秸秆还田与施氮对耕层土壤有机碳储量、组分和团聚体的影响

2023-11-18郭戎博李国栋潘梦雨郑险峰王朝辉何刚

中国农业科学 2023年20期

郭戎博，李国栋，潘梦雨，郑险峰，王朝辉,2，何刚,2

郭戎博1，李国栋1，潘梦雨1，郑险峰1，王朝辉1,2，何刚1,2

1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100

【目的】秸秆还田配施氮肥的固碳研究结果存在争议，为此展开本研究，旨在揭示秸秆还田配施氮肥对农田土壤固碳能力的影响以及固碳机理，为秸秆还田配施氮肥固碳研究提供依据。【方法】依托11年的长期定位试验，采用裂区设计，主处理为秸秆处理方式（还田与不还田），副处理为3个施氮水平，分别为不施氮（N0）、施氮 168 kg·hm-2（N168）、336 kg·hm-2（N336，过量施氮）。【结果】施用氮肥较不施氮肥小麦增产14.4%—19.5%，秸秆还田对产量影响不显著。秸秆还田显著提高土壤碳累积投入量70.8%（＜0.05），但对土壤有机碳储量影响不显著。与不施氮相比，施用氮肥分别显著提高土壤碳累积投入量和土壤有机碳储量7.7%—8.5%（＜0.05）和4.7%—8.1%（＜0.05）。施用氮肥显著提高土壤固碳速率32.7%—56.1%（＜0.05），过量施氮（N336）显著提高土壤固碳效率51.8%（＜0.05）；秸秆还田显著降低了土壤固碳效率30.9%（＜0.05）。施氮和秸秆还田均能提升土壤碳库容量，N0和N168处理已经达到碳饱和状态。秸秆还田后土壤可溶性有机碳（DOC）、微生物量碳（MBC）、易氧化有机碳（EO）含量分别提高4.6%、11.2%、4.5%。与不施氮（N0）相比，施氮（N168）和过量施氮（N336）的DOC分别提高14.1%、29.5%；MBC分别平均降低14.0%、28.0%；EO分别提高8.2%和11.5%。秸秆还田有利于土壤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。秸秆还田与施用氮肥均对土壤EO/SOC没有影响。秸秆还田和施氮均有利于大团聚体（＞0.25 mm）的提升，秸秆还田显著提升了大团聚体的有机碳含量5.2%。秸秆不还田下团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）随着氮水平增加表现出先提高后降低的趋势，还田下则表现为随氮水平的增加而增加，秸秆还田分别提升团聚体MWD和GMD 8.8%和7.5%，施用氮肥相较不施氮对MWD和GMD分别提升14.1%—22.7%和16.8%—23.4%。秸秆还田和施氮均能提高有机碳在大团聚体的分布。【结论】秸秆还田配施氮肥可以通过增加碳投入量，提高活性有机碳含量，降低微生物活性，提高团聚体对有机碳的保护来提高耕层碳储量。

