.42%～87.68%（p＜0.05）；秸秆还田配施氮肥较秸秆还田不施氮肥显著提高了CPMI，提高幅度分别为41.71%、38.17%、74.62%、48.84%和48.86%（p＜0.05），并以配施N3处理的为最高，较 N1（N 360 kg·hm-2）、N2、N4（N 630 kg·hm-2）和N5高出23.22%、26.38%、17.33%和17.31% （p＜0.05）;秸秆还田配施氮肥处理的CPMI较R+N0依次高出2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44%和52.46%（p＜0.01）；秸秆移除各氮肥水平间的CPMI无显著差异。根据等质量土壤计算方法，等质量土壤为2615 Mg·hm-2（0～20 cm），秸秆还田配施氮肥增加了耕层等质量土壤有机碳储量，增加范围为6.58%～14.83%；秸秆还田配施氮肥较不施氮肥显著高出10.29%～16.35%（p＜0.05），较R+N0高出25.99%～32.91%（p＜0.01），均以配施N4水平的增幅最高；S+N0较R+N0提高14.23%（p＜0.05）。相关分析表明，SOM和LOM含量均随土壤容重的减小而增加，相关系数为0.5540和0.7575，分别呈显著线性负相关（p＜0.05）和极显著线性负相关（p＜0.01）。由此可见，秸秆还田可显著降低土壤容重，提高SOM、LOM和CPMI，有机质和活性有机质含量随土壤容重的增加递减；秸秆还田和施肥均可提高等质量2615 Mg·hm-2的土壤有机碳储量，秸秆还田以配施N4、N5高氮量时表现为最高，N1、N2和N3处理次之，不施肥最低；单施氮肥对提高等质量土壤的有机碳储量具有显著作用，但不及秸秆还田与氮肥配施的效果显著。

砂姜黑土；秸秆还田；氮肥水平；有机质组分；碳库管理指数；碳储量

安徽省黄淮海南部砂姜黑土质地粘重、结构性差，有机质含量低。该区农业生产长期以来偏向于施用化学氮肥，使土壤结构以及土壤肥力持续性受到破坏，土壤质量下降（张效补，1996；张效补，1994）。目前，有关秸秆还田和施用氮肥的研究结果表明，秸秆还田可有效提高耕层总有机碳含量。然而，施肥对土壤有机碳影响的研究主要集中在塿土、灰漠土、黑土、潮土等（徐明岗等，1994），对砂姜黑土研究尚少，而秸秆还田配施氮肥对土壤总有机质和活性有机质组分以及碳库管理指数、固碳效应的系统研究则更为缺乏。为此，本研究通过4年大田定位试验，研究砂姜黑土小麦-玉米两熟制条件下秸秆还田和施氮对农田土壤有机碳组分以及固碳潜力的影响，以期为完善该区秸秆还田和施肥技术体系和砂姜黑土培肥制度的建立提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008～2012年度在安徽省蒙城县农业示范场进行，试验地土质为砂姜黑土，0～20 cm土层养分质量分数为：土壤有机质14.24 g·kg-1，全氮含量0.99 g·kg-1，碱解氮57.84 mg·kg-1，全磷含量0.67 g·kg-1，有效磷21.57 mg·kg-1，速效钾197.46 mg·kg-1。供试小麦品种为济麦22，玉米品种为郑单958。

1.2 田间试验设计

试验采用裂区设计，设秸秆还田和施氮量两因素。其中秸秆处理为主区，设小麦-玉米秸秆全量粉碎还田（S）和移除（R）两种方式，秸秆全量还田年还田量为15000 kg·hm-2，其中小麦7000 kg·hm-2，玉米8000 kg·hm-2；氮肥施用为副区，设置6个处理，年施氮量分别为N 0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，分别用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示；磷、钾肥年施用量分别为P2O5180 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2，除N0（对照）之外，其余氮肥处理均施用磷钾肥，且施用量相等。各处理氮、磷、钾肥小麦季施用量占年施用总量的45%，玉米季则为55%。小麦季氮肥基追比为55:45，追肥时期为拔节期，磷钾肥在小麦播种时一次性基施；玉米季氮肥基追比为45:55，追肥时期为大喇叭口期，磷钾肥在玉米播种时一次性基施。小麦10月中旬播种，玉米6月中旬播种。小区面积21.6 m2，随机排列，3次重复。

