不同施肥年限下作物产量及土壤碳氮库容 对增施有机物料的响应

盖霞普，刘宏斌，杨波，王洪媛，翟丽梅，雷秋良，武淑霞，任天志



不同施肥年限下作物产量及土壤碳氮库容 对增施有机物料的响应

盖霞普1，刘宏斌1，杨波1，王洪媛1，翟丽梅1，雷秋良1，武淑霞1，任天志2

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2中国农业科学院，北京 100081）

【目的】研究不同年限下增施有机肥及秸秆还田对作物产量及剖面土壤碳氮库容的影响，旨在为华北平原冬小麦-夏玉米轮作区增强土壤肥力、提高作物产量提供依据。【方法】以农业部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站为平台，分别在长达11年和27年的2个不同施肥年限试验区采集4个施肥处理，即氮磷钾（NPK)、氮磷钾+22.5 t·hm-2有机肥（NPKM）、氮磷钾+33.75 t·hm-2有机肥（NPKM+）、氮磷钾+秸秆还田（NPKS）不同土层深度的土壤样品，分析冬小麦-夏玉米产量和土壤碳氮库容剖面分布特征。【结果】（1）增施有机肥及秸秆还田处理对作物的增产效应随施肥年限的延长而逐渐增强。与NPK处理相比，施肥11年限的NPKM、NPKM+和NPKS处理分别提高小麦和玉米产量为18.6%、15.8%、3.5%和39%、42%、35%；而27年的各施肥处理对小麦和玉米产量的增产幅度分别为41%、51.5%、23%和31%、33%、58%。（2）随着施肥年限的延长，增施有机肥及秸秆还田均能持续提升土壤碳、氮库容。连续施肥11年后，土壤碳、氮库容分别为25—114 Mg·hm-2、2.2—9.0 Mg·hm-2；而27年后土壤碳、氮库容分别为29—146 Mg·hm-2、2.5—12.1 Mg·hm-2。随着土壤剖面的加深，不同施肥年限中土壤碳、氮库容均表现为先逐渐增加后逐渐降低的趋势，均在80 cm处达到峰值。在80 cm土层峰值处，27年施肥处理中NPK、NPKM、NPKM+、NPKS土壤碳库和氮库分别为102、128、146、123 Mg·hm-2和8.3、9.7、12.1、9.1 Mg·hm-2，而11年施肥年限内各处理土壤碳、氮库均表现为差异不显著（＞0.05）。和NPK相比，不同年限中增施有机肥及秸秆还田均降低了不同土层的土壤碳氮比。同时，随着施肥年限的延长，土壤碳氮比越稳定。（3）随着施肥年限的延长，各处理土壤累积碳、氮库均呈现增加趋势。连续施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累积碳、氮库容分别为5.2%、11.2%、9.2%和21.2%、26.6%、38.8%；连续施肥27年后NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累积碳、氮库容分别为26.3%、41.1%、21.8%和26.2%、44.9%、4.0%，且随着施肥年限的延长，施用有机肥对土壤累积碳库容的提升高于秸秆还田的趋势愈加明显，而对土壤累积氮库容的提升效果低于秸秆还田。【结论】在氮磷钾化肥基础上增施有机肥及秸秆还田会提高作物产量、增强土壤碳氮库容、提升土壤肥力，且随着施肥年限的延长，效果愈加明显。同时，施用有机肥对作物产量、碳库的增强效应强于秸秆还田，而对氮库的提升效果低于秸秆还田。