秸秆还田；氮肥；耕层；碳储量；活性碳组分；团聚体

0 引言

【研究意义】随着温室效应带来诸多问题，土壤固碳成为近年来人们关注焦点。土壤碳库作为陆地生态系统中最大的碳库，其固碳能力微小的变化影响着温室效应[1]。据估计，全球1 m土层有机碳含量增加0.4%，便可使大气CO2浓度不再增加[2]。农田土壤碳库是土壤碳库中最活跃、受人类活动和外界影响最大的碳库[3]，因此农田土壤固碳被国际粮农组织认为是经济有效的固碳方法[4]。由于受人为影响剧烈，耕层有机碳对农业措施的影响敏感，因此耕层有机碳的研究十分重要。【前人研究进展】秸秆作为农副产品，资源丰富，含有大量的有机碳和养分[5]。秸秆还田在提高农田土壤碳储量上具有重大潜力[6]，LIU等[7]对秸秆还田固碳进行Meta分析认为，秸秆还田平均提升土壤有机碳（SOC）12.8%，活性有机碳提升27.4%—56.6%。甘肃连续的玉米秸秆还田试验发现秸秆还田时间越长、土壤有机质提升效果越好[8]。由于秸秆C/N高，还田后会造成N限制，引起微生物与作物争氮和激发效应[9-10]，秸秆还田需配施氮肥。氮肥的施用作为人为因素影响着秸秆还田的固碳效果。新疆的长期定位试验表明[11]秸秆直接还田下土壤有机碳含量随施氮量的增加而增加。关于施氮提高有机碳含量的原因有很多，HU等[12]认为施用氮肥改善了不稳定的SOC官能团和化合物，并通过提高土壤微生物丰度促进了SOC在更稳定组分中的固存。ZHENG等[13]认为秸秆还田配施氮肥促进了团聚体对有机碳的保护。施用氮肥也会对土壤固碳产生负面影响，戴相林等[14]等认为增加施氮量会显著提高温室气体的排放，从而降低固碳效果。王桂红[10]认为秸秆还田配施低水平氮肥能降低土壤矿化的激发强度，高水平氮激发效应增大不利于土壤碳固持。可见施用氮肥对秸秆还田固碳效果和机理存在争议，因此需要更多这方面的研究。【本研究切入点】氮肥施用对秸秆还田固碳产生重要影响，目前关于不同施氮量对于秸秆还田的固碳效果的相关文献较少，对于固碳机理缺少综合考虑，并且多为短期或培养试验。【拟解决的关键问题】本文依托11年长期定位试验，研究秸秆还田和不同氮施用量对土壤有机碳储量、固碳速率、固碳效率、碳饱和点、活性碳组分、土壤团聚体的影响，为秸秆还田下合理氮肥用量提高土壤固碳能力提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于陕西省周至县终南镇（东经108°22′04″，北纬34°07′20″），该区域属于半湿润易旱气候。当地年均气温13 ℃，无霜期225 d，平均海拔524 m，降水量674 mm。试验于2011年开展秸秆还田配施氮肥定位试验，种植体系为冬小麦-夏玉米轮作，一年两熟。土壤类型为褐土，试验开展前耕层土壤基本理化性质为：有机碳10.78 g·kg-1，全氮1.13 g·kg-1，硝态氮4.03 mg·kg-1，有效磷8.51 g·kg-1，速效钾188 mg·kg-1，pH 7.28，土壤容重1.21 g·cm-3，土壤有机碳储量26.39 t·hm-2。

1.2 试验设计

试验于2011年10月开展。采用裂区设计，主处理为玉米秸秆还田和不还田，还田处理是将上茬玉米秸秆粉碎后深翻（30 cm）全量还田（S，年均还田量3.48 t·hm-2），还田后撒施底肥旋耕20 cm，再用播种机播种小麦；不还田处理是将秸秆全部移出田块，其他耕作措施与还田处理一致。副处理为3个氮水平，施氮量分别为0、168、336 kg N·hm-2，分别用N0、N168、N336表示，共6个处理。所有处理磷、钾肥用量一致。2011年磷肥用量为150 kg P2O5·hm-2，钾肥用量135 kg K2O·hm-2。2012—2021年调整为100 kg P2O5·hm-2，75 kg K2O·hm-2。氮、磷、钾肥种类分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾，其中磷、钾肥在小麦播种前作为底肥一次性施入，氮肥60%作为底肥，40%于小麦拔节期追肥。冬小麦播种量根据当年播种品种和播种时间决定，2012—2022年玉米秸秆还田量为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。小麦生育期内不灌水。收获小麦后种植夏玉米，品种为郑丹958，机械播种播量为45 kg·hm-2，每年玉米施氮量为108 kg N·hm-2，施磷量为138 kg P2O5·hm-2。作物生长期间管理措施与农户一致。

1.3 测定项目

小麦完熟期计产，在每一个小区中随机选取3个1 m×1 m具有代表性的区域测产。待小麦植株风干后脱粒、称重得到风干样产量。取部分籽粒于65 ℃烘干至恒重，测定植株含水量，计算小麦籽粒产量。在玉米成熟后计算产量和秸秆还田量。

