全 文 ：应用生态学报 　2002 年 1 月 　第 13 卷 　第 1 期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Jan. 2002 ,13 (1) :67～70
降雨和土壤湿度对贵州旱田土壤 N2O 释放的影响 3
徐文彬　刘广深　刘维屏 3 3 　( 浙江大学环境科学研究所 ,杭州 310027)
【摘要】　以南方亚热带代表性旱田土壤2贵州玉米2油菜轮作田、大豆2冬小麦轮作田和休耕地为观测对象 ,
研究土壤 N2O 释放通量季节变化与降雨和土壤湿度的关系. 同时 ,采用 DNDC 模型定量探讨了未来降雨
量变化对土壤 N2O 释放的潜在影响. 结果表明 ,降雨与 N2O 释放峰间存在明显的驱动2响应关系 ,N2O 释
放通量与降雨量和土壤湿度间存在正相关性. 模型检验结果表明 ,夏秋季土壤 N2O 释放通量与降雨量变
化呈正相关 ,而降雨量的大幅度增加或下降将引起冬春季土壤 N2O 释放通量的微弱下降.
关键词 　N2O 　降雨 　土壤湿度 　旱田土壤 　DNDC 模型
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 01 - 0067 - 04 　中图分类号 　X142 　文献标识码 　A
Effects of precipitation and soil moisture on N2O emissions from upland soils in Guizhou. XU Wenbin , L IU
Guangshen and L IU Weibing ( Institute of Envi ronmental Science , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310027) .2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (1) :67～70.
Soils of corn2rape seed rotation ,soybean2winter wheat rotation and fallow land in Guizhou were representatively
selected to study effects of precipitation and soil moisture on N2O emissions. Furthermore ,DNDC model was used
to assess the potential effects of variations in precipitation in future on N2O emissions from above lands. The re2
sults indicated that N2O emission pulses were obviously driven by rainfall and N2O fluxes were correlated posi2
tively with precipitation and soil moisture. The results from DNDC modeling showed that N2O fluxes from soils
in summer and autumn would be correlated positively with precipitation ,but N2O fluxes in winter and spring
would slightly decrease with great change of precipitation.
Key words 　N2O , Precipitation , Soil moisture , Upland soils , DNDC model.
3 国家自然科学基金资助项目 (49873034 ,40073034) .3 3 通讯联系人.
1999 - 12 - 13 收稿 ,2000 - 04 - 25 接受.
1 　引 　　言
N2O 是对全球温室效应和平流层 O3 层破坏负
有重要责任的大气痕量气体 ,农业土壤是全球最重
要的人为 N2O 释放源. 受降雨和灌溉控制的土壤湿
度显著地影响着土壤中微生物活性和碳氮基质及
N2O 的迁移扩散速率 ,是影响土壤中 N2O 产生和释
放的最重要环境因素之一. 了解 N2O 释放与降雨和
土壤湿度间的关系 ,是建立估算区域农田生态系统
N2O 释放量的各种模型的基础[8 ,11 ] . 前人对东北和
华北旱田和稻麦轮作田土壤 N2O 释放与土壤湿度
间的关系研究已有些报道[3 ,12 ,15 ] . 南方亚热带旱作
农田生态系统是重要的 N2O 释放源区 ,其 N2O 释
放通量与降雨和土壤湿度间的关系如何 ,至今尚未
见报道. 同时 ,由温室效应和全球气候自然振荡引起
的未来全球降雨量的任何变化均会不同程度地影响
N2O 等温室气体的释放. 目前还难以通过田间实验
和简单的经验模型来预测未来降雨量变化对区域或
全球土壤 N2O 释放量的影响. 最近 Li 等[4～6 ] ,采用
DNDC(反硝化作用2分解作用) 模型以依阿华州玉
米地为例探索性地检验了未来降雨量变化对温带地
区旱田土壤 N2O 释放的潜在影响[7 ] . 研究从 1995
年开始对我国南方亚热带代表性旱田土壤区的贵州
旱田土壤进行长期的 N2O 释放通量田间原位测量
研究 ,以初步确定亚热带旱田的 N2O 释放特征及其
影响因素. 本文报道的是玉米2油菜轮作田、大豆2冬
小麦轮作田和休耕地的 N2O 释放通量与降雨和土
壤湿度变化间的关系 ,并采用 DNDC 模型定量探讨
了未来降雨量变化对土壤 N2O 释放的潜在影响.
