全 文 ：第 8卷 第 2期
2 0 0 0年 6
生 态 农 研 究
Eco agriculture Research
黄土高原旱塬农田生态系统碳氮循环特征 *
4 一 々6
徐 炳 成 梁银 丽 。 5li_ I
c 国籍事 而
摘 要 以黄二高原南部长武试区的典型旱塬农 田兰惠系坑为研究对象，运用 DNDC犊 型舟析其
麦田在 4种处理1=连续 6正的璀(c) 氧(N)循环特征．经与 已 试验结果 宴 ￡-数据} ．验l r了
该 横 里 的适 刷哇 ，并提 出 丁该 匡舨 业 戋 展 I々王 要措 箍 ，
关键词 长武试 区 DNr 馍型 麦田生态糸坑 C、N 糟
Carbon and nitrogen cycling characteristics of 巍 。
No 2
2 0 u 0
Bingeheng，Liang Yinll(Institute of Soil and W aier Conservation，CAS 8nd M inistry of W ater Re—
source~，Yangling 712i00)，EAR，2000-8(2){42～ 46
Abstract Taking the typical farmland ecosystem of Changw u Demonstration Area in the~otlth
I．oess Ptateau as the study object，based on the DNIXTM(Denitriflcation decomposition)mode[．the
carbon and nitrogen cyeling eharacCeristics of wheat field ecosystem in four difJerent treatments
through successive s Lx years were anai~ ed．And also by com paring the data calculated from the
m odel with known experimental resu]~s and pracfica[m easuring data，it was preliminarily ve rified
that the model was applicable．O n the basi~of these，the main m anagements for agricultural deve[
opment in the future weFe proposed in the area
Key words Changw u demonstration area，DNDA "model-W heat field ecosystem ，C bon and nitro—
gen eye】ing
1 研究内容与方法
试验于中国科学院水土保持研究所长武试区进行，该 区位于陕西省长武县．属黄上高原南
部沟壑区．海拔 1200m，年均降雨量 584．1mm，平均气温 9．1 c，属典型暖温带半湿润大陆性气
候 ，地下水埋深 jo～80m，农业生产全部依赖天然降水，属典型旱塬旱地农 业，农田系统水分缺
乏 ，故降雨量对农田生态系统彬响较大 该 区农业生产经营方式较单一．农田系统中物质投入
较低且结构不合理 ，光 、热 、水、肥等资源综合利用低 通过对农 田生态系统的碳(cj、氯(N1循
环特点分析．扶系统生产力形成机制方面揭示其结构特点 ，为提高该区农 业生产力．增强系统
稳定性提供理论依据 。
以长武试区占农 田 8O 以上种植面积 的小麦农 田生态系统为研 究对象 ，分析其 ( 、N循
环 特征 设施纯N12Okg／hm ‘I)、施有机~．5000kg．／hm (I)、施纯N1 20kg／hm 及有机肥
· 九五 中国科 院蓐 项 日和特别直持项 目 同资肪
收稿 日期：1 999一o3—08 改回口期：2000—0l】4
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第 2期 徐炳成等 ：黄土高原 旱埽农 L{J生态系统碳瓤循环特征 43
5000kg／hm (Ⅲ)和 不施 肥 为对照 (CK)4个处理
DNDC(Denitrification—decomposition)模型是研究农业生态系统中 c、N生物地球化学性
质的一般模型，是土壤 c、N生物地球化学过程的模拟模型．包括土壤气候、反硝化、分解和植
物生长 4个相互作用子模型。模型中土壤有机碳(SOC)存在于植物残余物或枯落物、微生物
体、活性腐殖质和非活性腐殖质 4个库中。各库有 1个或多个 ：同性质的子库 ．各子库中 Et分
解速率受库大小、子库本身特定分解(sDR)或每 日裂解损失、土壤中粘 士含量和可用 N量、土
壤温度和湿度及其在土壤剖面中的深度控制 当各库中的土壤有机碳分解时，部分 c转移至
另 1个土壤有机碳库中，部分被微生物 同化．部分转化成 CO ．部分可溶性碳在分解过程中变
为中间产物并被土壤中微生物迅速消耗掉；同时被分解的部分 N与分解的 c转移至另 1个土
壤有机碳库中，部分被矿化成氨态氮后又被硝化．自由态铵库与土壤吸收的氨态氮库和溶解态
铵 (NHf)相等，氨(NH )的大气挥发受土壤温度、进度和土壤水中 NH 量的控制 降雨时 自
由态的 NH2与 () 随土壤水分运动而淋溶至土壤深层．且反硝化过程也随之开始(消耗)。土