有机肥；秸秆还田；作物产量；土壤碳库；土壤氮库

0 引言

【研究意义】土壤有机碳、氮库是土壤中最重要的组成部分，土壤有机碳、氮库的特性能够直接或者间接决定土壤的质量和健康（如土壤结构的稳定性、土壤肥力等），并与作物高产等密切相关[1-2]。土壤碳库的增加，能够提供微生物营养循环的能量和改善土壤的物理化学性质，因此利于作物生产；反过来，作物净初级生产力的增加可以产生更大量的地上和地下部植物残体，返还到农田土壤后，也有利于土壤碳的固持[3]。此外，提高土壤氮素固定可以降低氮肥施用量和施肥成本，提高土壤供氮潜力，保护环境免受氮素流失的负面影响[4]。【前人研究进展】增施有机肥和秸秆还田是提高作物产量和土壤碳氮库容的有效措施[5-8]。LI等[8]在黄淮海平原区开展长期定位试验结果表明，与试验初始值相比，连续9年NPK+有机肥、NPK+秸秆还田处理，小麦产量提高9.9%、13.2%，0—20 cm耕层土壤有机碳含量提高25.3%、31.82%，全氮含量提高6.7%、10%。施肥不同年限对作物产量和土壤碳氮库容的增加效果也不同。例如，王飞等[9]分析长期定位施肥试验数据发现，连续15年增施有机肥（NPKM）与秸秆还田（NPKS）的水稻产量比单施化肥（NPK）分别提高7.9%—10.9%与1.7%—10.8%，连续增施32年，分别提高12.6%—21.7%与11.6%— 16.3%。相似的，连续10年和16年NPKM处理，玉米和水稻产量分别比NPK处理提高7.3%和25.4%[10]。笔者及同组成员等[6,11]通过定位试验发现，和试验初始值相比，增施有机肥1年，0—20 cm耕层土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量分别增加4.2%和27.3%；连续增施27年后，耕层SOC和TN分别增加62.6%—141.5%和31.3%—132.5%。此外，有机肥及秸秆还田对不同土壤剖面层的养分含量增加的强度不同。例如，和60—90 cm深层土壤相比，长期施用有机肥可使0—30 cm土层中SOC和TN均增加2.3倍，在30—60 cm土层中均增加3倍[12]。尽管目前施用有机肥及秸秆还田对作物产量及土壤养分含量的提升有了比较深入的了解，但其对深层土壤C、N分布及库容的影响，尤其是施用年限的影响作用强度认识不足。【本研究切入点】中国土壤C、N库容变化趋势为黑土中C、N库下降，土壤退化[13]；水稻土C库增加[14]；而在潮褐土旱地土壤中存在争议性，有的认为增加[11]，有的认为降低[15]。提高土壤C、N库容是保产减肥的重要措施，华北平原是我国粮食主产区，潮褐土是主要土壤类型，土壤养分含量较低，硝化速率较高，是养分容易流失的一类土壤[16-17]。提升土壤肥力是提高作物产量的一个重要措施，有机肥及秸秆还田等有机物料添加是提高土壤肥力的有效手段。外源有机物料的添加对土壤C、N库增强的潜力还不明确，尤其是高量增施有机肥以及低量秸秆还田对低肥力潮褐土剖面土壤肥力提升潜力的研究较少。【拟解决的关键问题】以农业农村部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站为平台，探讨增施有机肥及秸秆还田对作物产量及土壤碳氮库容强度的影响，为提升作物产量和更好地培肥土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

本研究在农业农村部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站中进行。研究基地位于北京市昌平区，北纬40°13′，东经116°14′，海拔高度43.5 m，年平均温度11℃，≥10℃积温4 500℃，年降雨量600 mm，年蒸发量1 065 mm，无霜期210 d，灾害性天气主要是春旱和夏季暴雨。

长期肥料定位试验始于1990年，种植制度主要为冬小麦（L.）-夏玉米（L.）。土壤母质为黄土性物质，属潮褐土。试验开始时表层（0—20 cm）土壤理化性质为：SOC含量为7.5 g·kg-1，全氮0.5 g·kg-1，全磷0.6 g·kg-1，碱解氮49.7 mg·kg-1，速效磷3.8 mg·kg-1，有效钾65.3 mg·kg-1，缓效钾503.7 mg·kg-1，pH =8.12。

