全 文 ：玉米与蚕豆秸秆配施对秸秆分解及
土壤养分含量的影响*
夏志敏1,2 摇 周建斌2**摇 梅沛沛3 摇 王摇 平4 摇 桂林国4 摇 李摇 隆3
( 1西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100;2西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 3中国农业大学资源与
环境学院, 北京 100094; 4宁夏农林科学院资源与环境研究所, 银川 750002)
摘摇 要摇 采用室内培养试验研究了禾本科作物玉米秸秆和豆科作物蚕豆秸秆单施及其不同
比例配施后的秸秆分解及土壤养分含量.结果表明:单施玉米秸秆,土壤有机碳的矿化量和秸
秆有机碳的矿化速率都较低,土壤矿质态氮被固持的时间也最长;玉米秸秆与蚕豆秸秆配合
施用促进了秸秆有机碳和土壤固持矿质态氮的矿化.两种秸秆单施和配施均显著增加土壤微
生物生物量碳、氮含量.禾本科作物秸秆与豆科作物秸秆配合施用,可以加快秸秆的分解,协
调养分供应.
关键词摇 玉米秸秆摇 蚕豆秸秆摇 有机碳矿化摇 土壤微生物生物量碳、氮摇 矿质氮
文章编号摇 1001-9332(2012)01-0103-06摇 中图分类号摇 S154, S157摇 文献标识码摇 A
Effects of combined application of maize鄄 and horsebean straws on the straws decomposition
and soil nutrient contents. XIA Zhi鄄min1,2, ZHOU Jian鄄bin2, MEI Pei鄄pei3, WANG Ping4, GUI
Lin鄄guo4, LI Long3 ( 1College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2College of Resources and Environmental Sciences, Northwest A & F University, Yangling
712100, Shaanxi, China; 3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural
University, Beijing 100094, China; 4 Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia
Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750002, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2012,23(1): 103-108.
Abstract: A laboratory incubation experiment was conducted to study the straw decomposition and
soil nutrient contents after single and combined applications of maize鄄 and horsebean straws. With
the single application of maize straw, the mineralization rates of the straw and soil organic C were
lower, and the immobilization of soil mineral N sustained longest. Combined application of maize鄄
and horsebean straws promoted the mineralization of the straws organic C and soil immobilized N.
Both single and combined application of the straws increased the contents of soil microbial biomass
C and N significantly. It was suggested that a combined application of gramineous and leguminous
straws could promote the straws decomposition and harmonize the soil nutrient supply.
Key words: maize straw; horsebean straw; organic carbon mineralization; soil microbial biomass
carbon and nitrogen; mineral N.
*国家“十一五冶科技支撑计划项目(2007BAD89B02)、国家自然科
学基金项目(40571087)和西北农林科技大学创新团队项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: jbzhou@ nwsuaf. edu. cn
2011鄄04鄄13 收稿,2011鄄11鄄04 接受.
摇 摇 间套作是中国传统的种植方式之一,其通过空
间互补、时间互补、养分互补、水分互补和生物间互
补等方式促进作物生产,具有明显的增产增效作用;
间套作还是降低氮肥投入、高效利用土壤氮素营养
的有效途径之一[1-2] .因此,间套作在我国特别是西
北干旱半干旱地区的应用较普遍.
有关不同地区间套作模式对作物产量及光能、
养分及水分利用效率的影响已进行了大量研
究[3-6],而对间套作模式下作物秸秆还田后秸秆的
分解特性及其对土壤养分含量的影响研究尚较少.