2022年小麦收获后，在每个小区使用土钻采集耕层（0—20 cm）土样，按照“S”形5点取样，将土样均匀混合后分为两份，一份鲜土过2 mm筛低温保存用于测定微生物量碳和可溶性有机碳，另一份风干后研磨过0.15 mm筛用于测定土壤有机碳和易氧化有机碳。土壤有机碳和团聚体有机碳含量（团聚体的有机碳测定值）测定使用重铬酸钾-外加热法测定[15]；土壤微生物量碳采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法测定[16]，未熏蒸的浸提液中的可溶性有机碳（DOC）采用岛津TOC-VCPH有机碳分析仪测定，由熏蒸与未熏蒸浸提液DOC的差值除以转化系数0.45计算出微生物量碳（MBC）[17]；易氧化碳使用0.333 mol·L-1KMnO4氧化-比色法测定[18]。

2022年小麦收获后，在每个小区耕层采取原状土。将采集的原状土壤沿自然结构掰成小土块，过8 mm筛，自然风干。风干后用湿筛将原状土分为＞2、2—1、1—0.5、0.5—0.25和＜0.25 mm的水稳性团聚体。将筛子中的土洗出，在50 ℃下烘干冷却后称取土壤团聚体质量。团聚体中的有机碳含量（为该粒径下的有机碳测定浓度）使用重铬酸钾-外加热法测定[15]。

1.4 计算公式与数据分析

1.4.1 有机碳投入量

有机碳投入量：Cinput= Cinputstraw+Cinputcrop

Cinputstraw=Bstraw×Cstraw

Cinputcrop=(YB×R×Dr+YS×RS)×Ccrop

有机碳投入量（Cinput）由两个部分组成，其一源自玉米秸秆还田投入的碳（Cinputstraw），另一部分由小麦和玉米生长期间通过根系、根茬残留和根系分泌物向土体中输入的碳（Cinputcrop）。Bstraw为秸秆还田量，Cstraw为玉米秸秆碳含量0.444 g·g-1。YB和YS分别为作物的生物量和秸秆产量，R为作物光合产物进入地下的比例（小麦为0.3，玉米为0.26），Dr为耕层根系占地下部的比例（小麦为0.753，玉米为0.851），RS为留茬占秸秆的比例（小麦为0.183，玉米为0.03），Ccrop为整个植株的碳含量（小麦碳含量为0.399 g·g-1，玉米碳含量为0.444 g·g-1）[19]。

1.4.2 耕层碳储量，固碳速率和固碳效率

有机碳储量：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分别为有机碳储量、固碳量、固碳速率、固碳效率。SOC、BD、H分别为耕层有机碳含量（g·kg-1）、容重（g·cm-3）、土层厚度（20 cm）。SOCS-2022、SOCS-2011分别为2022年碳储量和2011年碳储量。a为试验进行的年数[6]。

1.4.3 团聚体相关指标

各级水稳性团聚体质量比例（%）=各级团聚体质量（g）/土壤样品总质量（g）×100

平均重量直径（MWD）=∑=1(×)

几何平均直径（GMD）=exp[∑=1ln(×)]

为第个筛子上的团聚体平均直径，为第个筛子上的重量百分比[20]。

1.4.4 数据分析试验数据采用Excel处理，用DPS软件进行裂区试验方差分析，秸秆还田为主区，施氮量为裂区，方差分析采用最小显著差异法（LSD）在＜0.05水平上进行多重比较。采用Origin2021进行作图，土壤有机碳储量变化量与碳投入量的关系用非线性Logistic曲线和线性直线进行拟合。

2 结果

2.1 作物产量和碳累积输入量

通过图1-a可知，各处理的11年小麦产量存在差异，11年平均产量分别为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）。相较于不施肥N0处理，还田与不还田的两种氮水平N168与N336均提高小麦产量（增产范围14.4%—19.5%）。由表1可知，秸秆还田以及秸秆还田和施氮的交互作用对产量的影响均不显著。

