不同施氮量下玉米根茬分解及对土壤有机碳的影响

蔡 苗，周建斌，韩霁昌

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100)

不同施氮量下玉米根茬分解及对土壤有机碳的影响

蔡 苗1，2，周建斌2，韩霁昌1

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100)

通过田间埋藏分解试验，比较3种施氮量(0、120和240 kg·hm-2)处理的玉米根茬分别与土娄土和黑垆土混合后，在土壤中分解1 a期间根茬碳分解差异，并利用碳稳定同位素δ13C方法，研究根茬碳分解对土壤有机碳的贡献。结果显示：杨凌地区水热条件较好，试验期间降水量总和较长武高215 mm；杨凌试验地15 cm和45 cm土层平均温度分别较长武高3.2 ℃和4.2 ℃。分解1 a后，黑垆土中根茬残留碳量较土娄土中高20.9%～43.6%。根茬来源的土壤有机碳比例在土娄土、黑垆土中分别为22.4%～44.7%和27.4%～38.3%。在黑垆土中，玉米根茬分解1 a后，根茬来源的土壤有机碳质量分数显著高于在土娄土中，而在3种不同施氮量处理的玉米根茬之间，根茬来源的土壤有机碳质量分数差异不显著。研究表明，水热条件相对较好的土壤环境能够促进玉米根茬残体的分解矿化，而土壤深度、质地、施肥状况等会影响有机残体还田腐解与土壤有机碳的更新。

施氮量；根茬碳分解；水热条件；土层深度

各种农作物收获后留在土壤中的有机残体是保持土壤有机质平衡，培肥地力的主要物质，也是土壤微生物活动的重要能量来源[1]。植物体内固定的碳大约有40%分配到地下根系[2]，特别是生长在水分和养分限制的地区时，其体内同化的碳量超过50%分布在根部区域[3]。可见，植物的光合产物通过根系向地下运输过程是土壤有机碳库的主要来源[4]。

在植物残体分解过程中，影响其地上部分解的首要因素是气候环境，其次是本身的化学特性。而由于地下部根系与地上叶片不同的生理结构、化学组成及在土壤中的分布特性，对土壤条件(水、热、氧气、养分等)的变化更加敏感，因此有研究指出根茬的化学组成是影响其分解的首要因素，其次是气候和环境因素[5]。

在根茬化学组成中，全氮质量分数，碳氮比，木质素质量分数及木质素与氮比[6-7]经常用于预测和评价根茬的分解和转化过程。目前，长期化学氮肥施用在提高作物地上秸秆和地下根系生物量的同时[8]氮肥用量的差异也可能影响有机残体的化学组成，进而对其在土壤中的分解产生影响。此外，有机残体在分解过程中，土壤微生物活性受到水分、温度、养分等因素的影响[9]，因而有机物料在不同的水热环境下分解可能有所差异。

土壤有机质代表着一个从新鲜植物残体到彻底腐殖化物质的连续体[10]，通过计算土壤或其组分中不同植物来源有机碳的比例和数量，能够定量化评价新、老土壤有机碳对碳贮量的相对贡献[11]。土壤有机质数量是有机残体输入及其分解矿化的平衡[12]，相对于植物地上部秸秆残体的分解特性及影响因素的大量研究结果[13-14]，关于作物根茬残体分解特性的研究相对较少[15]。因此，本试验以3种施氮量处理的玉米根茬为研究对象，通过田间分解试验与δ13C相结合的方法，旨在了解不同施氮量处理的玉米根茬在水热等环境条件下不同的两个土壤类型中的根茬碳分解特性及其对土壤有机碳更新转化的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地分别位于陕西杨凌西北农林科技大学农作一站不同栽培模式综合试验地(34°17′56″N， 108°04′07″E)和陕西长武县丁家镇十里铺村农技中心试验基地(35°12′78″N， 107°44′70″E)。

西北农林科技大学农作一站不同栽培模式综合试验田始于2003年6月，位于渭河3级阶地，属温带大陆性季风气候，海拔523 m，年平均气温13 ℃，年平均降水量600～650 mm，分布不均，主要集中在7-9月(占全年降水量的60%～65%)，冬春季节易发生旱情，年均蒸发量1 400 mm，属于半湿润易旱地区。土壤类型为褐土类，土娄土亚类，红油土属，系统分类为土垫旱耕人为土，耕层土壤质地为粉砂质粘壤土。种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，1年2熟。