试验设有4个处理：（1）氮磷钾（NPK）；（2）氮磷钾+22.5 t·hm-2有机肥（NPKM）；（3）氮磷钾+33.75 t·hm-2有机肥（NPKM+）；（4）氮磷钾+秸秆还田（NPKS）。每处理小区选取3个作物长势均匀一致的试验区域3 m2（2.0 m×1.5 m）作为试验微区，试验共12个微区，在微区周围设置30 cm缓冲区域，在作物采收前，严禁进入微区进行试验操作。处理中N、P、K分别代表每季作物施N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2；M为有机肥（含水量28%）；M+为过量有机肥（含水量28%，用量为M的1.5倍）；S为玉米秸秆或小麦秸秆，其中有机肥为猪粪，含N为1.5%（干基），小麦秸秆中含N为0.49%（干基）、玉米秸秆含N为0.91%（干基），各处理施肥量如表1所示。氮、磷、钾化肥于播种前一次性施入，猪粪和秸秆还田每年施用1次，于小麦播种前做基肥。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。田间管理按大田丰产要求进行。

表1 各处理施肥量

1.2 取样及样品处理

土壤样品：以农业农村部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站为平台，分别于2000年（长达11年）和2016年（长达27年）小麦季收获后，采集2个不同施肥年限的土壤样品，在各处理微区均随机取3点采集0—200 cm（间隔20 cm）土层土样品，剔除石砾和植物残根等杂物，混合制样，样品风干后过0.25 mm筛测定土壤SOC、TN含量等。

植物样品：分别于2000年和2016年的6月小麦收获时、10月玉米收获时将各微区全部收获测产。

有机肥及秸秆样品：将新鲜猪粪及秸秆自然风干后，采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定有机肥及秸秆中的全氮含量。

1.3 土壤样品的测定方法及计算

土壤SOC测定采用重铬酸钾-外加热容量法；土壤TN采用浓H2SO4消煮-半微量开氏法，采用全自动开氏定氮仪（KDY—9830，北京）。

土壤C、N库容的计算公式如下[11]：

S=C×B×H×10-1

式中，S表示土壤SOC和TN库容（Mg·hm-2）；C表示土壤SOC和TN含量（g·kg-1）；B表示土壤容重（g·cm-3）；H表示土层深度（cm）。

多个土层累积C、N库容的计算，如果某一土体的剖面由k层组成，那么该剖面的土壤中SOC或者TN库容Smass的计算公式为：

式中，Smass表示土壤中累积SOC和TN库容（Mg·hm-2）；C表示土壤SOC和TN含量（g·kg-1）；B表示土壤容重（g·cm-3）；H表示土层深度（cm）。在我们的研究中，没有直接测定容重B，采用以下公式进行估算[18]：

B=-0.0048×lnSOC+1.377

式中，SOC表示土壤有机碳含量（g·kg-1）。

分别计算2000年和2016年6月小麦收获时、10月玉米收获时两种作物的氮肥偏生产力，计算公式如下：

氮肥偏生产力（partial factor productivity of nitrogen, PFPN, kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量，指投入单位氮肥所生产的作物产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件作图，所有数据采用SPSS软件进行（version 19.0）多因素方差分析（one—way ANOVA），统计分析施肥类型、土层深度、施肥年限的交互作用对增施有机肥及秸秆还田中土壤碳氮库容的影响，多重比较采用LSD法（=0.05），平均值在＜0.05水平下的任何差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 作物产量和氮肥偏生产力

由图1-a、1-b可知，增施有机肥（NPKM、NPKM+）和秸秆还田（NPKS）均能够提高小麦和玉米产量，且施肥年限的延长会强化增产效应。施肥11年后，NPKM处理的小麦产量最高，达3 592 kg·hm-2，比NPK处理提高18.6%，其次为NPKM+和NPKS处理，比NPK处理分别提高15.8%和3.5%，NPKM与NPKS处理间差异不显著（＞0.05）。随着施肥年限的延长，NPKM+处理小麦产量最高，达5 122 kg·hm-2，比NPK处理提高51.5%，其次为NPKM和NPKS处理，小麦产量分别为4 753、4 163 kg·hm-2, 比NPK处理分别提高41%、23%，且NPKM+与NPKS处理间差异显著（＜0.05）。在玉米产量方面，不同年限中均表现为NPKM和NPKM+处理较高，为5 837—5 968、8 162—8 288 kg·hm-2，显著高于NPK和NPKS，但两处理间均表现为差异不显著（＞0.05）。与NPK处理相比，增产幅度分别达到39%—42%、31%—33%。同时，NPKS处理玉米产量高于NPK处理，施肥11年、27年后，增幅分别为35%、58%，表明随着施肥年限的延长，秸秆还田的增产效应逐渐加强。

