地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

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

王淑颖，李小红，程娜，付时丰，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/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866

【】作物秸秆不仅含有较高的有机碳，而且含有丰富的矿质营养元素。秸秆还田是东北黑土地区培肥土壤和农业可持续发展的重要技术措施。然而不同地膜覆盖（简称“覆膜”）及施肥方式下秸秆碳（C）和氮（N）在土壤中的固持特征还不是很明确。本研究通过定量分析秸秆碳对土壤有机碳（SOC）和秸秆氮对土壤全氮（TN）的贡献，探讨不同覆膜和施肥条件下秸秆碳和氮在土壤中固定的差异，以期为土壤肥力提升和东北黑土地保护提供依据。基于覆膜与施肥的长期定位试验，选择覆膜和不覆膜（裸地）栽培条件下不施肥（CK）、单施氮肥（N4）和有机肥配施氮肥（M2N2）处理，在表层（0—20 cm）土壤添加13C15N双标记秸秆后在田间原位培养150 d，测定SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值，分析SOC中秸秆来源C（13C-SOC）、TN中秸秆来源N（15N-TN）和土壤碳氮比随时间的动态变化特征。施肥、覆膜及其它们的交互作用显著影响（<0.05）13C-SOC和15N-TN含量。整个培养期间，M2N2处理秸秆碳对SOC的贡献率（13C-SOC/SOC）和秸秆氮对TN贡献率（15N-TN/TN）平均分别为10.48%和3.18%；施肥（N4和M2N2）处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率在覆膜方式下平均分别为12.65%和37.14%，不覆膜方式下分别为12.08%和34.50%。同一栽培方式培养第150天，N4处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率平均分别为14.33%和39.40%，其他施肥处理平均分别为11.77%和33.21%；CK处理15N-TN/TN平均为4.56%，分别比N4和M2N2处理高26.00%和44.53%。培养第150天，秸秆氮残留率在覆膜和不覆膜条件下CK处理最高，平均为10.03%；不覆膜N4处理最低，为7.87%。无论覆膜与否，N4处理13C-SOC与15N-TN比值为32—39，其他施肥处理均＜30。秸秆碳氮在土壤中的固存对覆膜与施肥的响应敏感。单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的积累和有机碳的更新，不施肥处理秸秆氮对土壤氮库的固定起正反馈效应，而有机肥配施氮肥土壤碳氮的更新相对滞后。

