全 文 ：玉米和大豆秸秆还田初期对黑土 ＣＯ２排放的影响
∗
刘四义１，２　 张晓平１∗∗　 梁爱珍１　 贾淑霞１　 张士秀１　 孙冰洁１，２　 陈升龙１，２　 杨学明３
（ １中国科学院东北地理与农业生态研究所， 长春 １３０１０２； ２中国科学院大学， 北京 １０００４９； ３加拿大农业与农业食品部温室与
加工作物研究中心， 安大略 Ｎ０Ｒ １Ｇ０）
摘　 要　 通过恒温培养试验，研究了不同类型秸秆还田后的土壤 ＣＯ２排放特征及其与秸秆 Ｃ、
Ｎ含量的关系，以明晰黑土区不同类型秸秆还田后的分解特征，探明还田秸秆的 Ｃ、Ｎ 含量对
固碳效果的影响．结果表明： 在 ６１ ｄ的培养试验中，土壤 ＣＯ２排放速率随时间呈现出“下降⁃稳
定⁃增大（出现‘较高值’） ⁃下降”的过程．不同类型秸秆还田后土壤 ＣＯ２排放速率随时间变化
的特征存在明显差异，主要体现在“较高值”出现和持续的时间不同．秸秆类型对土壤 ＣＯ２累
积排放量具有显著影响，前 ２１ ｄ和前 ６１ ｄ的土壤 ＣＯ２累积排放量对秸秆添加的响应不同．在
前 ２１ ｄ，玉米根、玉米茎下部、玉米叶、大豆叶的 ＣＯ２累积排放量（约 １６０ μｍｏｌ·ｇ
－１）显著大于
其他秸秆；而除大豆叶外，大豆秸秆 ６１ ｄ的 ＣＯ２累积排放量均比玉米秸秆大．前 ２１ ｄ ＣＯ２累积
排放量与秸秆含碳量的比值（ＣＲ）和秸秆的 Ｃ ／ Ｎ、含氮量之间均呈显著的线性相关；而 ６１ ｄ的
ＣＯ２累积排放量与秸秆的 Ｃ、Ｎ含量之间不存在线性关系．综上，在还田条件下，秸秆类型对土
壤 ＣＯ２的排放有明显影响；大豆秸秆比玉米秸秆容易分解，但与长时间分解不同，大豆秸秆还
田最初阶段的分解速率小于玉米秸秆；秸秆的 Ｃ ／ Ｎ、含氮量只对还田最初阶段的土壤 ＣＯ２排
放有较大影响．
关键词　 秸秆还田； Ｃ ／ Ｎ； 土壤 ＣＯ２排放； 黑土； 土壤固碳
∗国家自然科学基金项目（３１１７０４８３，４１１０１２４１）、中国科学院重点部署项目（ＫＺＺＤ⁃ＥＷ⁃ＴＺ⁃１６⁃０２）、中国科学院东北地理与农业生态研究所“优
秀青年人才基金项目”（ＤＬＳＹＱ１２００３）和中国科学院黑土区农业生态重点实验室开放基金项目（２０１２ ＺＫＨＴ⁃０２）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｘｉａｏｐｉｎｇ＠ ｉｇａ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０９⁃１９收稿，２０１５⁃０６⁃０１接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０８－２４２１－０７　 中图分类号　 Ｓ１５４．３　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ａｎｄ ｓｏｙｂｅａｎ ｓｔｒａｗｓ ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｏｎ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｔ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ． ＬＩＵ Ｓｉ⁃
ｙｉ１，２， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ⁃ｐｉｎｇ１， ＬＩＡＮＧ Ａｉ⁃ｚｈｅｎ１， ＪＩＡ Ｓｈｕ⁃ｘｉａ１， ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ⁃ｘｉｕ１， ＳＵＮ Ｂｉｎｇ⁃ｊｉｅ１，２，
ＣＨＥＮ Ｓｈｅｎｇ⁃ｌｏｎｇ１，２， ＹＡＮＧ Ｘｕｅ⁃ｍｉｎｇ３ （１Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ａｇｒｏｅｃｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３０１０２， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００４９， Ｃｈｉｎａ； ３Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｒｏｐｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ， Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｇｒｉ⁃Ｆｏｏｄ Ｃａｎａ⁃
