农作物收获后留在土壤中的根茬是农田生态系统有机碳的主要来源,在保持农田有机质平衡、培肥地力方面具有重要作用。肥料施用在提高作物产量的同时,也会影响光合产物在地上及地下部的分配。一些学者已研究了施用不同肥料对作物根系还田生物量的影响,但对不同施肥处理下根系化学组成的研究相对较少。氮肥是农业生产中施用量最多的肥料种类,其施用是否会影响根茬的化学组成,进而影响其在土壤中的分解速率和养分循环,尚少见报道。本研究提出的科学假设是,施用氮肥一方面会影响根茬归还土壤的数量,同时也会影响玉米根茬的化学组分,进而影响其在土壤中的分解及土壤碳库贮量;不同土层及地点的水热等状况存在差异,会影响作物根茬的分解,进而影响土壤有机碳的累积。因此,本研究主要以长期定位试验不同氮肥用量处理玉米根茬为对象,利用室内培养、田间埋藏试验,结合δ13C自然丰度方法,研究了不同氮肥用量下根茬化学组成、分解特性以及土壤剖面碳库贮量的变化。研究结果对于揭示根系分解在土壤碳循环过程中的作用,促进农业可持续发展和增加土壤固碳等方面具有重要的理论及实践意义。获得以下主要结论:(1)利用黄土高原南部两个长期肥料定位试验(分别进行了21年和8年)研究了不同肥料配施及氮肥用量对0-20 cm土层玉米根茬生物量及养分组成的影响。结果表明,与不施肥对照(CK)及不平衡施肥(包括施N、NK、PK处理)相比,氮磷及氮磷钾与有机肥配合(包括NP、NPK、有机无机配施(M1NPK、M2NPK))和化肥配施秸秆(SNPK)处理玉米根茬生物量干重显著增加;施氮120 kg N hm-2(N120)和240 kg N hm-2(N240)较长期不施氮(N0)处理分别提高根茬干重38%和45%。一季玉米根茬的固碳量及氮、磷、钾养分累积量也在NP、NPK、M1NPK、M2NPK、SNPK以及N120、N240处理中显著高于其他施肥处理,其中以有机无机肥料配施效果最好。NPK平衡施肥及秸秆配施(SNPK)的根茬可溶性有机碳比例较高;氮肥施用能够显著增加根茬可溶性总氮的比例。NP、M1NPK处理根茬纤维素、木质素含量最低;CK、PK和N0处理根茬C/N、木质素/N比显著高于其他施肥处理。可见不同肥料配施及施用量不仅显著影响玉米根茬的生物产量,同时也影响其化学组成。氮磷配施、氮磷钾平衡施肥、有机无机配施及秸秆还田处理能够显著提高根茬残体还田量和养分累积量,对土壤培肥和固碳具有积极意义。(2)通过室内培养试验,研究了长期定位试验田3种施氮量处理(0、120和240 kg N hm-2)的玉米根茬(R0、R120、R240)在不同土层土壤中分解及其对土壤活性碳、氮组分的影响。结果表明,与长期不施氮肥根茬R0相比较,R120和R240的全氮含量显著增加了90%~104%;C/N比降低43%~50%,为R0>R240>R120。根茬按2%比例(w/w)与土壤混合后培养105 d,R120和R240的CO2累积释放量显著高于R0,而前两者之间差异不显著;根茬CO2累积释放量与其C/N比呈显著负相关关系。在15 cm和45 cm土层土壤中培养后R0、R120、R240根茬的碳矿化率分别为33%、40%、38%和22%、32%、29%,3种施氮根茬之间差异显著;上层土壤中(15 cm)的根茬碳矿化率较下层土壤(45 cm)高26%~52%。添加根茬处理的土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量较对照土壤显著增加,施用氮肥处理根茬R120和R240加入能够显著提高培养起始阶段土壤的矿质态氮含量。可见,氮肥用量影响了玉米根系养分组成,进而影响其在土壤中的有机碳矿化释放特性。(3)通过田间网袋埋藏试验研究了长期不同氮肥用量处理玉米根茬(R0、R120、R240)在杨凌塿土15 cm和45 cm土层中的分解动态。与长期不施氮肥根茬R0相比,R120和R240干重分别显著增加了64%和69%,木质素/N比降低了51%~57%。