全 文 ：有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响 3
董玉红1 ,2 　欧阳竹1 3 3
(1 中国科学院地理科学与资源研究所 禹城综合实验站 ,北京 100101 ; 2 中国科学院研究生院 ,北京 100093)
【摘要】　研究了不同有机肥施用 (鸡粪、猪粪、牛粪) 对夏玉米田土壤 CO2 和 CH4 通量的影响. 结果表明 ,
不同处理的 CO2 通量具有相同的季节变化趋势 ,受土壤温度和湿度的共同影响 ,土壤 CO2 通量和大气温
度、地表温度、地下温度呈显著正相关 ,当温度不是限制因子的时候 ,CO2 通量和土壤水分含量呈显著正相
关 ( P < 0105) . 玉米整个生长季大部分时间土壤为 CH4 的吸收汇 ,源汇的变化受环境因子的影响 ,但是相
关分析并不显著. 不同处理的土壤 CO2 季节平均排放通量为 015124～018518g·m - 2·h - 1 ,和 CK2 相比 ,玉
米种植促进了 CO2 的排放 ,施用有机肥也增加了 CO2 的排放 ,所有有机肥处理的平均排放通量和 CK2 差
异显著 ,但只有 S2 和 P2 和 CK1 的差异显著. 不同处理农田土壤 CH4 的季节平均通量为 - 010068～ -
010484mg·m - 2·h - 1 ,有机肥施用抑制了土壤对 CH4 的吸收 ,施肥量高抑制作用强 ,但是统计分析差异并
不显著.
关键词 　有机肥 　CO2 　CH4 　温室气体 　土壤
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 07 - 1303 - 05 　中图分类号 　S147. 2 ; X511 　文献标识码 　A
Effects of organic manures on CO2 and CH4 fluxes of farmland. DON G Yuhong1 ,2 ,OU YAN G Zhu1 (1 Yucheng
Com prehensive Ex perimental S tation , Institute of Geographical Sciences and N atural Resources Research , Chi2
nese Academy of Sciences , Beijing 100101 , China ; 2 Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing
100093 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (7) :1303～1307.
This paper studied the effects of chicken manure ,swine waste and cattle manure on the CO2 and CH4 fluxes of a
farmland planted with summer maize. The results showed that the CO2 flux had the same trend under different
organic manure application ,which was influenced by soil temperature and soil water content . The flux was signif2
icantly related with air temperature ,soil surface temperature and soil temperature ( P < 0105) . When soil temper2
ature was not a limiting factor , soil water content was significantly related with soil CO2 flux. At most maize
growth stages ,soil was a sink of CH4 . The variation of CH4 source2sink was influenced by environmental factors ,
but the correlation was not significant . The mean seasonal flux of CO2 was from 0. 5124 to 0. 8518 g·m - 2·h - 1 ,
and that of CH4 was from - 0. 0068 to - 0. 0484 mg·m - 2·h - 1 . Compared with CK2 ,maize planting and organic
manure application enhanced CO2 emission. The application of organic manures inhibited the CH4 uptake by soil ,
and higher application rate had a higher inhibitory effect .
Key words 　Organic manure , CO2 , CH4 , Greenhouse gas , Soil.3 国家重大基础研究 (973)前期专项研究资助项目 (2003CCB001) .3 3 通讯联系人.
2004 - 03 - 10 收稿 ,2004 - 07 - 05 接受.
1 　引 　　言
农业生产对温室气体的排放有贡献 ,农田土壤
可作为 CO2 、CH4 和 N2O 的源或汇 ,农业管理措施
特别是施肥对温室气体排放的影响很大 ,各种肥料
中有机肥对农田土壤碳转化的影响最大 ,来自不同
动物有机肥料成分不同 ,肥料成分的不同影响了其
后施用到农田后的温室气体的排放[22 ] . 目前有机肥
施用对旱地土壤 CO2 排放的研究大多是通过实验
室培养模拟试验来揭示碳的转化 ,对于有机肥施用
到农田后土壤 CO2 排放的研究较少[2 ,19 ] . 有机肥施
用对稻田土壤 CH4 排放的影响研究较多[24 ] ,通气
状况良好的土壤是 CH4 的最大吸收汇 ,施肥对 CH4
氧化表现为抑制作用[16 ] ,研究土壤 CH4 吸收汇影
响因素和采取一些措施促进土壤对 CH4 的吸收 ,也
是目前减缓气候变暖的一项措施[13 ,20 ] .
