不同施肥年限下作物產(chǎn)量及土壤碳氮庫(kù)容 對(duì)增施有機(jī)物料的響應(yīng)

蓋霞普，劉宏斌，楊波，王洪媛，翟麗梅，雷秋良，武淑霞，任天志

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不同施肥年限下作物產(chǎn)量及土壤碳氮庫(kù)容 對(duì)增施有機(jī)物料的響應(yīng)

蓋霞普1，劉宏斌1，楊波1，王洪媛1，翟麗梅1，雷秋良1，武淑霞1，任天志2

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081）

【目的】研究不同年限下增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及剖面土壤碳氮庫(kù)容的影響，旨在為華北平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)增強(qiáng)土壤肥力、提高作物產(chǎn)量提供依據(jù)?！痉椒ā恳赞r(nóng)業(yè)部昌平潮褐土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站為平臺(tái)，分別在長(zhǎng)達(dá)11年和27年的2個(gè)不同施肥年限試驗(yàn)區(qū)采集4個(gè)施肥處理，即氮磷鉀（NPK)、氮磷鉀+22.5 t·hm-2有機(jī)肥（NPKM）、氮磷鉀+33.75 t·hm-2有機(jī)肥（NPKM+）、氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）不同土層深度的土壤樣品，分析冬小麥-夏玉米產(chǎn)量和土壤碳氮庫(kù)容剖面分布特征?！窘Y(jié)果】（1）增施有機(jī)肥及秸稈還田處理對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)隨施肥年限的延長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)。與NPK處理相比，施肥11年限的NPKM、NPKM+和NPKS處理分別提高小麥和玉米產(chǎn)量為18.6%、15.8%、3.5%和39%、42%、35%；而27年的各施肥處理對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)幅度分別為41%、51.5%、23%和31%、33%、58%。（2）隨著施肥年限的延長(zhǎng)，增施有機(jī)肥及秸稈還田均能持續(xù)提升土壤碳、氮庫(kù)容。連續(xù)施肥11年后，土壤碳、氮庫(kù)容分別為25—114 Mg·hm-2、2.2—9.0 Mg·hm-2；而27年后土壤碳、氮庫(kù)容分別為29—146 Mg·hm-2、2.5—12.1 Mg·hm-2。隨著土壤剖面的加深，不同施肥年限中土壤碳、氮庫(kù)容均表現(xiàn)為先逐漸增加后逐漸降低的趨勢(shì)，均在80 cm處達(dá)到峰值。在80 cm土層峰值處，27年施肥處理中NPK、NPKM、NPKM+、NPKS土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)分別為102、128、146、123 Mg·hm-2和8.3、9.7、12.1、9.1 Mg·hm-2，而11年施肥年限內(nèi)各處理土壤碳、氮庫(kù)均表現(xiàn)為差異不顯著（＞0.05）。和NPK相比，不同年限中增施有機(jī)肥及秸稈還田均降低了不同土層的土壤碳氮比。同時(shí)，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，土壤碳氮比越穩(wěn)定。（3）隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各處理土壤累積碳、氮庫(kù)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。連續(xù)施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累積碳、氮庫(kù)容分別為5.2%、11.2%、9.2%和21.2%、26.6%、38.8%；連續(xù)施肥27年后NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累積碳、氮庫(kù)容分別為26.3%、41.1%、21.8%和26.2%、44.9%、4.0%，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，施用有機(jī)肥對(duì)土壤累積碳庫(kù)容的提升高于秸稈還田的趨勢(shì)愈加明顯，而對(duì)土壤累積氮庫(kù)容的提升效果低于秸稈還田?！窘Y(jié)論】在氮磷鉀化肥基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥及秸稈還田會(huì)提高作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤碳氮庫(kù)容、提升土壤肥力，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，效果愈加明顯。同時(shí)，施用有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量、碳庫(kù)的增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)于秸稈還田，而對(duì)氮庫(kù)的提升效果低于秸稈還田。

有機(jī)肥；秸稈還田；作物產(chǎn)量；土壤碳庫(kù)；土壤氮庫(kù)

