全 文 ：中国生态农业学报 2009年 5月 第 17卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2009, 17(3): 423−428


* 农业部重点研究项目资助
** 通讯作者: 吴文良(1961~), 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为生态工程与资源循环利用。E-mail: wuwenl@cau.edu.cn
朱春茂(1985~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤生态学。E-mail: chmzhu@gmail.com
收稿日期: 2008-05-15 接受日期: 2008-09-01
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00423
甜玉米/白三叶草秸秆还田的碳氮矿化研究*
朱春茂 1 李志芳 1 吴文良 2** 杨培珠 1
(1. 中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100193; 2. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193)
摘 要 豆科/禾本科作物间套作后进行秸秆还田能补充土壤养分, 缓解集约化农业生产对环境的压力。根据
田间甜玉米/白三叶草套种各作物的秸秆产量, 在恒温恒湿条件下进行室内培养, 探讨秸秆不同方式还田后土
壤微生物量碳、微生物量氮、呼吸产生的 CO2 和矿化产生的无机氮的变化规律。研究发现, 各施肥处理的土
壤微生物量碳、微生物量氮均在培养前期出现峰值, 后期平稳降低; 甜玉米秸秆和白三叶草绿肥同时还田的土
壤微生物量碳、微生物量氮在各培养时期均最大, 峰值分别达 529.57 mg·kg−1 和 75.50 mg·kg−1, 土壤呼吸产
生的 CO2 最多; 白三叶草绿肥单独还田有利于土壤无机氮的释放, 培养第 26 d 无机氮达到最大值, 为 29.81
mg·kg−1, 之后一直在对照处理的 1.60 倍以上, 第 80 d 达到 2.48 倍; 甜玉米秸秆单独还田不利于土壤无机氮
的释放, 培养的第 26 d 至结束, 甜玉米秸秆处理的无机氮为对照的 13%～53%, 最大为 7.51 mg·kg−1; 甜玉米
秸秆配施尿素, 短期内不利于土壤无机氮矿化。结果表明, 施用有机物料能引起土壤有机质的短期快速转化,
甜玉米秸秆和白三叶草绿肥配施有利于维持较大基数的土壤微生物量, 单施白三叶草绿肥土壤微生物活性强,
最有利于土壤速效氮的释放。
关键词 甜玉米 白三叶草 秸秆还田 土壤矿化 微生物量碳 微生物量氮
中图分类号: Q938.1+3; S154.4; S649 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)03-0423-06
Carbon and nitrogen mineralization of incubated sweet maize
and white clover straw
ZHU Chun-Mao1, LI Zhi-Fang1, WU Wen-Liang2, YANG Pei-Zhu1
(1. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)
Abstract Organic fertilizer derived from intercropped legume and grain crops supplies substantial soil nutrient under intensive
cropping system. Microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen, respiration CO2 and mineralized nitrogen in plant straw
fertilized soil were determined under laboratory incubation conditions of constant temperature and moisture based on field above-
ground yields of intercropped sweet maize straw and white clover straw. Results show that microbial biomass carbon and microbial
biomass nitrogen in fertilized soil peak in the first several days, and then decline. Incubating both sweet maize straw and white clover
have the highest yield, maxima of 529.57 mg·kg−1 and 75.50 mg·kg−1 respectively. They also release respired CO2 the most among
all treated soils. The best mineral nitrogen release is in white clover incubating, with a maximum of 29.81 mg·kg−1 under a 26-day
culture, and then keeping 1.60 times the control and reaching 2.48 times at 80-day culture. Sweet maize incubating has the least min-
eral nitrogen release. It is 13%~53% of the control under a 26-day culture, with a maximum of 7.51 mg·kg−1. Soil nitrogen miner-
alization is insignificant under sweet maize incubating with urea in short-term. It is concluded that plant straw fertilizing enhances
soil organic matter turnover. Incubating of sweet maize and white clover may induce higher soil microbial biomass. White clover
incubating activates soil microbe which is beneficial to soil nitrogen mineralization.
Key words Sweet maize, White clover, Plant straw incorporation, Soil mineralization, Microbial biomass carbon, Microbial
biomass nitrogen
(Received May 15, 2008; accepted Sept. 1, 2008)
424 中国生态农业学报 2009 第 17卷