施用氮肥通过影响小麦根系分泌物碳以及残茬碳，改变累积碳输入量。而秸秆还田除了将玉米秸秆中的碳直接输入土壤中外，同样也可以通过影响小麦根系残茬碳以及根系分泌物碳，提高碳输入量。通过图1-b可知，与N0相比，N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336的碳累积输入量分别提高11.7%、8.6%、72.9%、84.7%、85.3%。

箱形图的实线和虚线分别表示中位数和平均值。箱形图的上边界和下边界分别表示75%和25%的四分位数。箱形图的上缘和下缘分别表示95%和5%的百分位数。不同小写字母表示不同处理之间的差异显著（P＜0.05）。下同

*表示差异显著（＜0.05）,**表示差异极显著（＜0.01），NS表示无显著差异

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

2.2 秸秆还田配施氮肥对碳储量、固碳量、固碳速率和固碳效率的影响

土壤有机碳储量随着氮投入量的增加而增加（表2），秸秆还田能够提高土壤有机碳储量但不显著（表1）。处理S+N336、N336、S+N168相比N0均能显著提高土壤有机碳储量（＜0.05）分别提高11.7%、10.6%、9.0%。适量施氮（168 kg N·hm-2）和过量施氮（336kg N·hm-2）相比不施氮（0kg N·hm-2）均能显著提高土壤碳储量（＜0.05），对其提高分别为4.7%和8.1%。秸秆还田相比不还田平均提高了2.9%但未达到显著水平，秸秆还田和施用氮肥对有机碳储量没有交互效应（表1）。本试验土壤有机碳初始碳储量为26.39 t·hm-2（2011年），各处理固碳量为当前有机碳储量减去初始碳储量，土壤固碳量随着氮投入的提高而增加，处理N336、S+N168、S+N336的固碳量相比于N0处理分别显著增加47%、42%、49%（＜0.05）（表2）。适量施氮和过量施氮的固碳量相较于不施氮均显著增加（＜0.05），分别增加33%和56%，秸秆还田对固碳量的增加不显著，秸秆还田和施用氮肥对固碳量没有交互效应（表1）。固碳速率为固碳量除以试验进行时间。经过11年的长期定位试验后土壤的固碳速率随着施氮量的增加。各处理的固碳速率较N0分别提高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处理显著提高固碳速率（＜0.05）。施用氮肥较不施氮显著提高了固碳速率32.7%—56.1%（＜0.05），秸秆还田对固碳速率的提高不显著，秸秆还田和施用氮肥对固碳速率没有交互效应（表1）。固碳量除以累积碳投入量为固碳效率。处理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336的固碳效率较N0分别提高40.9%、73.7%、-15.4%、-5.0%、6.6%。N336相比N0对固碳效率的提高达到显著水平（＜0.05）。过量施氮处理（336 kg N·hm-2）显著提高了固碳效率（＜0.05），秸秆还田显著降低了固碳效率（＜0.05），还田和施用氮肥对固碳效率没有交互效应（表1）。

表2 秸秆还田配施氮肥对耕层有机碳储量、固碳量、固碳速率和固碳效率的影响

不同小写字母表示不同处理差异显著（＜0.05）。下同

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

2.3 土壤有机碳储量与碳累积投入量的关系

土壤有机碳储量变化量随碳投入量的增加呈不同的变化趋势（图2）。由图2-f可知，S+N336的有机碳储量的变化量随着碳投入量的增加而线性增加，而N336、S+N0、S+N168的有机碳储量（图2-c、2-d、2-e）变化量随着碳投入量的增加呈现先快速增加后缓慢增加的趋势，N0和N168（图2-a、2-b）的有机碳储量变化量随着碳投入量的增加呈现前期快速增加中期缓慢增加后期保持不变的趋势。通过拟合曲线的方程可以得到除S+N336外的预计碳储量饱和点。N0、N168、N336、S+N0、S+N168的预计碳储量饱和点分别为30.49、31.96、35.34、32.96和34.02 t·hm-2。S+N336在未达到饱和阈值前保持当前的固碳效率继续增长，通过比较当前的碳储量与预计碳饱和点可以认为处理N0和N168可能已达到碳饱和的状态，而其余处理下土壤有机碳储量还有提升的空间。

