全 文 ：施氮和玉米生长对土壤氧化亚氮排放的影响 3
杨兰芳1 ,2 　蔡祖聪1 3 3
(1 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室 ,南京 210008 ; 2 湖北大学资源与
环境学院 ,武汉 430062)
【摘要】　运用土壤盆栽试验、静态箱法采样和气相色谱分析技术研究了种植玉米土壤和裸土在两种土壤
施氮水平 (低氮 :150 mg·kg - 1土 ,和高氮 :300 mg·kg - 1土) 下对土壤排放 N2O 的影响. 结果表明 ,在种植
玉米的土壤中 ,N2O 排放率的峰值出现在苗期 ,且氮肥施用量的影响显著 ,土壤 N2O 排放率与温度没有显
著的相关性. 在裸土中 ,土壤 N2O 排放率的峰值出现在试验后期 ,土壤 N2O 排放率与温度呈极显著指数相
关. 土壤施氮量增加 ,土壤 N2O 排放总量增加 ,裸土 N2O 增加尤其显著 ,种植玉米比裸土减少 87 %～92 %
的 N2O 排放量. 这一结果表明种植作物与否 ,不仅改变了土壤 N2O 排放的季节变化和排放量 ,而且改变了
温度与土壤 N2O 排放之间的关系.
关键词 　玉米生长 　土壤 N2O 排放 　土壤施氮 　温度
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 01 - 0100 - 05 　中图分类号 　S15216 　文献标识码 　A
Effects of N application and maize growth on N2O emission from soil. YAN G Lanfang1 ,2 ,CAI Zucong1 (1 Key
S tate L aboratory of Soil and S ustainable A griculture , Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences ,
N anjing 210008 , China ;2 College of Resource and Envi ronment , Hubei U niversity , W uhan 430062 , China) .2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (1) :100～104.
With pot experiment and using static chamber2GC technique ,this paper studied the effects of N application (150
and 300 mg·kg - 1 soil) and maize growth on N2O emission from soil. In maize2planted soil ,the N2O emission rate
increased with increasing N application rate ,its peak appeared at seedling stage ,and there was no significant cor2
relation between N2O emission and air temperature. Contrarily ,in bare soil , the peak of N2O emission rate oc2
curred at the anaphase of the experiment ,and there was a significant exponential correlation between N2O emis2
sion and air temperature. The total amount of N2O emission increased remarkably with increasing N application
rate in both planted and bare soils. In comparing with bare soil ,maize2planting reduced N2O emission by 92 %
and 87 % ,respectively at high and low N application rates ,which suggested that maize2planting not only affected
the seasonal variation and magnitude of N2O emission from soil ,but also altered the relationship between air tem2
perature and soil N2O emission.
Key words 　Maize growth , N2O emission from soil , N application , Temperature.3 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX12SW201205) 、国家杰出
青年科学基金项目 (40125004)和国家重点基础研究发展规划资助项
目 ( G1999011805) .3 3 通讯联系人.
2003 - 11 - 28 收稿 ,2004 - 03 - 15 接受.
1 　引 　　言
N2O 是重要的温室气体 ,农业土壤是 N2O 的主
要来源[21 ] ,在全球每年 613 Tg N2O2N 的排放中 ,农
业土壤直接排放占 211 Tg ,因氮肥投入间接排放进
入大气和水体的占 211 Tg[18 ] . 土壤 N2O 排放受土
壤性质、气候因素和土地利用实践等因素的综合影
响[12 ,23 ] .土壤 N2O 排放随着氮肥施用量的增加而
增加[7 ,16 ] ,来自肥料的 N2O2N 占施用肥料 N 的比
例一般在 01001 %～618 % ,施用氮肥排放的 N2O 占
土壤总 N2O 排放的 25 %～82 %[6 ] . 在一定土壤水分
含量条件下 ,土壤 N2O 排放与温度呈指数相关
性[27 ] ,Dobbie 和 Smith[4 ]土壤培养试验表明 ,温度
增加 ,土壤 N2O 排放增加 ,但温度效应 Q10的变化很
大 ,耕地在 5～12 ℃时为 50 ,12～18 ℃时为 819 ,草 地分别为 317 和 213. 植物除了植株体本身能产生N2O [2 ,14 ,24 ]外 ,植物生长也影响土壤 N2O 排放 ,不同植物2土壤系统下土壤 N2O 排放的规律、数量和强度相差很大. 如在肥料用量相近的情况下 , N2O排放呈小麦地 > 油菜地 > 大麦地[13 ] . 但是氮肥和植物生长对土壤 N2O 排放和温度关系的影响尚少见报到 ,而这对土壤 N2O 排放的调控有重要意义. 本试验运用土壤盆栽试验观测了两种氮素水平下裸土和种植玉米土壤在玉米整个生长期中的土壤 N2O排放过程 ,以探讨土壤施氮和植物生长对土壤 N2O排放及其与温度关系的影响 ,为减少农业生产实践
应 用 生 态 学 报 　2005 年 1 月 　第 16 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Jan. 2005 ,16 (1)∶100～104
中土壤温室气体排放提供科学依据.