陕西长武县丁家镇十里铺村农技中心试验基地位于黄土高原中南部，属西北内陆暖温带半湿润大陆性季风气候。海拔1 200 m，年均气温9.1 ℃，无霜期171 d，多年平均降水量584 mm，且季节性分布不均，降水多集中在夏秋季节，雨热同季。土壤类型为黄盖粘黑垆土，土层深厚，全剖面土质均匀疏松，通透性好。研究区农业生产主要依赖生育期间的天然降水和前期土壤蓄水，属于典型的旱作农业区，种植制度为小麦-休闲，1年1熟。

1.2 供试材料

土娄土、黑垆土土壤样品于2010年10月分别采自杨凌、长武试验地，采土时用铁锹收集15 cm和45 cm两个土层土壤，剔除作物根系、石块等杂物，风干、磨细后通过2 mm筛备用。供试土娄土、黑垆土土壤样品基本理化性质见表1。

表1 供试土娄土、黑垆土土壤样品基本理化性质Table 1 Basic properties of Lou soil and dark loessial soil samples

注：同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著，下同。

Note:Values with different lowercase letters within a column mean significantly different at 0.05 level,the same as below.

供试玉米根茬采于2010年10月玉米收获当天，品种为‘郑单958’。根茬采自西北农林科技大学农作一站不同栽培模式综合试验田常规栽培模式下的3种施氮量(0、120和240 kg·hm-2)处理小区，小区面积为18 m2(4 m×4.5 m)，每个小区定苗玉米98株。在试验小区沿梅花状选择10株玉米，用铁锹采集0～20 cm深度根茬，采样面积为20 cm×20 cm(这是由于超过60%的玉米根系分布在该层次)。将相同施氮量处理的根茬混合，0、120和240 kg ·hm-2施氮处理小区的玉米根茬分别用R0、R120和R240表示。将采集的玉米根茬样品置于孔径0.15 mm筛之上，用清水小心洗去根系附着的土壤，防止细小根系损失，后用蒸馏水冲洗。由于在玉米收割时残留在地上部分的茎杆高度约为5～10 cm，为避免根茬粉碎过程中茎杆混入的影响，沿清洗干净的玉米支持根上缘将残留的茎杆部分剪去，后将根茬置于90 ℃杀青0.5 h，60 ℃烘干，最后将根茬粉碎并通过1 mm 筛备用。供试玉米根茬的基本养分性状见表2。

表2 供试玉米根茬基本性质Table 2 Basic properties of maize root residues in this study

1.3 根茬田间分解试验

研究因素包括上述供试土娄土、黑垆土的各两个层次土壤(15 cm和45 cm，分别用S15、S45表示)及3种施氮量处理玉米根茬(R0、R120、R240)，同时设置不添加玉米根茬的土壤作为对照，共组成8个处理(S15、S15+R0、S15+R120、S15+R240；S45、S45+R0、S45+R120、S45+R240)，各处理重复12次。

称取100 g供试土壤(按烘干土计算)，3种不同施氮量处理玉米根茬以2%的比例(2 g)[16]分别与2个土层土壤混合均匀后装入尼龙网袋(大小为14 cm×14 cm，孔径80 μm)中封口。尼龙网袋孔径可阻止土壤动物及植物根系穿过，但不影响土壤水、气交换。于2010年11月将尼龙网袋分别埋入杨凌农作一站和长武农技中心试验地采集土壤样品的同一田块。用铁锹挖取8个45 cm×100 cm的长方形埋藏坑，其中4个坑深度15 cm，分别埋藏S15、S15+R0、S15+R120、S15+R240等4个处理的各12个重复；另4个坑深度45 cm，分别埋藏S45、S45+R0、S45+R120、S45+R240等4个处理的各12个重复。将各处理的12个尼龙网袋对称平铺于埋藏坑内，然后将坑内挖取的土壤重新回填覆盖。同时，在15 cm和45 cm土层深度分别埋入土壤温度自动记录仪(TidbiT○Rv2)，试验期间及时除去田间杂草。

分别于2011年3月、6月、9月、11月采集各处理中的3个重复，将其中1/3土壤样品风干，通过0.15 mm筛，测定土壤有机碳质量分数；其余土样在4 ℃下保存，测定土壤可溶性有机碳、微生物量碳。

1.4 测定项目与方法

土壤及玉米根茬基本理化性质中有机碳、全氮、有效磷、速效钾的测定采用常规农化方法，土壤碳酸钙质量分数测定采用气量法[17]，根茬纤维素、木质素质量分数用碘量法测定[18]。

土壤及玉米根茬的有机碳稳定同位素比δ13C值在美国加利福尼亚大学戴维斯分校的同位素实验室进行测定，通过元素分析仪(PDZ Europa ANCA-GSL)-质谱仪(PDZ Europa 20-20)联用方法，采用PDB标准，测定误差为±0.2‰。土壤有机碳δ13C值测定采用12 mol·L-1HCl 抽气熏蒸24 h以去除碳酸盐的影响[19]。