1.3 测定指标及方法

土壤样品采集：2012年玉米收获后，取0～20 cm的土样，每个样品均为多点采集混合而成，然后用四分法保留足够的样品，风干，过筛备用。

土壤总有机碳（TOC）测定：称取过0.149 mm筛的风干土0.2000 g，采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定（鲍士旦，2005）。

土壤活性有机碳（LOC）：称取过0.25 mm筛的风干土1.50 g于100 mL离心管中，加入333 mmol·L-1KMnO425 mL，在室温（25 ℃）条件下震荡1 h，2000 r·min-1离心5 min，取上清液用去离子水按体积比1:250稀释，在分光光度计565 nm波长处进行比色（Blair等，1995）。由不加土壤的空白与土壤样品的吸光率之差，计算出高锰酸钾浓度的变化，进而计算出氧化的碳量或有机质（氧化过程中高锰酸钾浓度每减少1 mmol·L-1代表碳减少量为0.75 mmol·L-1或9 mg·kg-1或者9 mg·L-1）。

所有处理均以秸秆移除、不施氮土壤为参照土壤，计算各处理的CPMI（Blair等，1995）：

式中：A为碳库活度；LOC为样本活性有机碳含量（g·kg-1）；NLOC为样本非活性有机碳含量（g·kg-1）；AI为碳库活度指数；A0为对照碳库活度指数；CPI为碳库活度；TOC为样本总有机碳含量（g·kg-1）；TOC0为对照总有机碳含量（g·kg-1）；CPMI为碳库管理指数。

1.4 有机碳储量计算

单位体积或单位面积的土壤碳储量计算取决于土壤质量，而土壤容重的改变导致同深度不同处理下的土壤质量不同，为减少土壤容重差异带来的偏差，本文参考Ellert等（Ellert和Bettany，1995）的方法，采取等质量方法计算土壤有机碳储量。等质量土壤有机碳储量指各层土壤有机碳储量与增加土壤质量中有机碳储量之和，计算公式为：

式中，Melement为等质量土壤有机碳储量（Mg·hm-2）；Msoil,i为土层的土壤质量（Mg·hm-2）；conci为土层土壤有机碳含量（kg·Mg-1）；Mj为已确定的相等土壤质量，以不同处理下土壤质量最大值作为统一的土壤质量，即Mj为2615 Mg·hm-2，本文中计算0～20 cm土层的有机碳储量；concextra为增加土壤质量部分的有机碳含量（kg·Mg-1）；ρb,i为土层土壤容重（Mg·m-3）；Ti为土壤厚度（m）；0.001为质量单位kg换算成Mg的系数。

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 16.0和Excel 2003软件进行处理和作图。单因素方差分析多重比较采用最小显著差异法（LSD，Least significant difference）。

2 结果与分析

2.1 土壤容重变化

砂姜黑土秸秆还田处理4年后，耕层土壤的容重存在明显差异（图1），表现为秸秆还田明显降低了耕层土壤容重。施氮处理间，秸秆移除后土壤容重在1.24～1.31 g·cm-3之间，而秸秆还田在1.14～1.20 g·cm-3范围内，后者较前者下降2.50%～9.20%（p＜0.05），其中以秸秆还田+N5处理的降幅最高。相对于不同的秸秆处理，秸秆还田不同氮肥水平之间，N1、N2、N3、N4和N5较N0(CK)分别下降0.83%、0.83%、2.50%、5.00%和0.83%（p＜0.05）；N4较N3下降2.56%（p＜0.05），较N1、N2和N5下降4.20%（p＜0.05）；秸秆移除氮肥处理间，容重从高到低依次为N5＞N0＞N2=N3=N4＞N1（p＜0.05）。由此可知，不施肥和高氮肥使土壤容重增加。

图1 秸秆还田配施氮肥对土壤容重的影响Fig. 1 Effect of straw incorporation and N fertilizer application on soil bulk density

图2 秸秆还田配施氮肥下土壤总有机质和活性有机质的含量Fig.2 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on soil organic matter and LOM