有机肥施用对农田土壤 CO2 和 CH4 通量的综
合影响研究较少 ,很少考虑有机肥组分对温室气体
排放的影响 ,目前温室气体减排已经引起人们的广
泛关注 ,减少有机肥施用后的温室气体排放的前提
是理解其排放过程以及与环境因子的关系. 本研究
选用农业生产上常用的 3 种有机肥 ,并结合考虑有
机肥种类、有机肥养分含量及外部环境因子 ,探讨它
们对农田土壤 CO2 和 CH4 通量的影响.
应 用 生 态 学 报 　2005 年 7 月 　第 16 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2005 ,16 (7)∶1303～1307
2 　材料与方法
211 　试验地点
试验点位于中国科学院禹城试验站内 ,地处 116°37′E ,
36°36′N ,海拔 20 m ,主要耕作制度为冬小麦2夏玉米轮作. 该
地区属于暖温带半湿润季风气候区 ,多年平均气温 1312 ℃,
降雨量为 538 mm. 地貌类型为黄河冲积平原 ,土壤母质是黄
河冲积物 ,以潮土和盐化潮土为主 ,表土质地为轻2中壤土.
该站所在地区的自然条件和农业生产水平在黄淮海平原具
有代表性. 播种前测定试验地表层土壤基本理化性状 ,p H 值
为 8146 ,有机质为 1147 % ,全氮为 0109 % ,全 P ( P2O5 ) 为
012 % ,全 K( K2O) 为 2126 % ,NO3 - 2N 为 20145 mg·kg - 1 ,
NH4 + 2N 为 1134 mg·kg - 1 .
212 　试验设计
田间试验设 8 个处理 ,每个处理 3 个重复 ,每个小区面
积 6 m ×7 m ,处理随机排列 ,小区间隔 0165 m ,周围设置保
护行. 处理分别为 :CK1 - 不施肥种玉米的对照 ,CK2 - 不施
肥不种玉米的裸地 ,S1 ,S2 - 猪粪 ,C1 ,C2 - 牛粪 ,P1 ,P2 - 鸡
粪 ;1 ,2 分别代表 15、30 t·hm - 2两个施肥水平. 施用的有机
肥已堆腐一个多月 ,施肥前取样后冰冻保存 ,鲜样分析
NO3 - 2N、NH4 + 2N 和 p H ,NO3 - 2N、NH4 + 2N 含量的测定是
用 2 mol·L - 1 KCl 浸提后测定 ,风干样用消煮法测定有机肥
全 N、P、K含量 ,3 种有机肥的养分含量如表 1 所示. 玉米前
茬作物为小麦 ,收获后于 2003 年 6 月 16 日均匀撒施有机肥
后旋耕 ,于 6 月 17 日播种 ,整个生长季没有灌水 ,于 10 月 5
日收获.
表 1 　施用有机肥的化学性状
Table 1 Chemical properties of organic manure applied to the soil
有机肥1) N
( %)
P
(P2O5 %)
K
( K2O %)
p H NO32N
(mg·kg - 1)
NH42N
(mg·kg - 1)
猪粪2) 0176 0142 0171 8155 169149 962142
牛粪3) 0168 0166 0130 8125 202128 80129
鸡粪4) 0192 0193 0189 8155 671137 1294144
1) Organic manures ;2) Swine waste ;3) Cattle manure ;4) Chicken manure.