1.5 数据分析

分解1 a后，土壤有机碳中来源于玉米根茬碳的比例f(%)为[11,20]：

(1)

式中：δ为土壤-根茬混合物的有机碳δ13C值；δs为对照土壤(CK)有机碳的δ13C值；δm为玉米根茬的δ13C值，本研究测得R0、R120、R240根茬的δ13C值分别为-12.85‰、-12.55‰、-12.66‰。

若分解1 a后添加根茬处理的土壤有机碳质量分数为C(g·kg-1)，则其中来源于玉米根茬的有机碳量Croot(g·kg-1)为：

Croot=C×f

(2)

采用Microsoft Excel 2007和SAS 8.1对试验数据进行方差分析，不同处理多重比较采用Duncan’s新复极差法。

2试验地月降水量和日均土壤温度差值计算均为杨凌减去长武 Difference of monthly precipitation and mean daily soil temperature between Yangling and Changwu

图1玉米根茬分解期间杨凌、长武月降水量差值和不同土层土壤温度差值
Fig.1DifferencesofmonthlyprecipitationandmeandailysoiltemperaturebetweenYanglingandChangwuduringthemaizerootdecompositionperiod

2 结果与分析

2.1 不同地点降水量及土壤温度比较

由图1可以看出，杨凌、长武2个试验地月降水量、土壤温度存在显著差异。杨凌月降水总量较长武试验地高215 mm，两地月降水量差值最大为2011年9月(分解337 d)，达到181.7 mm。与长武试验地相比，杨凌农作一站土壤日平均温度偏高，试验1 a杨凌15 cm和45 cm土层土壤温度较长武平均分别偏高3.18 ℃和4.15 ℃。

2.2 玉米根茬有机碳分解动态变化

如图2所示，根茬分解前，在供试土娄土、黑垆土的100 g土壤样品中按2%比例加入的3种施氮量玉米根茬R0、R120、R240的根茬有机碳量分别为0.83、0.85、0.89 g，随着根茬在土壤中分解，其有机碳量逐渐降低。随着时间延长，R0根茬残留的有机碳量逐渐高于R120和R240根茬。与表层土壤(15 cm)相比，埋藏在45 cm土层的根茬有机碳量在各采样时期较15 cm土层高。试验1 a结束时，土娄土15 cm和45 cm土层各处理根茬残留碳量分别为0.21～0.30 g和0.26～0.32 g；黑垆土15 cm和45 cm土层各处理根茬残留碳量分别为0.30～0.37 g和0.37～0.44 g，较在土娄土土层中分别高20.9%～42.9%和36.1%～43.6%。各采样时期黑垆土中R0、R120、R240根茬有机碳量均高于土娄土中的相应各处理。

*表示差异显著 * represents significant difference

2.3 土壤碳稳定同位素比δ13C值变化

表3所示，在15 cm和45 cm土层，添加玉米根茬的各处理分解前后土壤有机碳δ13C值均显著高于相应对照土壤(S15)。埋藏分解1 a后，土娄土土层对照处理的土壤有机碳δ13C值与分解前相比有增加的趋势；随着玉米根茬碳在土壤中逐渐分解矿化，添加根茬的处理土壤有机碳δ13C值较分解前显著降低。分解1 a后，添加R120和添加R240处理的土壤有机碳δ13C值高于添加R0根茬的处理，在15 cm土层差异显著。不同土层相比，45 cm土层各处理分解前后土壤有机碳δ13C值均显著高于15 cm土层相应处理。不同供试土壤类型相比较，分解前后土娄土中各处理土壤有机碳δ13C值均较黑垆土中相应处理偏高。

表3 根茬分解前后土娄土、黑垆土中15、45 cm土层不同处理土壤有机碳δ13C值Table 3 The δ13C values of soil organic carbon before and after decomposition at 15 cm and 45 cm depths ‰

注：同一土层同一时期不同小写字母表示处理间在0.05水下差异显著。下同。

Note:Values with different lowercase letters within a column at the same soil depths during the same period mean significantly different at 0.05 level.The same below.