2 　材料与方法
211 　供试土壤
试验土壤为第四纪黄土发育的黄褐土 ,在系统分类中属
于淋溶土. 土壤有机碳和全氮含量分别为 418 和 016 g·
kg - 1 ,土壤 p H 为 518 (水提) ,质地为重壤土.
212 　供试植物
所用植物为玉米 ( Zeay m ays) . 品种为掖单 14 号 ,从南
京市岗子村中江种业公司购买.
213 　盆栽试验
设置两种土壤施氮水平 ,分别在裸土和种植玉米条件下
测定 N2O 排放通量 ,共 4 个处理 ,每处理重复 3 次. 每盆装
过 5 mm 筛的风干土 410 kg ,1 kg 土施用 150 mg N、75 mg
P、150 mg K作为低氮处理 ,施用 300 mg N、75 mg P、150 mg
K作为高氮处理. 分别以 (NH4 ) 2 SO4 、KH2 PO4 和 K2 SO4 为
肥源 ,肥料一次性作基肥施入. 于 2003 年 4 月 30 日播种 ,每
盆播种玉米种子 2 颗. 5 月 5 日出苗 ,出苗后每盆保留 1 株.
从出苗后第 4 天开始采样 ,每周采样两次 ,直到玉米种子完
全成熟为止. 为便于比较和减少日变化产生的误差 ,每次采
样时间固定在 16 : 00～18 : 00 之间 ,因为植物生长下土壤
N2O 排放具有一定日变化 [11 ,25 ,27 ] ,每次采样时间固定 ,日变
化的影响也是固定的. 在玉米生长期间 ,通过从盆钵底部插
入到土壤中的陶土管与水槽连接 ,补充蒸发或蒸腾损失的土
壤水分. 通过调节水槽中水位 ,保持土壤水分基本一致.
214 　采样
采样从出苗后的第 4 天开始 ,用静态箱法采样. 为采样
方便 ,专门设计了 PVC 培养盆及采样箱. 培养盆主体为圆柱
形 ,高 20 cm ,内径 15 cm. 培养盆外缘有水槽 ,水槽外形为正
方形 ,边长 25 cm ,高 5 cm. 盆口中间安装有一根 PVC 塑料
管 ,管内径 215 cm ,长 6 cm ,管子伸入盆内 315 cm ,伸出盆口
215 cm. 种子播种于 PVC 管中约 3 cm 深的土壤中 ,玉米苗
从管中长出. 采样箱为长 2015 cm ,宽 2015 cm ,高 6 cm ,其上
装有采样孔. 采样孔装有硅橡胶密封塞 ,箱子中央有圆孔 ,圆
孔的大小正好能套在 PVC 隔离管外. 采样时将特制的采样
箱套在 PVC 隔离管外并放入在水槽中 ,水槽中加水密封采
样箱的底边 ,采样箱与 PVC 隔离管的交接处用硅胶密封
(这样采样箱只罩土壤 ,不罩植物) . 密封后分别在 0、10、20
min 时通过采样箱上的硅橡胶塞用注射器抽取 20 ml 气体分
别注入 18 ml 的预先抽成真空的小瓶中 (由于采样箱密封体
积为 1280 ml ,所以从中抽取 60 ml 样品对土壤气体排放的
影响可以忽略不计) . 每次采完样后立即将箱子提起来 ,置于
水槽口上 ,以便进行正常的气体交换. 每次采集土壤气体样
品时 ,先测定靠近盆钵上面的气温后再采样.
采集的气体样品带回实验室后用气相色谱测定 N2O 的
浓度 ,根据浓度随时间的变化率即浓度和时间线性关系的斜
率和采样时的气温 ,计算土壤 N2O 排放率[1 ,11 ] (野外测定一
般采 4 次时间间隔的样品以满足统计的显著性 ,本试验发
现 ,在盆栽试验下 ,采 3 次时间间隔样品 ,大多数情况下也满
足统计的显著性) .
