水氮管理對麥后復播大豆土壤固碳效應和產(chǎn)量的影響

李亞杰，徐文修*，蘇麗麗，王　娜，張　娜，王　婷，郝維維

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊830052；2.新疆伊犁伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆伊犁835100）

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水氮管理對麥后復播大豆土壤固碳效應和產(chǎn)量的影響

李亞杰1，徐文修1*，蘇麗麗1，王娜2，張娜1，王婷2，郝維維1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊830052；2.新疆伊犁伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆伊犁835100）

摘要：為探求伊犁河谷地區(qū)復播大豆高產(chǎn)低碳的水氮管理組合，為建立高產(chǎn)固碳農(nóng)業(yè)技術(shù)提供一定理論依據(jù)，2012—2014年于伊寧縣開展了不同水氮管理對復播大豆土壤總有機碳、碳庫管理指數(shù)及產(chǎn)量影響的田間試驗。采用水、氮二因素裂區(qū)試驗設(shè)計，設(shè)置4個灌水量處理：3000（W1）、3600（W2）、4200（W3）、4800（W4）m3·hm(-2)；設(shè)置3個施氮量處理：0（N0）、150（N1）、300（N2）kg·hm(-2)。結(jié)果表明，隨著施氮量或灌水量的增加，土壤有機碳、活性有機碳和非活性有機碳含量均呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢，且均在W3N1組合處理下達到最大，且其碳庫管理指數(shù)和產(chǎn)量均達到最大。大豆產(chǎn)量與土壤有機碳、活性有機碳、碳庫管理指數(shù)均存在正相關(guān)關(guān)系，且與活性有機碳的相關(guān)系數(shù)最大，達0.898，說明W3N1組合處理不僅更有利于土壤有機碳的固定，而且有利于復播大豆產(chǎn)量的提高。

關(guān)鍵詞：水氮管理；復播大豆；土壤有機碳；碳庫管理指數(shù)

李亞杰，徐文修，蘇麗麗，等.水氮管理對麥后復播大豆土壤固碳效應和產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（3）：524-531.

LI Ya-jie, XU Wen-xiu, SU Li-li, et al. Effects of water and nitrogen management on soil carbon sequestration and soybean yields in wheat-soybean cropping fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）: 524-531.

氣候變暖已受到人們極大關(guān)注，成為全球變化研究的三大熱點之一，而農(nóng)田土壤有機碳（SOC）是全球碳庫中最活躍的一個組成部分，受人為因素干擾最為強烈，它不僅是引起溫室效應的重要因素[1-3]，也是農(nóng)田土壤質(zhì)量和肥力的重要指標[4-5]，直接關(guān)系到農(nóng)田的可持續(xù)利用，在一定程度上決定著作物生長發(fā)育，同時也是固碳減排的重要決策依據(jù)[6-7]。然而農(nóng)田SOC的變化是一個較為復雜的問題，不僅受自然因素的影響，還受耕作措施、作物殘體管理方式、施肥制度、灌溉制度等農(nóng)田管理措施的制約[8-11]，因此通過合理的農(nóng)田管理措施可以實現(xiàn)農(nóng)田土壤碳匯功能。

大量研究表明，施有機肥能增加SOC的含量，且化肥和有機肥配施效果更好[12-14]。陳文婷等研究了施肥對農(nóng)田黑土活性有機碳含量（AOC）和土壤結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明施用化肥能夠提高SOC和AOC的含量[15]。但有些學者認為，單施化肥加速SOC分解礦化，不利于其在土壤中的積累[16]；少數(shù)學者認為，施用化肥對SOC含量的變化沒有顯著促控作用[17]；而灌水量對SOC含量變化的影響也不盡相同[18-20]。大量研究認為，秸稈還田可以增加SOC的積累，但不同的耕作措施下秸稈還田效果不一[21-22]。目前，國內(nèi)有關(guān)農(nóng)田管理影響SOC固定和積累的研究多集中在耕作措施、有機肥配施等農(nóng)田管理措施方面，而有關(guān)灌溉影響的研究較少，對水氮管理體系下SOC積累和礦化的研究更少，俞華林等[20]研究了灌溉和施氮對免耕留茬春小麥農(nóng)田SOC、全氮和籽粒產(chǎn)量的影響，表明隨著灌水量和施氮量的增加，SOC的含量呈先增后降的趨勢。