213 　样品采集、分析与通量计算
气体通量用静态箱法测定 ,采样箱用不锈钢制成 ,长、宽、
高为 50 cm ×50 cm ×50 cm ,播种前将不锈钢底座安置在小区
中央的玉米行间 ,插入土壤 10 cm 深处 ,整个生长季不再移
动 ,框内不含玉米和杂草 ,观测时将采样箱放在底座外缘四周
的凹槽中 ,并用水密封 ,盖箱后 0、10、20、30 min 用 100 ml 塑
料注射器抽取箱内气体 ,用于 CO2 和 CH4 浓度的分析. 采集
来的气样用改进的 Agilent4890 气相色谱仪同时分析 CO2 和
CH4 ,对于测定的方法和条件已有详述 [25 ] ,该仪器检测的灵敏
度和稳定性均很高 ,能够满足农田生态系统几种温室气体同
步测定的要求.气体通量的计算是通过气体浓度随时间的变
化来计算单位面积的气体排放通量.计算公式 :
F = M/ V 0 ×P/ P0 × T0/ T ×H ×dCt / dt
式中 , F 为土壤气体通量 (CO2 为 g·m - 2·h - 1 ,CH4 为 mg·
m
- 2·h - 1) ,M 为气体的摩尔质量 (g·mol - 1) ,V0 为标准状态
下 (温度 273 K ,气压 1 013 hPa) 气体的摩尔体积 (22141 ×
10 - 3 m3) , T0 和 P0 分别为标准状态下的空气绝对温度和气
压 , P 为采样点的气压 , T 为采样时的绝对温度 , dCt / dt 为
观测时间箱内气体浓度随时间变化的直线斜率 ,正值表示排
放 ,负值表示吸收 , h 为采样箱的高度. 每次取气的同时测定
大气温度、土壤表面温度、地下 5 cm 土温、土壤含水量.
3 　结果与讨论
311 　有机肥施用后土壤 CO2 和 CH4 通量的时间变
化动态
土壤 CO2 排放是土壤中生物学和生物化学过
程综合作用的结果 ,是植物根系、土壤微生物、土壤
动物等呼吸排放的共同产物 ,土壤理化因子和气象
因子共同影响着它们的生命进程和土壤气体的扩
散[6 ,12 ] .图 1 显示出不同种类有机肥施用后 CO2 排
放通量的时间动态 ,土壤 CO2 通量在各处理中显示
相同的时间变化趋势 ,都有排放峰的出现 ,其间的波
动受土壤温度和土壤水分含量的影响. 由于受植物
根系呼吸的影响 ,CO2 通量与作物生长有关 ,不施肥
种植玉米的处理 CK1 的 CO2 排放通量要高于不种
玉米的 CK2 ,且玉米生长季节盛期的各处理 CO2 通
量值高于生长季末期. CO2 通量在各处理中的范围
为 0. 24～1153 g·m - 2·h - 1 . 研究表明 ,西藏高原农
牧地不同植被覆盖下的土壤 CO2 排放通量为 117～
1015 kg·hm - 2·h - 1 [14 ] ,我国施肥麦田土壤 CO2 通
量为 120～400 mg·m - 2·h - 1 [18 ] . 黄淮海平原地区夏
玉米农田土壤呼吸动态的研究表明 ,土壤呼吸季节
变化大体呈现温度变化的趋势 ,施用有机肥增加了
土壤呼吸 ,本研究中的土壤排放速率与之结果相
似[21 ] .
　　土壤中 CH4 产生和氧化是微生物活动的结果 ,
在厌氧条件下 ,甲烷菌分解土壤中的有机质 ,产生
CH4 ,在好气土壤中 ,CH4 又被氧化菌氧化 ,CH4 在
土壤中的排放或氧化受各种因子的影响 ,主要有土
壤理化特性、气温和季节变化[11 ,23 ] . 由图 2 可以看
出 ,本研究中 ,不同种类有机肥处理后 ,玉米土壤
CH4 的通量变化比较复杂 ,在施肥初期土壤为 CH4
的排放源 ,此后整个玉米生长季中除个别时间外 ,大
多时间 CH4 通量均为负值 ,土壤为大气 CH4 的吸收
“汇”,不同处理 CH4 通量范围为 - 011247～011356
mg·m - 2·h - 1 .
4031 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
图 1 　有机肥施用后 CO2 排放通量的时间变化动态 (误差线代表的是标准偏差)
Fig. 1 Temporal trends of CO2 flux after organic manure application (Vertical bars are STDEV for means) .
图 2 　有机肥施用后 CH4 通量的时间变化动态
Fig. 2 Temporal trends of CH4 flux after organic manure application.