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳、氮庫(kù)是土壤中最重要的組成部分，土壤有機(jī)碳、氮庫(kù)的特性能夠直接或者間接決定土壤的質(zhì)量和健康（如土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、土壤肥力等），并與作物高產(chǎn)等密切相關(guān)[1-2]。土壤碳庫(kù)的增加，能夠提供微生物營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的能量和改善土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，因此利于作物生產(chǎn)；反過來，作物凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加可以產(chǎn)生更大量的地上和地下部植物殘?bào)w，返還到農(nóng)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，提高土壤供氮潛力，保護(hù)環(huán)境免受氮素流失的負(fù)面影響[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】增施有機(jī)肥和秸稈還田是提高作物產(chǎn)量和土壤碳氮庫(kù)容的有效措施[5-8]。LI等[8]在黃淮海平原區(qū)開展長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，與試驗(yàn)初始值相比，連續(xù)9年NPK+有機(jī)肥、NPK+秸稈還田處理，小麥產(chǎn)量提高9.9%、13.2%，0—20 cm耕層土壤有機(jī)碳含量提高25.3%、31.82%，全氮含量提高6.7%、10%。施肥不同年限對(duì)作物產(chǎn)量和土壤碳氮庫(kù)容的增加效果也不同。例如，王飛等[9]分析長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)15年增施有機(jī)肥（NPKM）與秸稈還田（NPKS）的水稻產(chǎn)量比單施化肥（NPK）分別提高7.9%—10.9%與1.7%—10.8%，連續(xù)增施32年，分別提高12.6%—21.7%與11.6%— 16.3%。相似的，連續(xù)10年和16年NPKM處理，玉米和水稻產(chǎn)量分別比NPK處理提高7.3%和25.4%[10]。筆者及同組成員等[6,11]通過定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，和試驗(yàn)初始值相比，增施有機(jī)肥1年，0—20 cm耕層土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（TN）含量分別增加4.2%和27.3%；連續(xù)增施27年后，耕層SOC和TN分別增加62.6%—141.5%和31.3%—132.5%。此外，有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)不同土壤剖面層的養(yǎng)分含量增加的強(qiáng)度不同。例如，和60—90 cm深層土壤相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可使0—30 cm土層中SOC和TN均增加2.3倍，在30—60 cm土層中均增加3倍[12]。盡管目前施用有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分含量的提升有了比較深入的了解，但其對(duì)深層土壤C、N分布及庫(kù)容的影響，尤其是施用年限的影響作用強(qiáng)度認(rèn)識(shí)不足?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】中國(guó)土壤C、N庫(kù)容變化趨勢(shì)為黑土中C、N庫(kù)下降，土壤退化[13]；水稻土C庫(kù)增加[14]；而在潮褐土旱地土壤中存在爭(zhēng)議性，有的認(rèn)為增加[11]，有的認(rèn)為降低[15]。提高土壤C、N庫(kù)容是保產(chǎn)減肥的重要措施，華北平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，潮褐土是主要土壤類型，土壤養(yǎng)分含量較低，硝化速率較高，是養(yǎng)分容易流失的一類土壤[16-17]。提升土壤肥力是提高作物產(chǎn)量的一個(gè)重要措施，有機(jī)肥及秸稈還田等有機(jī)物料添加是提高土壤肥力的有效手段。外源有機(jī)物料的添加對(duì)土壤C、N庫(kù)增強(qiáng)的潛力還不明確，尤其是高量增施有機(jī)肥以及低量秸稈還田對(duì)低肥力潮褐土剖面土壤肥力提升潛力的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部昌平潮褐土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站為平臺(tái)，探討增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及土壤碳氮庫(kù)容強(qiáng)度的影響，為提升作物產(chǎn)量和更好地培肥土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部昌平潮褐土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站中進(jìn)行。研究基地位于北京市昌平區(qū)，北緯40°13′，東經(jīng)116°14′，海拔高度43.5 m，年平均溫度11℃，≥10℃積溫4 500℃，年降雨量600 mm，年蒸發(fā)量1 065 mm，無(wú)霜期210 d，災(zāi)害性天氣主要是春旱和夏季暴雨。

長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)始于1990年，種植制度主要為冬小麥（L.）-夏玉米（L.）。土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，屬潮褐土。試驗(yàn)開始時(shí)表層（0—20 cm）土壤理化性質(zhì)為：SOC含量為7.5 g·kg-1，全氮0.5 g·kg-1，全磷0.6 g·kg-1，堿解氮49.7 mg·kg-1，速效磷3.8 mg·kg-1，有效鉀65.3 mg·kg-1，緩效鉀503.7 mg·kg-1，pH =8.12。

試驗(yàn)設(shè)有4個(gè)處理：（1）氮磷鉀（NPK）；（2）氮磷鉀+22.5 t·hm-2有機(jī)肥（NPKM）；（3）氮磷鉀+33.75 t·hm-2有機(jī)肥（NPKM+）；（4）氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）。每處理小區(qū)選取3個(gè)作物長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的試驗(yàn)區(qū)域3 m2（2.0 m×1.5 m）作為試驗(yàn)微區(qū)，試驗(yàn)共12個(gè)微區(qū)，在微區(qū)周圍設(shè)置30 cm緩沖區(qū)域，在作物采收前，嚴(yán)禁進(jìn)入微區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)操作。處理中N、P、K分別代表每季作物施N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2；M為有機(jī)肥（含水量28%）；M+為過量有機(jī)肥（含水量28%，用量為M的1.5倍）；S為玉米秸稈或小麥秸稈，其中有機(jī)肥為豬糞，含N為1.5%（干基），小麥秸稈中含N為0.49%（干基）、玉米秸稈含N為0.91%（干基），各處理施肥量如表1所示。氮、磷、鉀化肥于播種前一次性施入，豬糞和秸稈還田每年施用1次，于小麥播種前做基肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行。

表1 各處理施肥量

1.2 取樣及樣品處理

土壤樣品：以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部昌平潮褐土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站為平臺(tái)，分別于2000年（長(zhǎng)達(dá)11年）和2016年（長(zhǎng)達(dá)27年）小麥季收獲后，采集2個(gè)不同施肥年限的土壤樣品，在各處理微區(qū)均隨機(jī)取3點(diǎn)采集0—200 cm（間隔20 cm）土層土樣品，剔除石礫和植物殘根等雜物，混合制樣，樣品風(fēng)干后過0.25 mm篩測(cè)定土壤SOC、TN含量等。

植物樣品：分別于2000年和2016年的6月小麥?zhǔn)斋@時(shí)、10月玉米收獲時(shí)將各微區(qū)全部收獲測(cè)產(chǎn)。

有機(jī)肥及秸稈樣品：將新鮮豬糞及秸稈自然風(fēng)干后，采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測(cè)定有機(jī)肥及秸稈中的全氮含量。

1.3 土壤樣品的測(cè)定方法及計(jì)算

土壤SOC測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱容量法；土壤TN采用濃H2SO4消煮-半微量開氏法，采用全自動(dòng)開氏定氮儀（KDY—9830，北京）。

土壤C、N庫(kù)容的計(jì)算公式如下[11]：

S=C×B×H×10-1

式中，S表示土壤SOC和TN庫(kù)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表示土層深度（cm）。

多個(gè)土層累積C、N庫(kù)容的計(jì)算，如果某一土體的剖面由k層組成，那么該剖面的土壤中SOC或者TN庫(kù)容Smass的計(jì)算公式為：

式中，Smass表示土壤中累積SOC和TN庫(kù)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表示土層深度（cm）。在我們的研究中，沒有直接測(cè)定容重B，采用以下公式進(jìn)行估算[18]：