对单一作物秸秆还田效应的研究表明,秸秆还田在
提高土壤有机碳及养分含量、减少氮素损失[7-8]、蓄
水保墒、减少水土流失等方面具有突出作用[9] . 在
禾本科作物与豆科作物间套作模式下,可产生两种
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 1 月摇 第 23 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2012,23(1): 103-108
类型的作物秸秆,即 C / N 高的禾本科作物秸秆及
C / N低的豆科作物秸秆. 前人关于玉米、蚕豆秸秆
单独还田效应已有较多研究[10-12],而关于玉米秸秆
和蚕豆秸秆同时配施后秸秆的分解特性及其对土壤
养分含量的影响研究则鲜有报道. 国内外一些研究
发现,不同有机物料配施,在腐解过程中有机物料之
间会发生交互作用,从而使有机物料的腐解表现出
与单施不同的规律[13-14] .因此,本研究以蚕豆 /玉米
间作模式为研究对象,采用室内培养方法初步研究
了蚕豆和玉米秸秆以不同配施比例施入土壤后有机
物料碳、氮矿化特性和土壤微生物生物量碳、氮变化
特性,以期为间套作模式下秸秆还田提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试土壤采自宁夏红寺堡灌区兴盛村,属新开
垦的农田;土壤类型为淡灰钙土,质地为沙土. 由于
为新垦农田,土壤基础肥力较低,0 ~ 20 cm 耕层土
壤基本理化特性为:有机碳 2郾 67 g· kg-1,全氮
0郾 25 g·kg-1,有效磷 6郾 56 mg · kg-1, 速 效 钾
117郾 8 mg·kg-1,pH 7郾 38郾
供试有机物料采自上述试验地,包括蚕豆秸秆
(F)、蚕豆根茬 ( FR)、玉米秸秆 ( M)、玉米根茬
(MR).蚕豆品种为临蚕 5 号,玉米品种为宁单 10
号,蚕豆秸秆与根茬于 2009 年 7 月 20 日采集,玉米
秸秆与根茬于 2009 年 10 月 12 日采集,将有机物料
烘干粉碎备用.供试有机物料的碳、氮含量见表 1.
1郾 2摇 试验设计
4 种有机物料分别按不同的质量配比组成 8 个
处理,包括 4 个单施处理(MR、M、FR和 F)和 4 个配
施处理(M 颐 F = 1 颐 2、1 颐 1、2 颐 1 和 MR 颐 FR = 1 颐
1)(表 2),将各处理有机物料加入到培养土中,各处
理有机物料的加入量相同,以未加有机物料的土壤
表 1摇 供试有机物料碳、氮含量
Table 1摇 Concentrations of carbon and nitrogen in test or鄄
ganic residues
处理
Treatment
有机碳
Organic C
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
C / N
F 388郾 19 13郾 53 28郾 7
FR 336郾 43 13郾 16 25郾 6
M 418郾 64 3郾 99 104郾 9
MR 447郾 14 3郾 36 133郾 1
F:蚕豆秸秆 Horsebean straw; FR:蚕豆根茬 Horsebean root residue;
M:玉米秸秆 Maize straw; MR:玉米根茬 Maize root residue郾 下同 The
same below.
为空白对照.
1郾 2郾 1 碳素矿化试验摇 称风干土壤 20 g 于 0郾 5 L 培
养瓶中,加水调节土壤含水量到最大田间持水量的
70%,预培养 7 d,然后分别加入质量分数为 1%的不
同处理植物样品,混匀培养,同时设不加有机物料处
理为对照. 在培养瓶中放入一个内装 10 mL
0郾 1 mol·L-1NaOH溶液的 50 mL塑料瓶以吸收培养
期间释放的 CO2,然后用塑料膜密封培养瓶,在28 益
恒温箱内培养,每隔 3 d 以称量法补充水分.在培养
的第 0、1、3、7、11、15、23、33、45、60、80、110、140 和 180
天更换NaOH溶液,用0郾 1 mol·L-1盐酸滴定,测定吸
收的 CO2量.根据 CO2的释放量计算培养期内不同处
理秸秆有机碳的矿化量.每处理重复 3次.
1郾 2郾 2 氮素矿化试验摇 称风干土壤 1000 g于培养瓶
中,加水调节土壤含水量到最大田间持水量的
70% ,预培养 7 d,然后分别加入质量分数为 1%的
不同处理植物样品,混匀培养,同时设不加有机物料
处理为对照.在 28 益恒温箱内培养,每隔 3 d 以称
量法补充水分. 培养过程中保持土壤透气,于第 0、
1、3、7、15、23、33、45、60、80、110、140 和 180 天取样
测定微生物生物量碳、氮和矿质态氮含量.每处理重
复 3 次.