ｄａ， Ｈａｒｒｏｗ， Ｏｎｔａｒｉｏ Ｎ０Ｒ １Ｇ０， Ｃａｎａｄａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（８）： ２４２１－２４２７．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｔｈｅ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｗｉｔｈ Ｃ ａｎｄ Ｎ ｃｏｎ⁃
ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ａｆｔｅｒ ａｄｄｉｎｇ ｔｏ
ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃ， Ｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ
ｔｈａｔ ｄｕｒｉｎｇ ６１ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｒａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌｓ ａｄｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｉｄｕｅｓ
ｃｈａｎｇｅｄ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ａ ｓｔａｂｌｅ ｌｏｗ ｐｌａｔｅａｕ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎ
ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｏ ａ ｈｉｇｈ ｐｌａｔｅａｕ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ
ｖａｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｄｕｅｓ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｍａｉｎｌｙ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ
ｐｌａｔｅａｕ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ． Ｔｈｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２⁃Ｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｒｅｓｉｄｕｅ
ｔｙｐｅ． Ｔｈｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２⁃Ｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌｓ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｒｎ ｒｏｏｔｓ， ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋｓ， ｃｏｒｎ
ｌｅａｖｅｓ， ａｎｄ ｓｏｙｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ （ａｂｏｕｔ １６０ μｍｏｌ·ｇ－１ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕｅ） ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｇｒｅａｔｅｒ
ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌｓ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ２１ ｄａｙｓ． Ｅｘｃｅｐｔ ｆｏｒ ｓｏｙｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ，
ｔｈｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ６１ ｄａｙ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌｓ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｙ⁃
ｂｅａｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｒｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ． Ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２⁃Ｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏ ｒｅｓｉｄｕｅ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ８月　 第 ２６卷　 第 ８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ａｕｇ． ２０１５， ２６（８）： ２４２１－２４２７
（ＣＲ）， ａｎｄ ｂｏｔｈ Ｃ ／ Ｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ２１ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ， ｂｕｔ
ｎｏｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ６１ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ． Ｏｕｒ ｓｔｕｄｙ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｄｅ⁃
ｐｅｎｄｅｎｔ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅ． Ｓｏｙｂｅａｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄ ｍｏｒｅ ｅａｓｉｌｙ ｔｈａｎ ｃｏｒｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ．
Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｅ ｄｅｃａｙ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｙｂｅａｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｗａｓ ｓｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｃｏｒｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ
ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ． Ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｃ ／ Ｎ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａ⁃
ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｏｎｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｔｒａｗ ａｍｅｎｄｍｅｎｔ； Ｃ ／ Ｎ； ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ； ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ； ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ．
　 　 秸秆还田不仅可以避免其焚烧对大气的污
染［１］，还可以改善土壤环境，增加土壤有机碳含量，
减缓温室气体的释放［２－３］ ．随着国际社会对农田土壤
固碳的日益关注，通过秸秆还田增加土壤有机碳含
量成为许多科研工作者关心的问题．农田土壤的固
碳效果很大程度上取决于秸秆还田后土壤有机质的
分解速率（还田后秸秆和土壤自身有机物质的分
解） ［４］ ．还田秸秆的碳、氮含量是影响土壤中有机物
质分解转化及碳固存效果的一个十分重要的因
素［５］ ．一般认为，含氮量高、Ｃ ／ Ｎ 低的秸秆在土壤中
更容易分解，不利于土壤有机碳的固定；而含氮量
低、Ｃ ／ Ｎ高的秸秆分解速率相对较慢，有更好的固
碳效果［５－７］ ．许多研究以不同种类的植物残体为材
料，分析了它们在土壤中的分解特征、土壤有机碳含
量、组分变化以及微生物学特征等差异，及其与碳、
氮含量等秸秆性质之间的相关性［８－１１］ ．土壤有机物
质中绝大部分的碳是通过微生物作用以 ＣＯ２的形式
释放到大气中［１２］，探明不同类型秸秆及其 Ｃ、Ｎ 含
量对还田后土壤 ＣＯ２排放特征的影响，可以更准确
地评估秸秆还田固碳效果，并对深入理解农田生态
系统碳循环过程具有重要意义．
黑土是东北主要的耕作土壤，近百年来的耕垦
活动使黑土严重退化，土壤有机质含量迅速下
降［１３］ ．在东北黑土区实施秸秆还田可以阻止土壤进
一步退化，增加土壤有机碳含量，减少 ＣＯ２排放［１４］ ．