B=-0.0048×lnSOC+1.377

式中，SOC表示土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）。

分別計(jì)算2000年和2016年6月小麥?zhǔn)斋@時(shí)、10月玉米收獲時(shí)兩種作物的氮肥偏生產(chǎn)力，計(jì)算公式如下：

氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity of nitrogen, PFPN, kg·kg-1）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量，指投入單位氮肥所生產(chǎn)的作物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件作圖，所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行（version 19.0）多因素方差分析（one—way ANOVA），統(tǒng)計(jì)分析施肥類型、土層深度、施肥年限的交互作用對(duì)增施有機(jī)肥及秸稈還田中土壤碳氮庫(kù)容的影響，多重比較采用LSD法（=0.05），平均值在＜0.05水平下的任何差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 作物產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力

由圖1-a、1-b可知，增施有機(jī)肥（NPKM、NPKM+）和秸稈還田（NPKS）均能夠提高小麥和玉米產(chǎn)量，且施肥年限的延長(zhǎng)會(huì)強(qiáng)化增產(chǎn)效應(yīng)。施肥11年后，NPKM處理的小麥產(chǎn)量最高，達(dá)3 592 kg·hm-2，比NPK處理提高18.6%，其次為NPKM+和NPKS處理，比NPK處理分別提高15.8%和3.5%，NPKM與NPKS處理間差異不顯著（＞0.05）。隨著施肥年限的延長(zhǎng)，NPKM+處理小麥產(chǎn)量最高，達(dá)5 122 kg·hm-2，比NPK處理提高51.5%，其次為NPKM和NPKS處理，小麥產(chǎn)量分別為4 753、4 163 kg·hm-2, 比NPK處理分別提高41%、23%，且NPKM+與NPKS處理間差異顯著（＜0.05）。在玉米產(chǎn)量方面，不同年限中均表現(xiàn)為NPKM和NPKM+處理較高，為5 837—5 968、8 162—8 288 kg·hm-2，顯著高于NPK和NPKS，但兩處理間均表現(xiàn)為差異不顯著（＞0.05）。與NPK處理相比，增產(chǎn)幅度分別達(dá)到39%—42%、31%—33%。同時(shí)，NPKS處理玉米產(chǎn)量高于NPK處理，施肥11年、27年后，增幅分別為35%、58%，表明隨著施肥年限的延長(zhǎng)，秸稈還田的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸加強(qiáng)。

在本文中，NPKM、NPKM+中每年有機(jī)肥用量分別為22.5、33.75 t·hm-2（含水量28%），結(jié)合有機(jī)肥的含N量，計(jì)算得到每年NPKM、NPKM+中總N投入量分別為542.6、663.8 kg·hm-2；NPKS中每年小麥、玉米秸稈還田量均為2.17 t·hm-2，結(jié)合小麥、玉米秸稈的含N量，計(jì)算得到每年NPKS中總N投入量為330.2 kg·hm-2。采用施氮區(qū)產(chǎn)量與施氮量之比作為衡量氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，不同施肥年限中增施有機(jī)肥及秸稈還田均明顯降低了PFPN（圖1-c、1-d）。在小麥和玉米生長(zhǎng)季中，連續(xù)施肥11年后PFPN從大到小均表現(xiàn)為：NPK＞NPKM＞NPKM+、NPKS；而27年后PFPN從大到小均表現(xiàn)為：NPK＞NPKM＞NPKM+＞NPKS，NPK與NPKM、NPKM+、NPKS處理均達(dá)到顯著關(guān)系（＜0.05），這與有機(jī)肥及秸稈本身帶入大量氮素有關(guān)。

每個(gè)柱狀圖上的不同小寫（連續(xù)施肥11年后）和大寫（連續(xù)施肥27年后）字母表示差異顯著

2.2 土壤有機(jī)碳庫(kù)及其剖面分布特征

由圖2-a—2-c可以看出，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，增施有機(jī)肥及秸稈還田均能夠提升0—200 cm土層SOC水平，具體表現(xiàn)為連續(xù)施用11年后各處理SOC庫(kù)容為25—114 Mg·hm-2，27年后為29—146 Mg·hm-2。隨著土壤剖面的加深，不同年限各處理中SOC庫(kù)容均表現(xiàn)為先逐漸增加后逐漸降低的趨勢(shì)，均在80 cm處達(dá)到峰值。連續(xù)施用11年后各處理SOC庫(kù)容峰值為110—114 Mg·hm-2；27年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS處理SOC庫(kù)容峰值分別為102、128、146、123 Mg·hm-2。連續(xù)施用11年后各處理對(duì)整個(gè)剖面SOC庫(kù)容影響差異不顯著（＞0.05），而隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各處理在60—80 cm土層對(duì)SOC庫(kù)容的影響均達(dá)到了顯著性差異水平（＜0.05）。經(jīng)多因素主體間效應(yīng)檢驗(yàn)可知（表2），施肥類型、土層深度和施肥年限的交互作用顯著影響土壤碳庫(kù)水平（＜0.01）。以0—20 cm表層SOC庫(kù)容為例，與NPK（29 Mg·hm-2）相比，NPKM、NPKM+、NPKS處理SOC庫(kù)容增幅為62%、121%、9%；在60—80 cm峰值處，NPKM、NPKM+、NPKS處理SOC庫(kù)容增幅為26%、43%、20%，說明長(zhǎng)期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠增加表層及深層土壤碳庫(kù)，且增施有機(jī)肥對(duì)SOC的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。同時(shí)，增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)土壤碳庫(kù)的增強(qiáng)效應(yīng)在80 cm深層土壤強(qiáng)于表層土壤，說明隨著土層的加深，土壤碳含量不斷向下遷移，增強(qiáng)深層土壤碳庫(kù)。由圖2-c中可以看出，各施肥處理土壤碳庫(kù)變化量表現(xiàn)為隨著土壤剖面的加深，呈現(xiàn)先降低后增加，隨后逐漸降低的趨勢(shì)。在各個(gè)土層中，土壤碳庫(kù)變化量均表現(xiàn)為NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK。這說明增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠增加SOC庫(kù)容變化量，且施用有機(jī)肥的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。