2.4 玉米根茬来源的土壤有机碳比例及质量分数

根据表3中各处理土壤有机碳δ13C值及公式1，得到埋藏分解1 a后，来源于玉米根茬碳的土壤有机碳比例(图3)。土娄土中各处理土壤有机碳中来源于根茬的比例为22.4%～44.7%。黑垆土中各处理土壤有机碳来源于根茬的比例为27.4%～38.3%，S15+R120和S15+R240处理根茬来源的有机碳比例较S15+R0处理在土娄土中和黑垆土中分别提高7.9%～27.9%和7.2%～8.7%；在土娄土和黑垆土中各处理根茬来源的有机碳比例在45 cm土层无显著差异。

图3 供试土娄土、黑垆土中添加根茬处理分解1 a后来源于玉米根茬的有机碳比例Fig.3 Portion of root-derived organic carbon in residues of maize root additiontreatments in Lou soil and dark loessial soil after 1 a decomposition

由图4可以看到，根茬分解1 a后，来源于玉米根茬的土壤有机碳质量分数在不同土壤类型中存在显著差异。在土娄土15 cm土层，S15+R0、S15+R120和S15+R240处理根茬来源的土壤有机碳质量分数分别为2.48、2.47和3.05 g·kg-1，S15+R240处理显著高于S15+R0和S15+R120处理；在S45+R0、S45+R120和S45+R240处理为2.74、2.58和2.49 g·kg-1。在黑垆土中，S15+R0、S15+R120和S15+R240处理根茬来源的土壤有机碳质量分数分别为3.23、3.30和3.29 g·kg-1；在S45+R0、S45+R120和S45+R240处理中根茬来源的土壤有机碳质量分数分别为3.47、3.40和3.50 g·kg-1，3种根茬处理之间均无显著差异。黑垆土中各处理根茬来源的土壤有机碳质量分数均显著高于土娄土中相应处理。

图4 供试土娄土、黑垆土中添加根茬处理分解1 a后来源于玉米根茬的有机碳质量分数Fig.4 Mass fraction of root-derived organic carbon in residues of maize root addition treatmentsin Lou soil and dark loessial soil after 1 a decomposition

表4所示，玉米根茬在土壤中经过1 a腐解，约2/3的根茬碳分解损失，在供试土娄土土壤中28.3%～34.6%的根茬碳经腐殖化进入土壤有机质中，在黑垆土土壤中为37.4%～42.4%，不同施氮量根茬仅在土娄土15 cm土层中有显著性差异。黑垆土土壤中根茬来源的土壤有机碳量占加入根茬的总碳量平均比例较土娄土土壤中高28.0%。分解1年后，土娄土中各处理根茬碳的分解率为61.6%～74.8%，黑垆土土壤中各处理根茬碳残留率平均值较土娄土土壤中各处理平均值高33.8%。

表4 分解1 a后根茬来源的土壤有机碳占加入根茬总碳量的比例及根茬碳残留率Table 4 Percentage of root-derived organic carbon in total input root C and contributionof remaining root C after 1 a decomposition %

3 讨 论

3.1 根茬分解与有机碳δ13C值变化

本研究中供试的土娄土、黑垆土土壤中不同处理45 cm土层的土壤有机碳在埋藏分解前后均显著高于15 cm土层相应处理。在土壤剖面中，深层土壤的有机碳δ13C值比表层偏正2‰～3‰，这与其他学者的研究结果相一致[21-23]，且这种趋势与土壤的物理和化学状态无关[24]。土壤有机碳δ13C值随深度的变化可以近似地代表有机质的分解过程，其产生的原因主要有：土壤中的异养微生物在分解枯枝落叶和氧化有机质时发生了碳同位素的动力学分馏，微生物优先利用较轻(贫13C)的碳源，从而使残留有机质的δ13C值逐渐升高；工业革命以来，由于贫13C的化石燃料燃烧导致大气CO2的δ13C值降低(约1.3‰)，使早期形成的深层土壤有机质富集13C，即Suess效应；与地表生物量(主要为叶子)相比，地下生物量(根)通常富集13C，最大差异达1.5‰，来自地表植物叶、茎的土壤有机质与地下植物根残体相混，从而影响剖面有机碳的同位素组成[25]。土壤有机碳δ13C值在剖面不同层次的差异表明深层土壤有机碳降解程度较高，而上层土壤有机质较新[26]。各土层未添加根茬的对照土壤有机碳δ13C值在分解1 a后较分解前有所偏正，也说明土壤有机质的矿化和腐殖化伴随有碳同位素的分馏过程[10]。

由于光合途径不同，C3、C4植物的δ13C值存在显著差异(平均值C3： -27‰，C4：-12‰)而地表植物种类是制约土壤有机质δ13C值变化的主要因素[24]。添加3种施氮量玉米根茬(δ13C值平均为 -12.69‰)的土壤有机碳δ13C值显著高于对照土壤，这是由于植物物料中较多的富13C化合物(水溶性组分、碳水化合物和纤维素等)进入了土壤。埋藏1 a后，添加根茬处理的土壤有机碳δ13C值显著低于分解前，这主要是由于加入的玉米根茬碳残留量逐渐减少，富13C化合物不断矿化分解和贫13C化合物(如纤维素)相对增多[27]，从而使土壤δ13C值降低。