2007 年全国耕地面积减至 1.22 亿公顷[1], 为保
证粮食安全, 只能依靠尽可能地提高粮食单产。提
高单产的主要措施之一是大量投入化肥 [2], 但其利
用效率急剧下降 , 我国化肥利用率仅为 30%左右 ,
每年因施肥造成氮流失达 1 650 万 t, 不仅造成地下
水污染 , 对全球环境变化也会产生难以估量的影
响[3]。在保障粮食安全的前提下, 减少化肥施用量,
寻求生态型生产方式成为当前我国农业生产亟待解
决的问题。
间作套种是我国农业生产的优良传统, 不仅可
以增加复种指数 , 还能改善土壤群落和植物生境 ,
提高资源利用率。蚕豆[4]、豌豆[5]、三叶草[6]等多种
豆科作物与禾本科作物间作, 不仅能通过生物固氮
为禾本科作物提供养分, 种间竞争和补偿还能促进
间作作物的刺激性生长。而间作物在完成一个生长
季后秸秆还田 , 能补偿作物收获带走的多种养
分[7,8]。三叶草植株矮小, 生长迅速, 产草量大, 随着
有机农业的兴起, 近年来在欧洲逐渐开始应用于和
禾本科作物套种 , 在有机农场转换中发挥重要作
用。三叶草可通过生物固氮为禾本科作物生长提供
氮素, 在种间竞争和互作过程中增强禾本科作物生
长势 [9], 完成生长季后翻压还田还能为下茬提供充
足养分[10]。关于玉米等禾本科秸秆还田后氮素转化
的研究较多[11,12], 对于三叶草翻压后的研究较少[10],
甜玉米和白三叶草套种后同时翻压还田的研究鲜有
报道。本研究在可控环境下进行甜玉米和白三叶草
不同还田方式的室内培养, 对作物秸秆翻压后的土
壤碳氮养分转化规律进行探讨, 以期为秸秆还田后
的土壤矿化规律和豆科－禾本科作物套种实践提供
依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤为中国农业大学上庄试验站的潮土 ,
土壤全氮含量 0.94 g·kg−1, NH4+-N 2.55 mg·kg−1,
NO3-N 24.09 mg·kg−1, 有效磷 43.95 mg·kg−1, 速
效钾 11.50 mg·kg−1, 容重 0.81 g·cm−3, Ec 0.23
mS·cm−3, 有机质含量 20.4 g·kg−1, pH 8.74。土壤
取回后, 立刻过 2 mm筛, 调节含水量为田间持水量
的 50%左右, 室温下预培养 7 d。应用甜玉米茎叶秸
秆和白三叶草地上部分做有机肥料, 鲜样在 65 ℃
下烘干。甜玉米秸秆全氮、全碳含量分别为 6 g·kg−1
和 400 g·kg−1, 碳氮比为 66.7; 白三叶草全氮、全碳
含量分别为 25 g·kg−1和 300 g·kg−1, 碳氮比为 12。
所用尿素为 AR级, 含氮量 46.0%。
1.2 试验设计
根据前期试验结果, 套种条件下甜玉米茎叶秸
秆产量为 6 689.25 kg·hm−2, 白三叶草地上部产量为
2 781.09 kg·hm−2。模拟植物地上部分在土壤 30 cm
耕作层还田, 设置甜玉米茎叶秸秆还田、白三叶草
地上部还田、甜玉米茎叶秸秆+白三叶草地上部绿肥
还田处理 , 同时设置与甜玉米茎叶秸秆+白三叶草
地上部绿肥还田处理含氮量相当的甜玉米茎叶秸秆
+尿素处理和不加任何肥料的土壤对照 5 个处理(表
1), 4 次重复。土壤预培养后, 每个处理用 2.5 kg
土壤, 施肥, 混匀, 放入 5 L 的广口瓶中, 在(25±
0.5) ℃培养箱中恒温培养。培养期间, 瓶口用报纸
覆盖, 以减少水分蒸发和保持土壤透气, 每隔 3~4 d
用称重法喷补水。
1.3 取样和测定分析
在培养的第 3 d、9 d、16 d、26 d、51 d、79 d、
107 d、121 d取样, 测定土壤速效氮、微生物量氮、
微生物量碳的含量; 培养的前 60 d, 每 3~4 d测定一
次土壤呼吸放出的 CO2; 后 60 d, 每 7 d测定一次。
土壤速效氮(Nmin)应用 0.01 mol·L−1的 CaCl2
溶液提取, 在 Traacs-2000 型连续流动分析仪上测
定。微生物量氮(Nmic)、微生物量碳(Cmic)应用氯仿
熏蒸浸提法测定[13,14]。土壤呼吸放出的 CO2用装有
NaOH的烧杯吸收, 再用 HCl滴定; CO2累积释放量
为从培养起至取样时累积释放量, 各施肥处理的净
累积释放量为施肥和对照处理累积释放量的差值。
应用 SPSS12.0软件进行数据分析, 处理间差异
采用 Duncan’s 新复极差法比较, 显著性均为 0.01
水平。