有机碳储量变化量为当前有机碳储量与初始有机碳储量之差

2.4 秸秆还田配施氮肥对活性碳组分的影响

秸秆还田可提高土壤耕层有机碳含量，并且能提高耕层的活性碳含量（图3）。各处理的土壤有机碳相比较N0处理分别提高了6.2%（N168）、10.6%（N336）、5.5%（S+N0）、9.0%（S+N168）、11.6%（S+N336），其中S+N336处理达到了显著水平（＜0.05），秸秆还田下SOC较不还田平均提高2.9%，适量施氮和过量施氮较不施氮分别平均提高4.7%、8.1%，达到显著水平（＜0.05）。

秸秆还田下土壤可溶性有机碳较不还田平均提高4.61%。适量施氮（168 kg N·hm-2）和过量施氮（336 kg N·hm-2）较不施氮分别提高14.1%、29.5%，其中N336处理达到显著水平（＜0.05），各处理的DOC较N0分别提高12.1%（N168）、25.7%（N336）、1.1%（S+N0）、17.4%（S+N168）、34.8%（S+N336）。

图3 秸秆还田配施氮肥对耕层有机碳含量和活性碳组分的影响

秸秆还田显著提高土壤微生物量碳（表1），平均提高11.2%（＜0.05），土壤微生物量碳随着施氮量的增加而降低，适量施氮和过量施氮平均分别降低14.0%、28.0%，N336达到显著水平（＜0.05）。相较于N0处理，处理N168、S+N336、N336对MBC的降低达到显著水平（＜0.05）。还田处理的易氧化碳较不还田平均提高了4.5%，施氮提高了易氧化碳的含量，适量施氮（N168）和过量施氮（N336）相较于不施氮（N0）分别提高了8.2%和11.5%，N336的提高达到了显著水平（＜0.05），相较于N0处理，N336、S+N168、S+N336对易氧化碳的提高达到了显著水平（＜0.05）。

表3为不同处理下活性碳组分比例。从表3中可知，处理S+N336的DOC/SOC显著高于N0和S+N0（＜0.05），过量施氮相比不施氮显著提高了可溶性有机碳在土壤有机碳中的占比，平均提高19.1%（＜0.05），适量施氮和秸秆还田对可溶性有机碳在土壤有机碳中的占比影响不显著。处理N336的微生物熵显著低于处理N0和S+N0（＜0.05），秸秆还田下微生物熵较不还田平均提高了8.1%，微生物熵随着施氮量的增加而降低，适量施氮（168 kg N·hm-2）和过量施氮（336 kg N·hm-2）相较不施氮分别平均下降18.6%、32.3%，N336达到显著水平（＜0.05）。各处理对易氧化碳在土壤有机碳中的占比没有影响。

2.5 秸秆还田配施氮肥对耕层水稳性团聚体的影响

秸秆还田配施氮肥影响耕层水稳性团聚体的分布（表4）。所有处理中，微团聚体（＜0.25 mm）的含量最高（29.7%—41.9%），大团聚体（＞0.25 mm）的含量从大到小依次为粒级1—0.5、0.5—0.25、2—1 和＞2 mm的团聚体。相比于N0处理，N168、N336、S+N168、S+N336均显著提高了土壤大团聚体的含量（＜0.05），分别提高14.8%、13.9%、14.7%、21.0%，适量氮水平（168 kg N·hm-2）和过量氮水平（336 kg N·hm-2）均显著提高大团聚体含量（＜0.05）。秸秆还田对大团聚体整体影响不显著，但显著提高了粒级2—1 mm大团聚体含量（＜0.05）。