隨著全球氣候變暖，伊犁河谷地區(qū)已實現(xiàn)一年兩熟[23-24]，光、熱、水、土等資源得到充分利用，使北疆麥后復播大豆和玉米的種植模式有不斷擴大的趨勢[25]，這樣不僅需要增加水和肥的投入，也會加大夏季作物之間的爭水矛盾和土壤肥力的消耗，與單季作物相比勢必對農(nóng)田SOC造成一定的影響。尋求合理的水氮管理措施，增加土壤中碳的固定和積累、進而提高土壤肥力是目前迫切需要解決的問題。因此，本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上，研究水氮管理措施對復播大豆農(nóng)田土壤固碳效應的影響和大豆生長發(fā)育與固碳的相互關(guān)系，進而提出復播大豆高產(chǎn)固碳的水氮管理技術(shù)措施，為新疆應對氣候變化、發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供一定理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗于2012—2014年在伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園（81°33'E，43°56'N）進行。該示范園位于天山西段，屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤，夏秋干燥高溫，晝夜溫差明顯，年均日照可達2800～3000 h，年均降水量約257 mm，60%～70%的降雨集中在6—9月，全年無霜期169～175 d。該地區(qū)是新疆糧食作物主產(chǎn)區(qū)，小麥常年種植面積6.51×105hm2，主要是小麥-大豆或小麥-玉米復種連作。試驗區(qū)土壤類型為灰鈣土，0～30 cm土層有機質(zhì)含量23.5 g· kg-1，堿解氮85.2 mg·kg-1，有效磷21.8 mg·kg-1，速效鉀116 mg·kg-1，土壤容重1.36 g·cm-3。

表1　不同處理各階段的滴灌量（m3·hm-2）Table 1 Amount of drip irrigation under different treatments during different stages（m3·hm-2）

1.2田間試驗設(shè)計

前茬作物為冬小麥，滴灌冬小麥水氮管理措施為灌水量3900 m3·hm-2、施氮量（尿素）270 kg·hm-2。小麥收獲后復種大豆，試驗采用二因素裂區(qū)試驗設(shè)計。灌水量為主因子，共設(shè)4個灌水梯度：3000（W1）、3600（W2）、4200（W3）、4800（W4）m3·hm-2；施氮量（含N 46%的尿素用量）為副因子，均以追肥形式施入，共設(shè)3個施氮水平：0（N0）、150（N1）、300（N2）kg·hm-2。結(jié)合整地各處理均深施基肥尿素75 kg·hm-2，磷酸二銨150 kg·hm-2，自花期開始追施氮肥，每次150 kg· hm-2，N1處理花期追施一次，N2處理花期和結(jié)莢期各追施一次。各處理重復三次，共計36個小區(qū)，小區(qū)面積18 m2（3.6 m×5 m）。大豆品種為黑河43，種植密度52.5萬株·hm-2，30 cm等行距播種（株距6.3 cm），每小區(qū)播種12行，灌溉方式為膜下滴灌，毛管鋪設(shè)采用1管2行，結(jié)合整地各處理均深施基肥尿素75 kg· hm-2，磷酸二銨150 kg·hm-2，毛管間距60 cm。每小區(qū)進水口均由水表控制進水量，各處理每次的灌水定額依次為375、450、525、600 m3·hm-2，全生育期共計灌水8次，具體灌水方案見表1。

1.3樣品采集與指標分析方法

1.3.1采樣方法

分別于2012年大豆播種前、2012—2014年大豆收獲后第2 d取土樣4次。每個小區(qū)采用“S”取樣法取0～30 cm土層的混合土樣，將土樣充分混勻后剔除動植物殘體、石塊等后壓碎，放置于潔凈白色搪瓷托盤中，室內(nèi)自然風干，按四分法取干土樣研磨，過0.25 mm篩，用于SOC、AOC的測定和碳庫管理指數(shù)（CPMI）的計算。