图3 土壤有机质含量与容重的关系Fig. 3 Relationship between soil organic matter content and soil bulk density

2.2 土壤有机质变化

图2表明，秸秆还田配施氮肥较单施氮肥明显提高了土壤总有机质（SOM）和活性有机质（LOM）。不同氮肥水平间，秸秆还田（S）和移除（R）的总有机质分别为17.31～20.06 g·kg-1、15.96～19.49 g·kg-1，前者较后者显著增加2.38%～10.61%（p＜0.05），其中以秸秆还田配施N2水平的增幅最高。S的总有机质含量N1、N2、N3、N4和N5较N0(CK）分别提高11.27%、11.72%、10.14%、15.20%和15.86%（p＜0.05），较R+N0分别提高20.76%、21.25%、19.53%、25.01%和25.73%（p＜0.01），S+N0较R+N0提高8.53%（p＜0.05）。相比总有机质，秸秆还田使得活性有机质（LOM）的增幅更大，秸秆还田和秸秆移除的LOM波动范围分别为3.38%～4.48%、3.00%～3.51%，前者高出后者9.10%～44.74%，其中以秸秆还田配施N3处理的增幅最大。

2.3 土壤有机质含量与土壤容重的关系

秸秆还田和施肥可对土壤结构产生直接或间接的作用，通过改变土壤的物理特性及局部小气候，进而对土壤有机质的矿化分解速率产生影响。本文分别对SOM、LOM含量与土壤容重进行了相

关分析（图3），由图可知，SOM和LOM含量均随土壤容重的减小而增加，相关系数分别为0.5540和0.7575，分别呈显著线性负相关 （p＜0.05）、极显著线性负相关（p＜0.01）。

2.4 秸秆还田与施肥对土壤碳库管理指数的影响

CPMI受秸秆还田的影响显著（表1）。不同氮肥水平之间，S较R的CPMI高出2.42%～87.68%（p＜0.05）。与S+N0相比，S+N1、S+N2、S+N3、S+N4和S+N5的CPMI均表现为显著增加，增加幅度分别为41.71%、38.17%、74.62%、48.84%和48.86%（p＜0.05），以配施N3处理的增幅最高，S+N3较 S+N1、S+N2、S+N4和S+N5高出23.22%、26.38%、17.33%和17.31%（p＜0.05）。所有S处理的CPMI较R+N0依次高出2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44%和52.46%（p＜0.01）。秸秆移除各处理间的CPMI无显著差异。由此可见，秸秆还田可显著提高砂姜黑土的碳库管理指数。

2.5 秸秆还田与施肥对砂姜黑土有机碳储量的影响

经过连续4年的全量秸秆还田和施肥，对耕层土壤有机碳储量分析可知（表2），等质量土壤为2615 Mg·hm-2（0～20 cm）时，与秸秆移除相比，秸秆还田增加了耕层有机碳储量，不同氮肥处理分别增加N0 14.23%、N1 6.58%、N2 14.83%、N3 8.82%、N4 8.53% 和N5 12.92%。秸秆还田条件下，N1、N2、N3、N4和N5较N0显著高出10.50%、10.87%、10.29%、16.35%和14.33%（p＜0.05），较R+N0高出26.23%、26.66%、25.99%、32.91%和30.60%（p＜0.01）；S+N0较R+N0提高14.23%（p＜0.05）。单施氮肥处理的等质量土壤有机碳储量均显著高于不施肥处理。可见，秸秆还田和施肥均可提高等质量2615 Mg·hm-2的土壤有机碳储量，秸秆还田以配施N4、N5高氮量时表现为最高，N1、N2和N3处理次之，不施肥最低；单施氮肥对提高等质量土壤的有机碳储量具有显著作用，但不及秸秆还田与氮肥配施的效果。

表1 秸秆还田和不同氮肥施用量下砂姜黑土的碳库管理指数Table 1 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on carbon management index

表2 秸秆还田配施氮肥下等质量土壤有机碳的储量Table 2 Effects of straw incorporation and N fertilizer application on soil organic carbon stock on equivalent soil mass basis