2 　研究方法
211 　试验地自然概况
选贵州省农业科学院土壤肥料研究所试验站 (106°66’
E ,26°50’N ,海拔 1140m) 的玉米2油菜轮作田、大豆2冬小麦
轮作田和休耕地为试验地. 玉米2油菜轮作田和休耕地测量
时间从 199525228 (玉米播前整地) ～199625227 (油菜收割) ,
大豆2冬小麦轮作田测量时间从 199523220 (大豆播前整地)
～199625215 (小麦收割) ,观察期包括了上述 4 种旱作的生长
期.试验田耕种和施肥措施与当地大田相同 ,上述 4 种旱作
的 N 肥均为尿素 ,施 N 量分别为 138、104、31kg·hm - 2和
123kg·hm - 2 ,其中玉米、油菜和冬小麦分基肥和追肥施用 ,
大豆仅作追肥. 同时 ,油菜、大豆和冬小麦有机肥 (堆肥 ,作基
肥)施用量 (C)分别为 2470、1240 和 2500kg·hm - 2 ,玉米地未
施有机肥. 休耕地的前季作物为油菜. 试验田土壤均为黄壤 ,
p H715 ,全 N0171 %左右. 玉米2油菜田和休耕地土壤有机质
含量 1210g·kg - 1 ,容重 1114g·cm - 3 ,物理性粘粒 ( < 2μm)
2516 % ;大豆2冬小麦田土壤有机质含量 1016g·kg - 1 ,容重
1124g·cm - 3 ,物理性粘粒 ( < 2μm) 3010 %.
212 　研究方法
有关田间 N2O 气样采集方法和 N2O 浓度气相色谱测量
方法见文献[13 ] .
213 　DNDC 模型对土壤 N2O 释放的模拟过程
DNDC模型主要模拟农业土壤尤其是旱田土壤的 N2O
释放过程. 模型由土壤水热子模型、作物生长子模型、好氧分
解作用子模型和厌氧反硝化作用子模型构成 ,模拟以天 (干
旱期间)或每小时 (降雨期间) 为时间步长的土壤 N2O 释放
过程. 模型以常规的气候、土壤理化性状、施肥和耕作方式等
为参数输入项. 有关该模型的详细结构、方程和输入参数见
文献[4 ] . 模型拟合与田间测量在亚热带土壤 N2O 释放通量
及其影响因子季节变化上的对比分析结果见文献 [14 ] .
3 　结果与讨论
311 　N2O 通量季节变化与降雨和土壤湿度的关系
31111 　降雨事件与出现 N2O 释放峰间的驱动2响应
关系　田间观测结果表明 (图 1) ,3 试验田 N2O 释放
通量季节变化主要由一系列的 N2O 释放峰来体现 ,
N2O释放峰区样本数占全部通量观察样本数 ( n =
213)的不到 40 % ,但对释放总量的贡献率达 73 %.