1郾 3摇 测定项目与方法
土壤、有机物料中有机质和全氮用常规方法测
定[15];培养期间 CO2释放量采用 BaCl2沉淀鄄酸碱滴
定法测定[16];土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏
蒸浸提法测定,即用 0郾 5 mol·L-1 K2SO4浸提(水土
质量比 4 颐 1)经熏蒸或不熏蒸的土壤样品,过滤后
测定滤液中有机碳和全氮含量,微生物生物量碳、氮
含量以熏蒸和未熏蒸的碳、氮含量之差除以转换系
表 2摇 不同配比有机物料施入土壤中的碳、氮含量
Table 2摇 Carbon and nitrogen contents in the mixtures of
different organic residues
处理
Treatment
C源施入量
Added C
(g·kg-1 soil)
N源施入量
Added N
(g·kg-1 soil)
C / N
MR 4郾 47 0郾 03 133郾 1
M 4郾 19 0郾 04 104郾 9
FR 3郾 36 0郾 13 25郾 6
F 3郾 88 0郾 14 28郾 7
2M+4F 3郾 98 0郾 10 38郾 5
3M+3F 4郾 03 0郾 09 46郾 1
4M+2F 4郾 08 0郾 07 57郾 0
3MR+3FR 3郾 92 0郾 08 47郾 4
C源、N源施入量为每千克干土加入的有机碳、全氮量 Added C and
N meant the amount of organic C and total N which added into one kilo鄄
gram soil.
401 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
数得到(转换系数均为 0郾 45) [17];矿质氮(NH4 + 鄄N、
NO3 - 鄄N)采用 0郾 5 mol·L-1 K2SO4浸提(水土质量比
4 颐 1),流动分析仪测定.
1郾 4摇 数据处理
土壤 CO2的累积释放量(C t)采用一级动力学方
程拟合:
C t =C0[1-exp(-kt)]
式中:C0为有机碳矿化势,指一定条件下每千克干土
中能矿化为 CO2 鄄C 的最大有机碳量;k 为相对矿化
速率常数(·d-1),指单位时间内矿化的有机碳量占
土壤可矿化有机碳量的比例;t为培养时间(d).
采用 Excel、SigmaPlot 和 SAS 软件进行数据统
计分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同处理土壤 CO2释放量及有机物料的分解
特性
2郾 1郾 1 不同处理对土壤有机碳矿化的影响摇 根据培
养过程中土壤 CO2的累积释放量,采用一级动力学
方程拟合了不同处理有机碳矿化规律(表 3).与 CK
相比,有机物料的加入显著增加了土壤 CO2的释放
量.总体而言,有机物料配施处理有机碳的最大累积
矿化量(C0)大于单施处理,其中 3M+3F 处理显著
高于其他处理,而 F 和 FR 处理 C0最低;F 和 FR 处
理有机碳的矿化速率显著高于其他处理. 整个培养
阶段各处理的有机碳矿化速率与加入有机物料的
C / N呈负相关,表现为:FR>F>2M+4F>3M+3F>
3MR+3FR>4M+2F>M>MR;与 CK 相比,M 和 MR
处理显著降低了土壤有机碳矿化速率.
