全 文 ：华东稻麦轮作生态系统冬小麦田 NO 排放观测研究 3
郑循华 3 3 　王明星　王跃思　(中国科学院大气物理研究所 ,北京 100029)
李老土　金继生　(江苏省吴县市农业科学研究所 ,苏州 2101280)
【摘要】　在采用基于箱法的自动观测技术对华东稻麦轮作生态系统的整个小麦生育期进行 NO 排放全天候连
续观测基础上 ,本文讨论了华东麦田 NO 排放的季节变化和日变化特征以及温度、土壤湿度、施肥和植物生长
的影响. 华东冬小麦田的 NO 排放很明显地表现为“春高、秋低、冬无”的季节变化趋势 ,温度是决定其季节变化
基本形式的首要因素 ,尽管施氮肥可以增加当季 NO 排放 5～7 倍 ,但却不能改变 NO 排放的季节变化格局. 在
植物生长活动较弱的情况下 ,温度是决定 NO 排放日变化形式的主要因素 ,日排放极大值发生在 9 ¬ 00～
14 ¬00. 植物生长很旺盛时 ,NO 排放的日变化形式取决于植物吸收和微生物硝化过程竞争土壤铵态氮的结果 ,
通常日排放极大值发生在傍晚 18 ¬00 至次日 4 ¬00 之间 ,白天 8 ¬00～16 ¬00 出现极小值.
关键词 　NO 排放 　季节变化 　日变化 　自动观测 　麦田
NO emission from winter wheat f ields of rice2wheat rotation ecosystem in southeast China. ZHEN G Xunhua ,WAN G
Mingxing ,WAN G Yuesi ( Institute of A t mospheric Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029) , L I Laotu
and J IN Jisheng ( W uxian Institute of A gricultural Sciences , Jiangsu Province , S uz hou 215128) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2000 ,11 (4) :577～581.
Measurements of NO emission from the winter wheat field of rice2wheat rotation ecosystem in southeast China during
the whole period of wheat growth show that a higher NO emission was observed in spring than in autumn , and almost
no emission in winter could be detected. Temperature was the most important factor determining the seasonal variation
pattern of NO emission. Although the N fertilization might enlarge NO emission by a factor of 5～7 ,it could not modi2
fy the seasonal variation pattern. During the period of relatively weak plant activity ,the diurnal variation pattern ,with
the maximum emission at 9 ¬00～14 ¬ 00 , was determined by temperature. When plants luxuriated , however , the
competition of NH+4 by plant uptake and by microbial nitrification led to a night2peak variation pattern ,in which ,the
maximum diurnal emission usually occurred during 18 ¬00 and 4 ¬00 of next day , and the minimum at 8 ¬00～
16 ¬00.
Key words 　NO emission , Seasonal variation , Diurnal variation , Automatic measurement , Wheat fields.
　　3 国家“九五”攀登预选项目 ( PD9522) 、国家自然科学基金资助项
目 (49975027)和中国科学院重大项目 ( KZ951 - A1 - 403) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 03 - 31 收稿 ,1998 - 09 - 11 接受.
1 　引 　　言
NO 既是生成对流层 O3 和酸雨成分 HNO3 的重
要前体物质 ,又作为 CH4 、NMHCs (非甲烷烃) 、CO、
N2O 等大气污染成分的氧化剂而参与复杂的大气化
学过程[7 ,11 ] ,从而直接或间接地影响大气质量和破坏
地球生态环境. 农田是大气 NO 的重要排放源之一 ,原
位观测各类农田生态系统的 NO 排放 ,是编制 NO 的
生物源排放清单和研究农田 NO 减排技术的基础. 我
国至今尚未见有关农田 NO 排放研究的正式报道. 本
文旨在凭借自行研制的 NO 生物源排放自动测量设
备[11 ] ,通过对华东地区稻麦轮作生态系统的一个完整
冬小麦生长季以及稻麦作物茬口进行 NO 排放的全天
候自动连续观测与实验研究 ,揭示我国独特的生物地
理环境和农作方式下农田 NO 排放的时间变异规律性
及其影响因素 ,为准确估计生态系统 NO 排放强度并
探索农田 NO 排放对策提供科学依据.
