全 文 ：中国生态农业学报 2015年 12月 第 23卷 第 12期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Dec. 2015, 23(12): 15201528


* 国家自然科学基金项目(31372137)、“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD15B04)和高等学校学科创新引智计划(No.B12007)资助
** 通讯作者: 陈竹君, E-mail: zjchen@nwsuaf.edu.cn
蔡苗, 主要研究方向为农田物质循环与环境。E-mail: caimiao@nwsuaf.edu.cn
收稿日期: 20150511 接受日期: 20150914
* Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31372137), and the National Technology R&D Pillar Program in the
12th Five-Year Plan of China (No. 2012BAD15B04) and the 111 Plan (No. B12007).
** Corresponding author, E-mail: zjchen@nwsuaf.edu.cn
Received May 11, 2015; accepted Sep. 14, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150551
长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性*
蔡 苗1,2 陈竹君1** 师倩云1 周建斌1
(1. 西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室 杨凌 712100;
2．陕西省土地工程建设集团有限责任公司 西安 710075)
摘 要 以 7年氮肥定位试验地玉米根茬为研究对象, 通过把玉米根茬按 2%比例与 15 cm和 45 cm土层深度的
土壤混合后田间埋袋的方法, 研究长期不同施氮量处理[分别为 0 kg(N)hm2、120 kg(N)hm2和 240 kg(N)hm2]
的玉米根茬(分别用 R0、R120、R240表示), 在陕西省长武黑垆土中埋藏分解 1 a 后对土壤碳、氮组分的影响及
根茬有机碳的分解特性。与未添加玉米根茬的对照土壤相比, 玉米根茬加入能够显著增加各层土壤的微生物
量碳、可溶性有机碳和矿质态氮含量, 3种施氮量处理间差异不显著。随着分解时间延长, 土壤可溶性有机物
中结构相对复杂的芳香类化合物比例逐渐增加。分解 1 a后, R0、R120和 R240根茬的有机碳残留率在 15 cm土
层中分别为 44.4%、35.3%和 34.9%, 在 45 cm土层中分别为 53.3%、44.3%和 42.5%。R0根茬的碳残留率显著
高于 R120和 R240; 玉米根茬在 15 cm土层的碳分解率和分解速率常数显著高于 45 cm土层。采用一级动力学
方程拟合玉米根茬碳残留率变化结果显示, R0、R120和 R240根茬有机碳分解 95%所需要的时间在 45 cm土层比
15 cm土层分别长 3.2 a、2.3 a和 1.9 a。氮肥施用量影响玉米根茬在土壤中的分解特性, 在评价农田氮肥施用
与土壤固碳时, 应考虑不同氮肥用量下残茬养分组成及其在土壤中分解的差异。
关键词 玉米 施氮量 根茬 有机碳分解 微生物量碳 可溶性有机碳 矿质态氮
中图分类号: S513 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)12-1520-09
Effects of long-term nitrogen fertilization on maize root decomposition
characteristics at different soil depths*
CAI Miao1,2, CHEN Zhujun1**, SHI Qianyun1, ZHOU Jianbin1
(1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University / Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment
in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China; 2. Shaanxi Land Engineering Construction Group, Xi’an
710075, China)
Abstract Root residues in fields after harvesting crops are the basic materials for soil organic carbon (C). Root residues are
critical for the maintenance of organic matter and improvement of soil fertility. The application of inorganic fertilizers not only
increases crop yield, but also affects the allocation of photosynthate in aboveground and belowground systems of crops. The
effect of different fertilization on returned crop root biomass into soil has widely been studied. Nitrogen (N) fertilizer accounts
for the largest fertilizer use in agricultural production. However, it has still not been clear whether the chemical composition
and decomposition dynamics of crop root residues were affected by N level. Meanwhile, soil nutrient cycle may also be
affected by root decay. Consequently, a field experiment was conducted to evaluate soil organic C decay under different levels
of N fertilizer application to maize. The experiment also studied the dynamics of soil available C and N contents affected by
the addition of maize roots in black loessial soils. In October 2010, maize roots in the 020 cm soil depth were collected from
第 12期 蔡 苗等: 长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性 1521


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three N fertilization treatments in a 7-year-long field experiment. Maize roots gathered from the plots under the 0 kg(N)·hm2,
120 kg(N)·hm2 and 240 kg(N)·hm2 treatments were marked as R0, R120 and R240, respectively. After mixing with soil at 15 cm
and 45 cm depths at 2% proportion, the decomposition characteristics of the three N-fertilized roots were determined for 368
days after buried in soil. The results showed that in contrast to the control treatment (without root addition), the contents of
soil microbial biomass C, soluble organic C and mineral N increased significantly under addition of N-treated maize roots at
both soil depths. However, there was no obvious difference between R0, R120, and R240 treatments. The specific absorbance at
280 nm (UV280) increased with increasing decomposition time, which suggested that the portion of aromatic and complex
compounds in soil organic matter increased. After one year of decomposition, residual ratios of C in roots under R0, R120 and
R240 treatments were respectively 44.4%, 35.3% and 34.9% at 15 cm depth, and 53.3%, 44.3% and 42.5% at 45 cm soil depth.