2郾 1郾 2 不同处理有机物料碳的矿化特性摇 培养过程
中不同处理释放的CO2与对照土壤的差值为所加
表 3摇 不同处理 CO2释放量的一级动力学方程参数
Table 3摇 Decomposition parameters of organic C in differ鄄
ent treatments with the first鄄order equation
处理
Treatment
碳最大累积
矿化量 C0
(mg·kg-1 soil)
矿化速率常数
k
(·d-1)
决定系数
R2
3M+3F 4165 0郾 014 0郾 994
3MR+3FR 3781 0郾 013 0郾 996
4M+2F 3732 0郾 013 0郾 993
M 3673 0郾 010 0郾 996
2M+4F 3483 0郾 018 0郾 993
MR 3305 0郾 009 0郾 996
F 3039 0郾 022 0郾 987
FR 2996 0郾 023 0郾 994
CK 671 0郾 013 0郾 985
有机物料有机碳的净矿化量,其占有机物料总有机
碳的比例为有机物料有机碳的矿化率. 由图 1 可以
看出,各处理有机碳的矿化率变化规律相似,均呈现
前期(0 ~ 23 d)上升较快,之后有所减缓,到培养后
期趋于稳定的趋势.整个培养过程中,单施处理有机
碳的矿化率表现为 FR>F>M>MR;而各配施处理之
间,除 110 d后 3M+3F处理矿化率开始显著高于其
他配施处理外,其他时期差异不明显.配施处理与单
施处理相比,培养前期(0 ~ 23 d),F和 FR处理有机
碳矿化率明显高于其他处理,之后各配施处理陆续
超过 F和 FR处理,到培养结束时,3M+3F处理矿化
率最大 ( 80郾 2% ), MR 单施处理矿化率最低
(43郾 8% ).总体上,两种有机物料配施处理的有机
碳矿化率平均为 72郾 4% , 显著高于单施处理
(59郾 8% ).
2郾 2摇 不同有机物料配施对土壤矿质态氮含量的影
响
整个培养过程中,添加有机物料处理土壤矿质
态氮含量呈先下降后上升趋势,而 CK 处理一直维
持在较高水平并呈上升趋势,80 d 后土壤矿质态氮
含量基本维持稳定(图 2).培养开始后除 CK 外,各
处理土壤矿质态氮含量逐渐下降,并先后降到最低
图 1摇 不同处理有机物料中有机碳的矿化率
Fig. 1摇 Mineralization rate of organic carbon in organic residues
under different treatments (mean依SD).
F:蚕豆秸秆 Horsebean straw; FR:蚕豆根茬 Horsebean root residue;
M:玉米秸秆 Maize straw; MR:玉米根茬 Maize root residue郾 下同 The
same below.
5011 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 夏志敏等: 玉米与蚕豆秸秆配施对秸秆分解及土壤养分含量的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 不同处理土壤矿质态氮含量的动态变化
Fig. 2 摇 Dynamics of soil mineral N under different treatments
(mean依SD).
值,其中单施处理在第 15 天降至最低,MR和 FR下
降速度较M和 F慢;配施处理除 3MR+3FR外,均在
第 7天降至最低 . 培养33d后,各处理土壤矿质态
氮含量陆续开始上升,上升的先后顺序依次为 FR>
F>2M+4F>3M+3F>3MR+3FR>4M+2F>M>MR. 培
养结束时,FR、F、2M+4F 处理土壤矿质态氮含量已
超过 CK 处理. 同时,随着培养时期的延长,各处理
矿质态氮含量几乎都超过培养前土壤中矿质态氮含
量,到培养结束时,除 M 和 MR 处理外,其他处理均
已超过培养前土壤矿质态氮含量,平均比培养前增
加了 159郾 5% ,CK比培养前增加了 260郾 3% .
2郾 3摇 不同有机物料配施对土壤微生物生物量碳、氮
的影响
2郾 3郾 1 土壤微生物生物量碳(SMBC)含量变化 摇 由
图 3 可以看出,与 CK相比,添加有机物料均显著提
高了土壤 SMBC含量.培养开始后,各处理 SMBC 含
量迅速上升,在第 7 天达到峰值,之后逐渐下降. 在
第 60 天之前,单施处理之间相比, F 和 FR 处理
SMBC含量显著高于 M 和 MR 处理;配施处理之间
相比,2M+4F和 3M+3F处理高于其他处理;80 d 之
后,各处理之间 SMBC含量差异不断缩小,到培养结
束时已无明显差异.整个培养过程中,蚕豆秸秆所占
比例高的处理 SMBC含量高于玉米秸秆所占比例高
的处理.
2郾 3郾 2 土壤微生物生物量氮(SMBN)含量变化 摇 与
CK相比,添加有机物料显著提高了土壤 SMBN含量
(图 3).在培养第 7 天各处理 SMBN含量最高,之后
图 3摇 不同处理土壤微生物生物量碳、氮含量的动态
Fig. 3摇 Dynamics of soil microbial biomass C and N under different treatments (mean依SD).