312 　有机肥施用对夏玉米田土壤 CO2 和 CH4 平均
排放通量的影响
CO2 平均排放通量如表 2 所示 ,种植玉米的处
理 CO2 排放通量高于裸地不种植玉米的土壤 ,有机
肥的施用促进了土壤 CO2 的排放 ,即对照排放小于
施用有机肥的处理 ,同一种类有机肥中 ,高施肥量处
50317 期 　　　　　　　　　　　　董玉红等 :有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响 　　　　　　　　　　　
表 2 　不同处理 CO2 和 CH4 的平均排放通量
Table 2 Average CO2 and CH4 flux under different treatments
处理 Treatmont CO2 CH4
CK1 016240b - 010292
CK2 015124c - 010484
S1 017124ab - 010152
S2 018108a - 010096
C1 016991ab - 010280
C2 017564ab - 010149
P1 017160ab - 010138
P2 018518a - 010068
F 4109 0147
P 0109 0184
理的 CO2 排放通量高于低施肥量 ,不同种类有机肥
的作用效应在两个施肥水平下都是鸡粪 > 猪粪 > 牛
粪. 统计分析表明 ,所有处理的平均 CO2 通量和
CK2 差异显著 ,S2 和 P2 和 CK1 差异显著 ,其它处
理之间差异不显著. 玉米种植促进了土壤 CO2 的排
放 ,一部分是由于根系呼吸的作用 ,有研究表明 ,根
系呼吸在玉米季可占到总呼吸量的 17 %～18 %[3 ] .
有机肥对土壤 CO2 排放的影响显著 ,这主要是应为
有机肥的施入改善了土壤理化性质 ,增加了土壤有
机质的积累 ,促进了土壤微生物的活性以及根系的
生长和活力 ,从而增加了 CO2 的排放量[7 ] .
如表 2 所示 ,有机肥施用后农田土壤 CH4 的吸
收要低于 CK1 和 CK2 ,说明有机肥施用后总的表现
为抑制 CH4 的氧化. 有研究表明 ,在东北典型旱地 ,
玉米、大豆田土壤作为大气 CH4 源或汇的作用并不
明显[8 ] ,本实验中 ,土壤可作为 CH4 的弱汇而起作
用并受不同施肥种类和施肥量的影响. 齐玉春[16 ]研
究得出华北平原典型农业区土壤的 CH4 通量的平
均值在夏玉米季节的施肥处理和未施肥处理中分为
- 010798 和 - 01110 mg·m - 2·h - 1 ,与之相比 ,本研
究中土壤对 CH4 的吸收较低 ,主要是由于肥料施用
对土壤 CH4 的吸收具有抑制作用 ,大量有机肥的施
用 ,前期导致土壤 CH4 的排放 ,玉米生长期大量降
雨造成土壤水分含量增加 ,CH4 吸收降低 ,某一时期
土壤厌氧环境还使得土壤成为 CH4 的排放源.
　　Thuries 等[19 ]通过培养实验评价有机投入后的
矿化作用 ,表明有机质降解速率和其 C、N、纤维素
及木质素含量等有关. 有机肥中 ,作物秸杆的投入对
土壤 CO2 排放的影响研究较多 ,秸秆投入强烈影响
了 CO2 的时间动态 ,在每年 CO2 通量和残茬 C 投入
之间有密切的相关关系[10 ] . 强学彩等[17 ]研究了 C/
N 比为 20/ 1 时候不同有机投入量下土壤 CO2 排放
和微生物量[17 ] . 本研究中 ,不同种类有机肥等重量
施用时 ,其所含的 C、N 比在相同施肥量下并不相
同 ,施用后对土壤 CO2 的通量影响是由于由于投入
的 C、N 含量的不同造成的. 肥料施用抑制了土壤对
CH4 的氧化 ,对于化肥投入后对 CH4 氧化的影响研
究较多[23 ] . 也有研究表明 ,有机投入对土壤 CH4 氧
化的影响取决于其 C/ N 比 ,有的表现抑制作用 ,有
的没有抑制作用[9 ] . 有机肥施用后 ,不同有机肥种
类的抑制作用大小不同 ,鸡粪对 CH4 的抑制作用最
强 ,是由于其中的高 N 含量所造成的.