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）秸秆还田配施氮肥显著降低了耕层土壤容重，这与前人研究结果一致（慕平等，2011；张亚丽等，2012）。相反，虽然单施氮肥的处理间土壤容重差异显著，但中、低量氮肥相比秸秆还田配施氮肥，下降幅度不大，且高氮肥增加了土壤容重。秸秆还田显著提高了SOM和LOM含量。这与Li等（2012）、Dou等（2008）、Jacabs等（2009）、Roper等（2010）以及蔡太义等（2012）、陈鲜妮等（2012）在不同类型土壤上的研究结果相似，其原因可能是秸秆施用后，经过微生物的分解，部分进入土壤转化成有机碳，从而提高了土壤有机质含量，有助于增加土壤碳库（Xu等，2011）。同时，秸秆施用后降低了耕层土壤容重，土壤孔隙度增大，利于微生物的活动，因此秸秆还田亦有利于LOM含量的提高（Zhou等，2012）。以上结果充分证明秸秆还田直接补充了土壤有机质，而增施氮肥可促使土壤养分平衡增加作物生物量从而间接增加土壤有机质含量，同时对改善土壤结构、提升土壤质量有明显作用。

（2）本试验表明，秸秆移除施氮的处理SOM、LOM含量高于不施氮处理，但二者的增加幅度低于秸秆还田配施氮肥的处理，与徐明岗等研究的长期单施化肥或不施肥土壤质量下降的结论相似（徐明岗等，2006）。然而长期施用化学氮肥，将加快土壤原有有机碳的消耗，使积累在土壤中的有机碳总量减少，根茬还田的有机物料提供的有机碳量能补偿部分土壤稳定有机碳每年分解的量；不施氮肥条件下，作物根茬减少，土壤稳定有机碳每年的分解量大于有机物料提供的碳残留量(Freibauer等，2004)。故针对研究区气候条件和土壤类型，若不施

用任何氮肥，仅依靠作物根茬残留碳的循环，不能长期维持土壤有机碳的平衡，土壤有机碳含量呈下降趋势。

（3）碳库管理指数可以系统、敏感的反应和监测土壤有机碳的变化，表征土壤质量下降或更新的程度，其值的高低表明农田管理措施对土壤碳库管理指数的影响（徐明岗等，2006；沈宏等，1999）。本研究中，以R+N0作为参考土样，秸秆还田较秸秆移除有利于提高A、AI、CPI及CPMI，这与高飞等（高飞等，2011）、蔡太义等（蔡太义等，2011）的研究结果相同。比较不同施氮水平，秸秆还田配施N3处理显著提高了A、AI和CPMI，而秸秆移除施氮处理虽然提高了A、AI、CPI和CPMI，显著高于不施肥处理，但施肥处理间CPMI无显著差异，与陈小云等（陈小云等，2011）的研究结论一致，这主要是因为单施化肥对土壤微生物多样性的影响不明显（张北赢等，2010）。

（4）本研究结果表明，秸秆还田和施肥均有助于增加0～20 cm土层的有机碳储量，并以秸秆还田配施N4、N5处理的增幅最高，这与王振忠（王振忠等，2003）等关于秸秆还田方式（粉碎还田、配施适量氮肥）以及秸秆全量直接还田、刘守龙等（刘守龙等，2006）通过自主建立的模型模拟全量秸秆还田下关于土壤碳储量的研究结果一致。

3.2 结论

通过对4年秸秆还田配施化学氮肥处理下砂姜黑土耕层土壤容重、有机质组分变化以及土壤固碳效应的研究，得出以下结论：

（1）秸秆还田配施化学氮肥显著降低耕层土壤容重2.50%～9.20%（p＜0.05），其中年配施N 720 kg·hm-2时土壤容重下降幅度最大；土壤总有机质和活性有机质含量较秸秆移除分别增加2.38%～10.61%（p＜0.05）和9.10%～44.74% (p＜0.05)，其中分别以配施N 450 kg·hm-2、N 540 kg·hm-2水平的增幅最高；碳库管理指数（CPMI）较秸秆移除增加了2.42%～87.68%；土壤容重与土壤总有机质和活性有机质之间均呈显著负相关关系。

（2）秸秆还田和氮肥施用均可增加耕层0～20 cm等质量土壤（2615 Mg·hm-2）的有机碳储量，但秸秆还田配施氮肥的增加幅度高于单施氮肥或者单独秸秆还田，且以配施高氮水平的有机碳储量最高。

（3）选择LOM和CPMI指标可以表征短期内砂姜黑土有机质活性对农田管理措施的响应特征，另外，秸秆还田对砂姜黑土耕层土壤具有明显的固碳减排效应。

BLAIR G J, LEFROY R, LISLE L. 1995. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 46(7): 1459-1466.