由图 1 可知 ,虽然 3 试验田因各自在作物种植、施
肥和翻耕上存在差异而使少数 N2O 释放峰的出现时间
不同外 ,令人关注的是 3 试验田间主要 N2O 释放峰均
同步出现 ,释放通量呈现相同的季节变化模式. 因此 ,
必有一共同因素控制着 3 试验田 N2O 释放通量的季节
变化.在叠加了降雨后 ,图 1 明显反映出除玉米地 1995
年 6 月 16 日和 7 月 26 日因翻耕产生的 2 个弱 N2O 释
放峰外 ,3 试验地其余 44 个 N2O 释放峰均紧接在降雨
后的 1～2d内出现 ,雨量大于 10mm的降雨事件与出现
N2O释放峰间的耦合关系达 100 % ,降雨事件与出现
N2O释放峰间存在明显的驱动2响应关系.降雨主要通
过影响土壤氧化还原状况而影响硝化和反硝化作用的
相对强弱 ,由于土壤氧化还原状况的变化有一短暂过
程 ,因此 ,N2O 释放峰与降雨事件间存在 1～2d 的时间
相位差 ,释放峰滞后.
31112 　N2O 释放通量季节变化与降雨量的正相关
性　在校正了 1～2d 的时间相位差后 ,玉米2油菜轮
作田、大豆2冬小麦轮作田和休耕地的N2 O释放通 图 1 　N2O 释放通量、降雨和土壤湿度的季节变化Fig. 1 Seasonal variations of N2O fluxes , precipitations and soil mois2tures at 3 lands.Ⅰ1 玉米2油菜轮作田 Corn2rape seed rotation land , Ⅱ1 休耕地 Fallowland , Ⅲ1 大豆2冬小麦轮作田 Soybean2winter wheat rotation land ,a1玉米地翻耕、施肥和播种 Tilling , fertilizing and sowing at corn land ,b1翻耕 Tilling ,c. 中耕追肥 Tilling and topdressing ,d1 玉米收割 Harvest2ing corn ,e1 油菜地翻耕、施肥和播种 Tilling , fertilizing and sowing atrape seed land ,f1 中耕追肥 Tilling and topdressing ,g1 油菜收割 Har2vesting rape seed ,h1 大豆地翻耕 Tilling at soybean land ,i1 施肥、播种Fertilizing and sowing , j1 追肥 Topdressing , k1 大豆收割 Harvestingsoybean ,l1 冬小麦地翻耕 Tilling at winter wheat land ,m1 施肥、播种Fertilizing and sowing ,n1 追肥 Topdressing ,o1 追肥 Topdressing ,p1 冬小麦收割 Harvesting winter wheat . A. 降雨 Precipitation ,B1N2O 通量N2O flux ,C1WFPS.量与降雨量间的相关系数分别达 0171、0163 和0153 (n = 66～79) . 相关系数显著性 t 检验 ,α均小于0105 ,相关显著. 降雨量与玉米地、大豆地和夏秋季休耕地 (对应于玉米生长季节) N2O 释放通量间的相关系数分别达 0173、0170 和 0166 ,与油菜地、冬小麦地和冬春季休耕地 (对应于油菜生长季节)间的相关系数也分别达 0157、0156 和 0150. 上述结果暗示 ,作为亚热带代表性旱作农田的 3 试验田 ,其夏秋季时的 N2O 释放通量与冬春季相比更受降雨的影响. 在本试验小区 ,夏秋季时的日均气温和 10cm 处
86 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
土温基本处于 15～30 ℃间 ,具备土壤中生物硝化和
反硝化作用生成 N2O 的较适宜温度条件 ,因此 ,降
雨成为最重要的影响 N2O 释放通量的气候因素 ;而
在冬春季 ,上述温度大多在 15 ℃以下 ,气温波动和
降雨量变化共同影响着 N2O 释放.
31113 　N2O 释放通量季节变化与土壤湿度的关系
　正由于降雨是个表观影响因子 ,N2O 释放通量与
降雨间的定量关系成为建立估算土壤 N2O 释放量
的各种经验模型和机理模型的重要基础. 降雨事件
和降雨量主要通过控制土壤湿度的变化来影响土壤
中 N2O 的生成和释放. 为便于与国际上的同类研究
结果对比 ,本文采用土壤含水孔隙率 ( WFPS ,water2
fillled pore space)来表示土壤湿度 ,该值是土壤含水
容积与土壤孔隙总容积之比[9 ] .