313 　环境因子对 CH4 和 CO2 通量的影响
土壤碳的排放受环境因子的影响 ,其中土壤温
度和湿度对 CO2 排放的影响在实验室模拟和田间
试验中都有研究 ,其相关分析也有不同的结论. 由表
3 可见 ,CO2 排放速率和地表、大气、地下 5 cm 土壤
温度有很强的线性相关性 (0155 < r < 0183) . CO2 和
温度的这种相关性在许多田间试验中也有描
述[5 ,14 ,15 ] .土壤 CO2 排放和土壤水分的相关关系的
研究也有不同的结果 ,有些研究相关 ,有些研究没有
相关性[1 ] . 表 3 中 CO2 排放速率和土壤水分呈显著
正相关关系 ,这里的土壤水分指的是 8 月 24 日前的
测定值 ,8 月 24 日以后由于温度降低 ,CO2 排放通
量随之降低 ,使得与水分的相关不明显. 降雨是通过
影响土壤水分而影响土壤 CO2 的排放通量 ,测定日
前 1 周内的降雨和 CO2 呈正相关关系 ,但在 0105
水平上并不显著.
　　土壤对 CH4 的氧化受土壤温度、土壤水分含量
的影响 ,降雨量也通过影响土壤水分含量而起作
用[4 ,16 ] .本研究中 ,CH4 的氧化随着温度的增加而
升高 ,随着土壤水分的增加而降低 ,但是相关分析并
不显著 ,由于受各种环境因子的共同影响 ,机制更为
复杂 ,单纯的相关分析不呈线性相关.
表 3 　CO2 排放速率和土壤大气环境因子的相关性分析
Table 3 Relationship bet ween CO2 flux and environmental factors
CO2 CK1 CK2 S1 S2 C1 C2 P1 P2
土壤温度 Soil temperature 01553 3 01587 3 01620 3 01726 3 3 01578 3 01662 3 3 01686 3 3 01722 3 3
地表温度 Surface temperature 0165 3 0169 3 3 0174 3 3 0180 3 3 0170 3 3 0177 3 3 0179 3 3 0183 3 3
大气温度 Atmospheric temperature 0166 3 3 0163 3 0174 3 0172 3 3 0172 3 3 0176 3 3 0172 3 3 0173 3 3
土壤水分 Soil moisture 01926 3 3 01897 3 3 01848 3 01570 01818 3 01863 3 01773 3 01769 3
降雨 Precipitation 0142 0131 0143 0132 0143 0143 0138 01303 P < 0105 ; 3 3 P < 0101.
6031 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
4 　结 　　论
　　有机肥施用后 ,夏玉米田土壤 CO2 和 CH4 的季
节变化趋势和肥料施用、土壤温度、土壤湿度等有
关 ,有机肥的种类和数量的不同影响了其施用后的
CO2 和 CH4 的平均通量 ,施用有机肥增加了土壤
CO2 的排放 ,所有有机肥处理的平均排放通量和
CK2 差异显著 ,但只有 S2、P2 处理和 CK1 的差异
显著. 有机肥施用后抑制了土壤对 CH4 的氧化 ,不
同有机肥种类以及施肥量的大小不同 ,抑制作用不
同 ,但是统计分析并不显著. 相关分析表明 ,土壤
CO2 通量和大气温度、土壤温度、地表温度以及土壤
水分呈显著正相关关系 ,虽然大气温度、土壤温度、
土壤水分等环境因子影响了土壤 CH4 的通量 ,但是
相关分析并不显著. 以上结果表明 ,有机肥施用影响
着温室气体的通量变化 ,肥料种类不同 ,作用不同 ,
受其 C、N 含量的影响 ,今后需要进一步研究田间条
件下有机肥施用后土壤碳通量的变化.
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作者简介 　董玉红 ,女 ,1973 年生 ,博士研究生. 主要从事农
田生态系统碳循环以及农田生态系统管理方面的研究. E2
mail :yhongdong @163. com
70317 期 　　　　　　　　　　　　董玉红等 :有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响