中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (19): 3856-3868.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.012
梅秀文(), 祝腾霄, 李玉萍, 李双异, 孙良杰, 安婷婷(
), 汪景宽
收稿日期:
2022-11-04
接受日期:
2022-12-09
出版日期:
2023-10-01
发布日期:
2023-10-08
通信作者:
联系方式:
梅秀文,E-mail:mxw18837135304@163.com。
基金资助:
MEI XiuWen(), ZHU TengXiao, LI YuPing, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing(
), WANG JingKuan
Received:
2022-11-04
Accepted:
2022-12-09
Published:
2023-10-01
Online:
2023-10-08
摘要:
【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(P<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%(P<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%(P<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(P<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%(P<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%(P<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。
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[J]. 中国农业科学, 2023, 56(19): 3856-3868.
MEI XiuWen, ZHU TengXiao, LI YuPing, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan. Effects of Rhizodeposition on Straw Carbon and Nitrogen Sequestration in Soil Profile Under Different Fertilization Conditions[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(19): 3856-3868.
表1
不同施肥处理土壤(0—50 cm土层)基本性质(2021年)"
施肥处理 Fertilization treatment | 土壤深度 Soil depth (cm) | 土壤有机碳 Soil organic carbon (g·kg-1) | δ13C值 δ13C value (‰) | 全氮 Total nitrogen (g.kg-1) | δ15N值 δ15N value (‰) | 碳氮比 C/N ratio | 铵态氮 Ammonium nitrogen (mg·kg-1) | 硝态氮 Nitrate nitrogen (mg·kg-1) | 速效磷 Available phosphorus (mg·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CK | 0—20 | 8.77±0.14Ab | -18.08±0.12Aa | 1.09±0.01Ab | 6.45±0.28Ab | 8.02±0.10Aa | 4.52±0.06Ab | 9.81±0.04Ab | 7.43±0.72Bb |
20—40 | 6.62±0.03Bb | -18.95±0.04Ba | 0.83±0.02Bb | 6.36±0.09Aa | 8.00±0.21Aa | 4.15±0.21Bb | 5.56±0.24Bb | 9.21±0.42Ab | |
40—50 | 3.49±0.03Cb | -19.83±0.04Cb | 0.61±0.02Cb | 6.64±0.12Aa | 5.79±0.12Bb | 4.74±0.10Aa | 2.20±0.18Cb | 3.95±0.08Cb | |
NP | 0—20 | 9.73±0.24Aa | -18.94±0.02Ab | 1.33±0.06Aa | 6.95±0.07Aa | 7.62±0.08Ab | 8.07±0.14Aa | 71.23±1.42Aa | 45.83±0.63Ba |
20—40 | 7.28±0.12Ba | -18.90±0.03Aa | 1.18±0.01Ba | 6.50±0.16Ba | 6.19±0.11Bb | 6.05±0.03Ba | 58.99±1.03Ba | 60.95±0.21Aa | |
40—50 | 4.22±0.04Ca | -19.22±0.20Ba | 0.68±0.00Ca | 6.56±0.03Ba | 6.25±0.04Ba | 4.56±0.22Ca | 18.65±0.47Ca | 5.37±0.30Ca |
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)"
因变量 Variance | 因子 Factor | 50 d | 150 d | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
0—20 cm | 20—40 cm | 40—50 cm | 0—20 cm | 20—40 cm | 40—50 cm | ||
SOC | 施肥 Fertilization (F) | P<0.01 | 0.174 | P<0.05 | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | 0.167 | P<0.05 | 0.083 | 0.337 | P<0.01 | P<0.01 | |
F×R | P<0.01 | P<0.05 | 0.776 | 0.587 | P<0.01 | P<0.01 | |