Root decomposition ratio and decay rate constant were significantly higher at 15 cm than that at 45 cm soil depth. Simulated
equations of remaining maize root C with the first order kinetics fitting indicated that the time to reach 95% root C
decomposition under R0, R120 and R240 prolonged, respectively, by 3.2, 2.3 and 1.9 years at 45 cm soil depth, compared with
that at 15 cm soil depth. It was concluded that the effect of decomposition of crop residues on soil C and N accumulation and
cycle in farmland soils need more attention in the study of soil carbon sequestration.
Keywords Maize; N fertilization rate; Root residue; Organic C decomposition; Microbial biomass C; Soluble organic C; Mineral N
农田土壤碳库是陆地碳库中最活跃的部分, 对
维持全球碳平衡和缓解气候变化具有重要意义[1]。
根茬是农田生态系统土壤有机碳库的重要来源, 以
我国第一大粮食作物玉米为例, 2013 年根茬生物量
达 1.40亿 t[2]。根茬还田可以保持土壤有机质平衡、
改善和培肥土壤 [3]; 同时 , 作物残体留田可以减轻
其作为燃料燃烧而带来的碳、氮等养分损失及对环
境造成的污染[4]。因此, 根茬还田在农田土壤碳循环
中具有重要作用。
作物残体的分解速率与其化学组成及其分解的
环境条件有关[5]。与地上部相比, 作物根茬的化学组
成及分解环境存在一定的差异, 其对农田土壤有机
质的贡献相对较大[6]。对根茬化学组分与分解特性
的研究表明, 根茬分解速率与其全氮含量有微弱正
相关关系[7]; 同时, C/N、木质素含量及木质素/N等
也被一些学者做为预测和评价根茬、秸秆等残体分
解的指标[8]。车玉萍等[9]指出, 有机物料残留碳量的
多少, 取决于物料本身木质素含量。与地上部残体
的研究相比, 目前对根茬在土壤中分解特性的研究
相对较少。
除根系本身化学特性(如全碳、全氮、木质素含
量以及 C/N 和木质素/N)和土壤微生物群落组成等
是影响根茬分解的生物因素外, 土壤温度、水分、
通气状况等非生物因素, 土壤养分、微生物及胞外
酶的空间分布等也会影响根茬分解, 而有关根系残
茬在土壤不同层次中的分解特性研究相对较少。
氮肥施用在提高作物产量等方面已有大量研究,
通过施用氮肥提高农作物生物产量, 增加土壤中作
物秸秆等有机质的输入, 促进土壤有机碳的累积亦
越来越受到关注[10]。一般来说, 施用氮肥使土壤 C/N
降低, 提高土壤微生物活性, 促进作物残茬分解和
土壤有机碳的矿化 [11]。关于施氮对作物地下部根
茬的影响研究多集中于根茬生物量等指标 , 而氮
肥施用对作物根茬留田后在土壤中分解特性的影
响尚少见报道。因此 , 本文以长期定位试验不同氮
肥施用量下玉米根茬为研究对象 , 探讨施用氮肥
对玉米根茬化学组成及在土壤不同层次分解的影
响 , 旨在评价施用氮肥对玉米根茬分解及土壤固
碳的影响。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地位于黄土高原中南部的陕西省长武县丁
家镇十里铺村农技中心试验基地 (北纬 35°12′78″,
东经 107°44′70″), 属西北内陆暖温带半湿润大陆性
季风气候。海拔 1 200 m, 年均气温 9.1 ℃, 无霜期
171 d。多年平均降水量 584 mm, 且季节性分布不均,
降水多集中在夏秋季节, 雨热同季。试验地土壤类
型为黄盖黏黑垆土, 土层深厚, 全剖面土质均匀疏
松, 通透性好。研究区农业生产主要依赖生育期间
的天然降水和前期土壤蓄水, 属于典型的旱作农业
区, 种植制度为小麦休闲, 一年 1熟。
1.2 供试材料
供试土壤样品于 2010 年 11 月采自上述试验基
地, 采土时用铁锹收集 15 cm和 45 cm两个土层的土
壤, 剔除作物根系、石块等杂物, 风干、磨细并通过
2 mm筛备用。两个土层的土壤样品基本理化性状见
表 1。
供试玉米根茬于 2010 年 10 月初玉米收获时,
采自陕西杨凌西北农林科技大学农作一站不同栽培
模式长期定位试验田 3 种氮肥用量处理小区。该定
位试验始于 2003 年 6 月, 实行冬小麦夏玉米轮作,
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表 1 供试土壤基本理化性质
Table 1 The physicochemical properties of soil used in this study
土层
Soil depth
(cm)
有机碳
Organic C
(gkg1)
全氮
Total N
(gkg1)
速效磷
Available P
(mgkg1)
速效钾
Available K
(mgkg1)
碳酸钙
CaCO3
(gkg1)
碳氮比
C/N ratio
pH
电导率
EC
(μScm1)
15 8.90±0.19a 0.88±0.00a 23.10±1.32a 165.2±4.19a 86.1±1.62a 10.10 7.90±0.01b 174.9±21.10a
45 6.09±0.23b 0.61±0.01b 3.73±0.47b 126.8±0.00b 84.1±0.35b 9.98 8.11±0.01a 157.4±7.00b
同列不同字母表示差异达到 5%显著水平。下同。Different letters in the same column mean significant difference at 5% level. The same below.