2.3 土壤氮庫(kù)及其剖面分布特征

由圖3-a—3-c可以看出，與土壤SOC庫(kù)容變化規(guī)律相一致，增施有機(jī)肥和秸稈還田均能夠隨著施肥年限的延長(zhǎng)提升土壤TN庫(kù)水平，具體表現(xiàn)為連續(xù)施用11年后各處理土壤TN庫(kù)容為2.2—9.0 Mg·hm-2，27年后為2.5—12.1 Mg·hm-2。隨著土壤剖面的加深，不同年限下土壤TN庫(kù)均表現(xiàn)為先逐漸增加后逐漸降低的趨勢(shì)，除連續(xù)施用11年后NPKS處理外，其余處理均在80 cm處達(dá)到峰值。在80 cm土層峰值處，連續(xù)施肥11年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤TN庫(kù)容分別為6.7、7.2、8.2、8.4 Mg·hm-2；27年后NPK、NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤TN庫(kù)容分別為8.3、9.7、 12.1、9.1 Mg·hm-2。連續(xù)施用11年后，除80—100、160—180 cm土層外，各施肥處理對(duì)其余土層TN庫(kù)容影響差異均不顯著（＞0.05），而隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各處理在0—20、80—100、140—160、180—200 cm土層土壤氮庫(kù)容的影響均達(dá)到了顯著性差異水平（＜0.05）。經(jīng)多因素主體間效應(yīng)檢驗(yàn)可知（表2），施肥類型、土層深度和施肥年限的交互作用顯著影響土壤氮庫(kù)水平（＜0.01）。以0—20 cm表層土壤TN庫(kù)容為例，與NPK（2.5 Mg·hm-2）相比，NPKM、NPKM+、NPKS氮庫(kù)容分別增加105%、184%、16%；在60—80 cm土層處，NPKM、NPKM+、NPKS處理比NPK分別提高17%、46%、9%，說明長(zhǎng)期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠增加表層及深層土壤TN庫(kù)容，且增施有機(jī)肥對(duì)TN的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。隨著土層的加深，土壤TN庫(kù)容呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，說明施肥處理能夠提升深層TN庫(kù)容。由圖3-c中可以看出，各施肥處理土壤TN庫(kù)容變化量表現(xiàn)為隨著土壤剖面的加深，呈現(xiàn)先降低后增加，隨后逐漸降低的趨勢(shì)。在0—40 cm土層內(nèi)，土壤TN庫(kù)容變化量表現(xiàn)為NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK；而在40—200 cm土層內(nèi)，表現(xiàn)為NPKM+＞NPKM, NPKS＞NPK。這說明增施有機(jī)肥及秸稈還田均能夠增加0—40 cm表層土壤TN的變化量。同時(shí)，增施有機(jī)肥對(duì)深層土壤TN庫(kù)容變化量強(qiáng)于表層土壤。值得注意的是，在0—60 cm土層，秸稈還田氮庫(kù)容增加量為正值，而在底層60—200 cm土層，增加量為負(fù)值，說明秸稈還田在表層土壤中具有固氮作用。

同一圖的不同小寫字母代表差異顯著（P＜0.05），重復(fù)數(shù)=3。下同?！癮”表示連續(xù)施肥11年后土壤碳庫(kù)；“b”表示連續(xù)施肥27年后土壤碳庫(kù)；“c”表示有機(jī)碳庫(kù)變化量（有機(jī)碳庫(kù)b-有機(jī)碳庫(kù)a）

表2 施肥類型、土層深度和施肥年限對(duì)土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)和碳氮比影響的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)（n=240）

“a”表示連續(xù)施肥11年后土壤氮庫(kù)；“b”表示連續(xù)施肥27年后土壤氮庫(kù)；“c”表示土壤氮庫(kù)變化量（氮庫(kù)b-氮庫(kù)a）

2.4 土壤碳氮比剖面分布特征

由圖4-a—4-b可以看出，和NPK相比，不同年限中增施有機(jī)肥及秸稈還田均降低了不同土層的土壤碳氮比（C/N）。對(duì)整個(gè)土壤剖面而言，連續(xù)施用11年后各處理土壤C/N為6.5—14.7，27年后各處理土壤C/N為9.1—14.8，表明隨著施肥年限的延長(zhǎng)，土壤C/N趨于穩(wěn)定。連續(xù)施用11年后，隨著0—140 cm土壤剖面的加深，各處理土壤C/N表現(xiàn)為先緩慢增加，后逐漸降低；隨著土層的進(jìn)一步加深（140—200 cm），土壤C/N再次升高，隨后降低，直至穩(wěn)定。在＞80 cm土層處，各處理土壤C/N表現(xiàn)為NPK＞NPKM+、NPKM＞NPKS。而27年后，隨著土壤深度的增加，土壤C/N由0—80 cm土層的穩(wěn)定水平逐漸降低，隨后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在C/N較穩(wěn)定的＞140 cm土層處，各處理土壤C/N表現(xiàn)為NPK＞NPKS＞NPKM+、NPKM。經(jīng)多因素主體間效應(yīng)檢驗(yàn)可知（表2），除施肥類型×土層深度外，施肥類型×施肥年限、土層深度×施肥年限及施肥類型×土層深度×施肥年限的交互作用顯著影響土壤碳氮比（＜0.05）。

2.5 土壤累積碳氮庫(kù)

由表3可知，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各處理0—200 cm土層土壤累積碳、氮庫(kù)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在土壤累積碳庫(kù)方面，和NPK相比，連續(xù)施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤累積碳庫(kù)分別提升5.2%、11.2%、9.2%；27年后NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤累積碳庫(kù)分別提升26.3%、41.1%、21.8%。這說明隨著施肥年限的延長(zhǎng)，施用有機(jī)肥對(duì)土壤累積碳庫(kù)的提升高于秸稈還田的趨勢(shì)愈加明顯。在土壤累積氮庫(kù)方面，和NPK相比，連續(xù)施肥11年后，NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤累積氮庫(kù)分別提高21.2%、26.6%%、38.8%；27年后NPKM、NPKM+、NPKS處理土壤累積氮庫(kù)分別提升26.2%、44.9%、4.0%。