DOU F, WRIGHT A L, HONS F M. 2008. Sensitivity of labile soil organic carbon to tillage in wheat-based cropping systems [J]. Soil Science Society of America Journal, 72(5): 1445-1453.

ELLERT B, BETTANY J R. 1995. Calculation of organic matter and nutrients stored in soils under contrasting management regimes [J]. Canadian Journal of Soil Science, 75(4): 529-538.

FOLLETT R. 2001. Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils [J]. Soil and Tillage Research, 61(1): 77-92.

FREIBAUER A, ROUNSEVEL M D A, SMITH P, et al. 2004. Carbon sequestration in the agricultural soils of Europe [J]. Geoderma, 122(1): 1-23.

JACOBS A, RAUBER R, LUDWIG B. 2009. Impact of reduced tillage on carbon and nitrogen storage of two Haplic Luvisols after 40 years [J]. Soil and Tillage Research, 102(1): 158-164.

JIANG P K , XU Q F. 2006. Abundance and dynamics of soil labile carbon pools under different types of forest vegetation [J]. Pedosphere, 16(4): 505-511.

LI C F, YUE L X, ZHANG Z S, et al. 2012. Short-term effects of conservation management practices on soil labile organic carbon fractions under a rape–rice rotation in central China [J]. Soil and Tillage Research, 119: 31-37.

LU F, WANG X E, HAN B, et al. 2009. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no‐tillage in China's cropland [J]. Global Change Biology, 15(2): 281-305.

ROPER M M, GUPTA V V S R, MURPHY D V. 2010. Tillage practices altered labile soil organic carbon and microbial function without affecting crop yields [J]. Soil Research, 48(3): 274-285.

SMITH P, POWLSON D, GLENDINING M, et al. 1997. Potential for carbon sequestration in European soils: preliminary estimates for five scenarios using results from long‐term experiments [J]. Global Change Biology, 3(1): 67-79.

WANDER M, TRAINA S J, STINNER B R, et al. 1994. Organic and conventional management effects on biologically active soil organic matter pools [J]. Soil Science Society of America Journal, 58(4): 1130-1139.

XU M G, LOU Y L, SUN X L, et al. 2011.Soil organic carbon active fractions as early indicators for total carbon change under straw incorporation [J]. Biology and Fertility of Soils, 47(7): 745-752.

ZHOU X Q, CHEN C R, LU S B, et al. 2012. The short-term cover crops increase soil labile organic carbon in southeastern Australia [J]. Biology and Fertility of Soils, 48(2):239-244.

鲍士旦. 2005. 土壤农化分析[M]. 第3版. 北京：中国农业出版社.

蔡太义, 黄会娟, 黄耀威, 等. 2012. 不同量秸秆覆盖还田对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响[J]. 自然资源学报, 27(6): 964-974.

蔡太义, 黄耀威, 黄会娟, 等. 2011. 不同年限免耕秸秆覆盖对土壤活性有机碳和碳库管理指数的影响[J]. 生态学杂志, 30(9): 1962-1968.

陈鲜妮, 岳西杰, 葛玺祖, 等. 2012. 长期秸秆还田对觩土耕层土壤有机碳库的影响[J]. 自然资源学报, 27(1): 25-32.

陈小云, 郭菊花, 刘满强, 等. 2011. 施肥对红壤性水稻土有机碳活性和难降解性组分的影响[J]. 土壤学报, 48(1): 125-131.

高飞, 贾志宽, 张鹏, 等. 2011. 秸秆覆盖对宁南旱作农田活性有机质及碳库管理指数的影响[J]. 干旱地区农业研究, 29(3): 107-111.

韩冰, 王效科, 逯非, 等. 2008. 中国农田土壤生态系统固碳现状和潜力[J]. 生态学报, 28(2): 612-619.