一年两熟。不同栽培模式为主因素, 氮肥水平为副因
素, 每季作物施氮量为 0 kg(N)hm2、120 kg(N)hm2
和 240 kg(N)hm2, 小区面积为 18 m2(4 m×4.5 m)。
采集玉米根茬时, 从常规栽培模式 3 种施氮量处理
小区分别选取 5 株玉米, 用铁锹收集 0~20 cm 深度
根茬, 采样面积为 20 cm×20 cm, 将相同施氮量处理
的根茬混合, 0 kg(N)hm2、120 kg(N)hm2 和 240
kg(N)hm2 处理小区的玉米根茬分别用 R0、R120 和
R240表示。收集的根茬样品置于 0.15 mm筛之上, 用
清水仔细去除附着的土壤, 防止细小根系损失, 后
用蒸馏水冲洗, 90 ℃杀青 0.5 h、60 ℃烘干, 根茬粉
碎并通过 1 mm筛备用(表 2)。
表 2 供试玉米根茬基本性质
Table 2 Basic properties of maize roots used in this study
玉米根茬
Maize roots
全碳
Total C (gkg1)
全氮
Total N (gkg1)
碳氮比
C/N ratio
纤维素
Cellulose (%)
木质素
Lignin (%)
木质素/氮
Lignin/N
R0 413.7±9.9b 3.18±0.02c 130.1 35.4±4.28a 18.3±0.38a 57.5
R120 422.6±4.2b 6.48±0.20a 65.2 35.2±4.72a 15.9±0.05c 24.5
R240 444.7±9.2a 6.04±0.30ab 73.6 32.6±3.36a 16.9±0.26b 28.0
R0、R120、R240分别为施氮量 0 kg(N)·hm2、120 kg(N)hm2、240 kg(N)hm2处理小区的玉米根茬。下同。R0, R120, and R240 represent the maize
roots derived from the 0, 120, and 240 kg(N)·hm2 treatments, respectively. The same below.

1.3 根茬田间分解试验
研究因素包括上述 2个土层土壤(15 cm和 45 cm,
分别用 S15、S45表示)及 3种施氮量处理玉米根茬(R0、
R120、R240), 同时设不加根茬的土壤作为对照, 共组
成 8个处理(S15、S15+R0、S15+R120、S15+R240、S45、
S45+R0、S45+R120、S45+R240), 各处理重复 12次。
称取 100 g供试土壤(按烘干土计算), 3种不同
施氮量玉米根茬以 2%比例(2 g)分别与 2个土层土壤
混合均匀后装入尼龙网袋(大小为 14 cm14 cm, 孔
径 80 μm)中封口。尼龙网袋孔径可阻止土壤动物及
植物根系穿过, 但不影响土壤中水、气交换。2010
年 11月将尼龙网袋埋入长武试验地土样采集的同一
田块。即用铁锹挖取 8个 45 cm100 cm的长方形埋
藏坑, 其中 4个坑深度 15 cm, 分别埋藏 S15、S15+R0、
S15+R120、S15+R240 处理; 另 4个坑深度 45 cm, 分别
埋藏 S45、S45+R0、S45+R120、S45+R240 处理。各处理
的 12个尼龙网袋对称平铺于埋藏坑内, 将坑内挖取
的土壤重新回填覆盖。同时, 在 15 cm和 45 cm土层
深度分别设置地温自动记录仪(TidbiT® v2), 试验期
间及时去除田间杂草。
分别于 2011 年 3、6、9、11 月(根茬埋入土中
122 d、214 d、309 d和 368 d)采集各处理中的 3次
重复, 其中 1/3土壤样品风干, 通过 0.15 mm筛, 用
于测定有机碳含量; 其余土样在 4 ℃下保存, 用于
土壤矿质态氮、可溶性有机碳、微生物量碳等测定。
1.4 测定项目及方法
土壤及玉米根茬基本理化性质中有机碳、全氮、
速效磷、速效钾的测定采用常规农化方法; 土壤碳
酸钙含量测定采用气量法[12]。土壤 pH 测定水土比
为 1︰1。根茬纤维素、木质素含量用碘量法测定[13]。
不同采样时期土壤微生物量碳测定采用氯仿熏蒸浸
提法[14], 土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸的有
机碳含量之差除以转化系数 kEC得到(kEC=0.45[15])。
土壤可溶性有机碳用 0.5 molL1 K2SO4浸提(水土比
4︰1), 浸提液经 0.45 μm 滤膜过滤, 滤液中的可溶
性有机碳用 TOC分析仪(Phoenix 8000)测定。可溶性
有机碳的 UV280值为滤液在紫外光 280 nm处的吸
收值, 采用 UVIKON 930 型紫外可见分光光度仪测
定, 溶液碳含量调节至≤10 mg(C)L1[16]。土壤矿质
态氮用 0.5 molL1 K2SO4 浸提(水土比 4︰1), 流动
分析仪(AA3)测定 , 矿质态氮为铵态氮与硝态氮含
量之和。
1.5 数据处理
玉米根茬不同分解时期有机碳残留百分比为:
s rt( ) / 100%C C C  根茬碳残留率 (1)
式中: Ct为 t时间(d)后土壤根茬混合物的有机碳量
第 12期 蔡 苗等: 长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性 1523


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(g), Cs为 t时间后相应土层对照土壤的有机碳量(g),
Cr为各处理玉米根茬起始有机碳量(g)。
