控制条件下水肥耦合对黄泥田还田秸秆腐解及土壤碳转化的影响

苏 朋, 傅 昱, 何 艳, 徐建明, 吴建军, 吴良欢

(浙江大学环境与资源学院，浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室，浙江杭州 310058)

控制条件下水肥耦合对黄泥田还田秸秆腐解及土壤碳转化的影响

苏 朋, 傅 昱, 何 艳*, 徐建明, 吴建军, 吴良欢

(浙江大学环境与资源学院，浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室，浙江杭州 310058)

【目的】研究秸秆还田后不同水温和肥剂管理措施下土壤碳素转化特征。【方法】以华中双季稻区低产水稻土黄泥田为供试材料，模拟早稻和晚稻秸秆还田的田间环境，在实验室控制条件下，开展了两种温度环境中(15℃、35℃)不同水分(40%和100%最大田间持水量，即40%WHC、100%WHC)、配施氮肥类型(尿素、猪粪即U、M)、以及促腐菌剂添加对秸秆腐解效果及其过程中土壤碳素转化影响的研究。对水稻秸秆腐解过程中土壤CO2释放量、以及土壤可溶性有机碳(DOC)和总有机碳(TOC)含量在105天培养周期内变化特征进行动态监测分析。【结果】 两种温度环境中整个培养周期内，各处理的CO2释放速率和释放总量通常表现为100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U，即猪粪优于尿素的规律，而不论配施何种氮肥都存在100%WHC > 40%WHC (P<0.01)的现象，同时40%WHC条件下辅施菌剂可显著提升CO2释放量；与此相反，两种温度环境下DOC含量都表现为40%WHC-M > 40%WHC-U >100%WHC-M > 100%WHC-U(后两者差异小)，即40%WHC条件下DOC含量显著高于100%WHC(P<0.05)，且配施猪粪处理优于配施尿素处理，但这两种氮肥处理间差异随培养时间延长而减小；以CO2-C释放量计算0_7 d、0_28 d、0_105 d内物料分解率，结果表明，35℃时100%WHC-U的处理中物料分解最快，15℃时40%WHC-M的处理中物料分解最慢。与之对应，105 d内TOC含量和净增量则在35℃时100%WHC-U的处理中最小(P<0.01)，而在15℃时40%WHC-M的处理中最大(P<0.01)；TOC的净增量和净损失量在相同温度条件下，尤其试验前期不同水分(P<0.01)、氮素(P<0.05)间均存在显著差异，且促腐菌剂添加普遍减小TOC含量；培养周期内所有处理的CO2释放速率与DOC含量间存在显著相关(P<0.05)。【结论】水分状况对碳素的转化存在极大影响，其次是氮肥类型，且氮肥的影响作用随秸秆还田时间的延长而减弱；高湿条件更利于促进秸秆腐解，但导致土壤DOC含量较低，TOC的固持量也较少，而配施猪粪则可促进土壤DOC含量的提升及TOC的固持；促腐菌剂添加可促进秸秆腐解，但由于40%WHC条件下显著激发了CO2的释放而不利于土壤固碳。因此在华中低产黄泥田双季轮作稻区，早稻还田时由于气温高周期短，建议保持100%WHC、辅施适量尿素、并配合添加秸秆腐解菌剂，侧重秸秆快腐；而晚稻还田时气温低周期长，建议保持40%WHC并辅施缓效猪粪，侧重土壤固碳。

碳素转化； 水温肥剂耦合管理； 秸秆快腐； 低产水稻土； 培肥； 固碳

土壤呼吸是陆地生态系统与大气之间第二大碳(C)通量，能达到C 68 _ 80 Pg/year[1]，而每年10%左右的土壤碳以CO2形式进入大气。有机质是改善土壤理化、生物性状的物质基础，若有机碳归还不足易导致土壤肥力衰退[2]。作物秸秆可作为丰富的有机质资源还田，增加土壤有机碳和缓解土壤养分流失[3-4]，提高微生物碳氮固持和供给，其残体的分解过程也是影响土壤碳转化的因素之一。多数秸秆结构复杂，短期内不易自然腐解[3]，因此需要技术手段加快腐解过程[5]；同时，微生物易与作物竞争氮素，还田时补充氮肥和水分可解决这一问题[6]。但对部分低产水稻土如华中双季稻区黄泥田，在不同环境、时令下因地制宜地开展早晚稻稻秆还田，加快秸秆熟化并培肥土壤方面仍缺乏报道，这对保障国家粮食安全、提升农田可持续利用意义重大。