1.3.2土壤碳指標測定方法

SOC測定采用重鉻酸鉀氧化分光光度法[26]。AOC的測定采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法[27]。非活性有機碳（NAOC）為SOC與AOC測定值之差[27]。

1.3.3CPMI的計算

以2012年大豆播前0～30 cm土壤為參照，其SOC平均含量為11.28 g·kg-1，AOC平均含量為1.94 g·kg-1，土壤CMPI計算方法[28]如下：

碳庫指數(shù)=樣品全碳含量（g·kg-1）/參考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳庫活度=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫活度指數(shù)=樣品碳庫活度/參照土壤碳庫活度

CPMI=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100%

1.3.4產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定

在大豆成熟后進行實收測產(chǎn)，并計算出每公頃的產(chǎn)量；同時在每處理每重復選取具有代表性樣點連續(xù)10株大豆進行室內(nèi)考種，測單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用SPSS 17.0與Excel 2007軟件進行方差分析和多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.1水氮管理對復播大豆農(nóng)田SOC的影響

圖1　不同水氮組合條件下土壤有機碳含量Figure 1 Effects of water and nitrogen management on soil organic carbon

施肥和灌水直接或間接地調(diào)控農(nóng)田土壤有機質(zhì)的含量，在一定程度上影響SOC的積累和礦化[8]。由圖1可知，2012—2014年各處理SOC的含量變化趨勢相同，各年份在同一灌水量水平下，SOC含量均隨著施氮量的增加呈“先增后降”的趨勢，且均在N1處理達到最大，N0處理最小，處理間差異顯著（P＜0.05），三年平均N1處理的SOC含量分別比N0、N2處理增加了8.43%、5.12%，說明滴灌條件下適量增施氮肥可以增加SOC的含量。與其他處理相比，N1處理更能增加SOC的積累，但N2處理SOC的含量不增反降，可能是由于氮肥過多會降低土壤中的碳、氮比例，導致土壤微生物的活性提高，加劇有機碳的分解和礦化，不利于SOC的積累。

在同一施氮量條件下，隨著灌水量的增加，三年各處理SOC的含量均呈現(xiàn)拋物線型變化趨勢，其中灌水量為W3時達最高，且處理間差異顯著（P＜0.05），W3處理三年平均的SOC含量分別比W1、W2和W4處理增加了8.70%、4.42%、9.90%。這也說明在同一施氮水平條件下，在大豆生長期間過少量灌水或過大量灌水都會導致土壤SOC含量降低，而相對適量的灌水量能夠提高SOC含量，W3N1組合處理最有利于增加大豆農(nóng)田SOC的積累。

2.2水氮管理對復播大豆土壤AOC的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施引起土壤碳庫的最初變化主要是易分解、礦化的那部分碳，即AOC部分。因此，AOC常常作為土壤潛在生產(chǎn)力以及由土壤管理措施引起土壤碳庫變化的早期指標[8]。由圖2可知，各處理各年份AOC含量的變化趨勢與SOC相同，且處理間差異顯著（P＜0.05）。三年土壤AOC的含量均以W3和N1組合處理最好，比其他組合增加1.79%～27.26%，說明施氮肥會增加土壤中AOC含量。與其他處理相比，N1處理更有利于土壤中AOC含量的積累，但N2處理可能增強土壤中微生物活性，導致土壤中AOC礦化、分解，不利于AOC的積累，W3N1組合處理更有利于土壤AOC的增加，從而提高土壤肥力，為作物的生長發(fā)育奠定基礎(chǔ)。

圖2　在不同水氮組合條件下的土壤活性有機碳變化Figure 2 Effects of water and nitrogen management on soil active organic carbon