采用一级动力学方程, 拟合玉米根茬随埋藏时
间延长的碳残留率变化[17], 表达式为:
e kty a   (2)
式中: a为起始根茬碳量, y为某一时间 t时的根茬碳
量, k为分解速率常数。
试验数据处理采用 Microsoft Excel 2007和 SAS
8.1 进行方差分析, 不同处理多重比较采用 Duncan
新复极差法。
2 结果与分析
2.1 根茬分解期间降水及土壤温度动态变化
降水量数据由长武县气象局获得。由图 1 可以
看出, 试验期间(2010 年 11 月—2011 年 11 月)长武
月降水量最高值出现在 2011年 9月, 达到 227.3 mm,
最低值出现在根茬埋藏初期(2010 年 11 月), 基本
无降水(0.1 mm)。全年分解期间总累积降水量为
725.4 mm, 其中, 7—9 月份的累积降水量为 465.6 mm,
占全年降水量的 64.2%。
土壤温度呈现显著的季节性动态变化(图 1), 试
验期间土壤温度最高、最低值在 15 cm土层分别为
28.3 ℃和4.27 ℃, 在 45 cm土层分别为 23.3 ℃和
1.48 ℃。15 cm和 45 cm土层土壤全年平均温度分
别为 11.0 ℃和 10.7 ℃。4次采样时期土壤平均温度
在 15 cm土层分别为 0.31 ℃、13.0 ℃、22.1 ℃、11.8 ℃,
在 45 cm土层分别为 1.73 ℃、11.4 ℃、20.2 ℃、12.6 ℃。
在寒冷季节(11—3月), 下层土壤(45 cm)温度高于表
土(15 cm); 而随着气温逐渐升高(3—9 月), 表层土
壤的温度高于下层土壤。
2.2 根茬分解对土壤碳、氮组分的影响
由图 2可知, 添加玉米根茬处理在 15 cm和 45 cm
土层土壤的微生物量碳(SMBC)含量均较相应对照
土壤(CK)显著提高(P<0.05)。一年的分解过程中, 在
15 cm和 45 cm土层中, 添加 R0、R120、R240根茬处
理的 SMBC含量范围分别为 506.7~670.7 mgkg1和
256.1~368.6 mgkg1, 平均值分别为 567.6 mgkg1
和 310.8 mgkg1。在 15 cm土层, SMBC含量表现为


图 1 玉米根茬分解期间(2010年 11月—2011年 11月)月降水量及不同土层土壤温度动态变化
Fig. 1 Dynamic changes of the monthly rainfall and daily soil temperature in the 15 cm and 45 cm depths during maize root
decomposition from Nov. 2010 to Nov. 2011

图 2 不同分解时期土壤微生物量碳(SMBC)含量动态变化
Fig. 2 Dynamic changes of soil microbial biomass carbon (SMBC) contents in the 15 cm and 45 cm depths during maize root decomposition
CK为未加玉米根茬的对照土壤, *表示差异显著, 下同。CK represents the control soil without maize root addition. The symbol *
represents significant difference at P < 0.05. The same below.
1524 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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R120>R240>R0; 在 45 cm土层三者含量差异不显著。
不同土层比较, 15 cm土层各处理的 SMBC含量均显
著高于 45 cm 土层相应处理。根茬分解期间, 不同
处理土壤的微生物量碳含量波动幅度不大。
与对照土壤相比, 添加玉米根茬处理在 15 cm
和 45 cm土层土壤的可溶性有机碳(SSOC)含量均显
著提高(P<0.05)(图 3)。一年分解过程中, R0、R120、
R240处理 SSOC含量平均值在 15 cm和 45 cm土层
分别为 111.3 mgkg1和 99.5 mgkg1, R0、R120、R240
处理之间差异不显著。分解 214 d时, 各处理 SSOC
含量达到最高值, 之后迅速降低并持续。2011 年 9
月第 3次采样时(分解 309 d)各处理的 SSOC含量降
至试验最低, 这与 9 月份降雨量较高, 促进土壤可
溶性有机碳向深层淋溶有关。至分解结束时(368 d),
在 15 cm和 45 cm土层 CK处理的 SSOC含量分别
为 82.1 mgkg1和 62.0 mgkg1, R0、R120、R240处理的
SSOC含量平均值分别为 95.2 mgkg1和 77.3 mgkg1
(图 3)。

图 3 不同分解时期土壤可溶性有机碳(SSOC)含量动态变化
Fig. 3 Dynamic changes of soil soluble organic carbon (SSOC) contents in the 15 cm and 45 cm depths during maize root decomposition
随着埋藏时间延长, 土壤可溶性有机物的 UV
吸收值显著增加(图 4)。在 15 cm和 45 cm土层, CK
土壤的 UV280 吸收值范围分别为 0.029~0.266
L·10mg1(C)·cm1 和 0.023~0.177 L·10mg1(C)·cm1;