作为重要土壤培肥措施，秸秆碳在土壤中腐解速率、过程受到多种因素影响，如土壤理化性质[7-10]、秸秆性质[5]、农业耕作措施[3, 11]、施用方式[3, 12-14]、环境因子[15]和研究条件[8, 15]等。温度、水分含量是影响土壤碳转化[3, 15-16]的重要因素，如温度升高被认为会加速矿质土壤有机碳分解[15, 17]，但也有研究者发现，碳分解速率在全球维度内年均温梯度变化条件下的各采样点存在恒定值[18]。另外，水分差异会影响水稻土有机碳动态变化，最终导致碳累积矿化量差异[19]；干湿交替影响土壤通气并产生好氧厌氧交替状况，形成更丰富的微生物多样性[16]。同时秸秆进入土壤也会引起碳氮比例失调[4]、耕作困难等问题，配施氮肥并适当施用微生物促腐菌剂可缓解争氮和加快腐解。已有研究表明秸秆配施化肥调节C/N 比例并施用促腐菌剂后土壤微生物量C、N显著增加[2]，但不同形态氮素对该过程的影响还鲜见报道。夏季早稻和冬季晚稻的秸秆在还田时环境温度存在较大差异，在不同还田时期，如何通过调控土壤水分状况和辅施氮肥以实现双季稻区还田秸秆的快速腐解，以及这些田间管理措施如何影响土壤中碳素的转化，对低产土壤培肥固碳的效果如何仍有待研究。

因此，本研究针对浙江低产黄泥田双季轮作稻区实际情况，模拟田间夏季早稻和冬季晚稻还田时的环境温度，选取水稻秸秆为材料在实验室控制条件下进行了培养试验，探讨秸秆施入黄泥田后两种温度环境中不同土壤水分含量、不同氮肥类型、以及微生物促腐菌剂添加对秸秆腐解过程中土壤碳素转化的影响，旨在了解非植稻季节秸秆还田后不同水温和肥剂管理措施下土壤中碳素的转化动态，从而实现还田秸秆快速腐解的同时，又确保最大化土壤培肥固碳的双效目标，为制定低产水稻土持续利用的田间优化管理策略提供科学基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤选取低产水稻土黄泥田为代表，采自浙江省金华市婺城区琅琊镇新朱村。土壤样品为稻区田块0—20 cm耕层混合样品，去石子、根系等杂物后风干，过2 mm筛备用。土壤有机质含量为11.0 g/kg，pH 5.45，取样时田间持水量(water holding capacity，WHC)为30.4%。植物材料选取当地前季水稻秸秆为试验材料，60℃烘48小时、粉碎并过60目筛备用。秸秆促腐微生物菌剂为湖北农科院植保土肥研究所研制的秸秆快速腐熟菌剂(专利号： 201010228347)[20]，以热带假丝酵母、米曲霉、绿色木霉菌、枯草芽孢杆菌等为活性成分，总有效菌活数>0.5×109No./g。秸秆腐解过程中，同时选取尿素和猪粪作为辅施氮肥，用于调节C/N条件至适宜微生物发挥作用的25 ∶1[5]。水稻秸秆总C和总N含量分别为44.8%和0.72%，猪粪的总C和总N含量分别为34.3%和2.01%，尿素含N量46.7%。