在本文中，NPKM、NPKM+中每年有机肥用量分别为22.5、33.75 t·hm-2（含水量28%），结合有机肥的含N量，计算得到每年NPKM、NPKM+中总N投入量分别为542.6、663.8 kg·hm-2；NPKS中每年小麦、玉米秸秆还田量均为2.17 t·hm-2，结合小麦、玉米秸秆的含N量，计算得到每年NPKS中总N投入量为330.2 kg·hm-2。采用施氮区产量与施氮量之比作为衡量氮肥偏生产力（PFPN）的指标发现，不同施肥年限中增施有机肥及秸秆还田均明显降低了PFPN（图1-c、1-d）。在小麦和玉米生长季中，连续施肥11年后PFPN从大到小均表现为：NPK＞NPKM＞NPKM+、NPKS；而27年后PFPN从大到小均表现为：NPK＞NPKM＞NPKM+＞NPKS，NPK与NPKM、NPKM+、NPKS处理均达到显著关系（＜0.05），这与有机肥及秸秆本身带入大量氮素有关。

每个柱状图上的不同小写（连续施肥11年后）和大写（连续施肥27年后）字母表示差异显著

2.2 土壤有机碳库及其剖面分布特征

由图2-a—2-c可以看出，随着施肥年限的延长，增施有机肥及秸秆还田均能够提升0—200 cm土层SOC水平，具体表现为连续施用11年后各处理SOC库容为25—114 Mg·hm-2，27年后为29—146 Mg·hm-2。随着土壤剖面的加深，不同年限各处理中SOC库容均表现为先逐渐增加后逐渐降低的趋势，均在80 cm处达到峰值。连续施用11年后各处理SOC库容峰值为110—114 Mg·hm-2；27年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS处理SOC库容峰值分别为102、128、146、123 Mg·hm-2。连续施用11年后各处理对整个剖面SOC库容影响差异不显著（＞0.05），而随着施肥年限的延长，各处理在60—80 cm土层对SOC库容的影响均达到了显著性差异水平（＜0.05）。经多因素主体间效应检验可知（表2），施肥类型、土层深度和施肥年限的交互作用显著影响土壤碳库水平（＜0.01）。以0—20 cm表层SOC库容为例，与NPK（29 Mg·hm-2）相比，NPKM、NPKM+、NPKS处理SOC库容增幅为62%、121%、9%；在60—80 cm峰值处，NPKM、NPKM+、NPKS处理SOC库容增幅为26%、43%、20%，说明长期增施有机肥及秸秆还田能够增加表层及深层土壤碳库，且增施有机肥对SOC的提升效果强于秸秆还田。同时，增施有机肥及秸秆还田对土壤碳库的增强效应在80 cm深层土壤强于表层土壤，说明随着土层的加深，土壤碳含量不断向下迁移，增强深层土壤碳库。由图2-c中可以看出，各施肥处理土壤碳库变化量表现为随着土壤剖面的加深，呈现先降低后增加，随后逐渐降低的趋势。在各个土层中，土壤碳库变化量均表现为NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK。这说明增施有机肥及秸秆还田能够增加SOC库容变化量，且施用有机肥的提升效果强于秸秆还田。

