不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤剖面中固存的影响

梅秀文，祝腾霄，李玉萍，李双异，孙良杰，安婷婷，汪景宽

不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤剖面中固存的影响

梅秀文，祝腾霄，李玉萍，李双异，孙良杰，安婷婷，汪景宽

沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866

【目的】秸秆还田是我国东北黑土地保护的重要措施。在实际的农业生产中秸秆与根际沉积同时存在，然而关于它们同时存在时秸秆碳氮在土壤中的固定特征仍不清楚。本研究旨在比较不同土层土壤有机碳（SOC）中秸秆碳（13C-SOC）和土壤全氮（TN）中秸秆氮（15N-TN）含量的差异，探讨不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤中固存的影响，以期为东北黑土地的保护和利用提供依据。【方法】以沈阳农业大学长期定位试验站不同施肥处理（不施肥，CK；单施化肥，NP）为研究对象，分别仅添加13C15N双标记秸秆（S）和添加13C15N双标记秸秆结合根际沉积（以下简称“根际沉积”）（SR），即设CK+S、CK+SR、NP+S和NP+SR 4 个处理。分别在田间原位试验的第50天和第150天采样，并测定不同土层SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值。【结果】在秸秆分解前期（第50天），施肥、根际沉积及其交互作用显著影响（＜0.05）表层（0—20 cm）土壤的13C-SOC和15N-TN含量。第50天，CK+SR与CK+S处理相比，表层土壤的13C-SOC和15N-TN含量分别增加了18.6%和21.7%（＜0.05）；不同施肥下，S（CK+S和NP+S）与SR（CK+SR和NP+SR）处理表层土壤13C-SOC对SOC的贡献率平均分别为10.5%和12.0%；CK下两个处理（CK+S和CK+SR）与NP下对应的处理（NP+S和NP+SR）相比，表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均增加了27.6%（＜0.05）。第50天，深层土壤（20—50 cm）13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为1.0%—2.2%和0.5%—0.9%。在秸秆分解后期（第150天），根际沉积和施肥分别显著影响（＜0.05）表层土壤13C-SOC和15N-TN含量。第150天，仅添加秸秆处理与根际沉积处理相比，表层土壤13C-SOC含量增加了12.6%（＜0.05）；CK下两个处理与NP下对应的处理相比，表层土壤15N-TN含量平均增加了22.0%（＜0.05）；CK各处理和NP各处理表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均分别为5.5%和4.0%。第150天，深层土壤13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为0.8%—3.2%和0.7%—1.8%。【结论】秸秆分解后期根际沉积对表层土壤中秸秆碳的固定起负反馈效应，秸秆碳氮不断从表层土壤向深层土壤迁移和累积，其对土壤有机碳和氮库稳定性的影响应予以重视。