秸秆还田配施氮显著影响了土壤团聚体中有机碳的含量（表4）。所有处理的大团聚体有机碳含量随着粒级减少而降低，微团聚体除S+N0处理外有机碳含量均少于粒级为0.5—0.25 mm的大团聚体。处理间微团聚体有机碳含量大小顺序为S+N336＞S+N168＞N0＞N168＞S+N0＞N336（10.7—12.1 g·kg-1），处理N168、S+N0、N336的微团聚体有机碳含量均与S+N336呈显著差异（＜0.05），秸秆还田显著提高了微团聚体有机碳含量，施氮对微团聚体有机碳含量影响不显著。处理间大团聚体有机碳含量大小顺序为S+N336＞S+N168＞S+N0＞N0＞N336＞N168（12.2—13.3 g·kg-1），处理S+N336大团聚体有机碳显著高于N0、N336、N168（＜0.05），处理S+N168显著高于N168（＜0.05），秸秆还田显著提高了大团聚体有机碳含量，施氮对大团聚体有机碳含量影响不显著。

表3 秸秆还田配施氮肥对土壤活性有机碳组分占比的影响

表4 秸秆还田配施氮肥对团聚体组成、有机碳含量和分配的影响

所有处理的有机碳主要分布在大团聚体（＞0.25 mm）中，各处理有机碳在大团聚体中分布由大到小依次为S+N336、N336、S+N168、N168、S+N0、N0（60.9%—72.8%），其中处理N168、N336、S+N168、S+N336较N0均能显著提高有机碳在大团聚体中的分布（＜0.05），处理S+N336的有机碳在大团聚体中的分布显著高于S+N0（＜0.05）。适量施氮（168kg N·hm-2）和过量施氮（336 kg N·hm-2）均能显著提高有机碳在大团聚体的分布（＜0.05），秸秆还田对其提高不显著。有机碳在1—0.5 mm粒级大团聚体分配的比例最高，在＞2 mm粒级大团聚体分布的最少。秸秆还田和适量施氮（168 kg N·hm-2）显著提高了2—1 mm和1—0.5 mm大团聚体有机碳的分布（＜0.05），过量施氮处理（336 kg N·hm-2）均能提高除0.5—0.25 mm团聚体外，其他粒级大团聚体的有机碳分布（＜0.05）。适量施氮（168 kg N·hm-2）和过量施氮（336 kg N·hm-2）均显著减少了有机碳在微团聚体中的分布（＜0.05）。

秸秆还田和施用氮肥提高了团聚体的平均重量直径和几何平均直径，处理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336相比N0对平均重量直径分别提高了19.1%、11.7%、5.0%、14.9%、39.9%，N168和S+N336达到显著水平（＜0.05），S+N336的平均重量直径显著高于其他处理（＜0.05），适量氮处理（168 kg N·hm-2）、高氮处理（336 kg N·hm-2）、秸秆还田处理均显著提高平均重量直径（＜0.05）。处理N168、N336、S+N0、S+N168、S+N336相比N0对几何平均直径分别提高了21.1%、16.3%、5.9%、19.3%、37.8%，处理N168、N336、S+N168、S+N336均达到显著水平（＜0.05），S+N336的几何平均直径显著高于其他处理（＜0.05），适量氮处理（168 kg N·hm-2）和过量施氮（336 kg N·hm-2）均能显著提高几何平均直径（＜0.05），秸秆还田对其提高不显著。