2 　实验方法
211 　田间处理
实验田设在苏州市南郊的太湖地区典型水稻土 ———潴育
型黄泥土上 (31°16′N , 120°38′E) ,耕层土壤为粘壤质 (粘粒含
量 47 %) ,有机质、全氮 (N) 、全磷 ( P2O5)和全钾 ( K2O)含量分别
为 34193、1188、1115 和 1314g·kg - 1 ,p H 值为 615. 年降雨量
1080mm ,无霜期 240d 左右 , 1 月和 7 月平均气温分别为 219 ℃
和 2815 ℃. 太湖地区是我国主要水稻产区之一 ,共有稻田 1188
×106 hm2 ,大约 65 %的稻田实行水稻2冬小麦轮作. 本实验中 ,
冬小麦播种于 11 月 1 日 ,次年 5 月 27 日收割 ,20d 后田间淹水
种稻.
实验在 3 个 8m ×12m 的小区上进行 ,每个小区设 1 种田
间施肥处理 ,3 种处理分别为化肥、有机肥 + 化肥和对照 (不施
肥) ,其中前两种施肥处理均代表当地常规施肥方式 ,施纯 N 总
应 用 生 态 学 报 　2000 年 8 月 　第 11 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2000 ,11 (4)∶577～581
量均为 191 kg·hm - 2 . 有机肥为自然堆腐 5 个月的前茬麦秸. 各
种肥料处理列于表 1. 每个小区随机地布置 3 个重复采样箱 ,以
3 个点位共 18 个通量数据的平均值代表该处理的日平均排放
通量.
表 1 　田间施肥处理
Table 1 Field treatment of fertilization
小区
编号
No.
肥料类型及用量
Fertilizer type and
total amount
肥料分配
Distribution of fertilizer
A 　　　— 　　　—
B 有机肥 Organic :10t·hm - 2 基肥 Base fertilizer :
复合肥Compost 3 :270kg·hm - 2 　　有机肥 Organic :10t·hm - 2
尿素 Urea :285kg·hm - 2 　　复合肥 Compost :270kg·hm - 2
　　尿素 Urea :13kg·hm - 2
越冬肥 Wintering(Urea) :63kg·hm - 2
返青肥 Reviving(Urea) :104kg·hm - 2
拔节肥 Elongation(Urea) :104kg·hm - 2
C 复合肥Compost 3 :270kg·hm - 2 基肥 Base fertilizer :
尿素 Urea :350kg·hm - 2 　　复合肥 Compost :270kg·hm - 2
　　尿素 :Urea :78kg·hm - 2
越冬肥 Wintering(Urea) :63kg·hm - 2
返青肥 Reviving(Urea) :104kg·hm - 2
拔节肥 Elongation(Urea) :104kg·hm - 23 N : P2O5 : K2O = 12 % :6 % :7 %.
212 　观测方法
本文采用全自动测量方法对整个冬小麦生育期的 NO 排
放进行全天候连续观测 [11 ] . 自动系统中用于测定 NO 浓度的
检测仪器是北京分析仪器厂引进美国 MON ITOR LABS 技术
生产的 8840 型化学发光式氮氧化物分析仪. 在连续观测过程
中 ,每间隔一段时间就用 MON ITOR LABS 生产的标定仪器对
氮氧化物分析仪进行一次标定 ,以确保观测浓度值的精度和可
比性. 方法的基本原理是 ,从安装在田间的 70cm ×70cm ×90cm
的密闭箱中定时自动抽取空气样品 ,经除水干燥后输送到相距
约 50m 的实验室内 ,测定气体样品的 NO 浓度 ,然后由式 (1) 计
算 NO 排放通量 ,即单位时间单位面积上排放的 NO 质量数.
F = 273/ (273 + T) ×60 ×10 - 5 Hpdc/ dt (1)
式 (1)中 , F 为 NO 排放通量 (单位为 mg·m - 2·h - 1 ,以 NO 计) ,
T 为采样时的箱内平均气温 ( ℃) , H 为采样箱内的气室高度
(cm) ,ρ为标准状况下的空气密度 (g·L - 1) , c 为 NO 体积分数
(nl·L - 1) , t 为关箱时间 (min) , dc/ dt 为密闭箱内 NO 气体体
积分数变化率 (nl·L - 1·min - 1) .