根际沉积；秸秆碳；秸秆氮；13C15N双标记；黑土

0 引言

【研究意义】土壤有机碳作为土壤有机质重要组成部分，不仅是衡量土壤肥力的关键因素，而且是陆地生态系统中碳交换的关键池，对陆地碳循环意义重大[1]。土壤中氮作为作物生长发育的必需营养元素之一，其供应与作物的生长、产量和品质密切相关[2-3]。东北黑土区是我国粮食的主产区，对保障我国的粮食安全具有重要的战略意义。然而由于受自然和人为因素的影响，该区域土壤有机质出现持续衰退和提升难度大等问题[4-5]。秸秆还田是东北黑土区培肥土壤的一项重要技术措施，它不仅是土壤有机碳重要的来源，而且可为土壤提供丰富的氮源。因此，探讨秸秆碳氮在土壤中的固存和转化过程对土壤有机质的提升、黑土地保护与利用等具有重要意义。【前人研究进展】秸秆碳氮在土壤中的转化和固存受管理措施（例如施肥）[6-7]和土壤肥力水平等影响[8-10]。有研究表明，添加秸秆230 d后，约42%—79%的秸秆碳被转化为CO2释放，约5%—14%的秸秆碳转化为土壤有机碳[11]。不施肥土壤中秸秆氮的残留率最高，而单施氮肥则提高了秸秆碳在土壤中的残留率[12]。低肥力土壤有利于秸秆碳氮在土壤中的固存[8-10]。秸秆还田降低了秸秆来源的无机态氮含量，延缓了秸秆氮在土壤剖面中的垂直迁移[13]，且有利于碳库质量的提升[14]。秸秆还田配施氮肥则促进了秸秆中养分的释放[15]，增加了土壤碳氮养分的有效性[16]。施肥不仅影响表层土壤养分的动态，还会影响深层土壤有机碳的稳定性[17-18]，进而改变土壤剖面水、热和养分的空间分布格局[19-20]，而且对作物根系的生长和土壤微生物活性产生影响[21]，进而可能影响土壤剖面有机碳的稳定和周转过程。因此，外源碳（例如秸秆碳）在土壤剖面的迁移尤其是对深层土壤有机碳固定的研究日益引起关注[22]。植物根际沉积作为重要的植物与土壤交换的界面过程，是联系作物、土壤和微生物的重要枢纽。根际沉积是土壤有机碳的主要来源之一，较少根际沉积碳输入就可对土壤生物地球化学过程产生较大影响[23]。作物地下部总碳中约26%以根际沉积的形式存在于土壤中[24]，从而促进了土壤有机质的更新[24-26]。【本研究切入点】在实际农业生产中，作物残体和根际沉积同时存在于土壤中。作物根际沉积物富含低分子量的可溶性物质，易被土壤微生物利用[27]，刺激微生物的活性[28-29]，这可能会影响秸秆的分解与转化的过程。因此单一的秸秆碳源添加的研究可能会低估田间秸秆的分解率[30]。然而关于根际沉积如何影响秸秆碳氮在剖面土壤中的分布及固存尚不清楚。【拟解决的关键问题】本试验基于沈阳农业大学长期定位试验站，以不同施肥处理（不施肥，CK；单施化肥，NP）的土壤为研究对象，设置在表层（0—20 cm）土壤中添加13C15N双标记秸秆和其结合根际沉积的处理，分析不同土层土壤中秸秆碳氮含量及其对土壤有机碳和全氮的贡献，探讨不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤剖面的迁移动态和固存的影响，以期为土壤培肥和东北黑土地的保护提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在沈阳农业大学长期定位试验站（41°49′N，123°34′E）开展。该试验站建于1987年，海拔75 m，属北温带大陆性季风气候区，年均温7.9 ℃，年均降雨量705 mm，土壤类型为中厚层棕壤（简育淋溶土）。建站时土壤有机质含量为15.6 g·kg-1，全氮为1.0 g·kg-1，全磷为0.5 g·kg-1，碱解氮为67.4 mg·kg-1，速效磷为8.4 mg·kg-1，有效钾98.3 mg·kg-1 [31]。试验站设置了不同施肥处理小区，每个处理3次重复，每个小区面积为69 m2，连作作物为玉米[31]。

1.2 供试土壤和供试秸秆

本研究选取不施肥（CK）和单施化肥（NP，年施氮肥折合纯氮为 270 kg·hm-2，磷肥折合P2O5为130 kg·hm-2）处理。NP处理中施用的氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为磷酸氢二铵（含P2O545%），且化肥均作为基肥施入土壤。2021年春季施肥后分别采集不同处理表层（0—20 cm）和深层（20—40和40—50 cm）土样，供测定土壤的基本性质（表1）。13C15N双标记秸秆通过13CO2田间原位脉冲标记结合施用(15NH4)2SO4获得，具体标记过程见安婷婷等[32]，其基本性质为：有机碳含量为387 g·kg-1、δ13C值为292‰、全氮含量为13.01 g·kg-1、δ15N值为7 800‰、C/N比为30。

表1 不同施肥处理土壤（0—50 cm土层）基本性质（2021年）

CK、NP分别代表不施肥、单施化肥。不同小写字母表示同一土层不同施肥处理间的差异显著（＜0.05）；不同大写字母表示同一处理不同土层间的差异显著（＜0.05）

CK and NP represent the treatments of no fertilization and single application of chemical fertilizer, respectively. Different lowercase letters show the significant difference (＜0.05) between fertilization treatments in the same soil layer; Different uppercase letters indicate the significant difference (＜0.05) among different soil layers in the same treatment