表 1 试验处理设置
Tab.1 Arrangement of treatments
处理
Treatment
覆盖秸秆量
Incubated straw
(kg·hm−2)
补充氮量
Supplied nitrogen
(kg·hm−2)
补充碳量
Supplied carbon
(kg·hm−2)
补充碳/氮
Supplied C/N
白三叶草绿肥 White clover straw incubating (WCSI) 2 781.09 69.53 834.33 12.0
甜玉米秸秆 Sweet maize straw incubating (SMSI) 6 689.25 40.16 2 675.70 66.7
甜玉米秸秆+白三叶草绿肥
Sweet maize & white clover straw incubating (SMWCSI)
6 689.25+2 781.09 109.66 3 510.02 32.0
甜玉米秸秆+尿素
Sweet maize straw incubating & urea (SMSIU)
6 689.25 109.66 2 675.70 24.4
对照土壤 CK 0 0 0 —
第 3期 朱春茂等: 甜玉米/白三叶草秸秆还田的碳氮矿化研究 425



2 结果与分析
2.1 秸秆还田后的碳素矿化
2.1.1 土壤微生物量碳的释放进程
土壤微生物几乎参与矿化的整个生物化学过
程[15], 土壤 Cmic直接反映碳素矿化进程[16]。在恒温
恒湿条件下, 添加有机物料的土壤Cmic在培养的前
9 d迅速增加并达最大值, 之后迅速减少, 30 d以后
缓慢减少, 表现出明显的前期快速释放, 后期变化
平缓的规律(图 1)。培养起始, 各种添加有机物料处
理的土壤 Cmic 都大于对照, 甜玉米秸秆+白三叶草
绿肥处理最大, 较对照高 100.6%, 其次为甜玉米秸
秆处理和白三叶草绿肥处理, 分别较对照高 60.0%
和 33.3%, 差异均达到显著水平。可见, 土壤施入新
鲜有机肥, 短时迅速刺激了土壤微生物活动。培养
第 9 d, 各施肥处理土壤 Cmic含量均较第 3 d取样时
增加且达整个培养过程的最大值 , 甜玉米秸秆+白
三叶草绿肥处理、甜玉米秸秆处理和白三叶草绿肥
处理分列第 1、2、3 位, 分别较对照高 236.4%、
166.3%和 150.6%。施肥可能促进土壤微生物活性的
迅速增加和大量繁殖。而后, 各施肥处理土壤 Cmic
都呈现降低和平稳变化的趋势。
影响土壤微生物活动的因素包括土壤 C 含量、
N 含量、C/N、温湿度、通气、pH 等[16,17], 本试验
中影响最大的可能是 C含量和 C/N(表 1)。各施肥处
理土壤Cmic在前期较大, 主要由施肥对土壤微生物
的刺激引起; 而肥料 C 含量和 C/N 的差异很可能是
处理间土壤 Cmic变化的主要原因。甜玉米秸秆+白
三叶草绿肥处理施入的 C 最多, 始终维持最大的土
壤 Cmic, 在培养结束的第 121 d, 土壤 Cmic和对照
之间仍有显著差异。除施 C 较少外, 秸秆易分解可
能也是白三叶草绿肥处理在培养中后期 Cmic 较低
的原因。