观测系统共设计有 9 个采样箱 ,以同时观测 9 个点位的
NO 排放. 实验过程中 ,每 3 个一组依次进行观测 ,每组每次观
测 80min ,每个点位 1d 共观测 6 次 ,以 6 个通量观测值的平均
值代表每个点位的日平均排放通量. 自动观测系统中还设计有
8 个温度探测通道 ,安装有 8 个温度探头 ,同步测定箱内外气温
和不同深度的土壤温度 ,系统每 10min 记录一次 8 个通道的温
度 ,并定时地存储在中心控制计算机内.
3 　结果与讨论
311 　NO 排放的季节变化及其环境控制
31111 季节变化 　如图 1 所示 ,华东稻麦轮作生态系
统中冬小麦田的 NO 排放很明显地表现为“春高、秋
低、冬无”的季节变化趋势. 在秋季小麦播种后的大约
1 个月内 ,NO 排放较为明显 ,但因不同施肥处理而异 ,
通量值为 01021～01103mg·m - 2·h - 1 (以 NO 计 ,下
同) . 12 月上、中旬 ,NO 排放通量值比前一阶段明显偏
低 ,仅为 01009～01025mg·m - 2·h - 1 . 在从 12 月下旬
至次年 2 月底以前的冬季 ,几乎监测不到明显的 NO
排放通量. 从初春小麦返青直至田间淹水准备种稻之
前 ,NO 排放很强 ,通量值达 01048～01421mg·m - 2·
h - 1 ,且表现出随温度增加而上升的趋势.
图 1 　华东麦田 NO 排放及表层土壤温度的季节变化
Fig. 1 Seasonal variation of surface soil temperature and NO emission from
wheat fields in southeast China.
Ⅰ. 有机肥 + 化肥 Organic + Chemical , Ⅱ. 化肥 Chemical , Ⅲ. 对照 (无肥)
Control , Ⅳ. 土壤温度 Soil temperature.
31112 温度的影响 　从图 1 显然可见 ,温度是引起冬
小麦田 NO 排放季节变化的重要因素. 入冬以前 ,NO
排放随温度降低而下降 ;表层土壤日平均温度低于
5 ℃时 ,NO 排放通量接近或低于检测限 ;春季 ,NO 排
放随温度回升而逐渐增加. 尽管施肥能使 NO 排放显
著增加 ,但 NO 排放的季节变化形式并不因施肥与否
而改变. 因此 ,可以认为华东麦田 NO 排放的季节变化
形式是由温度的季节变化决定的. 据报道 ,在完全透气
的土壤中 ,硝化作用产生的 NO 和 N2O 之比通常为 10
～20 ,且 NO/ N2O 比值随土壤中 O2 有效性的降低而
减少[5 ] ,而反硝化作用产生的 NO 和 N2O 之比通常只
有大约 0101 [3 ] . 显然 ,尽管土壤中硝化作用和反硝化
作用均可产生 NO[3 ,7 ,8 ] ,但对麦田土壤而言 ,由于土
壤透气性较好 ,使硝化微生物对 NO 排放的贡献远大
于反硝化微生物. 发生硝化作用的适宜温度在 15～
35 ℃之间 ,低于 5 ℃或高于 40 ℃,硝化微生物都不能正
常生长 ,从而限制硝化作用发生[1 ,4 ] . 所以 ,在表层土
壤日平均温度低于 5 ℃的冬季 ,检测不到麦田土壤的
NO 排放 ,而在其它季节 ,NO 排放很大程度上依赖于
土壤温度. 如图 2 所示 ,就整个冬小麦生长季而言 ,在
0～24 ℃温度范围内 ,NO 排放对表层土壤温度的依赖
性可用指数函数 F = AeB t来描述 ,其中 F 表示排放通
量 , t表示表层土壤日平均温度 , A 和B均为常数 . 为
875 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
图 2 　华东麦田 NO 排放的温度效应
Fig. 2 Effects of temperature on NO emission from wheat fields in southeast
China.