图4 秸秆还田配施氮肥对团聚体平均重量直径和几何平均直径的影响

3 讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对耕层有机碳的影响

秸秆还田能促进耕层土壤固碳[6-7,13]，本研究施氮显著提高耕层土壤有机碳储量、固碳速率、固碳效率，秸秆还田对耕层碳储量和固碳速率的提升不显著，显著降低了固碳效率。研究认为施用氮肥可通过增加作物地上部凋落物、根茬、根系分泌物和还田量来提高土壤有机碳[21]，本研究中秸秆还田配施氮肥对冬小麦产量产生了影响，施氮显著增加小麦产量，高氮相比适量施氮的小麦有减产趋势。尽管秸秆中含有大量的碳[22]，还田可显著提高土壤碳投入量，但由于环境、农作方式、还田年限、起始有机碳浓度的不同，秸秆还田对于土壤有机碳提高的效果也不同[23]。本试验秸秆还田平均提高有机碳储量2.9%，这是由于秸秆还田在向土壤中输入大量碳的同时，增强了土壤微生物的活性，增强了对有机碳的矿化作用[24]。除了还田与否造成的碳投入量的变化，裂区处理的3个不同氮水平则会引起碳氮投入比值发生改变。土壤微生物生长繁殖时除了需要碳源外，氮源也是必不可少的。起初微生物缺少的氮素可以通过土壤无机氮进行补充，但微生物活性随着碳投入的增多而提高[25]，土壤无机氮无法满足，需矿化土壤有机质满足微生物的氮素需求[26]。因此较高的投入C/N会降低土壤有机碳含量。本文中施氮提高了有机碳含量可能是由于降低了投入C/N，满足了微生物对氮素的需求，减少了有机碳的分解，从而提高了土壤固碳。文中单施化肥和秸秆还田配施化肥的固碳速率平均分别为0.484和0.568 t·hm-2·a-1，单施化肥与金琳等[27]对中国农田固碳速率的估算之间差异较大（施用化肥0.129 t·hm-2·a-1，秸秆还田0.597 t·hm-2·a-1)，秸秆还田处理的固碳速率较为接近。泾阳的11年长期定位试验秸秆还田的固碳效率为7.5%[28]，固碳效率与本试验接近（本试验固碳效率为7.0%— 8.8%）。有研究认为影响固碳效率的有气候、土壤性质、耕作措施、有机物料的性质等因素[29]。赵雅雯等[30]的研究发现小麦根系的固碳效率16.9%，大于玉米根系11.2%和玉米秸秆11.4%的固碳效率，还田处理的大部分有机物料为秸秆碳，相比较不还田的根系残留碳更容易被分解。另有研究认为碳投入量过大会降低固碳效率，当碳累积投入量超过83 t·hm-2这一阈值时，固碳效率相比之前降低了37.2%[31]。本试验中秸秆还田处理平均碳累积投入量为79.3 t·hm-2，相比较不还田平均降低了固碳效率30.9%。有研究认为施用氮肥可以缓解因有机物物料的高C/N带给土壤微生物的抑制，从而降低固碳效率[32]。本文中过量施氮处理显著提高了固碳效率可能是因为过量施用氮肥导致土壤酸化抑制了土壤微生物活性从而提高了固碳效率[33]。碳饱和理论[34]认为土壤有机碳会随着碳投入量的增加呈现线性加平台的趋势，与本试验结果一致。SIX等[35]土壤有机碳的稳定机制将土壤碳库分为化学稳定、物理保护、生物化学稳定和游离态的4种碳库，认为土壤碳饱和受这4种碳库共同影响，一般认为化学稳定碳库由矿物数量、表面积和配体数量决定，难以被改变。因此不同措施对农田土壤碳饱和的影响主要决定于剩余的3个碳库。前人试验证明秸秆还田和施用氮肥均对这3种碳库容量提升产生积极作用[36-37]，这与本文秸秆还田和施用氮肥能够提高碳饱和点的结果一致。