图 1 不同秸秆还田处理土壤微生物量碳释放量变化
Fig. 1 Release of soil micro-biomass carbon under
different plant straw incubating treatments
2.1.2 土壤 CO2的释放进程
土壤呼吸包括土壤植物呼吸、动物呼吸、微生
物呼吸和含碳物质的化学氧化作用[18]。本试验所测
呼吸不包括土壤动植物活体的呼吸作用 , 测定的
CO2 主要反映土壤微生物活性的大小, 进而反映添
加有机物料的分解进程。本研究培养的 121 d中, 施
用甜玉米秸秆的各处理土壤 CO2释放量总体较施用
白三叶草的处理多(图 2)。培养起始, 添加有机物料
处理的 CO2释放量高于对照 21.4%~ 64.3%, 甜玉米
秸秆+白三叶草绿肥、甜玉米秸秆+尿素处理与对照
差异显著。其中, 甜玉米秸秆+白三叶草绿肥较甜玉
米秸秆+尿素处理的 CO2释放量高 8.7%。在培养过
程的大部分阶段, 添加甜玉米秸秆处理的 CO2 累积
释放量更多, 可能源于向土壤中添加的碳素较多(表
1), 与张夫道等的研究结果一致[19]。培养结束时, 施
肥和不施肥处理的 CO2 累积释放量趋于相同, 这可
能是因为添加有机物料所补充的碳素只占土壤总碳
的很小部分, 经过前期分解, 微生物呼吸的部分碳
源已经是土壤本身所含; 施肥处理间, 含有甜玉米
秸秆处理的 CO2 净累积释放量仍然较大, 仍具有较
高的 CO2 释放潜力 , 而单施白三叶草绿肥处理的
CO2 净累积释放量降到零以下, 累积释放量已经低
于不施肥处理(图 2)。在 121 d的培养过程中, 白三
叶草绿肥和甜玉米秸秆同时施用处理 CO2释放量始
终最大, 单施白三叶草绿肥处理较小, 推测，有机肥
若含有较多的碳, 施入土壤后也会引起 CO2 释放量
的增加。


图 2 不同秸秆还田处理土壤净累积 CO2 释放量变化
Fig. 2 Net cumulative CO2 released amount of soil under
different plant straw incubating treatments

2.2 秸秆还田后的氮素周转
2.2.1 土壤微生物量氮的释放进程
土壤 Nmic 在土壤氮素内循环中起关键作用 ,
其消长规律反映土壤氮素矿化与固持间的平衡关
426 中国生态农业学报 2009 第 17卷


系 [20]。在恒温恒湿条件下 , 添加有机物料的土壤
Nmic在培养的前 16 d出现峰值并迅速下降, 之后平
缓降低, 呈现出类似但晚于土壤Cmic的前期单峰趋
势(图 3)。培养起始, 甜玉米秸秆+白三叶草绿肥、
甜玉米秸秆+尿素处理土壤 Nmic与对照之间差异显
著, 分别较对照高 178.6%和 141.2%; 培养第 16 d,
各施肥处理土壤 Nmic 均显著高于对照, 达到整个
培养期间的最大值。整个培养过程中, 甜玉米秸秆+
白三叶草绿肥处理土壤 Nmic 始终最大, 培养结束
时, 仍较对照高 101.3%。
施肥对土壤微生物的刺激仍然可能是土壤
Nmic在培养的前 30 d出现峰值的原因。与其他处理
相比 , 甜玉米秸秆+白三叶草绿肥处理在整个培养
过程中始终保持较高的 Nmic, 可归因于该处理较大
的肥料氮施用量。甜玉米秸秆+白三叶草绿肥处理的
Nmic 大于相同施氮量的甜玉米秸秆+尿素处理, 则
可能是因为其多施入的 834.32 kg·hm−2白三叶草 C
增大了土壤微生物量(表 1)。