刘守龙, 童成立, 张文菊, 等. 2006. 湖南省稻田表层土壤固碳潜力模拟研究[J]. 自然资源学报, 21(1): 118-125.

逯非, 王效科, 韩冰, 等. 2009. 农田土壤固碳措施的温室气体泄漏和净减排潜力[J]. 生态学报, 29(9):4993-5006.

慕平, 张恩和, 王汉宁, 等. 2011. 连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状及微生物量的影响[J]. 水土保持学报, 25(5): 81-85.

沈宏, 曹志洪, 胡正义. 1999. 土壤活性有机碳的表征及其生态效应[J].生态学杂志, 18(3): 32-38.

沈宏, 曹志洪, 王志明. 1999. 不同农田生态系统土壤碳库管理指数的研究[J]. 自然资源学报, 14(3):206-211.

王振忠, 吴敬民, 陈留根, 等. 2003. 稻麦两熟地区秸秆全量直接还田施肥技术的增产培肥效果[J]. 江苏农业学报, 19(3): 151-156.

徐明岗, 梁国庆, 张夫道. 2006. 中国土壤肥力演变[M]. 北京：中国农业科学技术出版社.

徐明岗, 于荣, 孙小凤, 等. 2006. 长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 12(4): 459-465.

徐明岗, 于荣, 王伯仁. 2006. 长期不同施肥下红壤活性有机质与碳库管理指数变化[J]. 土壤学报, 43(5):723-729.

张北赢, 陈天林, 王兵. 2010. 长期施用化肥对土壤质量的影响[J]. 中国农学通报, 26(11): 182-187.

张迪, 韩晓增. 2010. 长期不同植被覆盖和施肥管理对黑土活性有机碳的影响[J]. 中国农业科学, 43(13): 2715-2723.

张国盛, 黄高宝, Chan Y. 2005. 农田土壤有机碳固定潜力研究进展[J].生态学报, 25(2): 351-357.

张俊华, 李国栋, 南忠仁, 等. 2012. 耕作历史和种植制度对绿洲农田土壤有机碳及其组分的影响 [J]. 自然资源学报, 27(2): 196-203.

张效朴. 1994. 淮北砂姜黑土区小麦高产高效的施肥技术[J]. 土壤, 26(1): 14-18.

张效朴. 1996. 淮北砂姜黑土的肥力特点与高产高效粮食生产的施肥管理技术研究[J]. 农业现代化研究, 17(4): 218-224.

张亚丽, 吕家珑, 金继运, 等. 2012. 施肥和秸秆还田对土壤肥力质量及春小麦品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 18(2): 307-314.

Carbon storages lime concretion black soils as affected by straw incorporation and fertilization

LI Wei1,2, QIAO Yuqiang1,2, CHEN Huan1,2, DU Shizhou1,2, ZHAO Zhu1,2, CAO Chengfu1,2*
1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China; 2. Anhui Key Laboratory of Improved Varieties of Crops; Hefei 230031, China