2.3 土壤氮库及其剖面分布特征

由图3-a—3-c可以看出，与土壤SOC库容变化规律相一致，增施有机肥和秸秆还田均能够随着施肥年限的延长提升土壤TN库水平，具体表现为连续施用11年后各处理土壤TN库容为2.2—9.0 Mg·hm-2，27年后为2.5—12.1 Mg·hm-2。随着土壤剖面的加深，不同年限下土壤TN库均表现为先逐渐增加后逐渐降低的趋势，除连续施用11年后NPKS处理外，其余处理均在80 cm处达到峰值。在80 cm土层峰值处，连续施肥11年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤TN库容分别为6.7、7.2、8.2、8.4 Mg·hm-2；27年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤TN库容分别为8.3、9.7、 12.1、9.1 Mg·hm-2。连续施用11年后，除80—100、160—180 cm土层外，各施肥处理对其余土层TN库容影响差异均不显著（＞0.05），而随着施肥年限的延长，各处理在0—20、80—100、140—160、180—200 cm土层土壤氮库容的影响均达到了显著性差异水平（＜0.05）。经多因素主体间效应检验可知（表2），施肥类型、土层深度和施肥年限的交互作用显著影响土壤氮库水平（＜0.01）。以0—20 cm表层土壤TN库容为例，与NPK（2.5 Mg·hm-2）相比，NPKM、NPKM+、NPKS氮库容分别增加105%、184%、16%；在60—80 cm土层处，NPKM、NPKM+、NPKS处理比NPK分别提高17%、46%、9%，说明长期增施有机肥及秸秆还田能够增加表层及深层土壤TN库容，且增施有机肥对TN的提升效果强于秸秆还田。随着土层的加深，土壤TN库容呈现先增加后降低的变化趋势，说明施肥处理能够提升深层TN库容。由图3-c中可以看出，各施肥处理土壤TN库容变化量表现为随着土壤剖面的加深，呈现先降低后增加，随后逐渐降低的趋势。在0—40 cm土层内，土壤TN库容变化量表现为NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK；而在40—200 cm土层内，表现为NPKM+＞NPKM, NPKS＞NPK。这说明增施有机肥及秸秆还田均能够增加0—40 cm表层土壤TN的变化量。同时，增施有机肥对深层土壤TN库容变化量强于表层土壤。值得注意的是，在0—60 cm土层，秸秆还田氮库容增加量为正值，而在底层60—200 cm土层，增加量为负值，说明秸秆还田在表层土壤中具有固氮作用。

同一图的不同小写字母代表差异显著（P＜0.05），重复数=3。下同。“a”表示连续施肥11年后土壤碳库；“b”表示连续施肥27年后土壤碳库；“c”表示有机碳库变化量（有机碳库b-有机碳库a）

表2 施肥类型、土层深度和施肥年限对土壤碳库、氮库和碳氮比影响的主体间效应检验（n=240）

“a”表示连续施肥11年后土壤氮库；“b”表示连续施肥27年后土壤氮库；“c”表示土壤氮库变化量（氮库b-氮库a）

2.4 土壤碳氮比剖面分布特征

由图4-a—4-b可以看出，和NPK相比，不同年限中增施有机肥及秸秆还田均降低了不同土层的土壤碳氮比（C/N）。对整个土壤剖面而言，连续施用11年后各处理土壤C/N为6.5—14.7，27年后各处理土壤C/N为9.1—14.8，表明随着施肥年限的延长，土壤C/N趋于稳定。连续施用11年后，随着0—140 cm土壤剖面的加深，各处理土壤C/N表现为先缓慢增加，后逐渐降低；随着土层的进一步加深（140—200 cm），土壤C/N再次升高，随后降低，直至稳定。在＞80 cm土层处，各处理土壤C/N表现为NPK＞NPKM+、NPKM＞NPKS。而27年后，随着土壤深度的增加，土壤C/N由0—80 cm土层的稳定水平逐渐降低，随后逐渐达到稳定状态。在C/N较稳定的＞140 cm土层处，各处理土壤C/N表现为NPK＞NPKS＞NPKM+、NPKM。经多因素主体间效应检验可知（表2），除施肥类型×土层深度外，施肥类型×施肥年限、土层深度×施肥年限及施肥类型×土层深度×施肥年限的交互作用显著影响土壤碳氮比（＜0.05）。

2.5 土壤累积碳氮库

由表3可知，随着施肥年限的延长，各处理0—200 cm土层土壤累积碳、氮库均呈现增加趋势，在土壤累积碳库方面，和NPK相比，连续施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤累积碳库分别提升5.2%、11.2%、9.2%；27年后NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤累积碳库分别提升26.3%、41.1%、21.8%。这说明随着施肥年限的延长，施用有机肥对土壤累积碳库的提升高于秸秆还田的趋势愈加明显。在土壤累积氮库方面，和NPK相比，连续施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤累积氮库分别提高21.2%、26.6%%、38.8%；27年后NPKM、NPKM+、NPKS处理土壤累积氮库分别提升26.2%、44.9%、4.0%。