了便于与其他研究者的结果进行比较 ,这里用式 (2)和
(3)分别给出以 mg·m - 2·h - 1 (以 NO 计) 和 ng·m - 2·
s
- 1 (以 N 计) 为排放通量单位时华东冬小麦田 NO 排
放随温度变化的拟合函数.
　　F = 0100657 e (01207 ±01012) t
(0 < t < 24 , ℃, n = 199 , r = 01785) 3 3 (2)
F = 11454 e (01181 ±01008) t
(0 < t < 24 ℃, n = 199 , r = 01850) 3 3 (3)
式中 , n 表示样本数 , r 为观测通量值与温度的对数相
关系数. 由式 (2)或 (3)可得 ,华东冬小麦田 NO 排放的
Q10值约为 2 ,与文献报道的美国麦田 Q10值[8 ]一致 ,
这表明华东冬小麦田与美国麦田具有相同的 NO 产生
和排放机制. 但美国麦田拟合方程的系数 A 为 3ng·
m
- 2·s - 1 ,约为华东麦田 A 值的 2 倍 , B 值为 01073 ±
01011 ℃- 1 [8 ] ,仅为华东麦田的 40 %. 式 (2)或 (3)的适
宜温度范围为 0～24 ℃,而美国麦田拟合曲线则适用
于 15～35 ℃的温度范围[8 ] . 拟合曲线的适宜温度范围
以及农作方式等方面的差异可能是导致华东和美国麦
田的 A 和 B 值不同的原因. 以上比较分析说明 ,在根
据温度来估计区域或生态系统的 NO 排放 (美国的
NO 生物源排放清单就是采用这样的方法估算出来
的[8 ])量时 ,不能完全照搬国外的经验公式.
从图 1 可见 ,尽管 5 月中、下旬温度较高 ,但 NO
排放通量却相对较低. 又如图 2 所示 ,虽然 NO 排放通
量的实际观测值随温度而呈指数增长趋势 ,但数据点
非常分散. 这些都说明 ,尽管温度变化决定着华东冬小
麦田 NO 排放的季节变化形式 ,然而 ,对 NO 排放变化
起重要作用的还有其他因素 ,诸如土壤湿度、施肥等.
31113 土壤湿度的影响 　图 3 显示了土壤温度、湿度
和 NO 排放的季节分布. 总体看来 ,NO 排放的季节变
化和土壤湿度没有明显关系 ,但若分阶段来考虑 (表
2) ,便不难发现 ,在土壤湿度和温度都较相近的11月
图 3 　土壤湿度、温度和 NO 排放通量的季节分布
Fig. 3 Seasonal distribution of soil moisture , temperature and NO emission
flux.
Ⅰ. 土壤湿度 Soil moisture , Ⅱ. 排放通量 NO emission flux , Ⅲ. 土壤温度
Soil temperature.
和 3 月 ,NO 排放通量也较为相近 ,而在 4 月以后 ,NO
排放通量是 11 月和 3 月的 3～5 倍. 同时 ,这一阶段的
土壤湿度也明显偏低. 如果仅考虑温度的影响 ,由前面
给出的 Q10值可以求得 ,这一阶段的 NO 排放强度应
当是前两个阶段的 1. 8 倍. 但实际结果却远高于这个
值 ,说明土壤湿度降低是使第三个阶段的 NO 排放强
度远高于前两个阶段的首要因素. 在一定温度条件下 ,
受土壤湿度控制的 O2 有效性是决定硝化作用过程速
率和 NO 占硝化作用产物的比重的关键因素[7 ] ,因而 ,
相对较低的土壤湿度更有利于 NO 的产生和排放.
表 2 　不同阶段的土壤平均温度、湿度和 NO 排放通量
Table 2 Soil temperature , soil moisture and NO emission flux during vari2
ous periods
阶段
Periods
表土温度
Temperature
土壤湿度
Soil
rnoisture
% SWHC 3 NO 通量NO flux
11 月 Nov. 1015 ±316 95 ±816 01037 ±01021
3 月至 4 月初 Mar. to early Apr. 910 ±219 99 ±1114 01064 ±01038
4 月中至 6 月中 Mid. Apr. to mid.Jun. 1818 ±417 86 ±1411 01193 ±010823 %SWHC :土壤水分占田间持水量的百分比 Percent ratio of soil water
content to soil water holding capacity or field capacity.