“a”表示連續(xù)施肥11年后土壤碳氮比；“b”表示連續(xù)施肥27年后土壤碳氮比

表3 增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)0—200 cm土層土壤累積碳、氮庫(kù)的影響

同一列的不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。數(shù)據(jù)表達(dá)形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，重復(fù)數(shù)=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 討論

3.1 增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

在本研究中，長(zhǎng)期增施有機(jī)肥及秸稈還田等外源有機(jī)物料的添加能夠顯著提高昌平地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量（＜0.05），這與國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者的研究報(bào)道相一致。例如，ZHANG等[19]通過長(zhǎng)達(dá)11年的8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，和NPK相比，在NPK基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥能夠提高小麥、玉米產(chǎn)量分別為3.1%、2.4%。相似的，在長(zhǎng)達(dá)31年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中的研究結(jié)果表明，增施豬糞、秸稈還田比NPK能夠提高小麥產(chǎn)量分別為11.5%、8.0%；提高大豆籽粒產(chǎn)量分別為27.7%、17.2%[20]。K?RSCHENS等[21]總結(jié)了歐洲20個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)（10—61年）發(fā)現(xiàn)，和NPK相比，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理作物產(chǎn)量平均提高6%，而LEHTINEN等[22]采用meta分析的方法報(bào)道了和秸稈不還田相比，秸稈還田提高作物產(chǎn)量平均也為6%。

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料和秸稈還田等外源有機(jī)物料對(duì)作物產(chǎn)量有積極效應(yīng)，一方面是由于有機(jī)肥及秸稈還田增加了土壤有機(jī)碳含量及養(yǎng)分循環(huán)，從而提高了作物產(chǎn)量[23-26]；另一方面有機(jī)物料的施用提高了養(yǎng)分利用效率[27]，增加土壤內(nèi)在養(yǎng)分的供應(yīng)能力，改善土壤健康，減輕不利環(huán)境因素引起的作物產(chǎn)量的波動(dòng)，進(jìn)而提高作物生長(zhǎng)活力[8]。在本研究中，有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量的提升作物強(qiáng)于秸稈還田，一方面是由于有機(jī)肥中含有更多的作物易利用態(tài)有機(jī)碳；另一方面是由于有機(jī)肥本身所含養(yǎng)分含量高于秸稈，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，這種增產(chǎn)作用愈加明顯，這與土壤肥力隨施肥年限延長(zhǎng)而逐漸增加有關(guān)。

3.2 增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)土壤剖面碳氮庫(kù)容的影響

有機(jī)肥及秸稈還田一直被提倡和實(shí)踐用來改善土壤肥力，提升土壤碳、氮庫(kù)容。在本研究中，連續(xù)27年的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與NPK相比，增施有機(jī)肥及秸稈還田均能夠顯著增加土壤累積碳、氮庫(kù)容，主要?dú)w因于我們的研究地點(diǎn)，其年平均降雨量為534 mm，且82%的降雨發(fā)生在玉米生長(zhǎng)季節(jié)（6—9月）[28]。降雨使碳、氮向下遷移，隨著土壤深度的增加，因此土壤碳、氮含量呈現(xiàn)累積現(xiàn)象[29]。增施有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)土壤碳、氮庫(kù)容的提升效應(yīng)與前人的研究結(jié)果相一致，例如，HUA等[20]發(fā)現(xiàn)在31年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中，與NPK相比，增施豬糞、增施牛糞、秸稈還田能夠使0—100 cm土壤碳庫(kù)提升31.8%、51.6%、18.2%。ZHANG等[19]通過8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1990—2000年近11年NPK處理的SOC從26 t C·hm-2增長(zhǎng)到30 t C·hm-2，而NPKM處理碳固持率從27 t·C hm-2增長(zhǎng)到36 t C·hm-2。與之相似，31年長(zhǎng)期增施有機(jī)肥處理碳固持率比NPK提高27.0%—64.4%[30]。而MAILLARD等[31]和LEHTINEN等[22]采用Meta分析分別估算了長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)中有機(jī)肥及秸稈還田的碳固持效率分別為12%、6%—14%。

施用有機(jī)肥及秸稈還田能夠顯著提高土壤固碳能力和SOC含量，這與其他田間試驗(yàn)的研究結(jié)果相一致[32-33]。已有大量長(zhǎng)期試驗(yàn)揭示了生物量碳輸入與SOC含量的正相關(guān)關(guān)系[23,31,34]。外源有機(jī)物料的添加，包括豬糞和秸稈，不僅能夠直接向土壤中輸入碳，而且通過作物殘茬、凋落物及根系等較高的植物生物量的方式間接向土壤中輸入碳[34-35]。有機(jī)肥是土壤N和P元素的重要來源，施用有機(jī)肥能夠減少N和P對(duì)作物生長(zhǎng)及構(gòu)建SOC的限制[36-37]。且有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)作用隨其施用年限的增加而增加[38-39]。在本文中，有機(jī)肥的固碳作用強(qiáng)于秸稈還田，一方面歸因于有機(jī)肥比秸稈（秸稈中存在較多的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等頑固態(tài)有機(jī)碳）中含有更多的可利用態(tài)碳；另一方面歸因于有機(jī)肥比秸稈還田具有更高的C投入[30]。