1.3 试验设计

本试验共设置4个处理微区，即不施肥土壤仅添加13C15N双标记秸秆（CK+S）、不施肥土壤添加13C15N双标记秸秆结合根际沉积（以下简称“根际沉积”，CK+SR）、单施化肥土壤仅添加13C15N双标记秸秆（NP+S）和单施化肥土壤添加13C15N双标记秸秆结合根际沉积（NP+SR），同时设置对应的不添加秸秆且无根际沉积（CK和NP）和仅根际沉积无秸秆添加（CK+R和NP+R）的对照处理微区。2021年5月22日将PVC盒（长、宽和高分别为1.0、0.5和0.65 m）垂直插入对应处理微区。在添加秸秆的微区中将表层（0—20 cm）土壤与标记秸秆（＜0.425 mm筛，按风干土重的0.8%）充分混匀后回填至PVC盒中；在根际沉积微区中种植3株玉米，并进行常规田间管理（未采取水分管理措施），每个处理3个重复。在添加标记秸秆的第50天（2021年7月12日，玉米生长进入拔节期）和第150 天（2021年10月20日）随机采集玉米根系附近土壤样品，采样深度分别为0—20、20—40和40—50 cm，并在最后一次采样时（第150天）收获玉米。将取出的土样风干，挑除土壤样品中的石砾和植物根系等杂质后研磨并过筛，测定土壤有机碳（SOC）含量及其δ13C值、全氮（TN）含量及其δ15N值。

1.4 测定指标与方法

利用元素分析仪-稳定同位素比例质谱联用仪（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime 100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德国）测定SOC和δ13C值、TN含量和δ15N值。δ13C值测定以美国南卡州白垩系狄组地层中的美洲拟箭石（Pee Dee Belemnite，PDB）为标准样品，δ15N值以纯净大气氮为标准样品。

土壤有机碳中秸秆碳（13C-SOC，g·kg-1）和土壤全氮中秸秆氮（15N-TN，g·kg-1）含量的计算[33]：

13C-SOC = Csample×fmc/ 100 （1）

15N-TN = Nsample×fmn/ 100 （2）

式中，Csample和Nsample分别指添加秸秆处理SOC和TN含量（g·kg-1）；fmc和fmn分别为SOC中13C-SOC所占比例（即秸秆碳的贡献率，%）和TN中15N-TN所占比例（即秸秆氮的贡献率，%）。fmc和fmn的计算公式如下[34-35]：

fmc=(δ13Csample-δ13Ccontrol)×100/(δ13Cmaize-δ13Ccontrol) （3）

fmn=(δ15Nsample-δ15Ncontrol)×100/(δ15Nmaize-δ15Ncontrol) （4）

式中，δ13Csample和δ15Nsample分别指添加秸秆处理SOC的δ13C值和TN的δ15N值（‰）；δ13Ccontrol和δ15Ncontrol分别指不添加秸秆处理SOC的δ13C值和TN的δ15N值（‰）；δ13Cmaize和δ15Nmaize分别指初始添加标记秸秆的δ13C值和δ15N值（‰）。

土壤中秸秆碳残留率（Rmc，%）和秸秆氮残留率（Rmn，%）的计算如下：

Rmc= (ΣCmaize/Cmaize0)×100 （5）

Rmn= (ΣNmaize/ Nmaize0)×100 （6）

式中，ΣCmaize和ΣNmaize分别为3个采样深度土壤中13C-SOC含量总和及15N-TN含量的总和（g·kg-1）；Cmaize0和Nmaize0分别为初始添加秸秆的碳和氮含量（g·kg-1）。

1.5 数据处理

利用Microsoft Office Excel 2016、SPSS 25.0和OriginPro 2019软件进行数据处理、统计分析和绘图。图表数据为平均值±标准误差。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）分析施肥、根际沉积及其交互作用对不同土层土壤中秸秆碳氮固存的影响，采用邓肯（Duncan）法多重比较（α=0.05）。

2 结果

2.1 不同土层土壤有机碳含量

第50天，各处理0—20 cm土层SOC含量平均分别比20—40 和40—50 cm土层增加了53.1%和182.8%；在0—20 cm土层，CK+S处理SOC含量与其他处理相比降低了8.9%—13.3%；在20—40 cm土层，NP+S处理SOC含量与其他处理相比降低了11.1%—14.9%；在40—50 cm土层，NP+SR处理SOC含量与CK+S处理相比降低了15.0%（＜0.05，图1）。第150天，单施化肥下两个处理（NP+S和NP+SR）与对应的不施肥下两个处理（CK+S和CK+SR）相比，0—20 cm土层SOC含量平均增加了11.3%；NP+S处理与其他处理相比，20—40和40—50 cm土层SOC含量分别提高了11.5%—15.4%和6.4%—27.8%（＜0.05，图1）。第50天与第150天，施肥与根际沉积的交互作用显著影响（＜0.05）20—40 cm土层SOC含量（表2）。