3 　结果与分析
311 　土壤 N2O 排放的季节变化
图 1 表明 ,在玉米生长期间 ,种植玉米的土壤
N2O 排放率随时间而增加 ,在出苗后第 13 天出现
排放峰值 ,然后下降 ,到出苗后 28 d 即拔节期降到
最低 ,此后在低排放率下小幅波动. 在整个生长期
间 ,施用高氮 (300 mg·kg - 1 土) 和低氮 ( 150 mg·
kg - 1土)处理的土壤 N2O 排放率峰值分别为 5166
±1136 和 2102 ±0166μg·kg - 1·h - 1 . 高氮处理和低
氮处理的差异主要发生在拔节期以前. 在出苗后 9
～21 d 期间 ,高氮处理土壤 N2O 排放率显著高于低
氮处理 ( P < 0105) ;拔节期以后 ,高氮和低氮处理土
壤的 N2O 排放率之间无显著差异.
图 1 　玉米生长下土壤 N2O 排放率季节变化
Fig. 1 Seasonal variation of N2O emission rate from maize planted soil.
HNM :高氮玉米 High2N to maize ;LNM :低氮玉米 Low2N to maize.
　　图 2 是裸土在玉米生长期间 N2O 排放率随时
间的变化. 从图 2 可见 ,裸土 N2O 排放率的时间变
化与种植玉米土壤的明显不同. 在裸土中 ,排放率均
随时间进程而呈缓慢增加的趋势 ,到相应于玉米出
苗后的48 d时 ,排放率随时间进程增加而更加明
图 2 　玉米生长期间裸土 N2O 排放率和气温的季节变化
Fig. 2 Seasonal variation of N2O flux from bare soil and air temperature
during maize growing period.
HNB :高氮裸土 High2N in bare soil ; LNB :低氮裸土 Low2N in bare
soil ; Tair :气温 Air temperature. 下同 The same below.
1011 期 　　　　　　　　　　　　杨兰芳等 :施氮和玉米生长对土壤氧化亚氮排放的影响 　　　　　　　　　　　
显 ,到相应于玉米出苗后的 81 d 时出现排放峰值 ,
然后下降.
玉米生长显著地改变了土壤 N2O 排放率季节
变化. 从表 1 可知 ,在种植玉米条件下 ,N2O 排放率
前期高 ,后期低 ,而裸土中则为前期低 ,后期高. 种植
玉米的土壤中 ,在土壤施用高氮和低氮条件下 ,苗期
N2O 排放量分别占总排放量的 64 %和 51 % ,高氮和
低氮处理 N2O 排放量的显著差异也只发生在苗期.
从开花期到玉米成熟收获的这一段时间里 ,对应裸
土中的 N2O 排放量在土壤施用高氮和低氮处理中
分别占总排放的 75 %和 68 % ,而此段时间只占总观
测时期的 37 %.
312 　土壤施氮和种植玉米对土壤排放 N2O 的影响
由图 1 和图 2 可见 ,施氮水平不影响 N2O 排放
的季节变化规律 ,但影响排放的强度和数量. 高氮处
理 N2O 排放率的变化幅度大于低氮处理 ( P <
0105) . 在种植玉米的土壤中 ,施用高氮的 N2O 排放
峰值是施用低氮的 218 倍 ( P < 0101) ; 在裸土中 ,施
用高氮的排放峰值是施用低氮的 116 倍 ( P <
0101) . 在种植玉米下 ,施用高氮的 N2O 排放总量是
施用低氮的 115 倍 ( P < 0101) ;裸土中 ,施用高氮的
N2O 排放总量是施用低氮的 214 倍 ( P < 0101) (表
1) .
表 1 　玉米生长期间各阶段土壤 N2O 排放通量及全生长期排放总量
Table 1 N2O emission from soil at different growth stage and total e2
mission during maize growth period
处理
Treatment
N2O 排放率 N2O emission rate (μg·kg - 1·d - 1)
BES ES2TS TS2FS FS2RS 总量 Total(μg·kg - 1)
HNM 2154 ±0136b 0157 ±0109c 0132 ±0102b 0162 ±0110c 9518 ±410c
LNM 1136 ±0117c 0164 ±0113c 0125 ±0102b 0151 ±0107c 6418 ±818d
HNB 3186 ±0177a 6166 ±1133a 5173 ±4151a 26146 ±3114a 1150 ±125a
LNB 1711 ±416b 3158 ±1146b 3169 ±0179a 10118 ±1103b 485 ±50b3 HNM : 高氮种玉米 High2N in maize soil ;LNM : 低氮种玉米 Low2N in maize soil ; HNB : 高氮
裸土 High2N in bare soil ;LNB : 低氮裸土 Low2N in bare soil ;BES: 拔节期以前 Before elongat2
ing stage ; ES: 拔节期 Elongating stage ; TS: 喇叭口期 Trumpet stage ; FS: 开花期 Flowering
stage ;RS: 成熟期 Ripening stage ;同一列中的不同字母表示 0105 的显著水平 The letters in a
same column denote the significant level at 0105.