与供试黑垆土土壤相比，土娄土各处理土壤有机碳δ13C值偏正，这可能与两个类型土壤的颗粒组成不同有关。土娄土耕层土壤小于0.002 mm的粘粒质量分数高于长武黑垆土[28]。土壤不同粒径组分中所含有机质的腐殖化程度各不相同，随着组分粒径的减小，其对微生物代谢产物的稳定和保护能力增强，而这些代谢产物通常具有较高的δ13C值，因此，粘粒质量分数较高的土壤具有更高的δ13C值[29]。此外，土娄土较黑垆土偏正的有机碳δ13C值可能与2个地区不同的气候条件有关。土壤有机碳同位素受植被状况影响，而植被生长主要由气候决定，有研究指出，在中国北方干旱半干旱地区，在降雨量大于400 mm的地区，有机碳δ13C值随着年降雨量的增加而增大[30]，而土娄土地区的年均降雨量较黑垆土地区偏高。

3.2 不同土壤类型中玉米根茬分解差异

分解1 a后，玉米根茬碳残留率在土娄土和黑垆土土壤中分别为25.2%～38.4%和35.3%～53.3%，即根茬有机碳分解率在土娄土土壤中为61.6%～74.8%，显著高于黑垆土土壤中的46.7%～65.1%。根茬分解率的差异可能与两个试验地区不同的水、热条件有关[31,16]。试验期间杨凌月降水量总和较长武试验地高215 mm，土壤温度较长武平均偏高3～4℃。有研究指出，根系的化学组成是影响其分解的首要因素，其次是环境条件，其中温度和降水量与根系分解显著正相关[32]。此外，两个试验地土壤质地的差异(主要是粘粒质量分数)也可能影响外源有机残体的分解速率，根系在粘壤土中的分解速率显著高于其他质地的土壤类型[15]。

土壤有机碳中来源于玉米根茬的碳比例也称为土壤有机碳的更新率。分解1 a后，玉米根茬对土壤有机碳的贡献率在土娄土土壤中为22.4%～44.7%，在黑垆土土壤中为27.4%～38.3%。值得注意的是，在长期种植C3植物(如小麦)的土壤上改种C4植物(如玉米)后能够更加确切地研究土壤有机碳的来源，也有很多国内外学者利用δ13C手段进行了这方面的研究[11,16,20-21]。本研究通过人为添加玉米根茬，测定其在土壤中分解1 a后土壤δ13C值的变化情况来分析土壤有机碳中根茬来源的比例。本试验中由于设置未添加根茬的土壤作为对照，在相同试验条件下，分解前后土壤δ13C值的变化可以在一定程度上计算出根茬有机碳的贡献率，同时本研究试验结果显示出根茬添加与否对土壤有机碳δ13C值有影响。有研究表明，在盆栽试验条件下，种植一季玉米后，玉米根际沉积碳对土壤有机碳的贡献率为25%[33]；在室内培养条件下土壤添加12%的玉米秸秆分解1 a后，来源于秸秆的有机碳比例为44%[11]。而在田间种植条件下，连续种植玉米37 a后，土壤表层有机质中仅有15%来源于玉米根际沉积[34]，其他研究者也指出当林地耕作30～50 a后，源于农作物C4植物的土壤有机碳仅占20%～40%[35]。

本试验中较高的根茬碳对土壤有机碳的贡献率与模拟条件下根茬添加量较实际农田玉米根茬还田量高及扰动的土壤条件有关。本研究中试验田玉米种植的密度为18 m2定苗98株，密度较适宜。根据每667 m2耕作层土壤150 t(常用估算)及本研究中3种施氮量处理玉米根茬干质量平均值12.4 g计算，得到田间实际耕作层根茬归还量最少约为0.03%。本研究中粉碎后根茬的添加量为干土质量的2%，与田间估算值有所差异，原因一方面是从研究角度考虑，土壤和根系都经过了风干(烘干)、粉碎处理，与田间实际条件确实已产生很大差异，但是试验的结果仍然具有一定的参考价值；另一方面，在参考多篇有关土壤添加作物残体后(比例在0.15%～4%之间)在田间分解的文献基础上重点参考Sanaullah等[16]在研究中的玉米残体添加比例，即2%作为本研究中根茬的添加比例。