作为东北黑土区广泛种植的两种作物，玉米和大豆
根、茎、叶等不同植株部位秸秆的碳、氮含量等性质
有显著差异［９，１５］ ．那么，这些不同类型的秸秆进入土
壤后分解难易程度如何，分解转化特征又有哪些差
异，与 Ｃ ／ Ｎ、含氮量之间又存在何种关系？为解决上
述问题，本文以玉米、大豆不同植株部位秸秆为研究
材料，通过室内恒温培养试验，重点探讨玉米、大豆
不同植株部位秸秆还田后的土壤 ＣＯ２累积排放量和
不同时间段的 ＣＯ２排放速率的差异，以及秸秆碳、氮
含量对还田初期不同时间土壤 ＣＯ２排放的影响．通
过以上研究旨在明晰黑土区不同类型秸秆还田初期
的分解转化特征，探明还田秸秆 Ｃ、Ｎ含量对固碳效
果的影响，为东北黑土区秸秆还田的实施与管理提
供参考依据．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 供试土壤与秸秆
培养试验的土壤采自于吉林省德惠市米沙子乡
中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土农业生
态试验示范基地（４４°１２′ Ｎ，１２５°３３′ Ｅ）的玉米连作
地表层（０～１０ ｃｍ）．该土壤类型为典型中层黑土，壤
质黏土［１６］ ．采集的土壤样品一部分风干后使用电位
法测得土壤 ｐＨ 为 ５．４０，过 １００ 目筛，用 ＦｌａｓｈＥＡＴＭ
１１１２ 元素分析仪测得的土壤全碳含量为 １７􀆰 ６
ｇ·ｋｇ－１，全氮含量为 １．７ ｇ·ｋｇ－１ ．鲜土过 ２ ｍｍ 筛，
在 ４ ℃冰箱中保存，与秸秆混合进行培养试验．
玉米和大豆秸秆均于 ２０１３年 １０月采自中国科
学院东北地理与农业生态研究所长春综合农业试验
站（４４°００′ Ｎ，１２５°２４′ Ｅ）．玉米品种为先玉 ３３５，大豆
品种是吉育 ４７，采样时玉米和大豆均已完全成熟．将
采集的玉米秸秆分成根、茎下部（三节）、茎中间部
分、茎顶部（七节）、叶 ５ 部分．由于玉米茎的性质存
在垂直分布逐渐过渡现象，茎中部性质介于茎下部
和茎顶部之间，而茎下部、茎顶部秸秆之间有显著的
差异，故未将茎中间部分进行培养试验．采集的大豆
秸秆分成根、茎、叶 ３ 部分．将上述秸秆装入牛皮纸
袋中在 ６０ ℃条件下烘干至恒量，然后用植物粉碎机
以 ２９０００ ｒ·ｍｉｎ－１粉碎 ５ ｍｉｎ，使它们的形状大小基
本一致后用于培养试验．利用 ＦｌａｓｈＥＡＴＭ １１１２ 元素
分析仪测定各类型秸秆的全碳、全氮含量（表 １）．
１􀆰 ２　 培养试验设计
培养试验采用单因素试验设计，每个处理设置
４个重复．分别称取烘干粉碎后的玉米根、茎下部、
茎顶部、叶，大豆根、茎、叶 １．５ ｇ，与相当于烘干土
１５０ ｇ的鲜土进行充分混合，然后置于 ５００ ｍＬ 广口
瓶中进行培养，同时设置不加秸秆的对照处理．调节
土壤含水量至 ４０％的孔隙含水率（ＷＦＰＳ），然后用
保鲜膜将广口瓶瓶口封住，并用注射器针头扎若干
２２４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 １　 玉米、大豆秸秆不同部位全碳、全氮含量及碳氮比
Ｔａｂｌｅ １　 Ｔｏｔａｌ ｃａｒｂｏｎ， ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｃ ／ Ｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｐａｒｔｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ａｎｄ ｓｏｙｂｅａｎ ｒｅｓｉｄｕｅｓ
秸秆类型
Ｒｅｓｉｄｕｅ ｔｙｐｅ
全碳
Ｔｏｔａｌ ｃａｒｂｏｎ
（ｇ·ｋｇ－１）
全氮
Ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ
（ｇ·ｋｇ－１）
Ｃ ／ Ｎ
玉米根 Ｃｏｒｎ ｒｏｏｔ ３９７．０６±３．４５ ９．４４±０．２６ ４２．１１±１．３７
玉米茎下部 Ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ ４２９．５２±１３．３９ ７．９７±１．０８ ５４．７０±９．０７
玉米茎顶部 Ｔｏｐ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ ４４０．８２±２４．５３ ４．０４±０．４０ １０９．７４±１２．２１
玉米叶 Ｃｏｒｎ ｌｅａｆ ４２７．６１±３．３９ ９．６８±０．４６ ４４．２７±２．４０
大豆根 Ｓｏｙｂｅａｎ ｒｏｏｔ ４５３．４１±３．３３ ６．１４±０．３２ ７３．９５±４．２８
大豆茎 Ｓｏｙｂｅａｎ ｓｔａｌｋ ４４９．４０±１．４３ ４．５９±０．２５ ９８．１１±５．４９
大豆叶 Ｓｏｙｂｅａｎ ｌｅａｆ ３０６．９０±１１．２８ １３．４５±０．３５ ２２．８４±１．４２