1.2 试验设计

试验在实验室控制条件下采用常规培养方法进行[21]。称取相当于50 g烘干土重的经过预培养的土壤样品，放入塑料封口袋中，每公斤土加入秸秆15 g，每公斤秸秆加入腐解菌剂0.5 g，用尿素(U)或猪粪(M)调节C/N至25 ∶1，添加量以尿素和猪粪材料的含氮量作为计算依据。混匀并分别调节至最大田间持水量的40%和100%后培养105天，培养温度模拟双季稻区稻杆还田的田间实际温度，分别设定为15℃和35℃。塑料袋封闭并保留小口以保证气体交换及减少水分散失，同时以不加菌剂作为空白对照，所有处理重复3次。试验所用土样需在25℃恒温箱中黑暗条件下好氧预培养7天，用来恢复土壤微生物活性。试验过程中每隔3天采用称重法调节土壤含水量。本试验共16个处理，包括温度条件(15℃、35℃)、水分条件(40%WHC、100%WHC)、氮素类型(U、M)和微生物腐解菌剂添加与否(+、-)四个因素，采用完全随机设计。

培养试验开始后，分别于第0、1、3、7、15、30、60、105 d破坏性采样测定土壤可溶性有机碳(DOC)，第0、30、105 d破坏性采样测定土壤总有机碳(TOC)含量。与上述处理相同，以密闭好氧培养(NaOH吸收)气室法开展呼吸培养试验，并分别在第1、3、5、7、10、13、17、22、28、38、53、74、105 d置换CO2吸收液，动态监测秸秆分解过程中CO2释放速率及累积释放量。

1.3 测定方法

植物秸秆中碳和氮含量的测定同土壤中有机碳和氮的测定方法，分别采用高锰酸钾-硫酸外加热法和全自动凯氏定氮法。可溶性有机碳采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提(土水比1 ∶5)，往复震荡仪上振荡30 min，尔后4000 r/min离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜后用总有机碳/总氮分析仪(Multi N/C 3100, Analytic Jena, 德国)测定。呼吸试验中，CO2吸收液用1 mol/L 的BaCl2溶液沉淀后，采用0.5 mol/L 标准盐酸溶液滴定。

1.4 数据分析及绘图

试验数据采用Microsoft Excel 2003处理；各处理间的差异性和相关性分析分别采用SPSS 16.0软件的t检验(Student′sttest)和皮尔逊双尾相关性分析(Pearson 2-tails test of significance)进行；图形制作采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆分解过程中CO2-C的释放动态

添加稻秆使CO2释放速率迅速增加并在短时间内达到最大值： 15℃条件下在培养第5 _ 7 d达到峰值，35℃条件下几乎仅培养1 d就显现了最大释放速率；相同温度条件下，100%WHC条件下释放速率最大值也较大(图1上)。达到峰值后，随培养时间的延长CO2释放速率快速下降，至第28 d时多数处理已降至相当低水平。整个培养周期内，CO2释放速率都存在100%WHC > 40%WHC的规律，尤其在培养53 d内这种差异达到显著水平(P<0.05)；相同水、温条件下(尤其是水分)，培养7 d后，猪粪处理中释放的CO2显著高于尿素处理。添加秸秆促腐菌剂的处理中CO2释放速率平均要优于不加菌剂处理。

图1(下)为水稻秸秆添加后黄泥田中CO2累积释放量的动态变化特征。以CO2累积释放量表征的土壤累积呼吸量在整个培养周期内均呈现100%WHC>40%WHC的规律，且两水分处理间的差异达到极显著水平(P<0.01)；不论何种氮素添加，低水分含量环境中土壤CO2释放量相对较少，而若在这些处理中添加微生物促腐菌剂，均能显著提高CO2释放总量(P<0.01)。同时，35℃处理中的土壤累积呼吸量在各取样期均比15℃处理更大(P<0.01)，28 _ 38 d内辅施菌剂对CO2的累积释放也会有显著提升作用。总的来说，至培养结束时，不同处理间CO2累积释放量的动态变化大致呈现的一致趋势为： 高温、高湿及猪粪添加情况下可促进秸秆腐解，从而释放较多CO2(如35℃条件下100%WHC-M+与100%WHC-M的两个处理)。若以CO2释放量占总外源投加碳量的百分比进行计算，各处理在培养的第7、28和105 d内以CO2释放形式分解的所添加总碳量的变幅分别为1.06%_20.7%、2.97%_38.4%和6.58%_55.9%，其中显现最大分解率的处理为35℃、100%WHC条件下施用尿素的处理，而显现最小分解率的处理为15℃、40%WHC条件下不加菌剂的两种氮肥处理(表1)。 若将整个培养周期内(105 d)的累积释放CO2量作为100%计算，则培养的前7 d和28 d所释放的CO2量分别即可达到9.96%_39.0%和28.0%_71.6%，两个时间点以35℃下100%WHC-U+处理中最大，15℃下40%WHC-M处理中最小(表1)。