分解386 d后,R0、R120和R240根茬的有机碳残留率在15 cm土层中分别为36.3%、25.2%和28.7%;在45 cm土层分别为38.4%、30.6%和31.1%。根茬碳残留率与其木质素含量、C/N比、木质素/N比呈正相关关系;与根茬全氮含量负相关。与添加R0根茬相比,添加R120和R240根茬的土壤矿质态氮提高了23%~37%。与对照土壤相比,添加玉米根茬处理的土壤微生物量碳及可溶性有机碳含量分别增加了143%~297%和20%~118%。说明氮肥施用影响根茬在田间土壤中的分解,施氮后根茬分解率有所提高;由于施用氮肥后根茬生物量显著增加,其残留在土壤中的有机碳较多。(4)研究了长期不同施氮处理玉米根茬(R0、R120、R240)在长武黑垆土中埋藏分解1年对土壤碳、氮含量的影响及其分解特性。与对照土壤相比,添加根茬处理显著增加了各土层土壤微生物量碳、可溶性有机碳和矿质态氮含量。分解1年后,R0、R120和R240根茬在15 cm土层的有机碳残留率分别为44.4%、35.3%和34.9%;在45 cm土层中分别为53.3%、44.3%和42.5%。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,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、2.3、1.9年。随着分解时间延长,土壤可溶性有机物中结构相对复杂的组分逐渐增加。因此,在评价氮肥施用与土壤固碳影响时应考虑施氮对根茬养分组成及其分解特性的影响。(5)比较了3种施氮量处理的玉米根茬(R0、R120、R240)与土壤混合后在杨凌塿土、长武黑垆土中埋藏分解1年根茬碳分解差异及其影响因素,并且利用碳稳定同位素δ13C技术,研究了根茬碳分解对土壤有机碳的贡献。结果表明,杨凌地区水、热条件较好,试验期间降水量总和较长武高215 mm;杨凌试验地15 cm和45 cm土层平均温度分别较长武高3.2℃和4.2℃。分解1年后,长武黑垆土中根茬残留碳较杨凌塿土高21%~44%。根茬来源的土壤有机碳比例在塿土、黑垆土中分别为22.4%~44.7%和27.4%~38.3%。在黑垆土中根茬来源的土壤有机碳含量显著高于塿土,3种施氮量根茬来源的土壤有机碳含量差异未达显著水平。可见水、热条件好会促进玉米根茬残体分解;土壤深度、质地、施肥状况等影响有机残体还田腐解与土壤有机碳的更新。(6)以8年定位试验农田土壤为对象,研究了不同栽培措施和氮肥施用量对土壤0-100 cm剖面有机碳、无机碳贮量及其碳稳定同位素比δ13C值的影响。不同栽培方式包括:1)长期休闲(FA),2)常规栽培(CC),3)秸秆覆盖(SM),4)垄上覆膜,沟内覆秸秆(RF);施氮量分别为0(N0)、120(N120)、240 kg N hm-2(N240)。结果显示,在0-100 cm土层中,有机碳占总碳贮量的54%~59%,无机碳占41%~46%。与长期休闲和常规栽培相比,秸秆覆盖(SM和RF)处理能够显著增加土壤剖面的微生物量碳和可溶性有机碳含量,提高表层(0-20 cm)土壤有机碳库贮量10%。0-100 cm土层的无机碳贮量在种植作物(CC、SM、RF)小区较休闲显著增加了19%,在0-60 cm土层差异显著。N120处理能够提高0-40 cm土层有机碳贮量,而土壤无机碳贮量随氮肥用量增加而降低(N240<N120<N0),且N240处理土壤剖面的p H值最低。各处理土壤有机碳δ13C值随剖面深度增加而偏正,无机碳δ13C值随土层深度增加而偏负。长期休闲土壤有机碳δ13C值显著低于CC和SM,高量氮肥施用(N240)降低了土壤剖面无机碳的δ13C值。可见作物有机残体还田和适量氮肥施用能够提高农田土壤剖面的有机碳和无机碳贮量,不同栽培措施和氮肥施用量也影响土壤有机碳和无机碳的δ13C值。