土壤C/N的變化可以反映微生物群落對(duì)N的固持能力[40]，也能夠反映土壤C和N循環(huán)的相互作用和土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[41]。外源C、N的施用來源和施用量影響土壤C/N。例如，有機(jī)肥中含有大量的活性C和N，利于土壤N固定；而化肥的施用能夠促進(jìn)土壤N礦化[42]，但礦化養(yǎng)分在C限制的條件下不能立即再固定。即有機(jī)無(wú)機(jī)配施（如有機(jī)肥、秸稈還田等）有利于提高土壤的C/N，單施化肥，將顯著降低土壤的C/N[43]。本研究與上述觀點(diǎn)不一致，與NPK相比，化肥配施有機(jī)肥及秸稈還田均降低了土壤C/N，表明施用有機(jī)肥能夠提高土壤N礦化率，較低的土壤C/N表明在作物種植系統(tǒng)中C源供應(yīng)不足，這可能限制土壤微生物固定N素[44]，并易導(dǎo)致較高的N損失[45]；而高C/N的秸稈施入土壤后，會(huì)通過固定作用將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮[46]，從而減少氮礦化過程[47]，提升土壤氮水平。

在本文中，隨著土層的加深，增施有機(jī)肥及秸稈還田等外源有機(jī)物料的添加能夠提高土壤碳氮庫(kù)容，在80 cm處達(dá)到峰值，后逐漸降低的趨勢(shì)。表層土壤輸入有機(jī)物有利于產(chǎn)生可溶性有機(jī)碳，這些有機(jī)碳可以被輸入到底層土壤，這有利于底層土壤碳庫(kù)的構(gòu)建[48]，這與LONG等[49]的研究結(jié)果相一致，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)物料后，土壤可溶性碳氮含量可向深層土壤的遷移至80 cm。深層土壤碳氮庫(kù)含量較低的原因可歸結(jié)為根系生物量、根系分泌物和植物殘?bào)w的積累量較少的緣故[50]。有趣的是，不同年限土壤C/N均隨著土層加深呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，與DIEKOW等[51]在巴西的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中的研究結(jié)果相一致，發(fā)現(xiàn)在不同的作物體系和施肥水平下，隨著土壤深度的增加，土壤C/N在下降，與此同時(shí)，土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)是隨著土壤深度的增加而增加，這跟粘粒礦物含有更多的固定態(tài)銨有關(guān)系。

筆者[4,28]在同一試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)同一年的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在施用NPK的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥，能夠促進(jìn)硝態(tài)氮（NO3--N）向深層土壤的遷移，增加了NO3--N淋溶的風(fēng)險(xiǎn)，且增施過量有機(jī)肥處理存在更大的NO3--N淋溶風(fēng)險(xiǎn)；而在施用NPK的基礎(chǔ)上進(jìn)行秸稈還田，對(duì)土壤NO3--N具有一定的固持作用。DISE等[52]研究了英國(guó)針葉林土壤C/N與土壤NO3--N淋失的關(guān)系證明，土壤C/N可以作為NO3--N淋失的一個(gè)指標(biāo)。GUNDERSENA等[53]研究了丹麥33個(gè)溫帶針葉林土壤，得出了同樣的結(jié)果，隨著土壤C/N的增加，NO3--N的淋失量在下降。這與本文中在NPK基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥降低了土壤C/N，卻增加了氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

4.1 我國(guó)華北平原小麥-玉米輪作模式下，長(zhǎng)期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠提高作物產(chǎn)量、提升土壤肥力，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，提升作用增強(qiáng)。同時(shí)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量、土壤碳、土壤氮儲(chǔ)量的提升效果強(qiáng)于秸稈還田，但增施有機(jī)肥及秸稈還田均降低了氮肥偏生產(chǎn)力。

4.2 多因素方差分析表明，施肥類型、土層深度和施肥年限的交互作用顯著影響土壤碳、氮庫(kù)及碳氮比。隨著土壤剖面的加深，增施有機(jī)肥及秸稈還田土壤碳、氮庫(kù)均表現(xiàn)為先逐漸增加后逐漸降低的趨勢(shì)，均在80 cm處達(dá)到峰值。和單施化肥相比，不同施肥年限下增施有機(jī)肥及秸稈還田均降低了不同土層的土壤碳氮比。同時(shí)，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，土壤C/N越穩(wěn)定。

4.3 隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各施肥處理土壤累積碳、氮庫(kù)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且施用有機(jī)肥對(duì)土壤累積碳儲(chǔ)量的提升高于秸稈還田的趨勢(shì)愈加明顯，而對(duì)土壤累積氮儲(chǔ)量的提升效果低于秸稈還田。

[1] SAINJU U M, SENWO Z N, NYAKATAWA E Z, TAZISONG I A, REDDY K C. Soil carbon and nitrogen sequestration as affected by long-term tillage cropping systems, and nitrogen fertilizer sources., 2008, 127: 234-240.

[2] MACBEAN N, PEYLIN P. Agriculture and the global carbon cycle., 2014, 515: 351-352.

[3] PAN G, SMITH P, PAN W. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China., 2009,129: 344-348.

[4] 蓋霞普, 劉宏斌, 翟麗梅, 楊波, 任天志, 王洪媛, 武淑霞, 雷秋良. 長(zhǎng)期增施有機(jī)肥/秸稈還田對(duì)土壤氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(12): 2336-2347.

GAI X P, LIU H B, ZHAI L M, YANG B, REN T Z, WANG H Y, WU S X, LEI Q L. Effects of long-term additional application of organic manure or straw incorporation on soil nitrogen leaching risk., 2018, 51(12): 2336-2347. (in Chinese)

[5] LI L, HAN X. Changes of soil properties and carbon fractions after long-term application of organic amendments in Mollisols., 2016, 143: 140-144.

[6] ZHANG T, LIUH, LUOJ, WANG H, ZHAIL, GENGY, ZHANGY, LIJ, LEIQ, WUS X, LINDESY S. Long-term manure application increased GHG emissions but had no effect on ammonia volatilization in a Northern China upland field., 2018, 633: 230-239.

[7] GAI X, LIU H, ZHAI L, TAN G, LIU J, REN T, WANG H. Vegetable yields and soil biochemical properties as influenced by fertilization in Southern China., 2016, 107: 170-181.

[8] LI C X, MA S C, SHAO Y, MA S T, ZHANG L L. Effects of long-term organic fertilization on soil microbiologic characteristics, yield and sustainable production of winter wheat., 2018, 17(1): 210-219.