圖3　水氮管理對復播大豆土壤非活性有機碳的影響Figure 3 Effects of water and nitrogen management on soil non-active organic carbon

表2　不同水氮管理土壤碳庫管理指數(shù)的變化Table 2 Effects of water and nitrogen management on soil carbon management index

2.3水氮管理對復播大豆土壤NAOC的影響

土壤有機碳組分中不易分解和氧化、具有惰性的那部分為NAOC，因其決定著SOC的儲備而在SOC穩(wěn)定性研究中備受重視。由圖3可知，各年份各處理土壤的NAOC含量變化均隨著施氮量和灌水量的增加呈拋物線型變化趨勢，且與SOC和AOC的變化趨勢一致，均在W3N1組合處理達到最大。

2.4水氮管理對復播大豆土壤CPMI的影響

土壤碳庫動態(tài)平衡與作物營養(yǎng)、土壤管理關(guān)系密切，直接影響作物產(chǎn)量和土壤肥力的高低[28]。由于三年的土壤CPMI的變化趨勢相同，均以W3N1組合處理為最高，且2013年的表現(xiàn)最好，因此以2013年測定的CPMI分析水氮管理對其的影響。由表2可知，各處理間土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)差異均不顯著，但碳庫指數(shù)和CPMI則存在極顯著差異。在同一灌水量或同一施氮量水平下，碳庫指數(shù)和CPMI均隨著施氮量或灌水量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，且W3N1組合處理達到最高。這說明適量的灌水量和施氮量組合改善了土壤環(huán)境，不僅有利于SOC、NAOC和AOC含量的積累，還可以增加土壤CPMI，提高土壤肥力。

2.5水氮管理對復播大豆產(chǎn)量的影響

灌水量和施氮量不僅影響SOC的含量變化，對復播大豆產(chǎn)量也有一定的影響。試驗期間，2014年大豆鼓粒期突遇霜凍，造成絕收。2012年和2013年產(chǎn)量變化趨勢相同，均為W3N1組合處理產(chǎn)量最高，且2013年產(chǎn)量表現(xiàn)最好，故以2013年產(chǎn)量進一步分析產(chǎn)量與CPMI的關(guān)系。由表3可知，在W3灌水量水平和N1施氮組合下，復播大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重、產(chǎn)量均為最高，其產(chǎn)量分別比低水低肥（W1N0）和高水高肥（W4N2）提高54.30%和17.02%。

2.6產(chǎn)量與CPMI的相關(guān)分析

進一步分析土壤CPMI與產(chǎn)量的關(guān)系（表4）可知，農(nóng)田土壤AOC、SOC、CPMI間均存在顯著相關(guān)性，AOC與CPMI存在極顯著相關(guān)關(guān)系，說明碳庫管理指數(shù)受土壤AOC含量影響更大。大豆產(chǎn)量與SOC、AOC、CPMI也均達顯著相關(guān)，其與土壤AOC的相關(guān)關(guān)系最為密切，充分說明土壤AOC的高低不僅影響土壤質(zhì)量的高低，還直接影響作物產(chǎn)量的高低。

表3　不同水氮處理對復播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on yield and yield components of soybean

表4　產(chǎn)量與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

3　討論

3.1施肥對SOC、AOC的影響

大量研究認為，施有機肥或有機肥與化肥配合施用，既補充輸入有機碳源又改善土壤物理性狀，不僅SOC總量增加，而且AOC含量也增加[29]，但施用無機肥對SOC影響的研究結(jié)果則各不相同[30]。一些學者認為長期單獨施用化肥，會使SOC總量下降，而且輕組有機碳量的減少大幅超過重組碳，結(jié)果導致土壤中NAOC含量上升、土壤有機質(zhì)老化[31]；但也有研究認為，施用化肥可以增加SOC的含量[32-33]。亦有學者認為，施用化肥對SOC和AOC含量的變化沒有顯著促控作用[17]。本研究認為，追施氮肥可以增加SOC和AOC的含量，其中大豆花期追施氮肥（N1）更能增加SOC的積累，豆莢期繼續(xù)追施氮肥（N2），SOC的含量不增反降。