13C15N双标记；秸秆碳；秸秆氮；地膜覆盖；施肥

0 引言

【研究意义】土壤碳、氮的迁移转化是生物地球化学循环最基本的过程之一，是反映土壤质量和生产力的重要指标[1-3]。土壤碳、氮关系一直以来都是农田土壤研究的核心内容。土壤碳和氮的固持特征影响土壤碳源和汇的功能、氮库的储量和肥力的发挥。东北黑土带是我国重要的粮食生产基地和最大的玉米优势种植区[4]，然而不合理的、高强度的开发利用导致土壤出现“浅、硬、瘦”等问题，严重影响了作物产量和农田可持续生产[5]。近年来，农业部大力实施增施有机肥和秸秆还田等培肥措施，以维持或提升黑土有机质质量。地膜覆盖（以下简称“覆膜”）具有增温保墒的作用[6]，是我国干旱半干旱和冷凉地区作物增产的重要措施[7]。因此，不同覆膜与施肥下土壤碳和氮固持特征的研究具有重要的意义。【前人研究进展】作物秸秆不仅是土壤有机碳的主要来源，而且也是土壤重要的氮源。秸秆在土壤中分解转化是秸秆养分释放的过程。土壤添加秸秆培养1年后，秸秆碳在土壤中的残留率仅有30%[8]。有机肥的施用显著提高了土壤肥力[9]，且不施肥的低肥力土壤与施有机肥的高肥力土壤相比提高了秸秆碳对总有机碳的贡献[10]，促进了秸秆碳在土壤中的固定[11]。有机肥及其与氮肥配施处理通过提高微生物活性促进了玉米秸秆的分解[12-13]，而氮肥的施用对玉米秸秆的分解影响较小[14]。有机肥与等碳量的秸秆相比有利于土壤碳氮的积累[15]，且秸秆还田结合适量氮肥的施用增加了土壤碳氮养分的有效性[16]。土壤添加秸秆培养56 d后，秸秆氮在土壤的残留率为22%[17]。秸秆氮对土壤氮库的贡献受初始土壤肥力水平的影响显著，不施肥（低肥力）条件有利于秸秆氮在土壤中的固存[18]。【本研究切入点】覆膜虽然提高了土壤的温度和水分[19]，实现了作物增产[20]，但同时也导致土壤有机碳矿化加速[21-22]，地力消耗增加，土壤肥力降低[19, 23]。覆膜结合有机肥的施用显著提高了土壤有机碳含量，改善了土壤肥力[24]，而化肥处理的覆膜效应则主要是降低了土壤氮的损失[25]。因此，覆膜结合施肥对土壤有机碳和氮的作用不一致。前人研究表明秸秆碳氮在土壤中转化与固定对施肥措施的响应不同，然而覆膜结合施肥如何影响秸秆碳氮在土壤中的固存还不是很明确。【拟解决的关键问题】本研究以沈阳农业大学棕壤长期定位试验站为平台，土壤添加13C15N双标记秸秆后在田间进行原位培养，分析土壤有机碳和全氮随时间的动态变化和秸秆碳氮对其的贡献，探讨不同覆膜和施肥条件下秸秆碳和氮在土壤中固存的差异，以期为土壤培肥和东北黑土地的保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究主要在沈阳农业大学棕壤长期定位试验站（北纬41°09′，东经123°34′）进行。该试验站处于温带大陆性季风气候区，年均温7.9℃，年均降水量705 mm，海拔75 m，土壤属中厚层棕壤（简育淋溶土）。该长期定位试验站始建于1987年，当时土壤有机质含量15.6 g·kg-1、全氮1.0 g·kg-1、全磷0.5 g·kg-1、碱解氮67.4 mg·kg-1、有效磷8.4 mg·kg-1。试验地采用完全随机裂区试验设计，主区分为不覆膜与覆膜栽培两组，副区为不同施肥处理，每个施肥处理3次重复，每小区面积为0.0069 hm2。连作作物为玉米（当地常用品种）。每年4月25日左右按常规方法施肥、播种，实行常规田间管理。9月25日前后测产和收割，并对玉米茎秆及残留地膜进行清除，翻地（根系均保留在土壤中）。

1.2 供试土壤

本次试验选用3个施肥处理，即不覆膜栽培方式下不施肥（CK）、单施氮肥（N4，年施氮肥折合N 270 kg·hm-2）和有机肥配施氮肥（M2N2，年施有机肥折合N 135 kg·hm-2，氮肥N 135 kg·hm-2）以及与之相对应的覆膜栽培处理。有机肥和氮肥均作为基肥在春播前撒施入土壤。施用的有机肥为猪厩肥，其有机质含量为150 g·kg-1左右，全氮为10 g·kg-1，施用的氮肥为尿素（含N 46%）。2019年春季施肥前分别采集不同处理的表层（0—20 cm）土壤，挑除土壤样品中的植物根系和石砾等杂质后，用手沿自然破碎面轻轻掰开后于室内自然风干。土样风干后，过2 mm筛，备用。各处理土壤的基本性质（2019年）见表1。

表1 不同处理土壤（0—20 cm）基本性质（2019年）

CK、N4和M2N2分别代表不施肥、单施氮肥和有机肥配施氮肥处理。数据后的不同小写字母表示不同施肥处理间的差异显著（<0.05）

CK, N4and M2N2denote no fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with nitrogen fertilizer, respectively. Different lowercase letters show the significant differences (<0.05) among different fertilization treatments

1.3 试验设计

本研究采用尼龙网袋法进行田间培养试验。将100 g风干土壤与13C15N双标记的玉米秸秆（˂ 0.425 mm）按照风干土重1%比例充分混匀（混合后C/N为51），调节含水量至田间持水量60%—70%后装入300目尼龙网袋中，同时按照同样方法布置不添加秸秆的对照处理。2019年5月12日将网袋分别埋入对应处理小区0—20 cm土层。13C15N双标记玉米秸秆的基本性质：δ13C值为565‰、δ15N值为36620‰、全碳415 g·kg-1、全氮7.12 g·kg-1、C/N为58。