注(Note): WHC—田间最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌剂都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加猪粪 Adding manure；M+—猪粪、菌剂同时添加 Adding both manure and inoculation. 同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

2.2 秸秆分解过程中DOC含量的动态变化

在整个培养周期内，土壤中DOC的最大含量基本上出现在培养初期，随培养时间的延长而降低，培养15 d内，相同水分条件下，各处理间DOC含量的变化趋势相似。在整个培养周期内，35℃处理下土壤中DOC含量普遍低于15℃处理(图2)，培养0、1、3、7和60 d时差异达到显著水平(P<0.05)。与加入尿素相比，加入猪粪土壤DOC含量更高，两者差异均达显著水平(P<0.05)，但差异由培养初期的60 mg/kg逐渐降到培养末期的30 mg/kg左右。两个培养温度下，整个培养周期内40%WHC处理中土壤DOC均显著高于100%WHC处理(P<0.05)。添加菌剂与否对土壤中DOC的含量变化无实质影响。综合土壤湿度、培养温度、氮素来源和添加菌剂因素，高温培养土壤DOC含量较低，添加尿素和高湿土壤条件下，土壤中DOC的含量会更低。

2.3 秸秆分解过程中总有机碳(TOC)的动态变化

分别于培养第0、30 和105 d采样测定秸秆分解过程中土壤TOC含量(表2)，各试验处理土壤TOC含量随培养时间的延长而渐少，但在采样的三个时期均远大于初始水平(11.0 g/kg)。三个时期取样测定结果，最大值均出现在15℃、40%WHC条件下施用猪粪的处理中，最小值则在35℃、100%WHC条件下施用尿素的处理中(P<0.05)。

105 d时各试验处理条件下土壤TOC的净增量如图3所示，无论添加尿素还是猪粪，35℃、100%WHC条件下土壤TOC净增量最小(P<0.01)。猪粪处理土壤TOC净增量高于尿素处理，添加菌剂后，土壤TOC净增量均减小。

注(Note): WHC—田间最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+ —尿素和菌剂都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加猪粪 Adding manure；M+—猪粪、菌剂同时添加 Adding both manure and inoculation. 同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05) Values followewd by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

计算加入物料后0_30 d、30_105 d和0_105 d有机碳的净损失量(NET0-30、NET30-105及NET0-105)可知，秸秆促腐菌剂加入量对土壤TOC的净增量与净损失量影响差异不显著。不同温度处理和不同水分处理在分解前期(0_30 d)和后期(30_105 d)差异均显著，但整个培养周期内(0_105 d)差异不显著。不同氮源间在前期(0_30 d)显著，但后期(30_105 d)差异不显著，但整个周期内依然显著(表3)。TOC净增值和净损失量在不同水分及氮素处理间也存在差异，特别是不同水分处理的差异在各时段均达到显著水平。

注(Note): S30、S105分别指土壤有机碳在30及105 d后的净增量Net increment of TOC after 30 and 105 d of incubation; NET0-30、NET30-105、NET0-105分别指物料加入后土壤TOC在0_30、30_105 d 以及整个培养周期(0_105 d)内的净损失量Net loss of TOC within incubation period of 0-30, 30-105 and 0-105 d;n=48；*—P<0.05；**—P<0.01.