3.2 秸秆还田配施氮肥对活性碳组分的影响

活性碳主要包括DOC、MBC、EO，因为其活性高在短时间内能对施肥和秸秆还田等耕作措施做出反应，常被当作土壤碳循环和养分转化的敏感指标[38]。本文中秸秆还田提高了活性碳组分的含量，这与Liu等研究的结果一致[7]。MBC在一定程度上可以反映土壤微生物的数量与活性[39]，MBC的提高说明秸秆还田刺激了土壤微生物，促进了秸秆的分解，而微生物分解秸秆碳的产物正是活性碳的来源[25]。施用氮肥一方面可促进作物生长、提高有机碳输入量，从而提高活性碳的含量。另一方面提高了土壤氮有效性、降低了因新鲜有机物料输入土体的“正激发效应”，加快微生物对新鲜物料的腐解，提高活性有机碳含量[40]。本文中施氮显著提高了DOC、EO的含量，但显著降低MBC的含量（表1、图3）。研究认为过量施用氮肥的硝化过程会显著引起土壤pH降低[41]。有研究表明pH的降低会减少微生物数量和活性，抑制土壤呼吸，从而降低了微生物量碳含量，促进了其他组分有机碳的存埋[33]。本文中秸秆还田配施氮肥均提高了DOC和EO，但仅显著提高了DOC/SOC，这可能由于DOC活性和移动性较强导致对处理更加敏感。施用氮肥和秸秆还田未能改变EO/SOC，这说明本试验处理并未改变耕层土壤有机碳的氧化稳定性。这种现象可能是由于秸秆还田提高了氨基酸、简单糖等易氧化碳的投入，但也增加了纤维素，木质素等不易氧化的稳定碳，尽管秸秆与根茬碳的组成不同，但由于还田提高了微生物活性同时也提高了微生物分解秸秆碳的机会，从而消除了这种差异。也有研究认为成分差异显著的有机物料在经过微生物体内周转后，化学成分和复杂程度会趋于相同[42]，而施用氮肥可能并未对这一过程产生影响。

3.3 秸秆还田配施氮肥对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是在生物和环境因子的共同作用下形成土壤基本结构[43]。土壤团聚体与土壤有机碳关系密不可分，前者是后者物理保护，防止被矿化的场所，后者是前者形成的重要胶结物质。本研究中施用氮肥显著提高了大团聚体的含量、MWD和GMD，秸秆还田显著提高了2—1 mm粒级团聚体含量，但对大团聚体含量、MWD和GMD的提高未达到显著。在本研究中秸秆不还田下，过量施用氮肥（N336）的大团聚体含量、MWD和GMD有下降的趋势，而秸秆还田下是随着施氮量的增加而增高。有研究认为施用氮肥可以通过提高土壤有机质和促进根系生长来增强土壤团聚体的形成和稳定性[20]。本研究还田条件下氮对团聚体的影响可能是因为施氮增加了团聚体的有机胶结剂，提高了稳定性。但不还田下有机胶结剂并未随施氮量的增加而减少，这可能是因为过量施用氮肥抑制了微生物活性，尤其是抑制了真菌菌丝的形成，减少了微生物衍生结合剂[44]。本研究中秸秆还田未显示影响团聚体稳定性，可能是由于秸秆还田对有机碳领导储量的提高不显著导致的。

本研究中除了处理S+N0的微团聚体有机碳含量大于0.5—0.25 mm大团聚体外，团聚体有机碳含量均随着粒径的减小而降低。这与SIX的团聚体的动力学过程对有机碳分布的解释一致[45]。有机物料在投入土体后先受到大团聚体的物理保护，然后慢慢转化为保护性更强的微团聚体碳[46]。本研究有机碳主要分布在大团聚体中的结论与朱树伟的结果相似[20]。有机碳主要在大团聚体中分布，可能是因为秸秆还田和施用氮肥提高了有机碳含量，有利于大团聚体的形成，同时施用氮肥降低微生物对有机碳的分解，增加了大团聚包裹有机碳进行物理保护的机会。

4 结论

施用氮肥显著提升了小麦产量，从而提升了小麦根系碳输入量。施氮和秸秆还田均显著提高碳投入量，但仅施氮处理增加了耕层有机碳储量，提高了固碳速率以及固碳效率，秸秆还田降低了固碳效率。秸秆还田和施氮均有利于土壤碳饱和点的提高。施氮量越高，碳饱和点越高。秸秆还田显著提升了微生物量碳，施用氮肥显著降低了微生物量碳。秸秆还田配施氮肥显著提高了可溶性碳、易氧化碳含量，但未影响有机碳的氧化稳定性。有机碳主要分布在大团聚体中。秸秆还田配施氮肥还通过提高团聚体对有机碳的物理保护提高碳储量，秸秆还田可以缓解过量施用氮（336 kg N·hm-2）造成的团聚体稳定性下降。

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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