在培养后的第30天（2019年6月15日）和150天（2019年9月27日）分别从每个处理随机取出3个尼龙网袋，样品自然风干后研磨过筛，供分析土壤样品总有机碳、全氮含量及其δ13C和δ15N值。δ13C值以美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石（Pee DeeBelemnite，PDB）为标准物质，δ15N值以纯净大气氮为标准物质，采用元素分析仪-稳定同位素比例质谱联用仪（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德国）测定。

1.4 分析方法与数据处理

土壤总有机碳中秸秆碳贡献率（Fmc，%）和土壤全氮中秸秆氮贡献率（Fmn，%）的计算公式如下[26]：

（1）

（2）

式1中，δ13Csm（‰）为添加秸秆处理土壤有机碳的δ13C值；δ13Cs（‰）为不添加秸秆处理土壤有机碳的δ13C值；δ13Cm（‰）为初始添加秸秆的δ13C值。式2中，δ15Nsm（‰）为添加秸秆处理土壤全氮的δ15N值；δ15Ns（‰）为不添加秸秆处理土壤全氮的δ15N值；δ15Nm（‰）为初始添加秸秆的δ15N值。

土壤总有机碳中秸秆来源碳含量（Cmc，g·kg-1）和土壤全氮中秸秆来源氮含量（Cmn，g·kg-1）的计算如下[27]：

Cmc=Csmc×Fmc/100 （3）

Cmn=Csmn×Fmn/100 （4）

式3中，Csmc（g·kg-1）为添加秸秆处理土壤有机碳含量。式4中，Csmn（g·kg-1）为添加秸秆处理土壤全氮含量。

秸秆碳残留率（Rmc，%）和秸秆氮残留率（Rmn，%）的计算如下：

式5中，Cmc0（g）为初始秸秆碳含量。式6中，Cmn0（g）为初始秸秆氮含量。

采用Excel 2016、Origin 9.1和SPSS19.0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。处理间差异采用单因素邓肯（Duncan）法、配对样本t检验进行方差分析，显著性水平为0.05。

2 结果

2.1 覆膜与施肥下土壤有机碳δ13C值和全氮δ15N值

栽培模式、施肥、时间及它们之间的交互作用显著影响（<0.05）土壤有机碳（SOC）的δ13C值（栽培模式、栽培模式与时间的交互作用除外）和土壤全氮（TN）的δ15N值（表2）。无论覆膜与否，SOC的δ13C值在第30天表现为CK>N4>M2N2，且施肥处理间差异显著（<0.05）；在第150 天表现为N4>CK>M2N2，其中不覆膜条件下CK与N4处理差异不显著（图1-a）。在整个培养期间，TN的δ15N值均表现为CK>N4>M2N2（图1-b），且覆膜处理TN的δ15N值较不覆膜处理平均高9.81%（第150天 CK处理除外）。

CK、N4和M2N2分别代表不施肥、单施氮肥和有机肥配施氮肥；不同大写字母表示培养第30天不同处理之间的差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示培养第150天不同处理之间的差异显著（P<0.05）；*表示相同处理不同培养时间之间的差异显著（P<0.05）。下同

2.2 覆膜与施肥下土壤有机碳和全氮含量

同一栽培方式下，CK处理SOC含量第30天比第150天显著高4.96%（<0.05，图2-a）。在整个培养期间，M2N2处理在覆膜和不覆膜栽培条件下SOC的含量平均分别比其他施肥处理高18.23%和13.61%。培养期间同一N4处理，覆膜栽培SOC含量显著比不覆膜栽培高6.21%。不覆膜栽培CK和N4处理第30天时TN含量分别比第150天显著高7.80%和12.53%（<0.05，图2-b）。TN含量受栽培模式与时间的影响不显著（0.05，表2）。