图 3 　裸土下土壤 N2O 排放率与气温的关系
Fig. 3 Correlation of N2O emission rate from the bare soil with air tem2
perature.
　
图 4 　种植玉米土壤中 N2O 排放与气温的关系
Fig. 4 Correlation of N2O emission from maize2planted soil with air tem2
perature.
HNM :高氮 High2N ;LNM :低氮 Low2N.
　　同一土壤施氮水平下 ,裸土的 N2O 排放量显著
高于种植玉米的土壤. 高氮处理时 ,裸土的 N2O 排
放总量是种植玉米土壤的 12 倍 ( P < 0101) ,低氮处
理时 ,是种植玉米土壤的 615 倍 ( P < 0101) . 种植玉
米不仅改变了土壤 N2O 排放率的季节变化 (图 1 和
2) ,而且改变了 N2O 排放率与温度的关系. 图 3 和
图 4 表明 ,种植玉米土壤的 N2O 排放率与温度没有
显著的相关性 ,而裸土 N2O 排放率与温度呈极显著
的指数相关性 ,其温度效应 Q10在高氮和低氮处理
中分别为 414 和 312.
4 　讨 　　论
　　种植玉米土壤的 N2O 排放率的季节变化与裸
土完全不同 (图 1 和图 2) ,表明植物生长显著影响
土壤 N2O 的排放过程. 裸土的 N2O 排放总量是种
植玉米土壤的 715～12 倍 ( P < 0101) ,证明植物生
长显著减少施入土壤中的氮转化为 N2O. 其主要原
因是玉米生长需要大量的氮 ,土壤中的有效氮被植
物利用后 ,使硝化或者反硝化作用失去了有效氮源 ,
从而减少 N2O 的产生机会. 土壤中存在多余的有效
氮是土壤 N2O 产生的前提条件之一[15 ] . 如果以裸
土的排放量为基数 ,在玉米生长下 ,施用高氮和低氮
的土壤 N2O 排放总量比裸土分别减少 9117 %和
8617 % ,这说明植物与土壤微生物竞争土壤有效氮
可以定量减少土壤 N2O 的排放. 文献报道指出 ,不
施肥条件下 ,裸土 N2O 排放大于森林土壤而小于栽
培大麦和草地土壤[17 ] ,Duxbury 等[5 ]指出 ,在有机
土中 ,休闲土壤的年 N2O 排放大于种植奥古斯丁草
和甘蔗的土壤 ,证明在一定条件下通过植物吸收 ,降
低土壤有效氮源 ,可以减少 N2O 排放.
种植玉米下土壤 N2O 排放率的峰值出现在苗
期 ,主要是因为苗期玉米根系尚未发育成熟 ,吸收利
201　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
用土壤氮素能力低 ,因此土壤中有多余的有效氮成
为生成 N2O 的物质来源 ,产生大量的 N2O. 在此期
间 ,同一土壤施氮水平下 ,玉米土壤的 N2O 排放量
高于裸土 ,但差异未达到显著水平 (表 1) ,进一步说
明在此期间 N2O 排放受玉米生长的影响很小. 在种
植玉米土壤中 ,高氮和低氮处理的土壤 N2O 排放差
异显著 ,说明土壤有效氮源的供应是控制 N2O 排放
的主要因素. 拔节期以后 ,玉米初生根和次生根系均
完全发育成熟 ,支持根也开始大量形成 ,根系吸收利
用土壤氮素的能力显著增强 ,土壤的硝化或者反硝
化过程因为缺少有效氮源而受阻 ,N2O 的排放显著
减少 ,高氮与低氮之间的 N2O 排放率也不再有显著
差异 (表 1) . 冬小麦试验表明 ,成熟期土壤 N2O 排
放通量低于其他时期[22 ] . 曾江海等[26 ]研究表明 ,小
麦苗期土壤 N2O 排放出现最高峰 ,这些结果与本实
验结果相一致. 这说明因作物苗期吸收利用土壤氮
素能力弱 ,使土壤中有多余的有效氮是作物前期土
壤 N2O 排放高的主要原因.