[9] 王飛, 李清華, 林誠(chéng), 鐘少杰, 何春梅, 劉玉潔. 不同施肥模式對(duì)南方黃泥田耕層有機(jī)碳固存及生產(chǎn)力的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21(6): 1447-1454.

WANG F, LI Q H, LIN C, ZHONG S J, HE C M, LIU Y J. Effect of

different fertilization modes on topsoil organic carbon sequestration and productivity in yellow paddy field of southern China., 2015, 21(6): 1447-1454. (in Chinese)

[10] 劉彥伶, 李渝, 張雅蓉, 張文安, 蔣太明. 西南黃壤性水稻土長(zhǎng)期不同施肥模式下作物產(chǎn)量及氮肥利用率演變特征. 中國(guó)土壤與肥料, 2017(3): 20-27.

LIU Y L, LI Y, ZHANG Y R, ZHANG W A, JIANG T M. The dynamic of crop yield and nitrogen use efficiency under different long-term fertilization patterns in paddy soil from yellow earth in Southwest China., 2017(3): 20-27. (in Chinese)

[11] GAI X, LIU H, LIU J, ZHAI L, YANG B, REN T, LEI Q, WU S, WANG H. Long-term benefits of combining chemical fertilizer and manure applications on crop yields and soil carbon and nitrogen stocks in North China Plain., 2018, 208: 384-392.

[12] MIKHA M M, HERGERT G W, BENJAMIN J G, JABRO J D, NIELSEN R A. Soil organic carbon and nitrogen in long-term manure management system., 2017, 81(1): 153-165.

[13] QIU S, GAO H, ZHU P, HOU Y, ZHAO S, RONG X, ZHANG Y, HE P, CHRISTIE P, ZHOU W, 2016. Changes in soil carbon and nitrogen pools in a Mollisol after long-term fallow or application of chemical fertilizers, straw or manures., 2016, 163: 255-265.

[14] ZHANG T, CHEN A, LIU J, LIU H, LEI B, ZHAI L, ZHANG D, WANG H Y. Cropping systems affect paddy soil organic carbon and total nitrogen stocks (in rice-garlic and rice-fava systems) in temperate region of southern China., 2017, 609: 1640-1649.

[15] 耿彩英, 高明, 陳晨. 土壤有機(jī)碳對(duì)土地利用方式變化的響應(yīng). 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 33(11): 125-130.

GENG C Y, GAO M, CHEN C. Responses of soil organic carbon to land use change., 2011, 33(11): 125-130. (in Chinese)

[16] ZHANG Y, WANG H, LEI Q, LUO J, LINDSEY S, ZHANG J, ZHAI L, WU S, ZHANG J, LIU X, REN T, LIU H. Optimizing the nitrogen application rate for maize and wheat based on yield and environment on the Northern China Plain., 2018, 618: 1173-1183.

[17] WANG H, ZHANG Y, CHEN A, LIU H, ZHAI L, LEI B, REN T. An optimal regional nitrogen application threshold for wheat in the North China Plain considering yield and environmental effects., 2017, 207: 52-61.

[18] SONG G, LI L, PAN G, ZHANG Q. Topsoil organic carbon storage of China and its loss by cultivation., 2005, 74(1): 47-62.

[19] ZHANG J, BALKOVI? J, AZEVEDO L B, SKALSKY R, BOUWMAN A F, XU G, WANG J Z, XU M G, YU C Q. Analyzing and modelling the effect of long-term fertilizer management on crop yield and soil organic carbon in China., 2018, 627: 361-372.

[20] HUA K K, WANG D Z, GUO Z B. Effects of long-term application of various organic amendments on soil particulate organic matter storage and chemical stabilisation of vertisol soil., 2018, 68(6): 505-514.

[21] K?RSCHENS M, ALBERT E, ARMBRUSTER M, BARKUSKY D, BAUMECKER M, BEHLE-SCHALK L, ZORN W. Effect of mineral and organic fertilization on crop yield, nitrogen uptake, carbon and nitrogen balances, as well as soil organic carbon content and dynamics: Results from 20 European long-term field experiments of the twenty-first century., 2013, 59: 1017-1040.

[22] LEHTINEN T, SCHLATTER N, BAUMGARTEN A, BECHINI L, KRüGER J, GRIGNANI C, SPIEGEL H. Effect of crop residue incorporation on soil organic carbon and greenhouse gas emissions in European agricultural soils., 2014, 30: 524-538.

[23] GHIMIRE R, MACHADO S, BISTA P. Decline in soil organic carbon and nitrogen limits yield in wheat-fallow systems., 2018, 422: 423-435.

[24] SCHILLINGER W F, PAPENDICK R I. Then and now: 125 years of dryland wheat farming in the inland Pacific northwest., 2008, 100: S166-S182.

[25] WUEST S B, GOLLANY H T. Soil organic carbon and nitrogen after application of nine organic amendments., 2013, 77: 237-245.

[26] GHIMIRE R, NORTON J B, STAHL P D, NORTON U. Soil microbial substrate properties and microbial community responses under irrigated organic and reduced-tillage crop and forage production systems., 2014, 9(8): e103901.

[27] CHOUDHURY S G, YADUVANSHI N P S, CHAUDHARI S K, SHARMA D R, SHARMA D K, NAYAK D C, SINGH S K. Effect of nutrient management on soil organic carbon sequestration, fertility, and productivity under rice-wheat cropping system in semi-reclaimed sodic soils of North India., 2018, 190: 117.

[28] GAI X, LIU H, LIU J, ZHAI L, YANG B, REN T, WU S, LEI Q, WANG H. Contrasting impacts of long-term application of manure and crop straw on residual nitrate-N along the soil profiles in North China Plain., 2019, 650: 2251-2259.