添加玉米根茬处理(R0、R120、R240)的平均 UV280吸
收值分别为 0.035~0.243 L·10 mg1(C)·cm1和 0.031~
0.167 L·10mg1(C)·cm1, R0、R120、R240处理间差异
不显著。分解后期, 添加玉米根茬处理的 UV280吸
收值逐渐低于相应对照土壤。
图 5 可见, 不同处理土壤矿质态氮含量存在显
著差异, 与 CK 相比, 添加玉米根茬能够显著增加
各土层矿质态氮含量。一年的试验期间, CK处理的
矿质态氮含量在 15 cm 和 45 cm 土层分别为
4.55~7.47 mgkg1和 4.02~5.78 mgkg1, 波动幅度
较小。在 R0、R120、R240 处理中, 随着根茬分解时
间延长, 土壤矿质氮含量逐渐增加, 而在 2011 年 9
月(分解 309 d)采样期间由于降水量较高 , 土壤矿
质态氮淋失导致含量显著降低。4次采样时期 R0、
R120、R240 处理土壤矿质态氮含量平均值在 15 cm
土层分别为 13.7 mgkg1、17.1 mgkg1、16.5 mgkg1,
在 45 cm土层分别为 10.1 mgkg1、11.4 mgkg1、
13.4 mgkg1。

图 4 不同分解时期土壤可溶性有机物 UV280吸收特性
Fig. 4 Specific absorbance of soil soluble organic carbon at 280 nm (UV280) in the 15 cm and 45 cm depths during maize
root decomposition
第 12期 蔡 苗等: 长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性 1525


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图 5 不同分解时期土壤矿质态氮含量
Fig. 5 Dynamic changes of soil mineral N contents in the 15 cm and 45 cm depths during maize root decomposition
2.3 不同施氮量玉米根茬田间分解特性
由图 6可知 , 与对照土壤相比 , 添加玉米根茬
显著增加了土壤有机碳含量 , 在分解起始 (0 d)阶
段 , 分别较 15 cm和 45 cm土层 CK处理的土壤有
机碳含量提高 2.0 倍和 2.5 倍。随着田间埋藏时间
延长, 各处理土壤有机碳含量逐渐降低。在 15 cm
土层, CK处理土壤有机碳含量从起始的 8.90 gkg1
降低到分解结束(368 d)的 8.22 gkg1, 添加玉米根
茬处理的有机碳含量从起始的 17.9 g·kg1 降低到
分解结束的 11.1~11.8 g·kg1; 在 45 cm 土层 , CK
处理土壤有机碳含量从起始的 6.09 g·kg1 降低到
分解结束的 5.47 g·kg1, 添加玉米根茬处理的有
机碳含量从起始的 15.2 g·kg1 降低到分解结束的
9.12~9.78 g·kg1。

图 6 不同分解时期土壤有机碳含量动态变化
Fig. 6 Dynamic changes of soil organic carbon contents in the 15 cm and 45 cm depths during different decomposition periods
随着分解时间持续, 土壤中根茬碳残留率不断
降低(图 7)。分解 214 d时, 在 15 cm土层根茬碳残
留率为 55%~61%, 在 45 cm土层中为 58%~68%, 即
根茬碳分解 32%~45%, 分解量占试验 1 a 根茬碳总
分解量的 67%~73%。试验结束时(368 d), 不同施氮
量处理玉米根茬碳分解率为 46.7%~65.1%。田间分
解 1 a后, R0、R120、R240根茬碳残留率在 15 cm土层
中分别为 44.4%、35.3%、34.9%; 在 45 cm 土层中
分别为 53.3%、44.3%、42.5%, R0根茬碳残留率显著
高于 R120和 R240。相关分析表明, 分解 1 a后根茬碳
残留率与根茬 C/N(r＝0.712, P＝0.112)、木质素含量
(r＝0.631, P＝0.179)及木质素/N(r＝0.716, P＝0.109)
正相关, 而与根茬全氮含量负相关(r＝–0.712, P＝
0.113)。
采用一级动力学方程 (公式 2)拟合了根茬残
留碳随时间的变化 (表 3), 拟合方程的相关系数
均达到极显著水平(P<0.01)。在 15 cm 和 45 cm
土层中 , 分解速率常数 k 值在不同施氮量玉米根
茬中均表现为 R120≈R240>R0, 表明与长期不施氮
肥处理比较 , 施用氮肥能够促进作物根系在土壤
中的分解速率。根茬碳残留 5%, 即分解 95%所需
要的时间 t0.05 在不同层次土壤中均为 R120≈R240<
R0, 表明长期不施氮肥处理的玉米根茬分解所需
时间较长。不同土层根茬分解比较 , 埋藏深度为
15 cm 的根茬碳分解速率常数均大于 45 cm 深度
相应根茬 , R0、R120、R240根茬碳分解 95%所需要
的时间在 45 cm 土层较 15 cm 土层分别长 3.2 a、
2.3 a、1.9 a。
1526 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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图 7 不同分解时期玉米根茬碳残留率变化