SMBC: Soil microbial biomass C; SMBN: Soil microbial biomass N.
601 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
逐渐降低,并随着培养时间的延长,不同处理之间
SMBN含量差异不断缩小;到培养结束时,各处理之
间 SMBN含量无明显差异. 60 d 之前,单施处理中,
F和 FR处理 SMBN 含量显著高于 M 和 MR 处理;
而各配施处理之间 SMBN含量差异不明显.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同配比有机物料的碳、氮矿化特性
本研究表明,与对照土壤相比,添加玉米和蚕豆
秸秆及其不同配比均显著增加了土壤有机碳的矿化
势(表 3).有机物料加入土壤后,培养前期有机碳的
矿化较快,占整个培养期间矿化量的 33郾 8% ,随着
培养时间的延长,矿化速率逐渐减缓(图 1),这与培
养前期有机物料中易矿化组分的分解释放有关. 加
入不同有机物料使培养前期土壤矿质态氮含量明显
降低,培养后期升高,这是由于加入的有机物料 C / N
较高,为土壤微生物提供了丰富的碳源,促进了微生
物的生长繁殖,进而固持了部分土壤氮素.随着有机
物料中易分解有机碳含量逐渐下降,微生物可利用
碳源减少,微生物数量与活性开始下降[18],被微生
物固持的氮随着微生物的死亡逐步释放出来. 这与
大多数研究结果一致[18-20] .
不同有机物料相比,单施玉米秸秆处理土壤有
机碳的矿化势和秸秆有机碳的矿化速率都较低,而
土壤矿质态氮被固持的时间也最长,这与玉米秸秆
C / N较高有关[21-22];玉米秸秆与蚕豆秸秆配合施
用,促进了秸秆有机碳的矿化(图 1),土壤被固持的
矿质态氮开始释放的时间提前(图 2),这与配施的
蚕豆秸秆 C / N 较小,配施后增加了全氮含量,显著
降低了施入有机物料的 C / N 有关. 可见,在禾本科
作物秸秆还田时若配施 C / N较小的豆科作物秸秆,
可以加快秸秆的分解和养分释放. 说明与单一秸秆
还田相比,间套作这一传统种植方式由于增加了还
田秸秆的种类,可以有效调控秸秆的分解;同时,在
实施秸秆还田时,可以通过调节不同 C / N秸秆的配
比,来达到调控有机物料还田后秸秆分解及养分释
放的目的,在培肥地力的同时满足作物生长对养分
的需求.
3郾 2摇 不同有机物料及其配比与土壤微生物生物量
碳、氮含量的关系
本研究表明,加入玉米和蚕豆秸秆均显著增加
了土壤微生物生物量碳、氮含量,这与前人研究结果
一致[23-25] .这是由于添加有机物料为土壤微生物提
供了丰富的碳源和营养物质,促进了微生物的繁
殖[26] .本试验供试土壤为新垦的淡灰钙土,土壤肥
力较低,通过秸秆还田的方式增加土壤微生物生物
量碳、氮含量,对促进这一新垦土壤的碳、氮养分转
化及累积,提高土壤肥力具有重要意义.
本研究同时发现,不同有机物料及其配比对土
壤微生物生物量碳、氮含量的影响不同.与单施玉米
秸秆相比,玉米秸秆与蚕豆秸秆配施显著提高了土
壤微生物生物量碳、氮含量;玉米秸秆与蚕豆秸秆不
同配比中,2M+4F 和 3M+3F 处理土壤微生物生物
量碳、氮含量相对较高.这一方面与配比蚕豆秸秆后
调节了有机物料的碳氮比有关,另一方面也可能因
为添加多种类型有机物料,为土壤不同种类微生物
的生长繁殖提供了不同营养物质[27],丰富了土壤微
生物种类与数量,从而提高了土壤微生物生物量碳、
氮含量[28-29] .
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作者简介摇 夏志敏,男,1985 年生, 硕士研究生.主要从事植
物营养与环境研究. E鄄mail: hgxzm@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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