细孔以保证土壤含水量和培养瓶中的氧气浓度．将
处理好的广口瓶置于 ２５ ℃的恒温培养箱中进行培
养，每 ２ ｄ进行称量补水．将装有土壤的广口瓶放入
培养箱稳定 ２ ｄ后，在培养的第 ３、４、５、６、７、８、９、１１、
１３、１５、１７、２１、２５、２９、３３、３７、４１、４５、４９、５３、５７、６１ 天
对土壤的 ＣＯ２排放速率进行测定．
１􀆰 ３　 ＣＯ２排放速率的测定与计算
利用 Ｌｉ⁃８２０ ＣＯ２红外气体分析仪，根据封闭动
态箱原理对土壤 ＣＯ２排放速率进行测定与计算［１７］ ．
将广口瓶、Ｌｉ⁃８２０构建成封闭动态体系（图 １），并对
封闭动态体系内的 ＣＯ２浓度进行实时动态测定．将
测定的 ＣＯ２浓度与测定时间进行线性回归，计算出
封闭动态体系内 ＣＯ２浓度的增加速率 ａ．ＣＯ２排放速
率根据公式（１）进行计算：
Ｆ ＝ ａ
× Ｖ
Ｖｍ × Ｍ
（１）
式中：Ｆ 为培养物质的 ＣＯ２产生速率（ｍｏｌ·ｇ
－１·
ｓ－１）；Ｖｍ为 ＣＯ２摩尔体积；Ｍ 为培养物质的质量；Ｖ
为封闭动态系统的体积．
１􀆰 ４　 数据处理
使用Ｅｘｃｅｌ２０１３软件对ＣＯ２排放速率、累积排
图 １　 测定 ＣＯ２排放速率时的封闭动态体系示意图
Ｆｉｇ．１　 Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ．
放量的平均值及标准差进行计算，使用 ＳＡＳ ９． ３
ＰＲＯＣ组块的 ＧＬＭ过程进行单因素方差分析（ｏｎｅ⁃
ｗａｙ ＡＮＯＶＡ）和最小显著差异（ＬＳＤ）检验比较不同
处理的 ＣＯ２累积排放量差异，用 ＲＥＧ过程进行线性
回归分析秸秆碳、氮含量与 ＣＯ２累积排放量间的
相关关系．设显著性水平为 α ＝ ０．０５．使用 ＳｉｇｍａＰｌｏｔ
１０􀆰 ０软件作图．图表中数据为平均值±标准差．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 土壤 ＣＯ２排放速率变化
添加秸秆显著增加了土壤的 ＣＯ２排放速率（图
２）．添加秸秆的土壤 ＣＯ２排放速率达 ２６～１６０ ｐｍｏｌ·
ｇ－１·ｓ－１，是未添加秸秆土壤 ＣＯ２排放速率（１２ ～ １８
ｐｍｏｌ·ｇ－１·ｓ－１）的 ２～１３倍．秸秆还田后土壤 ＣＯ２排
放速率整体呈现出“前大后小”的特征．除大豆根、大
豆茎外，所有处理的最大值出现在第 １次测定时，最
小值均出现在最后 １ 次测定时．秸秆与土壤混合后
ＣＯ２排放速率由较高值迅速下降，以一定速率维持
一段时间后增加并出现“较高值”，之后缓慢下降．就
“较高值”出现和持续的时间而言，不同处理土壤的
ＣＯ２排放特征存在明显差异．玉米根、玉米茎下部、玉
米茎顶部的“较高值”出现时间约在培养的第 ３０ 天
左右；大豆根、大豆茎的“较高值”出现时间分别是
培养的第 ３７、５３ 天；玉米叶出现了两次非常明显的
“较高值”，“较高值”出现的时间分别为培养的第
２５和 ４５天；大豆叶则不存在明显的“较高值”．玉米
茎顶部、大豆根和大豆茎维持较高的 ＣＯ２排放速率
均在 ８ ｄ以上，而玉米根、玉米茎下部在“较高值”出
现后 ＣＯ２排放速率立即下降．与其他类型秸秆不同，
大豆茎的 ＣＯ２排放速率在培养 ３０ ｄ 以后逐渐升高，
并保持在一个很高的水平．
２􀆰 ２　 土壤 ＣＯ２累积排放量
根据培养期间土壤 ＣＯ２排放速率的变化规律对
培养 ２１和 ６１ ｄ的 ＣＯ２累积排放量进行计算，结果显
示，秸秆类型对土壤 ＣＯ２累积排放量具有显著影响
（图 ２）．培养 ２１和 ６１ ｄ添加秸秆各处理的 ＣＯ２累积
排放量分别是对照的 ４．３ ～ ６．３ 和 ３．８ ～ ７．０ 倍．但是，
培养 ２１ 和 ６１ ｄ 的土壤 ＣＯ２累积排放量对秸秆
添加的响应不同．在前 ２１ ｄ，玉米根、玉米茎下部、
玉米叶、大豆叶的土壤 ＣＯ２累积排放量 （约 １６０
μｍｏｌ·ｇ－１）显著大于其他秸秆，而玉米茎顶部和大
豆根的土壤 ＣＯ２累积排放量（约 １１３ μｍｏｌ·ｇ
－１）显
著小于其他秸秆，并且玉米的茎顶部处理显著比其
他玉米秸秆处理少３０％左右（图２） ．大豆秸秆的土
３２４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘四义等： 玉米和大豆秸秆还田初期对黑土 ＣＯ２排放的影响　 　 　 　 　
图 ２　 玉米和大豆不同部位秸秆在培养期间的土壤 ＣＯ２排放速率
Ｆｉｇ．２　 ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ａｎｄ ｓｏｙｂｅａｎ ｓｔｒａｗｓ ｄｕｒｉｎｇ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ ．