3 讨论

土壤微生物在有机质分解中起主导作用[7]，秸秆还田后腐解过程很大程度是微生物作用下的生物化学过程。土壤呼吸速率与温度间的相关关系(R2= 0.308**)证实，高温易激发高CO2释放速率[9]，温度主要影响微生物细胞的物理反应及生物化学反应速率[15]。有研究将土壤在一天内的CO2排放速率与气温进行曲线拟合，发现CO2排放速率以抛物线形式响应气温变化，拟合效果达到显著相关水平[22]。同时，微生物活性与土壤水分状态关系紧密[8-9]，且本试验呼吸速率、呼吸总量与水分也存在很好相关性(R2= 0.469**,R2= 0.787**)。有研究表明土壤水分含量在60%_80%WHC时，有机质矿化作用最强烈[19]；干湿交替影响土壤通气并产生好氧厌氧交替状况，形成更丰富微生物多样性[16]。若土壤水分含量较低，可导致土著微生物活性较低，进而导致秸秆在田间的腐解进程和培肥效果受到抑制，这与本试验中40%WHC条件下的变化一致： 同水分条件下，猪粪易释放出较多CO2，而40%WHC条件下配施猪粪处理中释放的CO2比100%WHC条件下配施尿素的处理少，说明是低水分含量而不是氮素种类限制了微生物的代谢。100%WHC条件下配施猪粪处理在培养末期显现了最大CO2释放量，这或许与猪粪中氮被缓慢利用有关。

徐明岗等[23]认为土壤活性有机C、微生物量C和DOC与TOC相比可以更客观地反映土壤质量和土壤肥力状况。土壤中的DOC是有机物转化和微生物代谢活动的中间产物，是土壤有机碳库中最活跃的组分之一，与土壤生态系统中有机碳的迁移、固持和CO2的释放有密切联系[24,26]。本试验中，DOC释放的变化规律与之前的报道相似[24-27]。随着培养试验的延长，本试验土壤中DOC含量显著降低，这与赵满兴等人对不同地域农田和林地土壤好气培养的研究结果一致[26]，原因是培养起始阶段微生物的大量繁殖消耗。尿素处理DOC要比猪粪处理减少得快，可能是猪粪初期带来更多丰富的水溶性有机碳(对应处理有较大的初始值)；尿素能为腐解菌群短时间内利用生物有效性碳提供更多容易利用的氮素。同时，尿素处理和猪粪处理之间的差异随时间延长而减小，说明氮素种类对DOC的影响逐渐减弱。本试验中，40%WHC条件下DOC含量显著高于100%WHC条件下，或许说明40%WHC条件下DOC未被大量利用，低土壤水分成为微生物活动限制因子，这与上述对CO2分解释放的影响相似。水分对代谢活动至关重要，但也有研究报道DOC浓度与培养温度或土壤水分含量等并不相关[28]。

秸秆促腐处理可利用腐解菌剂中富含的功能微生物，利用秸秆中的碳源大量进行自身繁殖[2]，增加土壤微生物群落的功能多样性和活性，加快还田秸秆腐解进程。本试验结果表明，外源秸秆促腐菌剂的添加确实激发了土壤呼吸作用，提高了秸秆腐解及其过程中的CO2释放，且这种提升作用在低水分环境中更为显著，如15℃、40%WHC条件下不论施用何种氮肥，释放速率都显著提升(图1)，同时各时间点40%WHC条件下所有处理CO2释放量占碳总投入量的比例也显著提升(表1)。不论哪种氮肥，添加菌剂使15℃和35℃时40%WHC条件下所有处理的CO2释放量在整个培养周期内，尤其前28 d显著升高(P<0.05)，这也是外源有机物料施入土壤后环境因子对外源有机C影响最大的前期快速分解阶段[14,29]。100%WHC条件下仅在15℃施用尿素时促腐菌剂作用才得到显著发挥，其他处理的提升效果均不显著。而秸秆促腐菌剂对于TOC的各变化量，如S30、S105、NET0-30、NET30-105和NET0-105等的影响却几乎检测不到显著性。因此，土壤有机碳含量值只是矿化分解和合成固定之间动态平衡的结果，不能很好地反映土壤有机碳的质量。但本试验证实，秸秆还田对土壤有机碳的恢复与累积有正面效应，这应得益于水稻土本身团聚体发育形成对有机碳的物理保护以及微生物对碳的低利用率[22]。试验中较高的温度、水分条件、合适的氮源以及微生物引入导致土壤TOC消耗。培养末期(105 d)各处理，尤其35℃、100%WHC条件下TOC含量相当(表2)，表明在一个较长的周期内，氮素来源的影响不明显(表3，NET30-105)，时间可能是控制土壤TOC的唯一因素[29]。