Fig. 7 Residual ratios of carbon in maize roots in the 15 cm and 45 cm depths of soil during different decomposition periods
表 3 不同施氮量玉米根茬在 15 cm和 45 cm土层分解特性及达到 5%碳残留所需时间
Table 3 Simulated equations of the remaining maize roots carbon in the 15 cm and 45 cm depths of soil under three nitrogen levels,
and the time to reach 5% root carbon remaining
土层
Soil depth (cm)
玉米根茬
Maize root
拟合方程
Simulated equation
t0.05
(a) R
2
15 R0 y = 101.37e0.002 3x 9.07 0.992
R120 y = 101.28e0.002 9x 7.19 0.991
R240 y = 100.62e0.002 9x 7.19 0.996
45 R0 y = 100.66e0.001 7x 12.30 0.995
R120 y = 99.68e0.002 2x 9.46 0.996
R240 y = 99.18e0.002 3x 9.04 0.989

3 讨论
3.1 不同施氮处理玉米根茬分解特性
在影响根系分解的因素中, 根茬自身的化学特
性占主导作用, 特别是残茬全氮、木质素含量, C/N
和木质素/N 常被用于预测有机残体分解动态[8]。高
C/N比(>75)的有机残体通常含有较多木质素、单宁、
萜烯等难分解化合物以及较低的可利用氮, 因而更
难被微生物分解 [7]。本研究的田间腐解试验表明 ,
不同施肥处理玉米根茬经过 1 a分解 , 在 15 cm和
45 cm土层的分解率分别为 56%~65%和 47%~58%。
玉米根茬的分解率与其他学者采用不同研究方法得
到的结果类似, 如在黑土土壤中利用砂滤管法, 玉
米秸秆和根茬的 1 a分解率分别为 64.5%和 49.2%[18];
室内培养条件下玉米秸秆在暗棕壤中年分解
63%[19]。说明施入的有机物料经过 1 a分解, 约有 2/3
发生腐解, 1/3残留在土壤中。
有关生长期间不同施氮处理对作物根茬分解特
性的影响少见报道。本研究发现, 施用氮肥不仅影
响根茬化学组成, 也影响其分解特性。与不施氮肥
玉米根茬 R0相比, 分解 1 a 后施用 120 kg(N)hm2
(R120)和 240 kg(N)hm2(R240)的玉米根茬碳分解率显
著提高(图 7), R120和 R240根茬分解动态无显著差异。
我们前期进行的室内矿化培养试验也发现, R120 和
R240根茬的 CO2释放量显著高于 R0, 而 R120和 R240
根茬 CO2释放量差异不显著[20]。两个试验结果均证
明, 施用氮肥会影响根茬碳的分解释放, 这与长期
施用氮肥显著增加根茬全氮含量, 降低了根茬木质
素、C/N 及木质素/N 比有关。在本研究中, 与长期
不施氮肥根茬 R0相比, R120和 R240根茬的全碳含量
分别增加 2.2%和 7.5%, 全氮含量分别提高 103.8%
和 89.9%, C/N比降低 49.9%和 43.4%, 木质素/N分
别下降 57.4%和 51.3%。与 R120相比, 长期高量施用
氮肥 R240 的分解率无显著差异, 这与二者的化学组
分间差异较小的结果一致。增加氮肥用量对玉米根
茬化学组成及分解特性无显著影响, 这可能与增加
氮肥用量虽然可促进作物氮素吸收, 但吸收的氮素
主要运输到地上部, 而在根系中的累积相对较少有
关[21]。
施用氮肥对农田生态系统碳转化的影响是近年
来人们关注的热点, 一些研究表明, 施用氮肥增加
了土壤有机碳含量[22]; 而另一些学者却得到不同的
结论[2324]。由本研究结果可以看出, 施用氮肥对作
物根茬的化学组分及分解特性有显著影响 , 因此 ,
在评价氮素施用对土壤有机碳含量影响时应重视根
茬留田的作用。
第 12期 蔡 苗等: 长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性 1527


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3.2 根茬分解对土壤活性有机碳及氮组分的影响
关于添加作物地上部分残体对土壤微生物量碳
及可溶性有机碳等活性有机碳组分的影响已有不少
研究, 而关于根茬分解对土壤活性有机碳组分及特
性的研究相对较少。本研究表明, 与对照土壤相比,
添加玉米根茬显著增加了各采样时期土壤微生物量
碳及可溶性有机碳含量, 这与其他学者关于作物地
上部还田的研究结果一致[4,2526]。原因主要是玉米残
体留田为土壤微生物提供充足的碳源和能源, 从而
显著增加了土壤微生物的数量, 而微生物数量的增
加会促进土壤有机质分解, 进而增加土壤可溶性有
机碳含量。
土壤可溶性有机物UV280吸收值与其化学结构
中相对复杂的芳香类化合物含量呈正相关关系[2728],
即 UV280吸收值越高, 说明可溶性有机物中结构相
对复杂的芳香类化合物含量越高。本研究发现, 随
着分解过程的进行, 土壤 UV280 吸收值显著增加,
说明随着培养时间的持续, 土壤可溶性有机物中结
构相对复杂的化合物含量呈增加趋势, 这与随着埋
藏时间延长, 根茬及土壤中的易降解组分(如糖类、