3.2水氮管理對土壤有機碳庫的貯量及作物產(chǎn)量的影響

目前關(guān)于水氮管理對作物產(chǎn)量的影響研究很多，多數(shù)研究表明節(jié)水灌溉模式下適宜的氮肥運籌對提高作物產(chǎn)量的作用顯著，且水氮間存在顯著的互作效應[34-36]。但關(guān)于水氮管理對SOC影響的研究較少，俞華林對滴灌冬小麥的研究表明，在0～140 kg·hm-2施氮范圍，增施氮肥明顯增加SOC含量；適量灌溉（261 mm）可以增加SOC含量，若少量或過量灌溉則降低SOC的含量[20]，與本研究結(jié)果相似。說明無論是冬播作物，還是夏復播作物，農(nóng)田作物水氮管理措施均會影響農(nóng)田土壤有機碳庫的貯量，而且適宜的灌水量和施氮量組合可以實現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳和提高作物產(chǎn)量的目標。

4　結(jié)論

（1）在不同的水氮管理模式下，隨著灌水量和施氮量的增加，土壤0～30 cm平均SOC、AOC、NAOC含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且三年均以W3N1組合處理為最大。

（2）產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均為W3N1組合處理達到最好，說明適宜的水氮組合措施更有利于農(nóng)田土壤固碳，而且有利于復播大豆產(chǎn)量的提高。

（3）大豆產(chǎn)量與SOC、AOC、CPMI均存在相關(guān)關(guān)系，且與AOC的相關(guān)系數(shù)最大，表明AOC的高低直接影響到產(chǎn)量的高低。

參考文獻：

[1]齊曄,李惠民,王曉.農(nóng)業(yè)與中國的低碳發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2012, 45（1）：1-6. QI Ye, LI Hui-min, WANG Xiao. Agriculture and low-carbon development strategy in China[J]. ScientiaAgricultura Sinica, 2012, 45（1）：1-6.

[2] Zhang G S, Huang G B, Chen Y. Soil organic carbon sequestration potential in cropland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25（2）：351-357.

[3]劉滿強,胡鋒,陳小云.土壤有機碳穩(wěn)定機制研究進展[J].生態(tài)學報, 2007, 27（6）：2642-2649. LIU Man-qiang, HU Feng, CHEN Xiao-yun. A review on mechanisms of soil organic carbon stabilization[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27（6）：2642-2649.

[4]蘭延,黃國勤,楊濱娟,等.稻田綠肥輪作提高土壤養(yǎng)分增加有機碳庫[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2014, 30（13）：146-152. LAN Yan, HUANG Guo-qin, YANG Bin-juan, et al. Effect of green manure rotation on soil fertility and organic carbon pool[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30（13）：146-152.

[5]張麗敏,徐明崗,婁翼來,等.土壤有機碳分組方法概述[J].中國土壤與肥料, 2014（4）：1-6. ZHANG Li-min, XU Ming-gang, LOU Yi-lai, et al. Soil organic carbon fractionation methods[J]. Soil and Fertilizer in China, 2014（4）：1-6.

[6] Franz C, Jens L. A new facet of soil organic matter[J]. Agriculture, E-cosystems and Enviromnent, 2014, 185：186-187.

[7]何翠翠.長期不同施肥措施對黑土土壤碳庫及其酶活性的影響研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院, 2014. HE Cui-cui. Effects of long-term fertilization on soil carbon pools and enzymes activity of black soil in cropland of Northeast China[D]. Beijing：The Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014.

[8]張國,曹志平,胡嬋娟.土壤有機碳分組方法及其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中的應用[J].應用生態(tài)學報, 2011, 22（7）：1921-1930. ZHANG Guo, CAO Zhi-ping, HU Chan-juan. Soil organic carbon fractionation methods and their applications in farm land ecosystem research：A review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22 （7）：1921-1930.