一般认为秸秆分解初期释放CO2，从而大量损耗碳；之后微生物繁殖开始利用秸秆中含碳组分作碳源，引发分解强降解能力微生物的发育[5]；后期残体只剩下木质素等难分解化合物。所以碳循环是动态的，在土壤中既有分解又有合成[5]。图4显示了整个培养周期内秸秆碳素在不同处理下的分配比例。以CO2形式释放与TOC形式固存的两种碳量之和在35℃时相近，但在两水分水平上表现相反，40%WHC倾向固定为TOC而100%WHC为更多CO2释放；35℃、40%WHC与15℃、100%WHC相比CO2释放更少，TOC固定更多，说明分解过程中水分应起到的作用更大，与前面图1和表3中的结果一致。100%WHC条件下施用尿素处理中新加入物料碳得到最大程度的分解，尿素含有丰富的微生物有效性氮源，因此，辅施尿素可推荐为田间环境下短时间内加速还田的水稻秸秆腐解的举措；而施加猪粪的处理有较小的分解比例，同时固碳并提升了土壤有机碳含量。此外，土壤呼吸速率达到极值(约28 d)后立即迅速降低，这与土壤中DOC含量在22 d内降至较低的结果相对应。大量研究结果证实，CO2释放速率与DOC浓度呈现极好的相关[27-28]，比如Chou等对农业草炭土壤的培养试验中发现CO2释放速率与DOC浓度间呈线性相关并且有赖于温度和水分含量变化[27]。将所有取样期的呼吸速率与DOC浓度进行线性拟合(表4)，同样发现在几乎所有处理中都有显著的相关关系，证实土壤微生物在培养周期内，尤其分解前期是以DOC为基质参加代谢活动的。

注(Note): WHC—田间最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌剂都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加猪粪 Adding manure；M+—猪粪、菌剂同时添加 Adding both manure and inoculation.

4 结论

1)总的来说，高温、高湿环境条件下显示较大CO2释放量、较少可溶性有机碳含量及较少总有机碳固持；而相比速效尿素，添加猪粪后出现较多可溶性有机碳及较多总有机碳固持；促腐菌剂的添加促进了各处理CO2形式的释放，但由于低水分含量条件下显著激发了CO2的释放，其添加可能不利于土壤固碳。

2)若忽略温度因素的影响，水分对碳素各形态的转化起到更大作用，辅施氮肥类型差异的影响是随时间延长而逐渐弱化或消失的，因此在不同温度制度下的生产实践中具体操作时，应更关注对水分的调控，其次才是氮肥的选择。

3)施用尿素处理得到更大的物料分解比例，而施用猪粪处理有显著较大物料分解量(CO2)和总有机碳固持量，因此在加速还田秸秆快速腐解时，对于氮肥品种的选择应综合考虑不同氮肥辅施后的效应，包括短时期内最大化的腐解、温室气体释放及土壤有机碳含量提升等。

4)在华中低产黄泥田双季轮作稻区，推荐采用以下田间优化管理措施，实现还田秸秆快速腐解的同时又确保最大化土壤培肥固碳的双效目标，即早稻还田时气温高周期短，建议侧重快腐，推荐保持100%WHC，将 辅施适量尿素， 并配合添加秸秆腐解菌剂的田间管理措施；晚稻还田时气温低周期长，建议侧重固碳，推荐保持40%WHC并辅施缓效猪粪的田间管理措施，对农田总有机碳提升有利。