图2 不同覆膜和施肥处理土壤添加13C15N双标记秸秆土壤有机碳（a）和全氮（b）含量

表2 栽培模式、施肥和时间对土壤中秸秆碳氮固定影响的方差分析

施肥：不施肥、单施氮肥和有机肥配施氮肥；栽培模式：覆膜与不覆膜；时间：第30天和第150天；δ13C：土壤总有机碳δ13C值；SOC：土壤总有机碳；13C-SOC：土壤总有机碳中秸秆碳含量；Fmc：秸秆碳对总有机碳的贡献率；Rmc：土壤中秸秆碳的残留率。δ15N：土壤全氮δ15N值；TN：土壤全氮；15N-TN：土壤全氮中秸秆氮含量；Fmn：秸秆氮对土壤全氮的贡献率；Rmn：土壤中秸秆氮的残留率。SOCTN：土壤有机碳与土壤全氮的比值；13C-SOC/15N-TN：土壤总有机碳中秸秆碳含量与土壤全氮中秸秆氮含量的比值

Fertilization: No fertilizer, chemical nitrogen fertilizer, and organic manure combined with chemical nitrogen fertilizer; Cultivation mode: Mulching and no-mulching; Time: 30 d and 150 d; δ13C: The δ13C value of soil organic carbon; SOC: Total soil organic carbon;13C-SOC: Soil organic carbon derived from straw carbon; Fmc: Contribution percentage of straw carbon to total soil organic carbon; Rmc: Residue percentage of straw carbon in soil. δ15N: The δ15N value of total nitrogen; TN: Soil total nitrogen;15N-TN: total nitrogen derived from straw nitrogen; Fmn: Contribution percentage of straw nitrogen to total nitrogen; Rmn: Residue percentage of straw nitrogen in soil. SOC/TN: Ratio of total soil organic carbon to total nitrogen;13C-SOC/15N-TN: Ratio of soil organic carbon derived from straw carbon to total nitrogen derived from straw nitrogen

2.3 覆膜与施肥下土壤有机碳中秸秆来源碳和全氮中秸秆来源氮含量

施肥、栽培模式、时间及它们的交互作用显著影响（<0.05）SOC中秸秆来源碳（13C-SOC）含量（栽培模式与时间交互作用对13C-SOC含量影响除外）和TN中秸秆来源氮（15N-TN）含量（表2）。无论覆膜与否，13C-SOC含量在第30天表现为CK>N4>M2N2，在第150天时N4处理比其他施肥处理平均高19.08%，且施肥处理间差异显著（图3-a）。第150天，覆膜CK处理13C-SOC含量显著比不覆膜CK降低了6.79%，而N4和M2N2处理13C-SOC含量覆膜较不覆膜平均高8.37%（<0.05）。整个培养期间，覆膜后15N-TN含量较不覆膜平均增加了6.59%（图3-b）。第30天，CK处理15N-TN含量平均比其他施肥处理高27.44%；第150天，不覆膜条件下15N-TN含量表现为CK>M2N2>N4，覆膜条件下15N-TN含量平均值为0.048 mg·kg-1。

2.4 覆膜与施肥下秸秆碳对土壤总有机碳和秸秆氮对土壤全氮的贡献率

施肥、栽培模式、时间及它们交互作用显著影响（<0.05）秸秆碳对SOC的贡献率（Fmc，栽培模式除外）和秸秆氮对TN的贡献率（Fmn）（表2）。整个培养期间覆膜处理Fmc较不覆膜处理平均高5.29%（CK处理除外，表3）。第30天时Fmc为10.13%—16.91%，同一栽培方式表现为CK>N4> M2N2，且施肥处理间差异显著（<0.05）。第150天时Fmc为9.95%—14.34%，同一栽培方式N4>CK> M2N2（其中不覆膜条件下CK与N4处理无显著差异，>0.05）。整个培养期间Fmn为3.03%—5.53%，且覆膜处理较不覆膜处理平均高9.87%，同一栽培方式表现为CK>N4>M2N2。