与15 cm土层相比较，土壤有机碳来源于玉米根茬的比例在45 cm土层显著提高(图3)，这可能是因为与表层土壤相比，深层土壤养分质量分数相对较低，上、下土层土壤微生物种类、活性等存在差异。同时深层土壤有机碳质量分数低且主要为有机质的稳定组分，对作物生长的养分有效性较低[36]。新鲜根茬有机残体的加入对深层土壤中微生物数量和活性的影响相对较大，这也表明作物根茬留田不仅能够增加土壤有机碳来源，也有利于土壤有机碳更新，特别是为深层土壤补充更多新鲜有机碳。

在埋藏分解前，土娄土和黑垆土土壤中分别添加的3种施氮量根茬有机碳量相同，而分解1 a后根茬来源的土壤有机碳量占分解前加入的根茬总碳量在黑垆土土壤中显著高于在土娄土中，这主要是由于根茬在黑垆土土壤中分解率较低，根茬残留有机碳量较高，其对土壤有机碳更新的贡献也相对较高。此外还应注意到，相同根茬添加量下(2%)，分解1 a后根茬来源的土壤有机碳质量分数在3种施氮量根茬中无显著差异(除土娄土15 cm土层外)。而从前面的研究中可知，氮肥施用显著增加了玉米根茬的生物还田量，同时考虑到玉米根茬在土壤剖面的自然分布深度，不同氮肥用量下根茬还田量的差异可能会影响其对土壤有机碳的贡献率。

4 结 论

在田间埋藏分解1 a后，0、120和240 kg·hm-23种施氮量处理的玉米根茬的有机碳分解率在土娄土中为61.6%～74.8%，显著高于黑垆土中的46.7%～65.1%，这主要与试验期间土娄土地区相对偏高的降水量和土壤温度有关，此外施用氮肥及在上层土壤中埋藏的玉米根茬碳分解相对较快。田间试验条件下分解1 a后，玉米根茬对土壤有机碳的贡献率在土娄土中为22.4%～44.7%，在黑垆土中为27.4%～38.3%，下层土壤中根茬来源的土壤有机碳比例相对较高。

Reference：

[1]迟凤琴.不同农作物残体在土壤中分解规律的研究[J].黑龙江农业科学,1990(4):21-23.

CHI F Q.Study on the decomposed regularity of different organic materials[J].HeilongjiangAgriculturalSciences,1990(4):21-23(in Chinese with English abstract).

[2]JONES D L.Rhizosphere carbon flow[D].UK:Oxford University,1993.

[3]KUZYAKOV Y,DOMANSKI G.Carbon input by plants into the soil.Review[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,2000,163(4):421-431.

[4]DE DEYN G B,CORNELISSEN J H C,BARDGETT R D.Plant functional traits and soil carbon sequestration in contrasting biomes[J].EcologyLetters,2008,11(5):516-531.

[5]ABER J D,MELILLO J M,MCCLAUGHERTY C A.Predicting long-term patterns of mass loss,nitrogen dynamics,and soil organic matter formation from initial fine litter chemistry in temperate forest ecosystems[J].CanadianJournalofBotany,1990,68(10):2201-2208.

[6]TAYLOR B R,PARKINSON D,PARSONS W F J.Nitrogen and lignin content as predictors of litter decay rates:a microcosm test[J].Ecology,1989,70(1):97-104.

[7]OSTERTAG R,HOBBIE S E.Early stages of root and leaf decomposition in Hawaiian forests:effects of nutrient availability[J].Oecologia,1999,121(4):564-573.

[8]HALVORSON A D,REULE C A,FOLLETT R F.Nitrogen fertilization effects on soil carbon and nitrogen in a dryland cropping system[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1999,63(4):912-917.

[9]BOTTNER P.Response of microbial biomass to alternate moist and dry conditions in a soil incubated with14C-and15N-labelled plant material[J].SoilBiologyandBiochemistry,1985,17(3):329-337.

[10]涂成龙,刘丛强,武永锋,等.应用δ13C值探讨林地土壤有机碳的分异[J].北京林业大学学报,2008,30(5):1-6.

TU CH L,LIU C Q,WU Y F,etal.Discussing variance of forest soil organic carbon by analysis of δ13C[J].JournalofBeijingForestryUniversity,2008,30(5):1-6(in Chinese with English abstract).

[11]窦 森,张晋京,曹亚澄.用δ13C方法研究玉米秸秆分解期间土壤有机质数量动态变化[J].土壤学报,2003,40(3):328-334.

DOU S,ZHANG J J,CAO Y CH.Study on dynamic change of soil organic matter during corn stalk decomposition by δ13C method[J].ActaPedologicaSinica,2003,40(3):328-334(in Chinese with English abstract).