由图 1 可见 ,剔除因翻耕引起的极少数弱 N2O
释放峰后 ,玉米2油菜轮作田、大豆2冬小麦轮作田和
休耕地的 N2O 释放通量季节变化中的各峰、谷与各
自 0～15cm 土层的平均 WFPS 的峰、谷同步出现 ,3
试验田 N2O 释放通量与各自 WFPS 间的相关系数
分别达 0170、0158 和 0161 ( n = 66～79) . 郑循华
等[15 ]对稻麦轮作田的研究曾观测到当 WFPS 低于
85 %时 ,麦田 N2O 释放通量与 WFPS 呈正相关.
当土壤 WFPS 在 40 %～60 %时 ,土壤中微生物
的硝化和反硝化作用共存 ;当 WFPS 达 60 %以上
时 ,土壤转以微生物的反硝化作用过程为主[11 ] . 实
验过程中 ,玉米2油菜轮作田、大豆2冬小麦轮作田和
休耕地土壤的 WFPS 值分别在 2810 %～8318 %、
4114 %～8215 %和 3410 %～9518 %间变化 ,表明 3
试验田释放的 N2O 由微生物的反硝化和硝化作用
过程共同贡献. 至于反硝化和硝化作用的相对贡献
率尚需通过进一步的研究才能确定.
1995 年 8 月 3 日的降雨量仅 35mm , 4 日的
WFPS 也仅 63 %～65 % ,但 3 试验地当日的 N2O 释
放通量均是整个田间观测过程中最大的 (图 1) . 在 8
月 3 日前 ,土壤持续了半个多月的干旱 ,WFPS 一直
低于 50 % ,以有机质矿化分解和硝化作用等氧化过
程为主 ,使土壤积累了一定的 C、N 基质 ,当 WFPS
突变至 63 %～65 %后 ,累积的 C、N 基质经由反硝
化作用产生 N2O 释放出来 ,出现 N2O 的爆发释放.
其他研究者也曾观测到类似的土壤干湿交替引起的
N2O 爆发释放[1 ,10 ] .
应指出的是 ,1995 年 7 月 7 日和 8 日共降雨
135mm ,暴雨过后 ,3 试验田土壤 WFPS 均在 83 %
以上 ,N2O 释放通量却是整个实验过程中最低的
(图 1) ,随着 WFPS 降至 75 % ,才出现 N2O 的释放
峰. WFPS 达 80 %～100 %时土壤中微生物的反硝
化作用过程速率最大[8 ] ,但过高的土壤湿度阻碍了
N2O 的扩散迁移 ,增加 N2O 进一步被反硝化还原为
N2 的机率 ,反而会降低 N2O 的净生成量和释放通
量 ,因此 ,N2O 达最大净生成量和释放通量时的土
壤湿度一般低于 80 %[2 ,11 ] . 黄国宏等[3 ]对东北旱田
的土壤含水量与 N2O 产生途径的研究中也曾观测
到类似的暴雨后 N2O 释放通量反而很低的现象.
312 　年降雨量变化对土壤 N2O 释放的潜在影响
本研究采用 Li 等[4～6 ]建立的 DNDC 模型来评
估未来降雨量变化对试验地 N2O 释放的潜在影响.
前期研究表明[13 ,14 ] ,DNDC 模型能较好地拟合本研
究中 3 试验地的 N2O 释放通量、0～15cm 土层平均
WFPS、10cm 处土温及 NO -3 和 N H +4 含量的季节变
化 ,这为采用 DNDC 模型检验未来降雨量变化对以
本试验地为代表的亚热带旱田土壤 N2O 释放的潜
在影响提供了依据.