图 3 不同秸秆还田处理土壤微生物量氮释放量变化
Fig. 3 Release of soil micro-biomass nitrogen under
different plant straw incubating treatments

2.2.2 土壤无机氮的释放进程
秸秆施入土壤后矿化 , 最终要通过释放 Nmin
供作物吸收利用。施用甜玉米秸秆和白三叶草绿肥,
在 121 d的培养进程中Nmin差异明显, 白三叶草绿
肥处理Nmin矿化最快, 甜玉米秸秆处理最慢(图 4)。
在培养的前 50 d, 除白三叶草绿肥处理外, 其余施
肥处理的 Nmin均低于对照。培养起始, 各施肥处理
的土壤 Nmin 均少于不施肥处理, 尤以甜玉米秸秆
处理和甜玉米秸秆+白三叶草绿肥处理显著低于对
照, 之后, 施用白三叶草绿肥土壤的 Nmin迅速升高,
显著高于其他处理, 培养的第 26 d 达到最大值, 为
29.81 mg·kg−1, 之后一直在对照处理的 1.60 倍以
上, 第 107 d达到对照的 2.48倍(图 4)。随着培养进
程的继续 , 甜玉米秸秆+白三叶草绿肥处理和甜玉
米秸秆+尿素处理的 Nmin 含量逐渐增加并高于对
照。甜玉米秸秆处理的 Nmin含量始终低于对照, 在
整个培养进程中增长缓慢, 第 26 d至结束, 其 Nmin
值为对照的 13%~53%, 培养结束时达到最大 , 为
7.51 mg·kg−1 (图 4)。
可见, 白三叶草绿肥施入土壤后能迅速分解转
化为 Nmin, 甜玉米秸秆施入土壤后, 则需要更多的
土壤原有 Nmin 来维持平衡。这可能是因为, 较低
C/N 利于土壤微生物活动, 直接施用作物秸秆, 由
于补充了大量新鲜碳源, 土壤微生物需要利用较多
的 Nmin 以维持适宜的 C/N 进行快速更新和活动。
白三叶草绿肥 C/N仅为 12.0(表 1), 施入土壤后可能
需要利用土壤原有有机碳以维持土壤微生物所需的
适宜 C/N, 因此极易被分解并促进土壤原有有机碳
的分解, 同时产生较多的 Nmin; 而 C/N为 66.7的甜
玉米秸秆, 施入土壤后要吸收利用较多的土壤原有
Nmin, 相对较长时期内土壤 Nmin 含量低于不施肥
处理; 有机无机肥料配施的甜玉米秸秆+尿素处理,
施用肥料的 C/N为 24.4, 比较适于土壤微生物活动,
施入土壤后, 没有造成 Nmin的急剧降低。


图 4 不同秸秆还田处理土壤无机氮释放量变化
Fig. 4 Release of soil mineralized nitrogen under
different plant straw incubating treatments
3 讨论
3.1 施用有机物料后的土壤矿化进程
1926 年, Löhnis 发现施用新鲜有机肥能促进土
壤有机质矿化[21], 1953年, Bingeman把这种作用称
为矿化的激发效应[22]。前人研究认为, 激发效应可
有传统定义和广义定义, 传统意义上, 施肥引起的
短时 CO2或(和)Nmin 的快速释放为激发效应, 广义
的定义则指施肥对土壤有机质转化的短时促进作
用 [23]。我们施用的有机物料在短时内促进了土壤
Cmic 和 Nmic 峰值的出现, 具有广义意义上的正向
激发效应。也有研究指出, 激发效应与氮源的 C/N
第 3期 朱春茂等: 甜玉米/白三叶草秸秆还田的碳氮矿化研究 427