裸土 N2O 排放总量显著高于种玉米的土壤
(表 1) ,是由于裸土中有足够的有效氮源 ,土壤 N2O
的形成不再受氮源限制. 在特定土壤中 ,土壤水分、
温度和有效氮源供应水平是影响土壤 N2O 排放的
最主要因素[8 ,10 ,19 ] . 本试验中 ,在整个玉米生长期
间 ,土壤水分得到了较好的控制 ,特别是裸土中 ,土
壤水分基本保持不变. 因此 ,有效氮源供应水平和温
度成为最主要的影响因素. 如果仅有足够的氮源 ,没
有必要的温度来刺激这一过程 ,N2O 排放还是不会
增加[29 ] . 在苗期 ,虽然有足够的氮源 ,但温度较低 ,
N2O 排放依然很低 ,随着时间推移 ,温度逐渐增加 ,
裸土 N2O 排放率基本呈增加趋势 ,与玉米土壤的差
异越来越明显 (图 1 和图 2) . 因此 ,在一定施氮量
下 ,裸土的 N2O 排放率主要受温度的控制 ,表现出
与温度的显著相关性 (图 3) .
在本试验中 ,从温度与土壤 N2O 排放率之间的
关系可以看出 ,植物生长和土壤施氮都会影响土壤
N2O 排放与温度之间的关系. 高氮下的相关系数高
于低氮下的相关系数 (图 3) ,表明温度与土壤 N2O
排放的关系受氮素水平影响. 当氮源充足时 ,土壤
N2O 排放受温度控制 ,当氮源不足时 ,则受氮源控
制.本试验中 Q10在高氮下为 414 ,低氮下为 312 ,说
明温度效应随施氮水平增加而增强. Smith 等[20 ]也
发现当土壤矿质氮不受限制时 ,土壤 N2O 排放与温
度呈指数关系 ,Q10在砂壤土为 116 ,在含水量高的
粘壤土可达到 12 ,Maag 和 Vinther [15 ]的土柱培养试
验表明 ,高温可以增强厌氧呼吸和反硝化作用 ,N2O
产生和反硝化作用的 Q10在 314～514 之间 ,Dobbie
和 Smith[4 ] 土柱培养试验结果为温度增加 ,土壤
N2O 排放增加. 植物生长下土壤 N2O 排放率与温度
相关性不显著 (图 4) ,表明植物生长下 ,土壤 N2O
排放受植物生长影响 ,而温度的影响表现不出来. 侯
爱新等[9 ]研究发现 ,当存在其他限制因子时 ,温度
对稻田 N2O 排放的影响则不会表现出来. 本试验中
正是因为植物对土壤有效氮的吸收利用使土壤有效
氮源不足 ,限制了土壤 N2O 产生和排放 ,从而造成
了土壤 N2O 排放率与温度的相关性不显著.
氮肥施用对农业土壤 N2O 排放具有明显的促
进作用 ,化学氮肥每年产生约 115 ×106 t 的 N2O ,占
人类活动向大气输入 N2O 的 44 %和每年向大气输
入 N2O 总量的 13 %[28 ] ,丁洪[3 ]等报道 ,施用氮肥比
不施氮肥土壤 N2O 排放总量增加 214～412 倍. 黄
国宏等[27 ]研究表明 ,东北大豆田和玉米田的年土壤
N2O 排放量为 2164 和 7110 kg·hm - 2 ,分别占施入
N 的 413 %和 113 %. Kaiser 等[13 ]指出 ,在 0、82、156
kg ·hm - 2·年 - 1的氮肥水平下土壤年 N2O 排放量分
别为 2108、2159 和 3131 kg·hm - 2 . 本试验中裸土施
用高氮的 N2O 排放量是低氮的 214 倍 ,在种植玉米
的土壤中 ,土壤施用高氮的 N2O 排放量是低氮的
115 倍 ,这也证明氮肥用量增加 ,土壤 N2O 排放总
量显著增加. 但是 ,本试验结果进一步说明 ,如果能
够提高作物对土壤氮素的利用率 ,将土壤有效氮供
应控制在较低的水平 ,则可明显减少土壤 N2O 的排
放.
综上所述 ,温度对 N2O 排放率的影响只有在有
效氮源供应充分的条件下才能表现出来. 种植玉米
不仅改变了土壤 N2O 排放的季节变化 ,而且改变了
土壤 N2O 排放率与温度的关系.
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作者简介 　杨兰芳 ,男 ,博士生 ,主要从事土壤物质循环与全
球变化关系方面的研究. E2mail : lyfang @issas. ac. cn or
lfyang2003 @hotmail. com
401　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