2.2 不同土层土壤有机碳中秸秆碳含量

图2显示，第50天和第150 天，各处理0—20 cm土层13C-SOC含量平均分别为其他土层的15.5倍和8.6倍。第50天，CK+S处理与其他处理相比，0—20 cm土层13C-SOC含量平均降低了14.4%；NP+SR处理与CK+SR处理相比，20—40和40—50 cm土层13C-SOC含量分别降低了20.4%和35.4%（＜0.05）。第150天，根际沉积显著影响（＜0.05）0—20 cm土层13C-SOC含量（表2），且根际沉积处理（CK+SR和NP+SR）与仅添加秸秆处理（CK+S和NP+S）相比13C-SOC含量平均降低了11.2%（＜0.05）。第150天，CK+S与CK+SR处理相比20—40和40—50 cm土层13C-SOC含量分别增加了55.2%和38.1%，而NP+S与NP+SR处理相比却分别降低了15.0%和45.4%（＜0.05）。

2.3 不同土层秸秆碳对土壤有机碳的贡献率（fmc）

图3表明，第50天，各处理0—20、20—40和40—50 cm土层fmc平均分别为11.3%、1.2%和2.0%。其中，根际沉积处理与仅添加秸秆处理相比，0—20 cm土层fmc平均增加了14.1%；NP+SR与CK+SR处理相比，20—40和40—50 cm土层fmc分别降低了17.4%和25.4%（＜0.05）。第150天，各处理0—20、20—40和40—50 cm土层fmc平均分别为9.4%、2.7%和1.4%。其中，NP+SR处理与NP+S处理相比0—20 cm土层fmc降低了9.5%，而20—40和40—50 cm土层fmc却分别提高了31.6%和133.7%；CK+SR与CK+S处理相比，0—20、20—40和40—50 cm土层的fmc分别降低了9.2%、26.9%和28.5%（＜0.05）。第50天和第150天，施肥与根际沉积的交互作用显著影响（＜0.05）20—40 cm土层fmc（表2）。

CK+S和NP+S分别代表不施肥和单施化肥土壤仅添加13C15N双标记秸秆处理；CK+SR和NP+SR分别代表不施肥和单施化肥土壤13C15N双标记秸秆添加结合根际沉积处理。不同大写字母表示同一处理不同土层间的差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示同一土层不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下同

表2 施肥、根际沉积及其交互作用对土壤剖面秸秆碳氮固定影响的方差分析（P值）

SOC和13C-SOC分别表示土壤有机碳含量和SOC中的秸秆碳含量，fmc表示秸秆碳对土壤有机碳的贡献率，TN和15N-TN分别表示土壤全氮含量和全氮中的秸秆氮含量，fmn表示秸秆氮对土壤全氮的贡献率

SOC and13C-SOC represent soil organic carbon content and straw-derived soil organic carbon content, respectively; fmcmeans the contribution percentage of straw carbon to soil organic carbon; TN and15N-TN represent total nitrogen content and straw-derived soil nitrogen content, respectively;fmnmeans the contribution percentage of straw nitrogen to soil total nitrogen

图2 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天不同土层土壤有机碳中秸秆碳含量

图3 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天不同土层秸秆碳对土壤有机碳的贡献率

2.4 不同土层土壤全氮含量

图4表明，第50天和第150天，各处理土壤TN含量均随土层深度的增加而显著降低（＜0.05）。第50天，单施化肥下两个处理与对应的不施肥下两个处理相比，0—20 cm土层TN含量平均提高了18.2%；CK+SR与NP+SR处理相比，40—50 cm土层TN含量增加了12.9%（＜0.05）。第150天，单施化肥下两个处理与对应的不施肥下两个处理相比，0—20和20—40 cm土层TN含量平均分别提高了12.2%和14.7%；NP+S处理与其他处理相比，40—50 cm土层TN含量增加了6.6%—15.9%（＜0.05）。第150天，20—40和40—50 cm土层TN含量受施肥与根际沉积交互作用的影响显著（＜0.05，表2）。