13C-SOC | 施肥 Fertilization (F) | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 | 0.085 | P<0.01 | P<0.01 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | P<0.01 | 0.354 | P<0.05 | P<0.01 | P<0.01 | P<0.05 | |
F×R | P<0.01 | 0.279 | 0.205 | 0.920 | P<0.01 | P<0.01 | |
fmc | 施肥 Fertilization (F) | 0.150 | 0.089 | P<0.01 | P<0.05 | 0.142 | P<0.01 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | P<0.01 | 0.127 | P<0.05 | P<0.01 | 0.359 | P<0.01 | |
F×R | 0.906 | P<0.05 | 0.138 | 0.924 | P<0.01 | P<0.01 | |
TN | 施肥 Fertilization (F) | P<0.01 | 0.976 | P<0.05 | P<0.01 | P<0.01 | 0.719 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | 0.866 | 0.188 | 0.449 | 0.865 | 0.153 | P<0.01 | |
F×R | 0.068 | 0.129 | 0.190 | 0.074 | P<0.05 | P<0.01 | |
15N-TN | 施肥 Fertilization (F) | P<0.01 | P<0.01 | P<0.05 | P<0.01 | P<0.01 | 0.081 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | P<0.01 | P<0.01 | 0.141 | 0.219 | P<0.01 | P<0.01 | |
F×R | P<0.01 | P<0.01 | P<0.05 | 0.113 | P<0.01 | 0.347 | |
fmn | 施肥 Fertilization (F) | P<0.01 | P<0.01 | 0.189 | P<0.01 | 0.115 | P<0.05 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | P<0.01 | P<0.05 | 0.065 | 0.150 | P<0.01 | P<0.05 | |
F×R | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 | 0.516 | P<0.01 | P<0.05 |
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"
处理 Treatment | 秸秆碳的残留率 Residual percentage of straw carbon, Rmc (%) | 秸秆氮的残留率 Residual percentage of straw nitrogen, Rmn (%) | ||
---|---|---|---|---|
50 d | 150 d | 50 d | 150 d | |
CK+S | 38.1±1.2c | 44.6±0.4a | 66.8±0.0d | 88.4±2.6a |
CK+SR | 47.5±1.9a | 37.4±0.3 c | 81.9±0.9a | 74.7±1.7b |
NP+S | 42.8±1.0b | 42.1±2.0b | 71.7±0.1b | 69.8±1.8c |
NP+SR | 44.2±1.9b | 41.3±0.2b | 68.7±0.8c | 74.4±0.7b |
施肥 Fertilization (F) | 0.429 | 0.266 | P<0.01 | P<0.01 |
根际沉积 Rhizodeposition (R) | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 |
F×R | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 | P<0.01 |
[1] |
doi: 10.1890/1051-0761(2000)010[0423:TVDOSO]2.0.CO;2 |
[2] |
pmid: 20349829 |
[3] |
doi: 10.3390/ijms12085238 |
[4] |
汪景宽, 徐香茹, 裴久渤, 李双异. 东北黑土地区耕地质量现状与面临的机遇和挑战. 土壤通报, 2021, 52(3): 695-701.
|
|
|
[5] |
张佳宝, 孙波, 朱教君, 汪景宽, 潘喜才, 高添. 黑土地保护利用与山水林田湖草沙系统的协调及生态屏障建设战略. 中国科学院院刊, 2021, 36(10): 1155-1164.
|
|
|
[6] |
doi: 10.1016/j.apsoil.2019.02.018 |
[7] |
|
[8] |
doi: 10.1007/s00374-015-1006-3 |
[9] |
doi: 10.1016/j.geoderma.2018.08.018 |
[10] |
徐英德, 丁雪丽, 李双异, 孙良杰, 高晓丹, 谢柠桧, 金鑫鑫, 白树彬, 孙海岩, 汪景宽. 不同肥力棕壤全氮和微生物量氮对外源玉米残体氮的响应. 生态学报, 2017, 37(20): 6818-6826.
|
|
|
[11] |
doi: 10.1016/S0038-0717(03)00180-9 |
[12] |
王淑颖, 李小红, 程娜, 付时丰, 李双异, 孙良杰, 安婷婷, 汪景宽. 地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响. 中国农业科学, 2021, 54(2): 345-356. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.02.010.
|
|
|
[13] |
胡国庆, 刘肖, 何红波, 张旭东. 免耕覆盖还田下玉米秸秆氮素的去向研究. 土壤学报, 2016, 53(4): 963-971.
|
|
|
[14] |
盛明. 不同秸秆添加方式对农田黑土有机碳及矿化过程的影响[D]. 长春: 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 2020.