31114 施肥的影响 　如表 3 所示 ,对于生长季施肥量
为 191kg·hm - 2 (以 N 计) 的华东冬小麦田 ,当季施肥
作用使 NO 排放量约增加 5～7 倍 ,但有机肥 + 化肥小
区的 NO 排放总量约比纯化肥小区低 2216 %. 后者当
季肥料氮素的 NO 排放率 (一般称之为排放因子[6 ]) 约
为 21463 % ,而前者为 11825 %. 显然 ,给华东冬小麦田
表 3 　施肥对 NO2N排放量的影响
Table 3 Effects of N fertilization on NO2N emission from wheat f ields
处理　　　　
Treatment 　　　　
对照
Control
(plot A)
有机肥 +化肥
Organic +
Chemical
(plot B)
化肥
Chemical
(plot C)
季节排放总量 (kg·hm - 2) 01691 41518 51371
Seasonal total
肥料引起的排放 (kg·hm - 2) — 31467 41680
Emission caused by fertilization
肥料的当季排放因子 ( %) — 11825 21463
Fertilizer emission factor
9754 期 　　　　　　　　　　　　郑循华等 :华东稻麦轮作生态系统冬小麦田 NO 排放观测研究 　　　　　　　　　
施用经堆腐处理的麦秸有机肥可以明显减少肥料氮素
的 NO 排放率. 但施有机肥使 NO 排放减少的机制有
待进一步研究.
312 　NO 排放的日变化形式及其决定因素
31211 日变化 　如前所述 ,对华东冬小麦田的 NO 排
放进行全生育期自动连续观测的结果表明 ,冬季 NO
排放不显著. 然而 ,一旦土壤温度适宜 ,麦田 NO 排放
不仅非常明显 ,而且表现出非常规律的日变化. 观测结
果显示 ,在冬小麦苗期 (图 4a～c) 和成熟期 (图 4d) ,
NO排放的极大值发生在上午9时与午后14时之间 ,
图 4 　麦田 NO 排放日变化
Fig. 4 Diurnal variation of NO emission from wheat fields.
a) 11 月 19～23 日 ,D1 ,b) 11 月 19～23 日 ,D2 ,c) 11 月 19～23 日 ,C2 ,d)
5 月 16～19 日 ,D1 ,e) 4 月 7～10 日 ,D1 ,f) 4 月 16～19 日 ,E.
夜间排放较弱 ,且相对稳定. 这与 Aneja 等[2 ]在美国东
南部农田观测到的情形一致. 但是 ,从小麦返青后至成
熟期之前 ,对于正常播种密度的麦田而言 ,地面全部被
旺盛生长的小麦植株覆盖 ,这期间的麦田 NO 排放表
现出完全不同的日变化形式 (图 4e) ,极大值发生在傍
晚 18 时至次日 4 时之间 ,而白天 8 时至 16 时之间却
出现极小值 ,并且日变化形式非常规则 ,不因阴、晴、雨
等天气状况而改变. 然而 ,对于施肥处理与采样箱 D1
完全相同的箱 E 而言 ,由于播种密度很小 ,箱内小麦生
物量仅为 D1 的 25 % ,在这种情况下 ,如图 4f 所示 ,即使
处在小麦返青至成熟期 ,箱 E内的 NO 排放仍表现出与
小麦苗期和成熟期完全相同的日变化形式. 结果表明 ,
日变化形式与地表植物生长状况关系十分密切.
31212 温度与植物生长对 NO 排放日变化的影响 　图
4a～d 及 f 显示的结果表明 ,在小麦苗期和成熟期或即
使处于小麦生长旺盛期但生物量较小的情况下 ,NO
排放表现为典型的日间极大值型日变化 ,这种日变化
形式主要取决于温度日变化 ,连续几天的排放通量
( F ,mg·m - 2·h - 1)变化轨迹可以用含时间 ( t ,h) 和温
度 ( T , ℃)两个自变量的正弦曲线 F = 010016 T ×sin
(012618 t - 1157) + 0101 T 来拟合 (如图 5a 所示) . 但
是 ,在植物生长旺盛的情况下 ,NO 排放表现为典型的
夜间极大值型日变化 ,这种日变化形式以及日变化幅
度不再直接受温度制约 ,用只含 1 个自变量时间 ( t) 的
正弦函数 F = 0106 ×sin [ 012618 ( t - 12) - 1157 ] +
0116 就能较好地拟合连续几天的 NO 排放通量 ( F) 变
化轨迹 (图 5b) .