“a”表示连续施肥11年后土壤碳氮比；“b”表示连续施肥27年后土壤碳氮比

表3 增施有机肥及秸秆还田对0—200 cm土层土壤累积碳、氮库的影响

同一列的不同小写字母代表差异显著（＜0.05）。数据表达形式为平均值±标准偏差，重复数=3

Different letters indicate significant difference for the results in the same column (＜0.05). The values are the means ± standard deviation (SD) with=3

3 讨论

3.1 增施有机肥及秸秆还田对作物产量的影响

在本研究中，长期增施有机肥及秸秆还田等外源有机物料的添加能够显著提高昌平地区小麦和玉米产量（＜0.05），这与国内外其他学者的研究报道相一致。例如，ZHANG等[19]通过长达11年的8个试验点的长期定位试验发现，和NPK相比，在NPK基础上增施有机肥能够提高小麦、玉米产量分别为3.1%、2.4%。相似的，在长达31年长期定位试验中的研究结果表明，增施猪粪、秸秆还田比NPK能够提高小麦产量分别为11.5%、8.0%；提高大豆籽粒产量分别为27.7%、17.2%[20]。KÖRSCHENS等[21]总结了欧洲20个长期定位试验数据（10—61年）发现，和NPK相比，有机无机配施处理作物产量平均提高6%，而LEHTINEN等[22]采用meta分析的方法报道了和秸秆不还田相比，秸秆还田提高作物产量平均也为6%。

长期施用有机肥料和秸秆还田等外源有机物料对作物产量有积极效应，一方面是由于有机肥及秸秆还田增加了土壤有机碳含量及养分循环，从而提高了作物产量[23-26]；另一方面有机物料的施用提高了养分利用效率[27]，增加土壤内在养分的供应能力，改善土壤健康，减轻不利环境因素引起的作物产量的波动，进而提高作物生长活力[8]。在本研究中，有机肥对作物产量的提升作物强于秸秆还田，一方面是由于有机肥中含有更多的作物易利用态有机碳；另一方面是由于有机肥本身所含养分含量高于秸秆，且随着施肥年限的延长，这种增产作用愈加明显，这与土壤肥力随施肥年限延长而逐渐增加有关。

3.2 增施有机肥及秸秆还田对土壤剖面碳氮库容的影响

有机肥及秸秆还田一直被提倡和实践用来改善土壤肥力，提升土壤碳、氮库容。在本研究中，连续27年的长期定位施肥试验结果发现，与NPK相比，增施有机肥及秸秆还田均能够显著增加土壤累积碳、氮库容，主要归因于我们的研究地点，其年平均降雨量为534 mm，且82%的降雨发生在玉米生长季节（6—9月）[28]。降雨使碳、氮向下迁移，随着土壤深度的增加，因此土壤碳、氮含量呈现累积现象[29]。增施有机肥及秸秆还田对土壤碳、氮库容的提升效应与前人的研究结果相一致，例如，HUA等[20]发现在31年长期定位试验中，与NPK相比，增施猪粪、增施牛粪、秸秆还田能够使0—100 cm土壤碳库提升31.8%、51.6%、18.2%。ZHANG等[19]通过8个试验点的长期定位试验发现，1990—2000年近11年NPK处理的SOC从26 t C·hm-2增长到30 t C·hm-2，而NPKM处理碳固持率从27 t·C hm-2增长到36 t C·hm-2。与之相似，31年长期增施有机肥处理碳固持率比NPK提高27.0%—64.4%[30]。而MAILLARD等[31]和LEHTINEN等[22]采用Meta分析分别估算了长期定位实验中有机肥及秸秆还田的碳固持效率分别为12%、6%—14%。