[29] LI J, LIU H, WANG H, LUO J, ZHANG X, LIU Z, ZHANG Y, ZHAI L, LEI Q, REN T, LI Y, MUHAMMAD A B. Managing irrigation and fertilization for the sustainable cultivation of greenhouse vegetables., 2018, 210: 354-363.

[30] WANG J D, WANG K H, WANG X J, AI Y C, ZHANG Y C, YU J G. Carbon sequestration and yields with long-term use of inorganic fertilizers and organic manure in a six-crop rotation system., 2018, 111: 87-98.

[31] MAILLARD é, ANGERS D A. Animal manure application and soil organic carbon stocks: A meta-analysis., 2014, 20: 666-679.

[32] JIANG G, XU M, HE X, ZHANG W, HUANG S, YANG X, LIU H, PENG C, SHIRATO Y, IIZUMI T. Soil organic carbon sequestration in upland soils of northern China under variable fertilizer management and climate change scenarios., 2014, 28: 319-333.

[33] ZHANG X, SUN N, WU L, XU M, BINGHAM I J, LI Z. Effects of enhancing soil organic carbon sequestration in the topsoil by fertilization on crop productivity and stability: evidence from long-term experiments with wheat-maize cropping systems in China., 2016, 562: 247-259.

[34] MALTAS A, KEBLI H, OBERHOLZER H R, WEISSKOPF P, SINAJ S. The effects of organic and mineral fertilizers on carbon sequestration, soil properties, and crop yields from a long-term field experiment under a Swiss conventional farming system., 2018, 29: 926-938.

[35] GHOSH S, WILSON B, GHOSHAL S, SENAPATI N. Organic amendments influence soil quality and carbon sequestration in the Indo-Gangetic plains of India., 2012, 156: 134-141.

[36] STEWART C E, PAUSTIAN K, CONANT R T, PLANTE A F, SIX J. Soil carbon saturation: implications for measurable carbon pool dynamics in long-term incubations., 2009, 41: 357-366.

[37] ZHANG W J, WANG X, XU M, HUANG S M, LIU H, PENG C. Soil organic carbon dynamics under long-term fertilizations in arable land of northern China., 2009, 7: 409-425.

[38] ANTHONI P M, KNOHL A, REBMANN C, FREIBAUER A, MUND M, ZIEGLER W, KOLLE O, SCHULZE E. Forest and agricultural land-use-dependent CO2exchange in Thuringia, Germany., 2004, 10: 2005-2019.

[39] MIKHA M M, RICE C W. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen., 2004, 68: 809-816.

[40] HATI K M, SWARUP A, SINGH D, MISRA A K, GHOSH P K. Long-term continuous cropping, fertilization and manuring effects on physical properties and organic carbon content of a sandy loam soil., 2006, 44(5): 487-495.

[41] TONG C, XIAO H, TANG G, WANG H, HUANG T, XIA H, KEITH S J, LI Y, LIU S, WU J. Long-term fertilizer effects on organic carbon and total nitrogen and coupling relationships of C and N in paddy soils in subtropical China,, 2009, 106: 8-14.

[42] MALHI S S, LEMKE R. Tillage, crop residue and N fertilizer effects on crop yield nutrient uptake, soil quality and nitrous oxide gas emissions in a second 4-yr rotation cycle., 2007, 96: 269-283.

[43] 雷寶坤, 劉宏斌, 陳安強(qiáng), 毛妍婷, 續(xù)勇波. 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤的碳氮共濟(jì)效應(yīng)情景分析. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(10): 1567-1573.

LEI B K, LIU H B, CHEN A Q, MAO Y T, XU Y B. Scenario analysis on effects of long-term fertilization on soil carbon and nitrogen codependency., 2014, 23(10): 1567-1573. (in Chinese)

[44] ACCOE F, BOECKX P, BUSSCHAERT J, HOFMAN G, VAN CLEEMPUT O. Gross N transformation rates and net N mineralization rates related to the C and N contents of soil organic matter fractions in grassland soils of different age., 2004, 36: 2075-2087.

[45] GUNDERSEN P, CALLESEN I, DE VRIES W. Nitrate leaching in forest ecosystems is related to forest floor C/N ratios., 1998, 102: 403-407.

[46] HARTMANN T E, YUE S C, SCHULZ R, CHEN X P, ZHANG F S, MULLER T. Nitrogen dynamics, apparent mineralization and balance calculations in a maize-wheat double cropping system of the North China Plain., 2014, 160: 22-30.

[47]BEAUDOIN N,SAAD J K, VAN LAETHEM C, MACHET J M, MAUCORPS J, MARY B. Nitrate leaching in intensive agriculture in Northern France: Effect of farming practices, soils and crop rotations., 2005, 111: 292-310.

[48] LORENZ K, LAL R. The depth distribution of soil organic carbon in relation to land use and management and the potential of carbon sequestration in subsoil horizons., 2005, 88: 35-66.

[49] LONG G, JIANG Y, SUN B. Seasonal and inter-annual variation of leaching of dissolved organic carbon and nitrogen under long-term manure application in an acidic clay soil in subtropical China., 2015, 146: 270-278.

[50] REHANA R, KUKAL S S, HIRA G S. Soil organic carbon and physical properties as affected by long-term application FYM and inorganic fertilizers in wheat-maize system., 2008, 101(1/2): 31-36.

[51] DIEKOW J, MIELNICZUK J, KNICKER H, BAYER C, DICK D P, KOGELKNABNER I. Soil C and N stocks as affected by cropping systems and nitrogen fertilization in a southern Brazil Acrisol managed under no-tillage for 17 years., 2005, 81: 87-95.

[52] DISE N B, MATZNER E, FORSIUS M. Evaluation of organic horizon C: N ratio as an indicator of nitrate leaching in conifer forests across Europe., 1998, 102: 453-456.

[53] GUNDERSEN P, CALLESEN I, VRIES W. Nitrate leaching in forest ecosystems is related to forest floor C/N ratios., 1998, 102: 402-407.

（責(zé)任編輯 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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0800101）、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（821-25，821-31）

蓋霞普，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