|
|
|
[15] |
曾莉, 张鑫, 张水清, 王秀斌, 梁国庆, 周卫, 艾超, 张跃强. 不同施氮量下潮土中小麦秸秆腐解特性及其养分释放和结构变化特征. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(9): 1565-1577.
|
|
|
[16] |
王士超, 闫志浩, 王瑾瑜, 槐圣昌, 武红亮, 邢婷婷, 叶洪龄, 卢昌艾. 秸秆还田配施氮肥对稻田土壤活性碳氮动态变化的影响. 中国农业科学, 2020, 53(4): 782-794. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.010.
|
|
|
[17] |
doi: 10.1007/s11368-016-1428-z |
[18] |
郑聚锋, 程琨, 潘根兴. 生物质炭施用对深层土壤碳库的影响. 南京农业大学学报, 2020, 43(4): 589-593.
|
|
|
[19] |
温延臣, 李海燕, 袁亮, 徐久凯, 马荣辉, 林治安, 赵秉强. 长期定位施肥对潮土剖面养分分布的影响. 中国农业科学, 2020, 53(21): 4460-4469. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.014.
|
|
|
[20] |
宋佳丽, 王鸿雁, 张淑香, 彭畅, 鲁彩艳, 迟光宇, 陈欣. 施肥和秸秆还田对黑土农田土壤剖面养分分布的影响. 生态学杂志, 2022, 41(1): 108-115.
|
|
|
[21] |
万连杰, 何满, 田洋, 郑永强, 吕强, 谢让金, 马岩岩, 邓烈, 易时来, 李建. 有机肥替代化肥比例对椪柑生长发育、产量和土壤生物学特性的影响. 植物营养与肥料学报, 2022, 28(4): 675-687.
|
|
|
[22] |
祝贞科, 沈冰洁, 葛体达, 王久荣, 袁红朝, 吴金水. 农田作物同化碳输入与周转的生物地球化学过程. 生态学报, 2016, 36(19): 5987-5997.
|
|
|
[23] |
doi: 10.1111/gcb.12816 pmid: 25421798 |
[24] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2019.02.019 |
[25] |
孟猛, 徐永艳. 植物光合碳在不同器官-土壤系统的动态分布特征13C示踪. 水土保持研究, 2021, 28(1): 331-336, 344.
|
|
|
[26] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2012.01.009 |
[27] |
艾超, 孙静文, 王秀斌, 梁国庆, 何萍, 周卫. 植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(5): 1343-1351.
|
|
|
[28] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2016.12.004 |
[29] |
doi: 10.1111/gcb.12161 pmid: 23504744 |
[30] |
doi: 10.1016/j.apsoil.2021.104374 |
[31] |
汪景宽, 李丛, 于树, 李双异. 不同肥力棕壤溶解性有机碳、氮生物降解特性. 生态学报, 2008, 28(12): 6165-6171.
|
|
|
[32] |
安婷婷, 汪景宽, 李双异, 付时丰, 裴久渤, 李慧. 用13C脉冲标记方法研究施肥与地膜覆盖对玉米光合碳分配的影响. 土壤学报, 2013, 50(5): 948-955.
|
|
|
[33] |
doi: 10.1016/j.apsoil.2011.11.005 |
[34] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2010.11.016 |
[35] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2012.02.030 |
[36] |
谢柠桧, 安婷婷, 李双异, 孙良杰, 裴久渤, 丁凡, 徐英德, 付时丰, 高晓丹, 汪景宽. 外源新碳在不同肥力土壤中的分配与固定. 土壤学报, 2016, 53(4): 942-950.
|
|
|
[37] |
安婷婷. 利用13C标记方法研究光合碳在植物—土壤系统的分配及其微生物的固定[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2015.
|
|
|
[38] |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.152163 |
[39] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2018.09.028 |
[40] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2022.108785 |
[41] |
凌宁, 荀卫兵, 沈其荣. 根际沉积碳与秸秆碳共存下作物与微生物氮素竞争机制及其调控. 南京农业大学学报, 2018, 41(4): 589-597.
|
|
|
[42] |
艾超. 长期施肥下根际碳氮转化与微生物多样性研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2015.