壤剖面中 NO：7和 NH 的分布是植物生长季 节中决定植物 NH 吸收速率的主要因子t模型假
定不同深度土层产生的 c0 当其产生时便流向大气。
2 结果与分析
2．1 旱塬 麦田生态系 统 c 循环特征
同年不同处理麦田生态系统 C循环特征。由衷 】可知，相同年份不阿处理对麦田 c循环
各组分均影响较大，其中土壤有机物库中 总含 C量表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 I 2>s4照 ．
表明 N肥与有机肥同时旋用有利于土壤中 c积累 ．1丽在单 一施肥条件下 ，单施有机肥较 N肥
更有利于 C循环中总吉 C最部分的增加 另外 ，有机肥输入为处理 Ⅱ≥处理 Ⅱ≥处理 I≥对
照 ．表明其受 N肥影响较小，而受有机肥影响较明显 枯落物输 入与根的输入总体上均表现为
处理 Ⅱ>处理 1>处理 Ⅱ>对照．表明 N 肥施用使作物非经济产量部分的 c积 累增大 ．而
1991年与1 993年表现为处理 Ⅲ>处理 Ⅱ>处理 I>对照 ．表 明与 1 9 91年和1 993年 降雨量
表 1 长武试区麦田生 态系统 4种处理 c循环特征(1988~1993)
Tab．1 The Carbon cycling characteristics of wheal field ecosystem under four diffe rent
dealing through successive six years in Changwu Demonstration Area(1 g88～ 1993)
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生 态 农 业 研 究 第 8卷
较小有关【分别为 368mm和 538．3mm)．在较 干旱条件下，施用有机肥有利于植株茎秆与根部
的c累积 在 C循环的输出部分．土壤中 CO 的释放表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 l>对照．
表 明有机肥的施用能促进土壤中CO。的释放 ，这可能与改善其理化性质有关 ；根部 cO。的释放
表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 I>对照．表明 N肥的施用能提高根系的呼吸作用．增强根系
活性 ，加快 C的代谢。腐殖质淋溶损失在各处理问除与年降雨量呈正相关外无其他表现趋势
不同年份相同处理麦 田生态系统 C循环特征 由表 1可知 ，对 照处理土壤有机物总含 C
量逐年降低，而处理 I无明显变化趋势 ，处理 Ⅱ、Ⅱ则表现上升趋势，表明对照处理土壤有机物
总含 C量中的 C逐年降低 ，而施用有机肥有利于 C在其中的累积。有机肥输入部分在相同处
理下各年间无显著差异 ，仅在总量上比不施有机肥有所增加。枯落物输入与根的输入同一处理
下年际变化较小．同样腐殖质的淋溶损失也未表现较好的规律性 ，仅与年降雨量相关。
C循环总量与各处理及年份变化的关系。据 DNDC模型假定．不同深度根系产生的 CO
一 经产生便全部流向大气 ，无气体扩散过程 ．根
部 CO 释放为全部输 出部分 ，同时 甲烷 (cH )
释放与杂草输入皆为 0，由此得到 c循环总量
(见图 1) 由图 1可知．同一年份 的不同处理
下 ．c循环总量为处理 Ⅱ>处理 I>处理 I>
对照．各处理 表现趋势不同，除单蓖 N处理较
平稳外，对照处理总体上 c循环总量下 降，而
处理 I、I则呈上升趋势；对照处理与处理 I～
Ⅱ相 比，在 c循 环总量上较接近．且均显著高
于处理 I
!
霪i
圉 1 不同处理下 c循环总量模拟
结果随年际变化的关系
C循环特征分析 C循环 量随有机肥长 Fig．1 The imulated It f the㈣ bon cycting
期施用而增大 ，且表现在循环强度上 ，尤其在干 total al~ount along with the year changing
早年份有机肥施用有利于植物根及枯落物 中C的代谢和改善土壤理化性质 施用N 肥有利于
根系呼吸 ．但对 C循环总量无显著贡献，单施 N肥对 C代谢贡献小于单施有机肥。对旱塬农 田
而言，年降雨量对 C代谢影响较大 ，而施用有机肥可降低其损失。
圉 2 不同处理下土壤有机物总量 中
N含量组分模拟结累的卑际变化
Fig 2 The simu]ated resu]ts of the total N in the
soil oganic matter along with the year changing
2．2 旱塬 麦田生恋 系统 N循环 特征
不同年份相同处理 间 循环特 点。由表 2
可知 ，对照处理 N 循环随年际变化 ，土壤有机
物总量逐渐降低 ，表明不施肥处理农田中 N含
量逐渐降低，而处理 I～ Ⅱ土壤有机物总量均
逐渐上升(见图 2)，表明 N肥和有机肥的施用
均有利于土壤有机物总量中的N 累积 雨水中
N的沉积与腐殖质淋失的 N 在数量上无明显
趋势 ，但与降雨量呈正相关 其他各项本身亦
无较明显规律，但总体均与年降雨量相关
同年不同处理 间 N 循环特点。由表 2可
知，不同处 理对N循 环中各部 分影响较 大 ，且
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第 2期 徐炳成等 ：黄土高原旱塬农 田生态系统 碳氨循环特征