施用有机肥及秸秆还田能够显著提高土壤固碳能力和SOC含量，这与其他田间试验的研究结果相一致[32-33]。已有大量长期试验揭示了生物量碳输入与SOC含量的正相关关系[23,31,34]。外源有机物料的添加，包括猪粪和秸秆，不仅能够直接向土壤中输入碳，而且通过作物残茬、凋落物及根系等较高的植物生物量的方式间接向土壤中输入碳[34-35]。有机肥是土壤N和P元素的重要来源，施用有机肥能够减少N和P对作物生长及构建SOC的限制[36-37]。且有机肥对土壤有机碳的保护作用随其施用年限的增加而增加[38-39]。在本文中，有机肥的固碳作用强于秸秆还田，一方面归因于有机肥比秸秆（秸秆中存在较多的纤维素、半纤维素和木质素等顽固态有机碳）中含有更多的可利用态碳；另一方面归因于有机肥比秸秆还田具有更高的C投入[30]。

土壤C/N的变化可以反映微生物群落对N的固持能力[40]，也能够反映土壤C和N循环的相互作用和土壤有机质的稳定性[41]。外源C、N的施用来源和施用量影响土壤C/N。例如，有机肥中含有大量的活性C和N，利于土壤N固定；而化肥的施用能够促进土壤N矿化[42]，但矿化养分在C限制的条件下不能立即再固定。即有机无机配施（如有机肥、秸秆还田等）有利于提高土壤的C/N，单施化肥，将显著降低土壤的C/N[43]。本研究与上述观点不一致，与NPK相比，化肥配施有机肥及秸秆还田均降低了土壤C/N，表明施用有机肥能够提高土壤N矿化率，较低的土壤C/N表明在作物种植系统中C源供应不足，这可能限制土壤微生物固定N素[44]，并易导致较高的N损失[45]；而高C/N的秸秆施入土壤后，会通过固定作用将无机氮转化为有机氮[46]，从而减少氮矿化过程[47]，提升土壤氮水平。

在本文中，随着土层的加深，增施有机肥及秸秆还田等外源有机物料的添加能够提高土壤碳氮库容，在80 cm处达到峰值，后逐渐降低的趋势。表层土壤输入有机物有利于产生可溶性有机碳，这些有机碳可以被输入到底层土壤，这有利于底层土壤碳库的构建[48]，这与LONG等[49]的研究结果相一致，发现长期施用有机物料后，土壤可溶性碳氮含量可向深层土壤的迁移至80 cm。深层土壤碳氮库含量较低的原因可归结为根系生物量、根系分泌物和植物残体的积累量较少的缘故[50]。有趣的是，不同年限土壤C/N均随着土层加深呈现降低趋势，与DIEKOW等[51]在巴西的长期定位试验中的研究结果相一致，发现在不同的作物体系和施肥水平下，随着土壤深度的增加，土壤C/N在下降，与此同时，土壤粘粒质量分数是随着土壤深度的增加而增加，这跟粘粒矿物含有更多的固定态铵有关系。

笔者[4,28]在同一试验点对同一年的长期定位施肥试验数据分析表明，在施用NPK的基础上配施有机肥，能够促进硝态氮（NO3--N）向深层土壤的迁移，增加了NO3--N淋溶的风险，且增施过量有机肥处理存在更大的NO3--N淋溶风险；而在施用NPK的基础上进行秸秆还田，对土壤NO3--N具有一定的固持作用。DISE等[52]研究了英国针叶林土壤C/N与土壤NO3--N淋失的关系证明，土壤C/N可以作为NO3--N淋失的一个指标。GUNDERSENA等[53]研究了丹麦33个温带针叶林土壤，得出了同样的结果，随着土壤C/N的增加，NO3--N的淋失量在下降。这与本文中在NPK基础上配施有机肥降低了土壤C/N，却增加了氮素淋失风险的结果相吻合。

4 结论

4.1 我国华北平原小麦-玉米轮作模式下，长期增施有机肥及秸秆还田能够提高作物产量、提升土壤肥力，且随着施肥年限的延长，提升作用增强。同时，长期施用有机肥对作物产量、土壤碳、土壤氮储量的提升效果强于秸秆还田，但增施有机肥及秸秆还田均降低了氮肥偏生产力。

4.2 多因素方差分析表明，施肥类型、土层深度和施肥年限的交互作用显著影响土壤碳、氮库及碳氮比。随着土壤剖面的加深，增施有机肥及秸秆还田土壤碳、氮库均表现为先逐渐增加后逐渐降低的趋势，均在80 cm处达到峰值。和单施化肥相比，不同施肥年限下增施有机肥及秸秆还田均降低了不同土层的土壤碳氮比。同时，随着施肥年限的延长，土壤C/N越稳定。