[9]王發(fā)剛,王啟基,王文穎,等.土壤有機碳研究進展[J].草業(yè)科學, 2008, 25（2）：48-54. WANG Fa-gang, WANG Qi-ji, WANG Wen-ying, et al. Research progress on soil organic carbon[J]. Pratacultural Science, 2008, 25（2）：48-54.

[10]周莉,李保國,周廣勝.土壤有機碳的主導影響因子及其研究進展[J].地球科學進展, 2005, 20（1）：99-105. ZHOU Li, LI Bao-guo, ZHOU Guang-sheng. Advances in controlling factors of soil organic carbon[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20（1）：99-105.

[11]李小涵,郝明德,王朝輝,等.農(nóng)田土壤有機碳的影響因素及其研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2008, 26（3）：176-181. LI Xiao-han, HAO Ming-de, WANG Zhao-hui, et al. Factors affecting soil organic carbon in cropland and their regulation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2008, 26（3）：176-181.

[12] Wang C J, Pan G X, Tian Y G, et al. Changes in cropland topsoil organic carbon with different fertilizations under long-term agro-ecosystem experiments across mainland China[J]. Science in China. Series C：Life Sciences, 2010, 53（7）：858-867.

[13]曾駿,董博,張東偉,等.不同施肥方式對灌漠土土壤有機碳、無機碳和微生物量碳的影響[J].水土保持通報, 2013, 33（2）：35-38. ZENG Jun, DONG Bo, ZHANG Dong-wei, et al. Effect of long-term fertilization on organic, inorganic and microbial biomass carbon in irrigated desert soils[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 33 （2）：35-38.

[14]徐香茹,蔡岸冬,徐明崗,等.長期施肥下水稻土有機碳固持形態(tài)與特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2015, 34（4）：753-760.XU Xiang-ru, CAI An-dong, XU Ming-gang, et al. Characteristics of organic carbon stabilization in paddy soil under long-term different fertilization[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34（4）：753-760.

[15]陳文婷,劉曉冰,隋躍宇.施肥對梯度有機質(zhì)含量農(nóng)田黑土各類有機碳的影響[J].土壤通報, 2013, 44（6）: 1403-1407. CHEN Wen-ting, LIU Xiao-bing, SUI Yue-yu, et al. Effect of fertilization on different types of active organic carbon along soil organic matter gradient in arable black soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2013, 44（6）: 1403-1407.

[16] Powlson D S, Prookes P C, Christensen B T. Measurement of soil microbial biomass provides an early indication of changes in total soil organic matter due to straw incorporation[J]. Soil Biol Biochem, 1987, 19 （2）：159-164.

[17]曾駿,郭天文,包興國,等.長期施肥對土壤有機碳和無機碳的影響[J].中國土壤與肥料, 2008（2）：11-14. ZENG Jun, GUO Tian-wen, BAO Xing-guo, et al. Effections of soil organic carbon and soil inorganic carbon under long-term fertilization[J]. Soil and Fertilizer in China, 2008（2）：11-14.

[18]韓琳,張玉龍,金爍,等.灌溉模式對保護地土壤可溶性有機碳與微生物量碳的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2010, 43（8）：625-633. HAN Lin, ZHANG Yu-long, JIN Shuo, et al. Effect of different irrigation patterns on soil dissolved organic carbon and microbial biomass carbon in protected field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43（8）：625-633.

[19]王成,李寧,王興鵬,等.不同生育階段咸水滴灌對紅棗根區(qū)土壤有機碳垂直分布特性的影響[J].干旱區(qū)研究, 2012, 29（5）：883-889. WANG Cheng, LI Ning, WANG Xing-peng, et al. Vertical distribution of soil organic carbon content in rhizosphere of jujube at its different growth stages under drip irrigation with salty water[J]. Arid Zone Research, 2012, 29（5）：883-889.

[20]俞華林,張恩和,王琦,等.灌溉和施氮對免耕留茬春小麥農(nóng)田土壤有機碳、全氮和籽粒產(chǎn)量的影響[J].草業(yè)學報, 2013, 22（3）：227-233. YU Hua-lin, ZHANG En-he, WANG Qi, et al. Effects of irrigation and N supply levels on soil organic carbon, total nitrogen and grain yield of spring wheat on no-tillage farmland with standing stubble[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22（3）：227-233.