The effects of a combination of returned straw and different N fertilizer application rates on soil bulk density, organic matter fractions, carbon management index (CPMI) and soil carbon storage of lime concretion black soil were systematically studied, and analyzing the correlations between soil bulk density and organic matter fractions, based on data from a four year experiment using a winter wheat-summer maize rotation system in Mengcheng City, Anhui Province, China. The results showed that the bulk density of surface soil under areas where straw was either incorporated or removed were 1.14～1.20 g·cm-3and 1.24～1.31 g·cm-3, respectively. Straw incorporation significantly decreased soil density by 2.50%～9.20%, while soil organic matter(SOM) and labile organic matter(LOM) increased over the four years by 2.38%～10.61% (p＜0.05) and 9.10%～44.74% (p＜0.05), respectively, after the return of the straw, especially with N fertilizer application rates of 450 and 540 kg N·hm-2.The carbon management index of top soil under the returned straw treatment areas was significantly increased by from2.42% to 87.68% (p＜0.05) greater than that of the areas where straw was removed when nitrogen fertilizer application was the same, especially with N fertilizer application rates of N 540 kg ·hm-2compared to area where no fertilizer was N applied. Under the straw incorporation conditions, combination and different N fertilizer application rates increased in CPMI by 41.71%、38.17%、74.62%、48.84% and 48.86% (p＜0.05) comparison with no nitrogen fertilizer application. The highest CPMI was discovered with treatment S+N3 of nitrogen application rate, compared to S+N1(S+N 360 kg·hm-2), S+N2(S+N 450 kg·hm-2), S+N4(S+N 630 kg·hm-2) and S+N5(S+N 720 kg·hm-2), increased by 23.22%、26.38%、17.33% and 17.31% (p＜0.05), respectively. CPMI of all treatments of combination of returned straw and different nitrogen fertilizer application rates increased by 2.42%、45.14%、41.51%、78.85%、52.44% and 52.46% (p＜0.01) than that of R+N0 treatment, however, for areas where straw was removed, CPMI had no significant difference among treatments. The change law of soil carbon storage was consistent with variation of CPMI, according to method for the equal soil quality accumulation, showing a significant difference between areas where straw was incorporated or removed, under the returned straw treatment areas, with N fertilizer application rates treatments were significantly increased by 10.29%～16.35% greater than that of the areas where no fertilizer was added, especially with N application rates of 630 and 720 kg N·hm-2, whilst the same parameters ranged from 25.99%～32.91%, compared to the areas where straw was removed and no fertilizer applied. The relationship analysis showed that SOM and LOM were significantly increased along with decrease in soil bulk density, and relationship coefficient were 0.5540 (p＜0.05) and 0.7575 (p＜0.01), respectively. The analysis indicated that incorporated straw has remarkable function on the aspects of decreasing soil bulk density, and increasing TOM, LOM, CPMI and carbon storage, especially with N fertilizer application rates of middle and high fertilizer levels.

lime concretion black soil; straw incorporation; nitrogen management; organic matter fractions; carbon management index; carbon storage

S156.93

A

1674-5906（2014）05-0756-06

国家科技支撑计划项目(2012BAD04B09; 2011BAD16B06; 2013BAD07B08)；安徽省农业科学院院长青年基金项目(13B0217)

李玮（1980年生），女，助理研究员，博士，主要从事土壤物理及作物栽培生理生态方面的研究。E-mail:jtlw2007@163.com

*通信作者：曹承富（1963年生），男，研究员，主要研究方向为作物栽培。E-mail:caocfu@126.com

2014-01-20

李玮，乔玉强，陈欢，杜世州，赵竹，曹承富. 砂姜黑土秸秆还田配施氮肥的固碳效应分析[J]. 生态环境学报, 2014, 23(5): 756-761.

LI Wei, QIAO Yuqiang, CHEN Huan, DU Shizhou, ZHAO Zhu, CAO Chengfu. Carbon storages lime concretion black soils as affected by straw incorporation and fertilization [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 756-761.

农田土壤固碳措施从增加有机碳的输入量（如草田轮作、秸秆还田、施肥等）和减少土壤有机碳的矿化（少、免耕等）两方面入手，使农业土壤碳库呈现稳步增长的趋势（张国盛等，2005；逯非等，2009）。施肥尤其是施用有机肥作为最常见的一种固碳措施，有关其固碳能力的问题在国内外已有较深入的研究（韩冰等，2008；Smith等，1997；Lu等，2009）。然而，土壤有机质在较短时间内的微小变化难以被观测。土壤活性有机碳（LOC）是指一定时空条件下，在土壤中不稳定、易氧化、易分解矿化，受植物、微生物影响剧烈，具有一定溶解性，有利于植物、微生物利用的那一部分土壤有机碳（沈宏等，1999；Follett，2001；Jiang等，2006）。虽然只占土壤全碳的小部分，但能更敏感的反应短期农田管理措施下土壤的微小变化（Wander等，1994；张迪等，2010），对土壤碳素的转化、土壤养分流有着重要作用（张俊华等，2012），与土壤的生产能力密切相关（Blair等，1995），在不同程度上反映有机质的有效性，指示土壤有机质或土壤质量。基于活性有机碳指标而提出的碳库管理指数概念，更加全面和动态地反映农业管理措施对土壤有机性状的影响（Blair等，1995）。