ＣＫ： 对照 Ｃｏｎｔｒｏｌ； Ａ１： 玉米根 Ｃｏｒｎ ｒｏｏｔ； Ａ２： 玉米茎下部 Ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ； Ａ３： 玉米茎顶部 Ｔｏｐ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ； Ａ４： 玉米叶 Ｃｏｒｎ ｌｅａｆ； Ｂ１： 大豆根
Ｓｏｙｂｅａｎ ｒｏｏｔ； Ｂ２： 大豆茎 Ｓｏｙｂｅａｎ ｓｔａｌｋ； Ｂ３： 大豆叶 Ｓｏｙｂｅａｎ ｌｅａｆ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ． Ｔ： 添加秸秆 Ｓｏｉｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｄｕｅ．
表 ２　 前 ２１和 ６１ ｄ土壤 ＣＯ２累积排放量与秸秆 Ｃ、Ｎ含量之间的线性关系
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｃ， Ｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ａｎｄ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｉｎ ２１ ａｎｄ ６１ ｄａｙｓ ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ （ｎ＝２８）
相关变量 Ｒｅｌｅｖａｎｔ ｖａｒｉａｂｌｅ
Ｙ Ｘ
前 ２１ ｄ Ｉｎｉｔｉａｌ ２１ ｄ
方程 Ｅｑｕａｔｉｏｎ Ｒ２ Ｐ
前 ６１ ｄ Ｉｎｉｔｉａｌ ６１ ｄ
方程 Ｅｑｕａｔｉｏｎ Ｒ２ Ｐ
ＣＯ２累积排放量
Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ
Ｃ ／ Ｎ Ｙ＝－０．５３１Ｘ＋１７８．５７ ０．５２ ＜０．０１ Ｙ＝ １．１８５Ｘ＋２７２．３３ ０．１４ ＜０．０５
ＣＲ Ｃ ／ Ｎ Ｙ＝－２．６２６Ｘ＋５２８．２２ ０．７４ ＜０．０１ 　 　 　 　 － ０．０３ ＞０．０５
ＣＯ２累积排放量
Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２
ｅｆｆｌｕｘ
含氮量
Ｎｉｔｒｏｇｅｎ
ｃｏｎｔｅｎｔ
Ｙ＝ ４．５８３Ｘ＋１０８．５２ ０．４２ ＜０．０１ Ｙ＝－１３．８５２Ｘ＋４５７．４６ ０．２１ ＜０．０１
ＣＲ 含氮量
Ｎｉｔｒｏｇｅｎ
ｃｏｎｔｅｎｔ
Ｙ＝ ２６．９０１Ｘ＋１４８．４３ ０．８５ ＜０．０１ 　 　 　 　 － ０．００ ＞０．０５
ＣＲ： 土壤 ＣＯ２累积排放量 ／添加秸秆含碳量 Ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｔｏ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕｅｓ．
图 ３　 不同类型秸秆处理培养 ２１、６１ ｄ的 ＣＯ２累积排放量
Ｆｉｇ．３　 Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌ ａｍｅｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃｒｏｐ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ｉｎ ２１ ａｎｄ ６１ ｄａｙｓ ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
Ａ： 培养 ２１ ｄ ２１ ｄａｙｓ ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ； Ｂ： 培养 ６１ ｄ ６１ ｄａｙｓ ｏｆ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
壤 ＣＯ２累积排放量表现为叶＞茎＞根，且各处理之间
的差异显著．大豆根、大豆茎的土壤 ＣＯ２累积排放量
显著小于玉米根、玉米茎下部、玉米叶．在 ６１ ｄ 的整
个培养期间，不同处理土壤的 ＣＯ２累积排放量最高
的是大豆茎（５０３．２７ μｍｏｌ·ｇ－１），显著大于其他处
理的土壤；最低的是大豆叶（２７６．２１ μｍｏｌ·ｇ－１），显
著小于其他处理．大豆茎处理土壤的 ＣＯ２累积排放
量比大豆根处理高 ７．９％，且存在显著差异．就玉米
秸秆而言，土壤 ＣＯ２累积排放量大小表现为：茎下
部＞叶＞根＞茎顶部；茎下部与根、茎顶部之间存在显
著差异，叶与茎顶部之间存在显著差异；叶与茎下
部、叶与根之间不存在显著差异．
２􀆰 ３　 还田秸秆的 Ｃ、Ｎ含量与土壤 ＣＯ２累积排放量
的关系
由表 ２可知，秸秆进入土壤后的前 ２１ ｄ中，ＣＯ２
累积排放量与秸秆含碳量的比值（记作 ＣＲ）和还田