2.5 覆膜与施肥下秸秆碳和氮在土壤中的残留率

覆膜和不覆膜CK处理土壤中秸秆碳残留率平均从第30天的44.96%明显降低到第150天的33.62%（<0.05，表4）。施肥、栽培模式、时间及它们交互作用（栽培模式与时间交互作用除外）显著影响（<0.05）秸秆碳的残留率（表2）。同一栽培方式下第30天，不同施肥处理秸秆碳残留率总体表现为CK>N4>M2N2，且施肥处理间差异显著（<0.05）；第150天，N4处理秸秆碳残留率平均为39.40%，而其他施肥处理秸秆碳残留率低于35%。除CK处理外，同一施肥处理覆膜栽培秸秆碳的残留率高于不覆膜栽培。

土壤中秸秆氮的残留率在第30天为8.48%—12.24%，且同一栽培方式下CK>N4>M2N2（其中覆膜N4与覆膜M2N2处理差异不显著，>0.05，表4）。第150天，CK处理秸秆氮残留率平均为10.03%，分别比N4和M2N2处理高28.62%和12.25%。整个培养期间覆膜处理秸秆氮残留率显著（<0.05）较不覆膜处理高4.90%—21.70%（CK处理除外）。

2.6 覆膜与施肥下土壤碳氮比

整个培养期间覆膜M2N2、不覆膜M2N2和覆膜N4处理土壤有机碳与全氮的比值（SOC/TN）平均分别为8.81、9.08和9.31（图4-a）。覆膜CK处理SOC/TN从第30天的10.06显著降低到第150天的9.15，然而不覆膜条件下CK和N4处理的SOC/TN在第150天较第30天显著增加了3.57%和10.91%（<0.05）。无论覆膜与否，CK处理SOC/TN比其他施肥处理平均高6.13%。

CK和M2N2处理（包括覆膜和不覆膜）土壤中秸秆碳与秸秆氮含量的比值（13C-SOC/15N-TN）均低于30，尤其覆膜CK处理在第150天仅为25.37，而不覆膜N4处理从第30天的32.79显著升高到第150天的38.52（<0.05，图4-b）。无论覆膜与否，N4处理13C- SOC/15N-TN比其他施肥处理高16.17%—23.05%。第150天，CK和N4处理13C-SOC/15N-TN覆膜较不覆膜平均低10.82%。

图3 不同覆膜和施肥处理土壤总有机碳中13C含量（a）和全氮中15N含量（b）的变化

表3 不同覆膜及施肥处理秸秆碳对土壤总有机碳和秸秆氮对土壤全氮的贡献率

表4 不同覆膜和施肥处理土壤秸秆碳和氮残留率

图4 秸秆添加后土壤有机碳与全氮含量的比值（a）及土壤中秸秆碳与氮含量的比值（b）

3 讨论

3.1 施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

在农田生态系统中，土壤有机碳、全氮积累水平主要依赖于输入（如田间作物残体和外源有机物料添加等）与输出（土壤原有有机质分解）之间的平衡[28]。无论覆膜与否，M2N2处理SOC、TN含量高于N4处理和CK处理。长期有机肥与氮肥配施提高了作物地下和地上生物量，从而增加了土壤中有机物质的输入，有利于土壤有机碳和氮的固存[29-30]。随着秸秆的分解，秸秆碳与秸秆氮在土壤中残留率减少[31-32]。一般而言，秸秆在土壤中的分解经历迅速分解和缓慢分解两个阶段[33]。施肥（N4和M2N2）处理土壤秸秆碳残留率在30—150 d无明显变化，说明田间原位培养加速了秸秆的分解[8]，0—30 d秸秆中可溶性物质很快被微生物优先利用转化，30 d后微生物开始对秸秆中难分解物质分解，分解速率相对缓慢。然而长期不施肥处理土壤肥力水平较低，土壤本身养分和碳源相对匮乏，微生物活性弱，土壤微生物对秸秆碳添加的响应滞后[34]，秸秆碳和氮的残留率随时间显著降低。