4.3 随着施肥年限的延长，各施肥处理土壤累积碳、氮库均呈现增加趋势，且施用有机肥对土壤累积碳储量的提升高于秸秆还田的趋势愈加明显，而对土壤累积氮储量的提升效果低于秸秆还田。

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（责任编辑 李云霞）

Responses of Crop Yields, Soil Carbon and Nitrogen Stocks to Additional Application of Organic Materials in Different Fertilization Years

GAI XiaPu1, LIU HongBin1, YANG Bo1, WANG HongYuan1, ZHAI LiMei1, LEI QiuLiang1, WU ShuXia1, REN TianZhi2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【Objective】In order to improve crop yield and soil fertility for rotation of winter wheat and summer maize in North China Plain, it is necessary to study the effects of long-term additional application of manure and straw incorporation on crop yield, soil carbon and nitrogen stocks. 【Method】 Taking the key experimental station on ecological environment of Drab Fluvo-aquic soil in Changping, Ministry of Agriculture as the research platform, two application histories (11 years and 27 years) and four application treatments (NPK, chemical fertilizers; NPKM, NPK+22.5 t·hm-2manure; NPKM+, NPK+33.75 t·hm-2manure; NPKS, NPK+ straw) were conducted, and yield of winter wheat and summer maize as well as soil carbon and nitrogen stocks were analyzed. 【Result】Results showed that long-term additional application of manure or straw could increase crop yield. Compared with NPK, the yield of wheat and maize could be increased by 18.6%, 15.8%, 3.5% and 39%, 42%, 35% under NPKM, NPKM+ and NPKS, respectively, after 11 years. Meanwhile, yield of wheat and maize could be increased by 41%, 51.5%, 23% and 31%, 33%, 58% under NPKM, NPKM+ and NPKS, respectively, relative to NPK after 27 years. Soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) were increased after manure and straw added with the time prolonged. Specifically, stocks of soil carbon and nitrogen were 25-114 Mg·hm-2and 2.2-9.0 Mg·hm-2, respectively, after 10 years, which were 29-146 Mg·hm-2, 2.5-12.1 Mg·hm-2, respectively, after 27 years. Both SOC and TN stocks presented the same trend which increased firstly and then decreased with the increasing of soil depth, reaching a peak at 80 cm. Peaks of SOC and TN pools were 102, 128, 146, 123 Mg·hm-2and 8.3, 9.7, 12.1, 9.1 Mg·hm-2for NPK, NPKM, NPKM+ and NPKS, respectively, after 27 years. However, no significant difference was observed under these treatments after 10 years (＞0.05). Soil ratios of C to N were reduced in different soil layers after two application histories with different organic material application, and soil C/N was obtained stability with the prolonged of fertilization years. Both SOC and TN stocks presented increasing trends with time. Compared with NPK, the accumulation stocks of SOC and TN could increase 5.2%, 11.2%, 9.2% and 21.2%, 26.6%, 38.8% under NPKM, NPKM+ and NPKS, respectively, after 11 years, which could increase 26.3%, 41.1%, 21.8% and 26.2%, 44.9%, 4.0% under NPKM, NPKM+, and NPKS, respectively, after 27 years. For a longer time, additional application of manure was better than straw for promoting SOC accumulation, while it was opposite for TN accumulation.【Conclusion】Based on the conventional fertilization, long-term additional application of manure or straw could increase crop yield, SOC and TN stocks thus promoted soil fertility. A great impact was observed with fertilization years added. In addition, application of manure had a more remarkable effect than straw incorporation, especially for a much long time, but on the contrary for accumulation stocks of TN.

organic manure; straw incorporation; crop yield; carbon stocks; nitrogen stocks

2018-07-24；

2018-09-25

国家重点研发计划（2016YFD0800101）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（821-25，821-31）

盖霞普，E-mail：happygaixiapu@126.com。 通信作者王洪媛，Tel：010-82106737；E-mail：wanghongyuan@caas.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.009