秸秆的 Ｃ ／ Ｎ、含氮量之间存在显著的线性关系；其
中，秸秆含氮量与 ＣＲ 值呈正相关，秸秆 Ｃ ／ Ｎ 与 ＣＲ
４２４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
值呈负相关．前 ２１ ｄ 的 ＣＯ２累积排放量与秸秆 Ｃ ／ Ｎ
之间呈较明显的线性关系，但前 ２１ ｄ 的 ＣＯ２累积排
放量与秸秆含氮量之间的线性关系不明显；而 ６１ ｄ
的 ＣＯ２累积排放量、ＣＲ 值与还田秸秆的初始 Ｃ ／ Ｎ、
含氮量之间不具有线性相关关系．
３　 讨　 　 论
本研究表明，秸秆类型及同一作物不同部位秸
秆添加对土壤 ＣＯ２排放速率大小、变化特征有明显
的影响．对照土壤维持较为稳定的 ＣＯ２排放速率，而
添加秸秆的土壤 ＣＯ２排放速率显著增大，这是因为
秸秆在微生物作用下矿化分解释放了大量的
ＣＯ２ ［１２］ ．秸秆还田后土壤 ＣＯ２排放速率整体呈现出
“前高后低”的特征，这与 Ｈａｄａｓ等［１８］、张丽娟等［１９］
的研究结果一致，这与秸秆的物质组成相关．因为秸
秆还田后，分解前期残体中的可溶性有机化合物及
部分类似化合物容易被微生物利用和分解，后期主
要是前期未分解的木质素、蜡质等物质不容易被微
生物分解［２０］ ．本研究发现，秸秆还田后土壤 ＣＯ２排放
速率随培养时间存在“下降⁃稳定⁃增大（出现“较高
值”）⁃下降”的现象，与其他研究结果不同，这是因
为本研究是利用 Ｌｉ⁃８２０构建封闭动态体系测定 ＣＯ２
排放速率，能够在短时间内测出 ＣＯ２排放速率，弥补
了碱性吸收等常规方法的不足（需要长时间密闭过
程，只能测定排放总量，不宜探测到 ＣＯ２排放的“较
高值”） ［２１］ ．秸秆与土壤混合后 ＣＯ２排放速率由较高
值迅速下降，这是因为秸秆进入土壤后易分解的短
链有机物质（单糖、淀粉和简单蛋白质等）被耗竭所
致；随后出现的“较高值”，与能分解长链或环状有
机物微生物类群的增长有关；而“较高值”出现后，
随着时间的推移 ＣＯ２排放速率衰减，这是因为可分
解的有机物质减少［２０，２２］ ．不同类型秸秆“较高值”出
现的时间和持续时间不同，是因为不同类型秸秆的
物质组成比例不同［１５］ ．秸秆中的有机化合物分解从
易到难的顺序是：单糖、淀粉和简单蛋白质；粗蛋白；
半纤维素；纤维素；脂肪、蜡质；木质素、酚类化合
物［２３］ ．玉米茎顶部、大豆根、大豆茎在培养试验的中
后期出现较长时间的“峰值”，可能是因为秸秆中最
易分解的有机物（如单糖、淀粉等）较少，相对较难
分解的有机质（如纤维素、半纤维素等）较多［５，１５，２４］ ．
但是，秸秆的物质组成与还田后土壤 ＣＯ２排放速率
变化特征之间的具体关系，还需要进一步研究．
一定时间段内的 ＣＯ２累积排放量不仅可以反映
该时间段的土壤 ＣＯ２总排放速率和秸秆的分解率，
也是秸秆还田固碳效果的重要指示［１１，２５－２６］ ．除大豆
叶外，大豆秸秆 ６１ ｄ的 ＣＯ２累积排放量显著大于玉
米秸秆，说明大豆秸秆比玉米秸秆有更高的分解率．
这与 Ｂａｌｏｔａ等［２７］和范如芹等［２８］的野外试验结果一
致，受木质素、多元酚等化学结构的影响，大豆秸秆
中的碳比玉米秸秆更易在土壤中迅速矿化．而大豆
叶在 ６１ ｄ 内的 ＣＯ２累积排放量累积显著小于其他
类型秸秆，是因为大豆叶的全碳含量只有 ２９４􀆰 ８４
ｇ·ｋｇ－１，比其他类型秸秆少 ２５％～３４％，在添加秸秆
质量一致的条件下，添加大豆叶输入土壤的总碳量
显著小于其他类型秸秆．尽管在 ６１ ｄ 培养期间大豆
秸秆比玉米秸秆有更大的分解率，但是前 ２１ ｄ 的
ＣＯ２累积排放量没有表现出一致的规律．除了玉米茎
顶部外，玉米秸秆其他部位前 ２１ ｄ 的 ＣＯ２累积排放
量均高于或等于大豆秸秆．这说明虽然大豆秸秆比
玉米秸秆更容易分解，大豆秸秆还田的固碳效果没
有玉米秸秆显著，但并不意味着大豆秸秆在还田的
最初阶段分解速率比玉米秸秆高．
秸秆含氮量和 Ｃ ／ Ｎ 是影响土壤 ＣＯ２累积排放
量的主要因素．线性回归分析显示，前 ２１ ｄ ＣＯ２累积
排放量与秸秆含碳量的比值（ ＣＲ）和秸秆的 Ｃ ／ Ｎ
（Ｒ２ ＝ ０．７４， Ｐ＜０．０１）、含氮量（Ｒ２ ＝ ０．８５， Ｐ＜０．０１）之
间均有显著的线性关系．这说明秸秆含氮量、Ｃ ／ Ｎ对
前 ２１ ｄ的 ＣＲ值和 ＣＯ２累积排放量均有明显影响，
含氮量高、Ｃ ／ Ｎ 低的秸秆有更高的 ＣＲ 值和 ＣＯ２累
积排放量．这是因为秸秆还田后 Ｎ 成了微生物生长
和繁殖的限制性因素，含氮量高、Ｃ ／ Ｎ 低的秸秆在
进入土壤后微生物迅速繁殖促进了秸秆的分解，并
排放出较多的 ＣＯ２ ［２９
－３０］ ．在还田秸秆质量一致的条
件下，秸秆的含碳量决定了输入土壤中碳的数量，土
壤的 ＣＲ值比土壤的 ＣＯ２累积排放量能更好地反映
土壤中秸秆的分解情况．这也意味着在以往的一些
秸秆矿化试验中仅考虑 ＣＯ２排放，而不注意添加秸