表 2 长武试区麦田生态系统 4种处理 N循环特征(1988~1993)
Tab．2 The nitrogen cycling characteristics of wheat fie Ld ecosystem under four ditterenr
dealing through sHcces~ive six years in Changwu Demonstration Area(1988~ 1993)
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表现形式不同，土壤有机物总含 c量和无机氮库均表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 I>对照。
枯落物输入与根的输入 (1991年 、1993年除外)均为处理 Ⅲ>处理 I>处理 I>对照 ．表 明有
机肥与 N肥均有利于植株体的 N累积，而单施 N肥更有利于其增加 ；在干旱情况下枯落物与
根系中 N 的循环量降低 。腐殖质淋失总体表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 l>对照。可淋失的
N表现为处理 Ⅲ>处理 I>处理 Ⅱ>对照 ，表 明有机肥可使土壤中可淋失的 N增加 ．单施 N
肥比单施有机肥对其贡献大。作物吸收的 N或 杂草吸收的 N均表现为处理 Ⅲ>处理 】>处
理 Ⅱ>对照，即随着 N肥的施用 ，农 田中植物与杂草对 N 的吸收量也相应增大。CH 挥发表现
为处理 Ⅲ>处理 【>处理 I>对照，表明 N肥的施用使 N 的氨态挥发加大 。其他部分无明显
趋势 ，但总体上其绝对值均 处理 Ⅱ最大
N循环特征分析。农 田中N循环受年降雨量影响较大；有机肥的施用有利于改善 土壤理
化性质，有利于加大 N循环总量与强度 ；单独施用 N 肥能够加大各部分的 N循环强度，但同
时也造成不磐要的损失。
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46 生 态 农 业 研 究 第 8卷
3 提高旱塬农田生态系统 c、N循环途径
与中国科学院水土保持研究所氮素基金组对黄土高原 土壤 植物系统 N素循环的研究结
果 比较表明，理论结果与实测结果基本 吻合。研究表明，c、N作为植株体重要组成元素．其
循环强度及其含量大小对农业生产有非常重要的作用 为提高农 田中 C、N循环，应采用平衡
施肥技术，混合施用有机肥与无机肥 ，改善土壤环境 ，增加土壤有机质含量 ，保持土壤肥力正常
循环}应采用秸秆还 田技术 ，改善土壤状况，促进农田生态系统 c、N代谢 ；应采用节水灌溉技
术 ，减少水分缺乏对作物生 氏造成的影响，提 高土壤有机质和 N的含量 ，保持土壤肥力。
参 考 文 献
1 桨银丽，从心簿，张俊心．有机 肥对 1‘旱年份小麦 产的调控 长武农业生态 系缱结掏 、功能厦嘲托 原理与技 术
北京：气象出版牡 ，1 998
2 西北水土像持研究所担索基证组．黄 t高原 i 壤 植蜘 系统氯索循环研究 十旱地区表姐研 ．1 【f 3) 卜 I c：
3 银丽 有机肥对旱地表 持皱发展的雨 性机理探¨ 水 t傈持通报 ． 998，18(7)；87～70
4 党廷辉，郝明穗 ，亭 青、彭 琳 定位施肥埘 J 剖皤养分的髟响．水土保持通报．1995，1j(6)28—33
5 1．I Changsheag．Steve Frulking．TI)D A．Frclking A ~odel l1{nitrou~oxide evolution from soiI driven by rain~
e⋯ rs lournal of Geophysk aI Resea~h， 、F~7tD9 9759～ 9783
我 国首批 国家级 生态示范 区命名
建设生态示范区是实施可持续发展战略的重要举措 ，是解决 当前我国农村生态环境问题、
实现 区域经 济社会 与环境 保护协调 发展 的有 效途径 。1 995年 以来全 国先后 建立 了 1 34个省 、
地 、市 、县级规 模的 生态示 范区建设试点 。在各省、自治 区、直辖市环境 保护局 的指导和 帮助 下 ，
各 试点地 区 党委、政 府 高度 重视生 态示 范区建设 jz_作 ，按 可持 续发展 战略 要求 ．精心 编 制和 实
施生态示范区建设规 划 通过生态示范区建设 ，一些试点地 区积极调 整产业结构．寓环境保护
于经济社会发展之 中，发展适应市场经济的生态产业．探索建立 了多样化生态经济模式，取得
了良好 的经济 社会 和环 境效 益 ，推动 了环境保护 基泰 国策的贯 彻落实 ，初步 实现 了经济 、社 会 、
生态的 良性 循环 和协调 发展 j目前经 国家环境 保 护总局 通过验 收命名 了北京市 延庆 县等 33个
县、市、地 区为国家级生态示范区：北京市延庆县，内蒙古 自治区敖汉旗，辽宁省盘锦市、盘山
县、新宾县、大连市金州区、沈 阳市苏家屯区，吉林省东辽县、和龙市，黑龙江省拜泉县、虎林市、
庆 安县 、黑 龙江省农 垦总局 29l农场 ．I工苏省 扬 中市 、大 丰市、姜 堰市、江 都 市、宝应县 ，浙 江省
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