|
|
|
[43] |
莫朝阳. 根际激发效应对两种农田土壤中碳氮转化的影响及机制研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2021.
|
|
|
[44] |
赵宽, 周葆华, 马万征, 羊礼敏. 不同环境胁迫对根系分泌有机酸的影响研究进展. 土壤, 2016, 48(2): 235-240.
|
|
|
[45] |
徐英德. 基于保护性农业的土壤固碳过程研究进展. 中国生态农业学报(中英文), 2022, 30(4): 658-670.
|
|
|
[46] |
doi: 10.1111/gcb.v26.12 |
[1] | 王箫璇, 张敏, 张鑫尧, 魏鹏, 柴如山, 张朝春, 张亮亮, 罗来超, 郜红建. 不同磷肥对砂姜黑土和红壤磷库转化及冬小麦磷素吸收利用的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1113-1126. |
[2] | 杨建君, 盖浩, 张梦璇, 蔡育蓉, 王力艳, 王立刚. 深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 892-906. |
[3] | 马南, 安婷婷, 张久明, 汪景宽. 添加玉米秸秆和根茬对不同肥力黑土微生物残体碳氮的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 686-696. |
[4] | 刘高远, 和爱玲, 杜君, 吕金岭, 聂胜委, 潘秀燕, 许纪东, 李珏, 杨占平. 有机肥替代化肥对砂姜黑土区小麦-玉米轮作系统N2O排放的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(16): 3156-3167. |
[5] | 孙涛, 冯晓敏, 高新昊, 邓艾兴, 郑成岩, 宋振伟, 张卫建. 多样化种植对土壤团聚体组成及其有机碳和全氮含量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(15): 2929-2940. |
[6] | 郑春雨, 沙珊伊, 朱琳, 王少杰, 冯国忠, 高强, 王寅. 基于生态和社会效益优化黑土区高产玉米氮肥施用量[J]. 中国农业科学, 2023, 56(11): 2129-2140. |
[7] | 高佳蕊, 方胜志, 张玉玲, 安晶, 虞娜, 邹洪涛. 东北黑土不同开垦年限稻田土壤有机氮矿化特征[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1579-1588. |
[8] | 张学林, 吴梅, 何堂庆, 张晨曦, 田明慧, 李晓立, 侯小畔, 郝晓峰, 杨青华, 李潮海. 秸秆分解对两种类型土壤无机氮和氧化亚氮排放的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(4): 729-742. |
[9] | 秦贞涵,王琼,张乃于,金玉文,张淑香. 黑土有效磷阈值区间的磷形态特征及对土壤化学性质的响应[J]. 中国农业科学, 2022, 55(22): 4419-4432. |
[10] | 张梦亭, 刘萍, 黄丹丹, 贾淑霞, 张晓珂, 张士秀, 梁文举, 陈学文, 张延, 梁爱珍. 东北黑土线虫群落对长期免耕后土壤扰动的响应[J]. 中国农业科学, 2021, 54(22): 4840-4850. |
[11] | 王淑颖,李小红,程娜,付时丰,李双异,孙良杰,安婷婷,汪景宽. 地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(2): 345-356. |
[12] | 尹思佳,李慧,徐志强,裴久渤,戴继光,刘雨薇,李艾蒙,于雅茜,刘维,汪景宽. 东北典型黑土区旱地耕层土壤肥力指标的纬度变化特征及其关系[J]. 中国农业科学, 2021, 54(10): 2132-2141. |
[13] | 马原,迟美静,张玉玲,范庆峰,虞娜,邹洪涛. 黑土旱地改稻田土壤水稳性团聚体有机碳和全氮的变化特征[J]. 中国农业科学, 2020, 53(8): 1594-1605. |
[14] | 张秀芝,李强,高洪军,彭畅,朱平,高强. 长期施肥对黑土水稳性团聚体稳定性及有机碳分布的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(6): 1214-1223. |
[15] | 魏丹,蔡姗姗,李艳,金梁,王伟,李玉梅,白杨,胡钰. 黑土水溶性有机碳对有机物料还田的响应[J]. 中国农业科学, 2020, 53(6): 1180-1188. |
|