秆含碳量的差异，会对秸秆的分解转化以及固碳效
果评价产生一定的影响［１０－１１］ ．前 ６１ ｄ 的 ＣＲ 值、土
壤 ＣＯ２累积排放量与秸秆的碳、氮含量之间不具有
线性相关关系，说明随着秸秆还田时间的增加，
Ｃ ／ Ｎ、含氮量对土壤 ＣＯ２排放速率的影响越来越小．
秸秆的物质组成，尤其是木质素等难分解物质的含
量，可能对整个培养期的 ＣＯ２排放以及土壤固碳潜
力有更重要的影响［５，３１］ ．
Ｙａｎｎｉ等［１０］研究认为，作物的根系具有较高的
木质素含量，因而比其他部位的秸秆更难分解，而本
研究没有发现玉米、大豆根 ＣＯ２累积排放量显著小
５２４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘四义等： 玉米和大豆秸秆还田初期对黑土 ＣＯ２排放的影响　 　 　 　 　
于其他类型秸秆．这可能是因为本试验所用的黑土
ｐＨ为 ５．４０，土壤环境有利于分解木质素的真菌（如
白腐菌、褐腐菌）生长和繁殖［２３，３２－３３］，加快了木质素
含量较高的根系残体分解．因为东北地区玉米秸秆
的生物量大，人们对各器官秸秆还田更感兴趣．本研
究发现，玉米根、茎下部的含氮量是茎顶部的 ２ ～ ３
倍，其 ＣＯ２累积排放量只比茎顶部大 ２４％ ～ ２５％．这
说明将玉米的根茬、茎下半部分还田就可以既取得
很好的土壤培肥效果，又减少 ＣＯ２排放量．
总之，在 ６１ ｄ 的培养试验中，土壤的 ＣＯ２排放
速率随时间整体呈现出“下降⁃稳定⁃增大（出现‘较
高值’）⁃下降”的过程，秸秆类型对土壤 ＣＯ２排放速
率随时间变化特征的影响主要体现在“较高值”出
现的早晚和持续时间上．虽然整体上大豆秸秆还田
后比玉米秸秆更容易分解，其固碳效果没有玉米秸
秆好，但是大豆秸秆在还田的最初阶段矿化速率却
比玉米秸秆小．玉米秸秆的根茬、茎下半部分含氮量
较高，而 ＣＯ２累积排放量较低，是既能培肥土壤又能
固碳的还田秸秆类型．含氮量高、Ｃ ／ Ｎ低的秸秆在还
田早期有较大的 Ｃ矿化速率，而较长时间内 Ｃ 矿化
率与秸秆 Ｃ ／ Ｎ、含氮量没有明显的相关关系，其具体
原因有待进一步研究．以上结果为明晰黑土区玉米、
大豆不同植株部位秸秆还田初期的分解转化特征，
探明还田秸秆 Ｃ、Ｎ 含量对固碳效果的影响提供了
理论依据．
致谢　 本文的英文摘要得到了加拿大农业及农业食品部
Ｎｅｉｌ ＭｃＬａｕｇｈｌｉｎ博士的修改，在此谨致谢意．
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６２４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
［１７］　 Ｌｉｕ Ｓ⁃Ｙ （刘四义）， Ｚｈａｎｇ Ｘ⁃Ｐ （张晓平）， Ｊｉａ Ｓ⁃Ｘ
（贾淑霞）， ｅｔ ａｌ． Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ
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０１⁃２６ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［１８］　 Ｈａｄａｓ Ａ， Ｋａｕｔｓｋｙ Ｌ， Ｇｏｅｋ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｒａｔｅｓ ｏｆ ｄｅｃｏｍｐｏ⁃
ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｒｅｓｉｄｕｅｓ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｓｏｉｌ， ｒｅ⁃
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［１９］　 Ｚｈａｎｇ Ｌ⁃Ｊ （张丽娟）， Ｃｈａｎｇ Ｊ （常 　 江）， Ｊｉａｎｇ Ｌ⁃Ｎ
（蒋丽娜）， ｅｔ ａｌ． Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
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５２９－５３５
作者简介　 刘四义，男，１９８８年生，硕士研究生． 主要从事秸
秆还田与土壤有机质提升研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗｕｈｕｌｉｕｓｙｉ＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
７２４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘四义等： 玉米和大豆秸秆还田初期对黑土 ＣＯ２排放的影响