2.5 不同土层土壤全氮中秸秆氮含量

第50天和第150天，各处理0—20 cm土层15N-TN含量平均分别为其他土层的13.3倍和6.9倍（图5）。第50天，施肥与根际沉积的交互作用显著影响不同土层15N-TN含量（＜0.05，表2）。第50天，CK+SR与其他处理相比0—20 cm土层15N-TN含量平均提高了22.6%；在20—40和40—50 cm土层中，NP+S处理15N-TN含量比NP+SR处理分别增加了31.3%和60.6%（图5）。第150天，不施肥下两个处理与对应的单施化肥下两个处理相比0—20 cm土层15N-TN含量平均提高了22.0%；CK+S与CK+SR处理相比20—40和40—50 cm土层15N-TN含量分别增加了55.1%和40.4%；NP+S与NP+SR处理相比，20—40 cm土层15N-TN含量降低了20.1%，而40—50 cm土层15N-TN含量却增加了17.6%（图5）。

图4 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天不同土层土壤全氮含量

图5 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天不同土层土壤全氮中秸秆氮含量

2.6 不同土层中秸秆氮对土壤全氮的贡献率（fmn）

第50天，各处理0—20、20—40和40—50 cm土层fmn平均分别为5.5%、0.6%和0.8%（图6），且受施肥与根际沉积交互作用的影响显著（＜0.05，表2）。第50天，不施肥下两个处理与对应的单施化肥下两个处理相比，0—20 cm土层fmn平均提高了27.6%；NP+S处理与NP+SR处理相比，20—40和40—50 cm土层fmn分别提高了34.6%和30.3%（＜0.05）。第150天，各处理0—20、20—40和40—50 cm土层fmn平均分别为4.8%、1.5%和0.7%（图6）。第150天，不施肥下两个处理与对应的单施化肥下两个处理相比，0—20 cm土层fmn平均提高了36.7%；CK+S与其他处理相比，20—40和40—50 cm土层fmn分别平均提高了39.9%和35.1%（＜0.05）。

图6 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天不同土层秸秆氮对土壤全氮的贡献率

2.7 土壤中秸秆碳氮残留率（Rmc，Rmn）

第50天，土壤中Rmc和Rmn平均分别为43.1%和72.3%，其中CK+SR处理Rmc和Rmn分别比其他处理提高了6.3%—24.2%和15.0%—21.5%（表3）。第150天，土壤中Rmc和Rmn平均分别为41.4%和76.8%，其中CK+S处理Rmc和Rmn分别比其他处理提高了6.1%—19.0%和14.8%—23.2%。在这两个时期，Rmc和Rmn均受施肥与根际沉积交互作用的显著影响。

3 讨论

3.1 不同施肥根际沉积对表层土壤中秸秆碳氮固定的影响

秸秆还田后，秸秆碳可为土壤微生物活动提供碳源和能源，从而促进土壤微生物活动，导致秸秆在土壤中的快速分解。第50天，仅添加秸秆处理（CK+S与NP+S）土壤中秸秆碳的残留率平均为40.5%（表3），低于谢柠桧等[36]的研究结果。这主要与田间培养条件和低的秸秆添加量有关[9]。第50天，玉米生长进入旺盛的营养生长时期，提高了土壤中根际沉积物的数量[37]。根际沉积物主要由可溶性物质组成，土壤（尤其是不施肥土壤）中微生物可能优先利用根际沉积碳，从而降低了对秸秆碳的分解[38]。因此，第50天，根际沉积输入增加了秸秆碳在土壤中的残留率（表3），促进了其在表层（0—20 cm）土壤的固定（图2），有利于表层土壤有机碳碳源的更新（图3）。第150天，根际沉积输入却降低了秸秆碳在土壤中的残留和固存，这可能是因为随着玉米的生长尤其是在作物收获后，作物根系分泌物的数量和质量发生变化。与此同时，在秸秆分解后期，残留的秸秆中难分解物质的比例增加[39]，而当秸秆和根际沉积两种碳源共存时，土壤微生物群落及其生理代谢可能发生变化[40]，可从根际沉积碳和秸秆碳中共同受益[41]，从而促进了秸秆的分解，降低了秸秆碳在表层土壤中的固存。第50天和第150天根际沉积对秸秆碳在土壤中的残留和固存的影响可能与土壤微生物群落结构和功能的变化有关。在作物营养生长时期，根际沉积物数量的增加会刺激一些偏好利用植物源碳的细菌群体如放线菌[42]。同时，由于新鲜的根系分泌物诱导根际产生激发效应，加速土壤原有机质的降解，使秸秆碳在土壤中的富集比例增加。当作物进入生长期后期，由于根系分泌量减少或部分根系的死亡，根际激发效应的强度降低[43]，此时寡营养型微生物占主导地位，促进了秸秆中难降解物质的分解[42]。本研究仅研究了根际沉积和秸秆同时存在时根际沉积对秸秆碳固定的影响，然而关于秸秆如何影响根际沉积碳的固定与转化仍不清楚，未来需要结合13C平行标记（dual-labeling）进行进一步探讨。