[21]魏燕華,趙鑫,翟云龍,等.耕作方式對華北農(nóng)田土壤固碳效應的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2013, 29（17）：87-95. WEI Yan-hua, ZHAO Xin, ZHAI Yun-long, et al. Effects of tillage's on soil organic carbon sequestration in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29（17）：87-95.

[22]姬強,孫漢印, Taraqqi A K,等.不同耕作措施對冬小麥-夏玉米復種連作系統(tǒng)土壤有機碳和水分利用效率的影響[J].應用生態(tài)學報, 2014, 25（4）：1029-1035. JI Qiang, SUN Han-yin, Taraqqi A K, et al. Impact of different tillage practices on soil organic carbon and water use efficiency under continuous wheat-maize binary cropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25（4）：1029-1035.

[23]牛海生,徐文修,徐嬌媚,等.氣候突變后伊犁河谷兩熟制作物種植區(qū)的變化及風險分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象, 2014, 35（5）：516-521. NIU Hai-sheng, XU Wen-xiu, XU Jiao-mei, et al. Double cropping zone change and its risk analysis in Ili River basin under climate abruption[J]. Chinese Journal of Agro-Meteorology, 2014, 35（5）：516-521.

[24]徐嬌媚,徐文修,李大平.近51a伊犁河谷熱量資源時空變化[J].干旱區(qū)研究, 2014, 31（3）：472-480. XU Jiao-mei, XU Wen-xiu, LI Da-ping. Spatiotemporal variation of heat resources in the Ili River basin in recent 51 years[J]. Arid Zone Research, 2014, 31（3）：472-480.

[25]張占琴,魏建軍,楊相昆,等.北疆“一年兩作”冬小麥-復播青貯玉米模式物質(zhì)生產(chǎn)及資源利用率研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2013, 31（6）：28-33. ZHANG Zhan-qin, WEI Jian-jun, YANG Xiang-kun, et al. Dry matter production and resources use efficiency of double -cropping winter wheat-forage maize system in North Xinjiang[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2013, 31（6）：28-33.

[26]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].三版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000. BAO Shi-dan. Analysis methods for soil chemistry of agriculture[M]. 3rd ed. Beijing：China Agricultural Press , 2000.

[27]徐明崗,于榮,孫小鳳,等.長期施肥對我國典型土壤活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報, 2006, 12（4）：459-465. XU Ming-gang, YU rong, SUN Xiao-feng, et al. Effects of long-term fertilization on labile organic matter and carbon management index （CMI）of the typical soils of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12（4）：459-465.

[28]張貴龍,趙建寧,宋曉龍,等.施肥對土壤有機碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報, 2012, 18（2）：359-365. ZHANG Gui-long, ZHAO Jian-ning, SONG Xiao-long, et al. Effects of fertilization on soil organic carbon and carbon pool management index [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18（2）：359-365.

[29]劉驊,佟小剛,馬興旺,等.長期施肥下灰漠土礦物顆粒結(jié)合有機碳含量及其演變特征[J].應用生態(tài)學報, 2010, 21（1）：84-90. LIU Hua, TONG Xiao-gang, MA Xing-wang, et al. Content and evolution characteristics of organic carbon associated with particle-size fractions of grey desert soil under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21（1）：84-90.

[30]高會議,郭勝利,劉文兆,等.不同施肥處理對黑壚土各粒級團聚體中有機碳含量分布的影響[J].土壤學報, 2010, 47（5）：931-938. GAO Hui-yi, GUO Sheng-li, LIU Wen-zhao, et al. Effect of fertilization on organic carbon distribution in various fractions of aggregates in caliche soils[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47（5）：931-938.