模型检验的基线参照条件采用实验小区 1995
年的气候、土壤理化性状和各作物生长季节的施肥、
翻耕方式等方面的数据. 在检验年降雨量变化对
N2O 释放的影响时 ,模型其它参数输入项均采用参
照条件的数据. 考虑到为满足作物的正常生长需要
和未来气候变化可能的幅度 ,年降雨量限制在参照
条件的 ±20 %范围内. 实验小区 1995 年降雨量
109173cm ,因此 , 模型检验年降雨量在 89173 ～
129173cm 范围时降雨量变化对土壤 N2O 释放的潜
在影响. 检验结果表明 (图 2) ,玉米地、大豆地和夏
秋季休耕地日均 N2O 释放通量均随降雨量增加而
升高 ,释放通量对降雨量变化的响应也均接近于线
性 ,这与田间观测结果一致. 图 2 还显示 ,夏秋季休
耕地 N2O 释放通量对降雨量变化的响应程度略强
于玉米地和大豆地 ,当年降雨量从 89173cm 增至
129173cm 时 ,上述 3 地的日均 N2O 释放量分别增
长了 17199 %、22146 %和 31195 %. 休耕地由于未受
施肥和翻耕等农业活动的影响 ,因此 ,与玉米地和大
豆地相比 ,更易受气候变化的直接影响.
降雨量变化对油菜地、冬小麦地和冬春季休耕地
N2O 释放的影响较为复杂 ,影响效应也不如对秋收作
物和夏秋季休耕地那样明显. 检验结果表明 ,在总体
上 ,试验小区未来年降雨量的较大幅度增加或下降 ,将
引起越冬期土壤日均 N2O 释放通量的微弱下降.该结
果有别于田间观测到的越冬期土壤 N2O 释放通量与降
961 期 　　　　　　　　　　　徐文彬等 :降雨和土壤湿度对贵州旱田土壤 N2O 释放的影响 　　　　　　　　
雨量间的正相关性. 减少降雨量 ,土壤湿度过低 ,硝化
和反硝化菌的活性及土壤中 C、N 基质的迁移会受一定
的影响 ,N2O 释放通量自然会降低. 冬春季土壤日均
N2O 释放通量随降雨量的大幅增加而微弱下降 ,推测
可能与冬季试验地温度较低 (低于 15 ℃)有关.在冬季 ,
大幅度增加降雨量虽能增强土壤处于厌氧还原状态的
程度 ,但较低的温度抑制了反硝化菌的活性 ,此时 ,增
加降雨量对及时增强 N2O 释放通量的促进作用并不明
显 ,反而可能造成耕层中无机 N 的淋失而影响后续的
N2O 释放.尽管降雨量变化对 3 试验田夏秋季和冬春
季 N2O 释放通量的影响效应并不同 ,但从全年或整个
作物轮作期来看 ,3试验田日均N2 O释放通量均随
图 2 　日均 N2O 释放通量对年降雨量变化的敏感性
Fig. 2 Sensitivity of daily average N2O flux to precipitation changes.
a1 玉米地 Corn land ,b1 油菜地 Rape seed land ,c1 大豆地 Soybean land ,d1 冬小麦地 Winter wheat land ,e1 休耕地 (夏秋季) Fallow land (summer
and autumn) ,f1 休耕地 (冬春季) Fallow land (winter and spring) .
降雨量的增加而呈非线性增长.
4 　结 　　论
411 　田间观测表明 ,降雨事件与出现 N2O 释放峰间
存在明显的驱动2响应关系 ,释放峰滞后 1～2d.轮作期
N2O 释放通量与降雨量呈不同程度的相关性 ,夏秋季
土壤 N2O 释放通量与冬春季相比更受降雨的影响.
412 　轮作期 N2O 释放通量与土壤湿度呈正相关. 暴
雨过后土壤 WFPS 达 83 %时 ,N2O 释放通量显著下
降.同时 ,土壤干2湿交替会引起 N2O 的爆发释放.
413 　DNDC模型检验结果表明 ,夏秋季土壤 N2O 释
放通量随降雨量增加接近于线性增长 ,尤以休耕地受
影响最大.对冬春季土壤 ,随着年降雨量的较大幅度
增加或下降 ,N2O 释放通量在总体上微弱下降 ,温度
和降雨共同影响着冬春季土壤的 N2O 释放.