　　NO 排放的日变化形式因植物生长状况而异 ,这
可以用植物根系与土壤硝化微生物对土壤 N H +4 2N 的
竞争机制来解释 . 麦田排放的NO主要产生于土壤
微生物硝化过程. 直接影响 NO 硝化作用产率的环境
因素主要包括土壤 N H +4 2N 含量、依赖于温度的硝化
微生物活性 、土壤有机N素矿化速率以及吸附态
图 5 　观测与拟合的 NO 排放日变化
Fig. 5 Measured and simulated data on diurnal emission fluxes.
a) Ⅰ. 拟合值 Fitting with F = 0. 0016J ×Sin (0. 2618t - 1. 57) + 0. 01J ,
Ⅱ. 实测值 Data observed on Nov. 16～20 ,b) Ⅰ. 拟合值 Fitting with F =
0. 06 ×Sin[ 0. 2618 (t - 12) - 1. 57 ] + 0. 16 , Ⅱ. 实测值 Data observed on
Mar. 25～29.
085 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
图 6 　铵态氮吸收速率、土壤温度和可见太阳辐射的日变化
Fig. 6 Diurnal variation of N uptake , soil temperature and visual radiation.
Ⅰ. 吸收速率 Uptake rate , Ⅱ. 温度 Temperature , Ⅲ. 辐射 Radiation.
N H +4 的解吸速率[7 ] . 在植物生理活动较弱的情况下 ,
如小麦苗期、成熟期、收割小麦后地面裸露的茬口或即
使处于旺盛生长阶段但植株密度很低的情形 ,植物根
系对土壤 N H +4 2N 的吸收能力较弱 ,土壤中的 N H +4 2N
主要通过微生物硝化作用被氧化成 NO、NO -2 和 NO -3
而被消耗. 由于土壤中 N H +4 2N 的矿化补给速率、微生
物硝化氧化速率以及 NO 气体在土壤中的扩散传输速
率均与温度密切相关[7 ] ,因此 ,NO 排放呈现与表层土
壤温度几乎同步的日变化形式. 相反 ,在植物生理活动
十分旺盛的情况下 ,土壤中的一部分 N H +4 2N 被微生
物硝化氧化成 NO、NO -2 和 NO -3 ,另一部分则被植物
根系吸收并同化为细胞组成成分. 如图 6 所示 ,小麦植
株对 N H +4 2N 的吸收率的日变化几乎与太阳辐射和温
度的日变化一致 ,正午左右小麦的光合与蒸腾作用强 ,
根系吸收 N H +4 2N 的速率亦最大 ,致使这段时间留在
土壤中参与硝化氧化作用的 N H +4 2N 最少 ,因此 ,中午
左右土壤的 NO 产生和排放速率最低. 夜间 ,随着植物
吸收 N H +4 2N 速率在午夜前后达到最小 ,参与硝化作
用的 N H +4 2N 量增至最多 ,从而导致了最大的 NO 产
生与排放速率.
　　以上讨论亦说明 ,当温度和土壤湿度适宜时 ,旱地
土壤的 NO 排放速率依赖于土壤的 N H +4 2N 有效性.
因而 ,农业生产实践中 ,在作物吸收作用最强的季节施
用缓慢释放 N H +4 2N 的氮肥品种 ,不仅有助于减少肥
料氮素的 NO 排放率 ,缓解因施肥而引起的空气污染 ,
还能提高氮素肥料的利用效率.
致谢 　参加此项工作的还有沈壬兴、刘广仁、李晶、白建辉等.
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作者简介 　郑循华 ,女 ,1966 年生 ,理学博士 ,副研究员 ,从事微
量气体地气交换及大气化学研究 ,发表论文 20 余篇. E2mal :zxh
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1854 期 　　　　　　　　　　　　郑循华等 :华东稻麦轮作生态系统冬小麦田 NO 排放观测研究