[31]陳文婷.施肥對不同有機質(zhì)含量農(nóng)田黑土土壤活性有機碳和土壤結(jié)構(gòu)的影響[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學, 2013. CHEN Wen-ting. Fertilization effects on active organic carbons and soil structure in black soil farmland with different soil organic matter contents[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2013.

[32]王偉,王曉君,黃從德,等.施肥對梁山慈竹林土壤有機碳和微生物量碳的影響[J].水土保持學報, 2013, 27（3）：269-272, 288. WANG Wei, WANG Xiao-jun, HUANG Cong-de, et al. Impact fertilization on soil organic carbon and soil microbial biomass carbon in Dendrocalamus farinosus forest[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27（3）：269-272, 288.

[33]郭勝利,高會議,黨廷輝.施氮水平對黃土旱塬區(qū)小麥產(chǎn)量和土壤有機碳、氮的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報, 2009, 15（4）：808-814. GUO Sheng-li, GAO Hui-yi, DANG Ting-hui. Effects of nitrogen application rates on grain yield, soil organic carbon and nitrogen under a rained cropping system in the loess tablelands of China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2009, 15（4）：808-814.

[34]孫永健,孫園園,徐徽,等.水氮管理模式對不同氮效率水稻氮素利用特性及產(chǎn)量的影響[J].作物學報, 2014, 40（9）：1639-1649. SUN Yong-jian, SUN Yuan-yuan, XU Hui, et al. Effects of water-nitrogen management patterns on nitrogen utilization characteristics and yield in rice cultivars with different nitrogen use efficiencies[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40（9）：1639-1649.

[35]呂麗華,董志強,張經(jīng)廷,等.水氮對冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及氮利用效應研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47（19）：3839-3849. Lü Li-hua, DONG Zhi-qiang, ZHANG Jing-ting, et al. Effect of water and nitrogen on yield and nitrogen utilization of winter wheat and summer maize[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47（19）：3839-3849.

[36]劉振香.不同水肥處理對夏玉米田土壤理化性質(zhì)及微生物特性的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學, 2014. LIU Zhen -xiang. Effects of irrigation and nitrogen on physical and chemical properties and microbiologic properties of soil on summer corn field[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2014.

Effects of water and nitrogen management on soil carbon sequestration and soybean yields in wheat-soybean cropping fields

LI Ya-jie1, XU Wen-xiu1*, SU Li-li1, WANG Na2, ZHANG Na1, WANG Ting2, HAO Wei-wei1
（1.Xinjiang Agricultural University, Agricultural College, Urumqi 830052, China; 2.Center of Spreading Agricultural Techniques of Yining County, Yili 835100, China）

Abstract：A field experiment was conducted to study the effects of different water and nitrogen management on soil organic carbon, carbon pool management index, and soybean yields in the wheat-soybean fields in Yining County from 2012 to 2014. Experimental design was water and nitrogen two factor split-plot design, with 4 irrigation levels, namely 3000（W1）, 3600（W2）, 4200（W3）, and 4800（W4）m3·hm(-2), and 3 nitrogen levels: 0（N0）, 150（N1）, and 300（N2）kg·hm(-2). Results showed that content of soil organic carbon and non-active organic carbon decreased with increasing soil depth. As nitrogen rates or irrigation water amount increased, soil organic carbon, organic carbon active and non-active organic carbon content showed "initial increase and then decrease" pattern, with the highest found at W3N1 combination treatment. Soybean yield was positively correlated with soil organic carbon, active organic carbon and carbon pool management index, with the greatest correlation coefficient found in active organic carbon. Our results suggest that the W3N1 combination would not only enhance soil organic carbon sequestration and reduce emissions, but could also improve soil fertility and increase soybean production.

Keywords：water and nitrogen management; soybean-wheat cropping; soil organic carbon; carbon pool management index

*通信作者：徐文修E-mail：xjxwx@sina.com

作者簡介：李亞杰（1989—），男，漢族，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為綠洲高效農(nóng)作制度。E-mail：li317592684@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目（31560372）

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號：S153.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0524-08

doi:10.11654/jaes.2016.03.016