参考文献
1 　Davidson EA. 1992. Sources of nitric oxide and nitrous oxide fol2
lowing wetting of dry soil. Soil Sci Soc A m J ,56 :95～102
2 　De Groot CJ ,Vermoesen A ,Cleemput OV. 1994. Laboratory study
of the emission of N2O and CH4 from a calcareous soil. Soil Sci ,158
(5) :355～364
3 　Huang G2H(黄国宏) ,Chen G2X (陈冠雄) , Han B (韩 　冰) , et
al . 1999. Relationships between soil water content and N2O pro2
ductin. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) , 10 ( 1) : 53～56 (in
Chinese)
4 　Li CS , Frolking S , Frolking TA. 1992a. A model of nitrous oxide
evolution from soil driven by rainfall events I. Model structure and
sensitivity. J Geophys Res ,97 (D9) :9759～9776
5 　Li CS , Frolking S , Frolking TA. 1992b. A model of nitrous oxide
evolution from soil driven by rainfall events Ⅱ. Model application. J
Geophys Res ,97( D9) :9777～9783
6 　Li CS ,Frolking S ,Harriss R. 1994. Modeling carbon biogeochemistry in
agricultural soils. Global Biogeochem Cycles ,8 (3) :237～254
7 　Li CS ,Narayanan V , Harris RC. 1996. Model estimates of nitrous
oxide emissions from agricultural lands in the United States. Global
Biogeochem Cycles ,10 (2) :297～306
8 　Potter CS ,Matson PA ,Vitousek PM , et al . 1996. Process modeling
of controls on nitrogen trace gas emission from soils worldwide. J
Geophys Res ,101 (D1) :1361～1377
9 　Roux XL ,Abbadie L ,Lensi R , et al . 1995. Emission of nitrogen
monoxide from African tropical ecosystem : Control of emission by
soil characteristics in humid and dry savannas of West Africa. J
Geophys Res ,100 (D11) :23133～23142
10 　Vitousek PM , Matson P ,Volkman C , et al . 1990. Nitrous oxide flux
from dry tropical forests. Global Biogeochem Cycles ,3 :375～382
11 　Williams EJ , Hutchinson GL ,Fehsenfeld FC. 1992. NOX and N2O
emissions from soil. Global Biogeochem Cycles ,6 (4) :351～388
12 　Xu H (徐 　华) , Xing G2X (邢光熹) , Cai Z2C (蔡祖聪) , et al .
1999. Effect of soil water regime and chemical N fertilizers applica2
tion on N2O emission from paddy field. Chin J A ppl Ecol (应用生
态学报) ,10 (2) :186～188 (in Chinese)
13 　Xu W2B (徐文彬) , Hong Y2T (洪业汤) , Chen X2H (陈旭晖) .
2000. N2O emissions from agricultural soils in Guizhou Province
and its environmental controlling factors. Envi ron Sci (环境科学) ,
21 (1) :7～11 (in Chinese)
14 　Xu W2B (徐文彬) , Hong Y2T (洪业汤) , Chen X2H (陈旭晖) .
2001. Analysis the potential effect of fertilizing and tilling on N2O
emissions from upland soils using DNDC model. Chin J A ppl Ecol
(应用生态学报) ,12 (6) :917～922 (in Chinese)
15 　Zheng X2H(郑循华) ,Wang M2X(王明星) ,Wang Y2S(王跃思) ,
et al . 1996. Impact of soil humidity on N2O production and emis2
sion from a rice2wheat rotation ecosystem. Chin J A ppl Ecol (应用
生态学报) ,7 (3) :273～279 (in Chinese)
作者简介 　徐文彬 ,男 ,1969 年生 ,博士后 ,主要从事全球环
境变化和环境污染化学研究 ,已发表学术论文 30 篇. E2mail :
xuwenbin @163. net
07 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