淀粉、脂肪等)逐渐减少, 难降解类物质(如木质素、
多酚等)增加有关。这与赵满兴等[29]的土壤培养试验
结果类似, 说明随着根茬分解时间的推移, 土壤可
溶性有机碳的结构也发生明显的变化。
根茬还田后碳、氮在土壤中的转化密切相关 ,
一般认为, 玉米根茬 C/N 较高, 在分解初期会出现
微生物对土壤氮素的固持[30]。而本研究各采样期间
添加根茬处理的土壤矿质态氮含量均显著高于对照
土壤, 这一方面与试验添加根茬数量较少(2%)有关;
另一方面, 采样时期为根茬分解 4 个月后, 前期微
生物固持的氮素可能已逐步释放, 因此添加根茬处
理土壤矿质态氮含量均显著高于对照土壤。
3.3 根茬在不同土层中的分解差异
本研究发现, 施用玉米根茬后 15 cm 土层土壤
的微生物量碳、可溶性有机碳及矿质态氮含量均高
于 45 cm 土层土壤, 这与不同施氮处理玉米根茬在
15 cm 土层的根茬碳分解率和分解速率常数显著高
于 45 cm土层结果一致。主要原因是与下层土壤相
比, 表层土壤含有较高的碳、氮等养分含量, 有利于
微生物活性提高, 进而促进玉米根茬的分解; 另一
方面, 不同土层土壤微生物种类差异及上、下土层
土壤的水热条件变化也会影响根茬在不同土层深度
的分解动态。玉米根茬田间分解 1 a后, 在 15 cm和
45 cm土层的碳分解率分别为 61.8%和 53.3%, 这与
上层土壤相对较高的年平均温度一致。根茬在下层
土壤中分解相对较慢, 因此, 培育深根系作物是提
高土壤固碳能力的有效措施之一。
参考文献
[1] 邵月红 , 潘剑君 , 孙波 , 等 . 农田土壤有机碳库大小及周
转[J]. 生态学杂志, 2006, 25(1): 19–23
Shao Y H, Pan J J, Sun B, et al. Pool sizes and turnover rates
of farmland soil organic carbon[J]. Chinese Journal of
Ecology, 2006, 25(1): 19–23
[2] 中华人民共和国国家统计局 . 中国统计年鉴 2014[M/OL].
北京: 中国统计出版社. [2015-04-27]. http://www.stats.gov.cn/
tjsj/ndsj/2014/indexch.htm
National Bureau of Statistics of the People’s Republic of
China. China Statistical Yearbook in 2014[M/OL]. Beijing:
China Statistics Press. [2015-04-27]. http://www.stats.gov.cn/
tjsj/ndsj/2014/indexch.htm
[3] Ren T, Wang J G, Chen Q, et al. The effects of manure and
nitrogen fertilizer applications on soil organic carbon and
nitrogen in a high-input cropping system[J]. PLoS One, 2014,
9(5): e97732
[4] 王淑平, 周广胜, 姜亦梅, 等. 玉米植株残体留田对土壤生
化环境因子的影响 [J]. 吉林农业大学学报 , 2002, 24(6):
54–57
Wang S P, Zhou G S, Jiang Y M, et al. Effect of corn stalk and
stubble remained in field on soil biochemical factors[J].
Journal of Jilin Agricultural University, 2002, 24(6): 54–57
[5] 林心雄, 程励励, 徐宁, 等. 田间测定植物残体分解速率的
砂滤管法[J]. 土壤学报, 1981, 18(1): 97–102
Lin X X, Cheng L L, Xu N, et al. The application of
carborundum tube for the determination of decomposition rate
of plant residues under field conditions[J]. Acta Pedologica
Sinica, 1981, 18(1): 97–102
[6] Balesdent J, Balabane M. Major contribution of roots to soil
carbon storage inferred from maize cultivated soils[J]. Soil
Biology and Biochemistry, 1996, 28(9): 1261–1263
[7] Silver W L, Miya R K. Global patterns in root decomposition:
Comparisons of climate and litter quality effects[J].
Oecologia, 2001, 129(3): 407–419
[8] Knorr M, Frey S D, Curtis P S. Nitrogen additions and litter
decomposition: A meta-analysis[J]. Ecology, 2005, 86(12):
3252–3257
[9] 车玉萍, 林心雄. 潮土中有机物质的分解与腐殖质积累[J].