表3 添加13C15N双标记秸秆第50天和第150天土壤中秸秆碳、氮的残留率

不同小写字母表示同一时期不同处理间的差异显著（＜0.05）

Different lowercase letters show significant difference (＜0.05) among different treatments at the same day

第50天，单施化肥（NP）下两个处理表层土壤中秸秆氮含量及其对土壤全氮的贡献（fmn）均不受根际沉积的影响（图5和图6），说明根际沉积不影响单施化肥处理表层土壤秸秆氮的固定。这可能是因为NP处理土壤本身的氮和磷养分丰富（表1），高碳氮比的秸秆还田后土壤本身氮磷养分和速效肥料的施入可能降低了地上作物和土壤微生物生长对氮磷养分的竞争[41]。不施肥（CK）处理初始土壤较低的氮素含量使作物生长受到养分胁迫，玉米根系通过分泌有机酸来促进土壤有机质中养分的释放[44]，提高微生物对秸秆氮的固定，促进其在表层土壤的固存（图5），增加了秸秆氮在土壤中的残留（表3），从而有利于土壤中氮源的更新（图6）。作物收获后，秸秆氮仅在地下部进行转化与分配，第150天的表层土壤中秸秆氮含量和fmn仅受施肥的显著影响（表2），且CK下两个处理显著高于NP下两个处理（＜0.05，图5和6）。不施肥处理土壤本身微生物数量和活性较低，这可能限制了微生物对秸秆氮的分解，从而增加了秸秆氮在土壤中的残留（表3）。未来研究需要结合微生物分子生物学的技术探讨秸秆与根际沉积共存时微生物与作物对氮素的竞争与调控机制。

3.2 不同施肥秸秆碳氮在土壤剖面的迁移与固定

在表层土壤中添加秸秆后，秸秆碳氮可通过土壤优先流、重力作用在土壤剖面发生移动[18]。第50天，各处理深层土壤（20 cm以下）中均发现秸秆碳氮的固定。秸秆碳氮随时间持续不断地向深层土壤迁移，使第150天各处理深层土壤秸秆碳氮的含量均高于第50天（图2和图5）。施肥和根际沉积的交互作用显著影响（＜0.05）第150天深层土壤的13C-SOC含量（表2）。在秸秆分解后期，不施肥处理下根际沉积对深层土壤秸秆碳固定的影响与表层土壤的影响相同，即根际沉积的输入不利于秸秆碳在深层土壤的固存（图3）。随着玉米的生长，深层土壤中玉米根际沉积的输入增加。单施化肥下，深层土壤中有效氮磷养分丰富，微生物可能优先利用根际沉积碳源，而迁移到深层土壤的秸秆碳通过与矿物结合或与团聚体包裹而固存在土壤中[45]，从而有利于深层土壤有机碳碳源的更新。第150天的40—50 cm土层土壤15N-TN含量仅受根际沉积的显著影响（＜0.05），说明土壤性质对该土层秸秆氮的固存影响较小。此外，深层土壤中低氧、低温等环境限制可能限制微生物的底物利用率，有利于秸秆碳氮在深层土壤中固存[46]。虽然深层土壤中13C-SOC和15N-TN含量较少，但其对该土层土壤有机碳和全氮的贡献较高，同时也促进了深层土壤有机碳和氮源的更新。这些秸秆碳氮在深层土壤的固存是否会激发深层土壤有机碳和氮的矿化，影响深层土壤有机碳和氮库的稳定性则有待进一步研究。