[12]PENG Q,QI Y C,DONG Y S,etal.Decomposing litter and the C and N dynamics as affected by N additions in a semi-arid temperate steppe,Inner Mongolia of China[J].JournalofAridLand,2014,6(4):432-444.

[13]PRESCOTT C E,VESTERDAL L,PRESTON C M,etal.Influence of initial chemistry on decomposition of foliar litter in contrasting forest types in British Columbia[J].CanadianJournalofForestResearch,2004,34(8):1714-1729.

[14]PRESCOTT C E.Litter decomposition:what controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils?[J].Biogeochemistry,2010,101(1):133-149.

[15]SILVER W L,MIYA R K.Global patterns in root decomposition:comparisons of climate and litter quality effects[J].Oecologia,2001,129(3):407-419.

[16]SANAULLAH M,CHABBI A,LEIFELD J,etal.Decomposition and stabilization of root litter in top-and subsoil horizons:what is the difference?[J].PlantandSoil,2011,338(1):127-141.

[17]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

BAO SH D.Soil Agricultural Chemistry Analysis[M].Beijing:China Agriculture Press,2000(in Chinese).

[18]波钦诺克 X H.植物生物化学分析方法[M].北京:科学出版社,1981.

BOQNHOK X H.The Analyzing Method of Plant Biochemistry[M].Beijing:Science Press,1981(in Chinese).

[19]HORWATH W R,KESSEL C V.Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or carbon-13 isotopic analysis[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,2001,65(6):1853-1856.

[20] BALESDENT J,WAGNER G H,MARIOTTI A.Soil organic matter turnover in long-term field experiments as revealed by carbon-13 natural abundance[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1988,52(1):118-124.

[21]刘启明,王世杰,朴河春,等.稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机质的含量变化[J].环境科学,2002,23(3):75-78.

LIU Q M,WANG SH J,PIAO H CH,etal.Soil organic matter changes of turnover ecosystems traced by stable carbon isotopes[J].EnvironmentalScience,2002,23(3):75-78(in Chinese with English abstract).

[22]KRULL E S,SKJEMSTAD J O,BURROWS W H,etal.Recent vegetation changes in central Queensland,Australia:Evidence from δ13C and14C analyses of soil organic matter[J].Geoderma,2005,126(3):241-259.

[23]方华军,杨学明,张晓平,等.坡耕地黑土剖面有机碳的分布和δ13C值研究[J].土壤学报,2006,42(6):957-964.

FANG H J,YANG X M,ZHANG X P,etal.Profile distribution of organic carbon and δ13C in a black soil at a sloping field[J].ActaPedologicaSinica,2006,42(6):957-964(in Chinese with English abstract).

[24]朱书法,刘丛强,陶发祥.δ13C方法在土壤有机质研究中的应用[J].土壤学报,2005,42(3):495-503.

ZHU SH F,LIU C Q,TAO F X.Use of δ13C method in studying soil organic matter[J].ActaPedologicaSinica,2005,42(3):495-503(in Chinese with English abstract).

[25]EHLERINGER J R,BUCHMANN N,FLANAGAN L B.Carbon isotope ratios in belowground carbon cycle processes[J].EcologicalApplications,2000,10(2):412-422.

[26]马 力,杨林章,慈 恩,等.长期施肥条件下水稻土腐殖质组成及稳定性碳同位素特性[J].应用生态学报,2008,19(9):1951-1958.

MA L,YANG L ZH,CI E,etal.Humus composition and stable carbon isotope natural abundance in paddy soil under long-term fertilization[J].ChineseJournalofAppliedEcology,2008,19(9):1951-1958(in Chinese with English abstract).

[27]林光辉.稳定同位素生态学[M].北京:高等教育出版社,2013.

LIN G H.Stable Isotope Ecology[M].Beijing:Higher Education Press,2013(in Chinese).

[28]陕西省土壤普查办公室.陕西土壤[M].北京:科学出版社,1992.

Soil Survey Office of Shaanxi Province.Shaanxi Soil[M].Beijing:Science Press,1992(in Chinese).

[29]朱书法,刘丛强,陶发祥,等.喀斯特地区土壤有机质的稳定碳同位素地球化学特征[J].地球与环境,2006,34(3):51-58.

ZHU SH F,LIU C Q,TAO F X,etal.Geochemical characteristics of stable carbon isotopes in soil organic matter from karst areas[J].EarthandEnvironment,2006,34(3):51-58(in Chinese with English abstract).

[30]王丽霞,汪卫国,李心清,等.中国北方干旱半干旱区表土的有机质碳同位素、磁化率与年降水量的关系[J].干旱区地理,2005,28(3):311-315.