核农学报, 1995, 9(2): 95–101
Che Y P, Lin X X. Decomposition and accumulation of
organic matter in chao soil[J]. Acta Agriculturae Nucleatae
Sinica, 1995, 9(2): 95–101
[10] 逯非, 王效科, 韩冰, 等. 中国农田施用化学氮肥的固碳潜
力及其有效性评价 [J]. 应用生态学报 , 2008, 19(10):
2239–2250
Lu F, Wang X K, Han B, et al. Assessment on the availability
of nitrogen fertilization in improving carbon sequestration
potential of China’s cropland soil[J]. Chinese Journal of
Applied Ecology, 2008, 19(10): 2239–2250
1528 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
[11] 杨景成, 韩兴国, 黄建辉, 等. 土地利用变化对陆地生态系
统碳贮量的影响[J]. 应用生态学报, 2003, 14(8): 1385–1390
Yang J C, Han X G, Huang J H, et al. Effects of land use
change on carbon storage in terrestrial ecosystem[J]. Chinese
Journal of Applied Ecology, 2003, 14(8): 1385–1390
[12] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 第 3 版. 北京: 中国农业出版
社, 2000
Bao S D. Agrochemical Analysis of Soil[M]. 3rd ed. Beijing:
China Agricultural Press, 2000
[13] 波钦诺克 X H. 植物生物化学分析方法[M]. 北京: 科学出
版社, 1981
Boqnhok X H. The Analyzing Method of Plant
Biochemistry[M]. Beijing: Science Press, 1981
[14] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction
method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil
Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703–707
[15] Wu J, Joergensen R G, Pommerening B, et al. Measurement of
soil microbial biomass C by fumigation-extraction — An
automated procedure[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1990,
22(8): 1167–1169
[16] Chin Y P, Aiken G, O’Loughlin E. Molecular weight,
polydispersity, and spectroscopic properties of aquatic humic
substances[J]. Environmental Science & Technology, 1994,
28(11): 1853–1858
[17] Conn C E, Day F P. Response of root and cotton strip decay to
nitrogen amendment along a barrier island dune chronose-
quence[J]. Canadian Journal of Botany, 1996, 74(2): 276–284
[18] 迟凤琴 . 黑土中有机物料分解规律的研究[J]. 黑龙江农业
科学, 2003(5): 6–8
Chi F Q. Study on the decomposed regularity of different
organic materials[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences,
2003(5): 6–8
[19] 张晋京, 窦森, 江源, 等. 玉米秸秆分解期间土壤中有机碳
数量的动态变化研究[J]. 吉林农业大学学报, 2000, 22(3):
67–72
Zhang J J, Dou S, Jiang Y, et al. Dynamic changes of organic
carbon contents in soil during period of decomposition of
corn stalks[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2000,
22(3): 67–72
[20] 蔡苗, 董燕婕, 李佰军, 等. 不同施氮处理玉米根茬在土壤
中矿化分解特性[J]. 生态学报, 2013, 33(14): 4248–4256
Cai M, Dong Y J, Li B J, et al. Decomposition characteristics
of maize roots derived from different nitrogen fertilization
fields under laboratory soil incubation conditions[J]. Acta
Ecologica Sinica, 2013, 33(14): 4248–4256
[21] 同延安, 赵营, 赵护兵, 等. 施氮量对冬小麦氮素吸收、转
运及产量的影响 [J]. 植物营养与肥料学报 , 2007, 13(1):
64–69
Tong Y A, Zhao Y, Zhao H B, et al. Effect of N rates on N
uptake, transformation and the yield of winter wheat[J]. Plant
Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(1): 64–69
[22] Lemke R L, VandenBygaart A J, Campbell C A, et al. Crop
residue removal and fertilizer N: Effects on soil organic
carbon in a long-term crop rotation experiment on a Udic
Boroll[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2010,
135(1/2): 42–51
[23] Khan S A, Mulvaney R L, Ellsworth T R, et al. The myth of
nitrogen fertilization for soil carbon sequestration[J]. Journal
of Environmental Quality, 2007, 36(6): 1821–1832
[24] Neff J C, Townsend A R, Gleixner G, et al. Variable effects of
nitrogen additions on the stability and turnover of soil
carbon[J]. Nature, 2002, 419(6910): 915–917
[25] 刘微 , 吕豪豪 , 陈英旭 , 等. 稳定碳同位素技术在土壤植
物系统碳循环中的应用 [J]. 应用生态学报 , 2008, 19(3):
674–680
Liu W, Lü H H, Chen Y X, et al. Application of stable
carbon isotope technique in the research of carbon cycling in
soil-plant system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,
2008, 19(3): 674–680
[26] 李志鹏, 潘根兴, 张旭辉. 改种玉米连续 3年后稻田土壤有
机碳分布和 13C 自然丰度变化[J]. 土壤学报, 2007, 44(2):
244–251
Li Z P, Pan G X, Zhang X H. Topsoil organic carbon pool and
13C natural abundance changes from a paddy after 3 years
corn cultivation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(2):
244–251
[27] Zsolnay A, Steindl H. Geovariability and biodegradability of
the water-extractable organic material in an agricultural soil[J].
Soil Biology and Biochemistry, 1991, 23(11): 1077–1082
[28] Moran M A, Sheldon W M, Zepp R G. Carbon loss and optical
property changes during long-term photochemical and
biological degradation of estuarine dissolved organic matter[J].
Limnology and Oceanography, 2000, 45(6): 1254–1264
[29] 赵满兴 , Karsten K, 周建斌 . 黄土区几种土壤培养过程中
可溶性有机碳、氮含量及特性的变化[J]. 土壤学报, 2008,
45(3): 476–484
Zhao M X, Karsten K, Zhou J B. Variation of content and
structural characteristics of dissolved organic carbon and
nitrogen in soluble organic matter during mineralization of
several soils in the Loess region[J]. Acta Pedologica Sinica,
2008, 45(3): 476–484
[30] 宋日, 吴春胜, 牟金明, 等. 玉米根茬留田对土壤微生物量
碳和酶活性动态变化特征的影响[J]. 应用生态学报, 2002,
13(3): 303–306
Song R, Wu C S, Mou J M, et al. Effects of maize stubble
remaining in field on dynamics of soil microbial biomass C
and soil enzyme activities[J]. Chinese Journal of Applied
Ecology, 2002, 13(3): 303–306