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Effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of carbon under controlled conditions

SU Peng, FU Yu, HE Yan*, XU Jian-ming, WU Jian-jun, WU Liang-huan

(CollegeofEnvironmentalandNaturalResourceSciences,ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSubtropicalSoilandPlantNutrition,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

【Objectives】 To study the effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of soil carbon (C). 【Methods】 We investigated impacts of moisture content [40% vs. 100% of water holding capacity (WHC)], N fertilizer [urea(U) vs. pig manure(M)], and supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula on the decomposition of straw residues and soil C transformation using a low yield yellow-paddy soil in double rice cropping area, central China. A controlled laboratory experiment was conducted in two temperature (15℃ vs. 35℃) regimes with a total incubation period of 105 days. During the period, CO2, dissolved organic carbon (DOC) and total organic carbon (TOC) were monitored periodically. 【Results】 In general, under both temperature regimes, the CO2release rate and cumulative CO2emission were in a order of 100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U. Those treatments added with manure were higher than with urea, those treatments under 100%WHC were always higher than those under 40%WHC (P< 0.01), regardless of N fertilizer, in which microbial inoculation significantly improved CO2emissions. On the contrary, DOC contents of treatments under two temperatures followed a sequence of 40%WHC-M > 40%WHC-U>100%WHC-M > 100%WHC-U, namely DOC contents detected under condition of 40%WHC were significantly higher than 100%WHC (P< 0.05), and treatments with manure had higher DOC contents than those with urea but accompanied by a decreasing difference between them. Material decomposition ratio during the 0-7 d, 0-28 d and 0-105 d, which were calculated by CO2release, showed the maximum value in 35℃-100%WHC-U while the minimum value in 15℃-40%WHC-M. Additionally, TOC contents and net TOC increment were the least in 35℃-100%WHC-U (P< 0.01) while the largest in 15℃-40%WHC-M (P<0.01); net TOC increment and net TOC loss were different in different moisture contents (P<0.01) and nitrogen (P<0.05) when incubated under the same temperature, in particular the early stage, and microbial inocula generally reduce TOC content; CO2release rates were significantly correlated to DOC contents in all treatments (P<0.05). 【Conclusions】The water content showed the greatest effect on C transformation, followed by N fertilizer, of which the effect was reduced over time of straw returning; high humidity was more conducive for facilitating the decomposition of straw residues as compared with low humidity, and also caused relatively lower DOC content and TOC immobilization. Application of pig manure could enhance the content of DOC and the immobilization of TOC in soils. Moreover, supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula generally accelerated the decomposition of straw residues, but this might be a drawback for C sequestration if at 40%WHC since the addition stimulated a significant release of CO2. Therefore, the coupling management of keeping 100%WHC incorporated with application of urea and microbial inocula was suggested as the best management practice (BMP) during the field-returning period of early season rice straw, with emphasis to stimulate the decomposition of straw residues as soon as possible since the temperature was usually high and the time provided for decomposition before the sowing of late rice was usually short. The coupling management of keeping 40%WHC incorporated with application of pig manure was suggested as the BMP during the field-returning period of late season rice straw, with emphasis to promote soil C sequestration since the temperature was usually low and the time provided for decomposition before the sowing of next early season rice was usually enough.

carbon transformation; coupling management of water, temperature, N fertilizer and microbial inocula; facilitated decomposition of rice straw; low yield paddy soil; improvement of soil fertility; soil carbon sequestration

2013-11-04 接受日期： 2014-05-22

国家公益性行业(农业)科研专项项目(201003016)； 国家重点基础研究发展973计划项目(2011CB100502)； 国家科技支撑计划课题(2012BAD15BO4-2)联合资助。

苏朋(1988—), 男, 山东肥城人, 博士研究生, 主要从事土壤化学与环境方面的研究。E-mail: supervtu@163.com * 通信作者 Tel: 0571-88982065, E-mail: yhe2006@zju.edu.cn

S141.4

A

1008-505X(2015)01-0001-11