呈负相关关系, 且化学氮肥多引起正激发效应, 有
机氮肥的净激发量则为负值 , 增加土壤有机氮储
量[24]。本研究在培养的前期施肥处理的 Nmin 都低
于不施肥处理, 与该理论相符, 对土壤有机氮储量
的影响有待于进一步研究。
另有研究发现, 土壤施用有机物料后, 矿化具
有快速释放和缓慢释放的不同阶段 [25,26], 本研究中
土壤 Cmic 和 Nmic 的变化反映了这一规律, 而 CO2
和 Nmin 的变化则未表现出这种规律。多数研究发
现, 秸秆施入土壤后的 CO2 释放多呈现先快后慢的
趋势[27,28], 本研究的培养后期并未出现 CO2 释放明
显减少的规律。分析研究方法, 本研究培养的土壤
在容器底部而非悬挂于上部 , 用来吸收 CO2 的
NaOH 烧杯放于土壤之上 ; 且在培养前期 , 放入
NaOH的量(10 mL)可吸收土壤释放 CO2最大量的 2
倍左右, 在 CO2 密度较大和培养瓶内缺乏空气流动
的情况下, CO2有可能未被充分吸收, 在进一步的研
究中, 需要在培养初期加大 NaOH 放入量, 或改进
培养方法。另外, 在全球碳素循环流通过程中, 农田
土壤呼吸向大气释放 CO2的同时会导致土壤有机碳
减少 [29], 进一步研究秸秆在土壤中的分解规律时 ,
有必要探讨土壤有机碳总量[U1]的变化特点。值得
一提的是, 各施肥处理土壤的 Cmic 较 Nmic 早出现
一周, 其内在机制值得进一步探讨。
3.2 有机物料的分解规律
分析各有机物料在不同培养阶段的分解规律 ,
甜玉米秸秆和白三叶草绿肥同时施用的 Cmic 和
Nmic最大, 而 Nmin在前期和不施肥处理差别不大,
可能是因为施入土壤中的碳素较多, 为维持适宜的
C/N, 培养起始土壤中较多的原有 Nmin被微生物利
用, 造成土壤 Nmin的减少和 Nmic、Cmic的增大。
另一方面, 其施入土壤中的氮素相对也较多, 秸秆
经过初步分解后释放的 Nmin 可能有较大部分被微
生物用于对其进一步分解 , 整个培养过程中土壤
Nmic 始终处于较高水平。推测, 甜玉米秸秆+白三
叶草绿肥处理的土壤微生物数量高于其他处理。
有机物料施入土壤后, 矿化产生的 Nmin 与肥
料种类和性质关系密切。较低 C/N 和较少的木质素
含量利于 Nmin释放, 较多的纤维素含量对 Nmin释
放有利[27]。本研究中单施白三叶草绿肥和单施甜玉
米秸秆的 Nmin 变化很好地反映了这一规律。白三
叶草绿肥 C/N为 12, 纤维素含量高而木质素含量低,
在土壤中较易分解, 秸秆所含有机氮可以在相对较
短时期内矿化, 土壤微生物数量适宜, 更新速度快,
活性高, 微生物生物量维持在一定水平, 快速分解
土壤原有有机氮, 单施时最有利于 Nmin的释放。而
单施具较大 C/N 和较多木质素的甜玉米秸秆, 土壤
Nmin始终处于较低水平。同时, 本试验中用相当于
白三叶草绿肥氮含量的尿素和甜玉米秸秆配施, 前
期 Nmin释放仍然低于不施肥处理, 因此, 在施用甜
玉米秸秆时, 需要根据土壤微生物活动适宜 C/N 加
大尿素施肥量。不过, 因甜玉米秸秆和白三叶草绿
肥同时施用、甜玉米秸秆和尿素配合施用对土壤补
充的氮更多, 更长时期的土壤 Nmin 变化规律值得
深入探讨。
本研究得出各有机物料在培养条件下的土壤
碳、氮变化规律, 但该培养是在恒温恒湿的室内条
件下进行, 田间随着季节更替和各种气象要素变化,
各肥料的分解规律还需进一步研究。
4 结论
恒温恒湿下模拟秸秆还田进行土壤培养, 施用
有机物料能促进土壤微生物生物量短期内迅速增加
并达最大值, 呈现出前期快速释放、后期缓慢释放
的趋势; 整个培养过程中甜玉米秸秆和白三叶草绿
肥同时施用的土壤微生物量最大, 土壤释放 CO2 最
多; 单施白三叶草绿肥更有利于 Nmin的释放, 单施
甜玉米秸秆显著降低土壤 Nmin水平。
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