WANG L X,WANG W G,LI X Q,etal.Correlation between the carbon isotope of organic matter and magnetic susceptibility in topsoil and the annual precipitation in arid and semiarid regions in north China[J].AridLandGeography,2005,28(3):311-315(in Chinese with English abstract).

[31]黄 耀,刘世梁,沈其荣,等.农田土壤有机碳动态模拟模型的建立[J].中国农业科学,2001,34(5):532-536.

HUANG Y,LIU SH L,SHEN Q R,etal.Model establishment for simulating soil organic carbon dynamic[J].ScientiaAgriculturaSinica,2001,34(5):532-536(in Chinese with English abstract).

[32]ZHANG D Q,HUI D F,LUO Y Q,etal.Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems:global patterns and controlling factors[J].JournalofPlantEcology,2008,1(2):85-93.

[33]杨兰芳,蔡祖聪.玉米生长和施氮水平对土壤有机碳更新的影响[J].环境科学学报,2006,26(2):280-286.

YANG L F,CAI Z C.Effects of growing maize and N application on the renewal of soil organic carbon[J].ActaScientiaeCircumstantiae,2006,26(2):280-286(in Chinese with English abstract).

[34]FLESSA H,LUDWIG B,HEIL B,etal.The origin of soil organic C,dissolved organic C and respiration in a long-term maize experiment in Halle,Germany,determined by13C natural abundance[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,2000,163(2):157-163.

[35]JOLIVET C,ARROUAYS D,ANDREUX F,etal.Soil organic carbon dynamics in cleared temperate forest spodosols converted to maize cropping[J].PlantandSoil,1997,191(2):225-231.

[36]刘启明,王世杰,朴河春,等.稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机质的含量变化[J].环境科学,2002,23(4):75-78.

LIU Q M,WANG SH J,PIAO H CH,etal.The dynamics rules of soil organic matter of turnover ecosystems traced by stable carbon isotopes[J].EnvironmentalScience,2002,23(4):75-78(in Chinese with English abstract).

DecompositionCharacteristicsofDifferentNitrogenFertilizationinMaizeRootsandItsEffectsonSoilOrganicCarbon

CAI Miao1,2，ZHOU Jianbin2and HAN Jichang1

(1. Shaanxi Land Construction Group Co.Ltd,Xi’an 710075,China; 2.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture of P.R.China,Yangling Shaanxi 712100,China)

Through a field burial decomposition experiment,we investigated differences in decomposition of maize root residues which were fertilized with three N rates [(0 kg·hm-2(R0),120 kg·hm-2(R120),240 kg·hm-2(R240)] in the Lou soil (Yangling) and the dark loessial soil (Changwu),and the factors influencing root decay. The stable carbon isotope (δ13C) technique was used to determine contribution of root-derived carbon decomposition to total turnover of soil organic carbon.During the whole experiment period,a hydrothermal condition was found better in Yangling than in Changwu. The cumulative precipitation was 215 mm in Yangling,which was much more than in Changwu; and the average of soil temperature was 3.2 ℃ and 4.2 ℃ greater at the depths of 15 cm and 45 cm respectively in Yangling than Changwu. The amount of the remaining root carbon in the dark loessial soil was 20.9%-43.6% higher than in the Lou soil after 1 a decay. The contribution of root-derived carbon was 22.4%-44.7% and 27.4%-38.3% in Lou soil and dark loessial soil,respectively. The root-derived carbon mass fraction was significantly greater (P<0.05) in the dark loessial soil than the Lou soil,however,no significant difference was observed among R0,R120,and R240. In conclusion,maize root decomposed faster in the Lou soil under favorable hydrothermal conditions. Additionally,soil depths,texture,and fertilization management would affect organic residues decomposition and the sequestration and turnover of organic carbon in soils.

Nitrogen fertilization rate; Root carbon decomposition; Soil moisture and temperature; Soil depth

2016-09-08

2016-10-31

National Natural Science Foundation of China (No.31372137); the Key Scientific and Technological Innovation Team Project in Shaanxi Province (No.2016KCT-23).

CAI Miao,female,Ph.D. Research area:organic residues decomposition and soil carbon sequestration. E-mail: caimiao@nwsuaf.edu.cn

S143.1；S513

A

1004-1389(2017)10-1559-10

日期：2017-10-18

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171018.1733.042.html

2016-09-08

2016-10-31

国家自然科学基金(31372137)；陕西省重点科技创新团队计划(2016KCT-23)。

蔡 苗，女，博士，研究方向为有机残体分解与土壤固碳。E-mail: caimiao@nwsuaf.edu.cn

(责任编辑：史亚歌Responsibleeditor:SHIYage)