秸秆碳氮在土壤中的固存与转化受土壤肥力水平[8-10]和施肥措施的影响[35-36]。长期有机无机配施处理明显提高了土壤的肥力水平[25]，土壤初始有机碳、全氮和微生物量相对较高，对秸秆碳氮的添加起到稀释作用，秸秆碳对土壤有机碳和秸秆氮对土壤全氮的贡献较低。ZHENG等[37]研究表明不施肥处理与施肥处理相比增加了秸秆氮在土壤中的残留。本研究发现不施肥处理明显增加了秸秆氮对土壤氮的贡献及其在土壤中的残留，说明不施肥土壤添加秸秆主要对土壤氮固定起到积极的作用。土壤中秸秆来源碳氮比值对不同施肥的响应也可以解释这一点。这与陈兴丽等[38]的研究结果相似。秸秆添加第150天所有施肥处理中N4处理13C-SOC含量、秸秆碳贡献率和秸秆碳残留率最高，说明单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的固存和土壤有机碳的更新[39]。土壤C/N比也是影响土壤碳氮固存的重要因子[25,40]。本研究不覆膜N4处理土壤初始C/N较低，C源相对缺乏，秸秆碳的添加可以为土壤微生物提供碳源，有利于土壤碳的积累和更新[8,41]；初始土壤N源相对充足，秸秆氮在土壤中的固持在土壤中被稀释，秸秆氮对土壤全氮的贡献相对较低。覆膜N4处理虽然土壤本身C/N较高，C源相对充足，N源相对缺乏，但秸秆碳在土壤的残留率最高，秸秆氮在土壤中的残留率相对较低，这可能与土壤本身氮源（δ15N值）和氮的有效性有关。总之，不同施肥处理秸秆碳氮在土壤中固存的差异主要与土壤本身的性质有关（例如初始土壤养分状况和碳氮比），而微生物在这一过程起重要作用，关于秸秆碳氮在土壤固存的微生物机制需要进一步研究。

3.2 覆膜对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

地膜覆盖已被证明可以增加土壤温度和湿度，使土壤与外部空气隔绝，进而抑制土壤水分的蒸发速度[6,42]，提高土壤养分的有效性[43-44]。N4处理覆膜后SOC和TN含量增加。裸地条件下长期单施氮肥降低了土壤pH，导致土壤酸化和作物产量降低[25,45]，从而使土壤有机质输入减少。而覆膜使土壤水分和盐基离子的运动方向发生改变，进而延缓甚至避免土壤酸化[46]，有利于作物地下生物量的积累和土壤有机质输入。温度和湿度是影响秸秆在土壤中分解转化的主要因子。虽然覆膜可以增加土壤温度和湿度，但本研究却发现栽培模式与时间的交互作用对SOC、13C-SOC和秸秆碳的残留率的影响不显著（>0.05），这说明秸秆碳在土壤中的转化与固定对短期覆膜的响应不敏感。然而施肥、覆膜与施肥的交互作用显著影响SOC与TN、13C-SOC与15N-TN和秸秆碳氮的贡献率及其残留率，说明微生物对秸秆碳氮的作用主要与土壤本身的养分状态有关。AN等[8]研究也表明秸秆碳在土壤中的转化与初始土壤有机碳有关。CK处理本身有机碳与全氮含量很低，秸秆的添加使处于饥饿状态的微生物激活，覆膜后使秸秆分解加快[47]。这可能导致CK处理覆膜后秸秆碳氮的贡献率和残留率降低。覆膜施肥（M2N2和N4处理）处理秸秆碳氮的贡献率和残留率高于不覆膜处理，这说明秸秆碳氮在土壤中的固存不仅与初始土壤SOC和TN含量有关，而且受初始土壤碳氮比的影响。培养期间CK处理与其他施肥处理13C-SOC/15N-TN较低，而SOC/TN较高，说明秸秆的添加可能引起土壤氮的正激发效应，导致原土壤氮的矿化[48]；不覆膜N4处理13C-SOC/15N-TN较高，而SOC/TN较低，这说明在养分和碳源相对缺乏的土壤，秸秆的添加可能引起土壤有机碳矿化的激发效应[8]。土壤养分的供应、碳氮比和微环境的变化影响土壤微生物的活性，进而影响秸秆碳和氮在土壤中的固持动态，关于土壤微生物对秸秆碳和氮的耦合作用还需要进一步研究。