4 结论

在秸秆分解前期（第50天），施肥和根际沉积的交互作用显著影响（＜0.05）表层（0—20 cm）土壤中秸秆碳和氮的含量。秸秆分解后期（第150天）的表层土壤中，秸秆碳的固定主要受根际沉积的影响（＜0.05），且根际沉积对秸秆碳的固定起到负反馈效应；而秸秆氮的固定主要受施肥的影响（＜0.05）。秸秆碳氮随时间不断从表层向深土层（20 cm以下）迁移和累积。单施化肥下根际沉积有利于秸秆碳氮在深层土壤中固存，而不施肥下根际沉积却减少了秸秆碳氮在深层土壤中的固存。虽然秸秆碳和氮占深层土壤有机碳和氮的比例不超过3%，但其对深层土壤有机碳和氮稳定的影响不容忽视。

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Effects of Rhizodeposition on Straw Carbon and Nitrogen Sequestrationin Soil Profile Under Different Fertilization Conditions

MEI XiuWen, ZHU TengXiao, LI YuPing, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866

【Objective】Straw returning is an important measure for protecting black soil in Northeast China. Straw and rhizodeposition coexisted in the practical agricultural production, while the sequestration characteristics of straw carbon (C) and nitrogen (N) in soils remained not very clear under this condition. The purpose of this study was to compare the differences in the content of soil organic C (SOC) derived from straw C (13C-SOC) and that of soil total N (TN) derived from straw N (15N-TN) among different soil layers, and to investigate the effects of rhizodeposition on straw C and N sequestration in soil profile under different fertilization conditions, so as to provide a basis for the protection and utilization of black soil in Northeast China. 【Method】Based on the long-term experimental station of Shenyang Agricultural University, the treatments of adding13C15N double-labeled straw (S) and its combination with rhizodeposition (hereafter referred to as “rhizodeposition”) (SR) were designed under different fertilization plots (no fertilization, CK; single application of chemical fertilizer, NP), including four treatments: CK+S, CK+SR, NP+S, NP+SR. The contents of SOC and TN, and values of δ13C and δ15N at different soil layers were measured after the 50 and 150 days ofexperiment. 【Result】At the early stage of straw decomposition (the 50thday), fertilization, rhizodeposition and their interactions significantly affected (＜0.05) the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil (0-20 cm). On the 50thday, compared with the CK+S treatment, the CK+SR treatment increased the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil by 18.6% and 21.7% (＜0.05), respectively. The contribution percentage of13C-SOC to SOC in the topsoil was, on average, 10.5% and 12.0% in the S (CK+S and NP+S) and SR (CK+SR and NP+SR) treatments under different fertilization, respectively. The contribution percentage of15N-TN to TN in the topsoil was, on average, higher 27.6% (＜0.05) in the two treatments under CK (CK+S and CK+SR) than that in the corresponding treatments under NP (NP+S and NP+SR). On the 50thday, the contribution percentage of13C-SOC to SOC and that of15N-TN to TN at deep soil (20-50 cm) were 1.0%-2.2% and 0.5%-0.9%, respectively. At the later stage of straw decomposition (the 150thday), rhizodeposition and fertilization significantly affected (＜0.05) the contents of13C-SOC and15N-TN in the topsoil, respectively. On the 150thday, compared with the treatment of rhizodeposition, the treatment of straw addition increased the13C-SOC content in the topsoil, on average, by 12.6% (＜0.05). The15N-TN content in the topsoil was, on average, higher 22.0% (＜0.05) in the two treatments under CK than that in the corresponding treatments under NP. The contribution percentage of15N-TN to TN in the topsoil in CK and NP treatments was 5.5% and 4.0%, respectively. On the 150thday, the contribution percentage of13C-SOC to SOC and that of15N-TN to TN at deep soil were 0.8%-3.2% and 0.7%-1.8%, respectively. 【Conclusion】Rhizodeposition had a negative feedback effect on the sequestration of straw C in topsoil during the later stage of straw decomposition. Straw derived C and N were constantly migrated and then accumulated from topsoil to deep soil, and their influences on the stabilities of soil organic C and N pools should be paid more attention.

rhizodeposition; straw carbon; straw nitrogen;13C15N double-labelling; black soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.012

2022-11-04；

2022-12-09

国家重点研发计划（2022YFD1500301，2021YFD1500205）、沈阳农业大学2022年研究生创新培育项目（2022YCXS40）、辽宁省科学研究经费项目（LSNQN202008）、国家自然科学基金面上项目（41771328）

梅秀文，E-mail：mxw18837135304@163.com。通信作者安婷婷，E-mail：atting@syau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）