4 结论

表层土壤添加13C15N双标记秸秆后，施肥（N4和M2N2）处理土壤覆膜显著增加了土壤有机碳中秸秆来源碳和全氮中秸秆来源氮含量、秸秆碳对土壤有机碳和秸秆氮对土壤全氮的贡献率、秸秆碳和氮在土壤中的残留率，而不施肥条件下覆膜的影响与之相反。培养结束后，同一栽培方式单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的积累，促进了土壤有机碳的更新；不施肥处理土壤中秸秆来源碳氮比值低于其他施肥处理，说明不施肥处理添加秸秆的主效应是对土壤氮库的固定起正反馈作用；而有机肥配施氮肥土壤碳氮的更新相对滞后。秸秆碳氮在土壤中的固存不仅与土壤微环境和初始养分状况有关，而且受碳氮比的影响。土壤碳氮比对施肥、覆膜和时间的响应不同，这可能与土壤微生物的活性有关，关于秸秆碳和氮在土壤的转化和固定机制需要进一步研究。

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Effects of Plastic Film Mulching and Fertilization on the Sequestration of Carbon and Nitrogen from Straw in Soil

WANG ShuYing, LI XiaoHong, CHENG Na, FU ShiFeng, LI ShuangYi, SUN LiangJie, AN TingTing, WANG JingKuan

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/ Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affair/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

【】Crop straws not only contain high content of organic carbon (C), but also are rich in mineral nutrients. Straw returning to field is an important technique for improvement of soil fertility and sustainable development of agriculture in the region of Black Soil in Northeast China. However, the sequestration and characteristics of C and nitrogen (N) from straw in soil under different plastic film mulching and fertilization treatments were not clear. In this study, the contributions of straw C to soil organic C (SOC) and straw N to soil total nitrogen (TN) were quantified to compare the differences of straw C and N in soil among different mulching and fertilization treatments, so as to provide a basis for improvement of soil fertility and protection of Black Soil in Northeast China.【】Based on a long-term mulching and fertilization experiment, the13C15N double-labeled straw was added to the topsoil (0-20 cm) from the different fertilization treatments, including no fertilization (CK), chemical N fertilizer application (N4), and organic manure combined with chemical N fertilizer (M2N2), with/without mulching, and then which were incubatedin the field for 150 days. The contents of SOC and TN and the values of δ13C and δ15N were measured to analyze the dynamics changes of SOC derived from straw C (13C-SOC), TN derived from straw N (15N-TN) and their ratio with time.【】Fertilization, mulching and their interactions significantly influencedthe contents of13C-SOC and15N-TN (<0.05). During the whole incubation period, the contribution percentage of13C-SOC to SOC (13C-SOC/SOC) and that of15N-TN to TN (15N-TN/TN) were 10.48% and 3.18% under M2N2treatment, respectively; the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil under fertilization (N4and M2N2) treatments were on average 12.65% and 37.14% under mulching, and averaged 12.08% and 34.50% under no mulching, respectively. On the 150thday of incubation under the same cultivation mode, the13C-SOC/SOC and residual percentage of straw C in soil were on average 14.33% and 39.40% under N4treatment and averaged 11.77% and 33.21% in the other fertilization treatments, respectively;15N-TN/TN under CK treatment was with an average of 4.56%, and was 26.00% and 44.53% higher than that in N4and M2N2treatments. The residual percentage of straw N was the highest under CK treatment with/without mulching, with an average of 10.03%, which was the lowest under N4treatment without mulching, with a value of 7.87% on the 150thday of incubation. Regardless of mulching or not, the ratio of13C-SOC to15N-TN ranged from 32 to 39 in N4treatment, but was lower than 30 in the other fertilization treatments. 【】The sequestrations of straw C and N in soil were sensitive to mulching and fertilization. The single application of chemical N fertilizer promoted the accumulation of straw C and the renewal of organic C in soil, and the long-term no fertilization played a positive feedback effect on the sequestration of straw N in soil N pool, while the renewal of soil organic C and N in organic manure combined with chemical N fertilizer lagged behind that in the other fertilization treatments.

13C15N double-labeling; straw carbon; straw nitrogen; plastic film mulching; fertilization

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.02.010

2020-05-07；

2020-08-18

国家自然科学基金面上项目（41771328、41977086）、辽宁省科学研究经费项目（LSNQN202008）

王淑颖，E-mail：wsy585313@163.com。通信作者安婷婷，E-mail：atting@syau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）