全 文 ：华东稻麦轮作生态系统的 N2O 排放研究 3
郑循华 王明星 王跃思 沈壬兴 龚晏邦 张 文 骆冬梅
(中国科学院大气物理研究所 ,北京 100029)
金继生 李老土 (江苏省吴县市农业科学研究所 ,苏州 210128)
【摘要】 根据对华东稻麦轮作周期的 N2O 排放及其影响因子的连续观测结果 ,分析了
N2O 排放时间变化以及施肥、灌溉、温度、土壤湿度和土壤速效 N 素含量对 N2O 排放的影
响 ,同时还比较分析了稻田 N2O 和 CH4 排放. 研究结果表明 ,稻麦轮作周期内 ,水稻生长
季的 N2O 排放量仅占 30 % ,稻田持续淹水可比常规灌溉增加 CH4 排放量 26 % ,减少 N2O
排放量 11～26 %.
关键词 N2O 排放 时间变化 控制因子 CH4 排放 稻麦轮作系统
N2O emission from rice2wheat ecosystem in Southeast China. Zheng Xunhua ,Wang Mingxing ,
Wang Yuesi ,Shen Renxing , Gong Yanbang ,Zhang Wen and Luo Dongmei ( Institute of A t mo2
spheric Physics , Academia S inica , Beijing 100029) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1997 ,8 (5) :495～
499.
Based on the observations on N2O emission from rice - wheat rotation systems in Southeast Chi2
na ,its temporal variation and the effects of fertilization ,irrigation ,temperature ,and soil moisture
and available N contents on it are discussed. Meanwhile ,the difference of CH4 and N2O emis2
sions from rice season is analysed. The results show that the amount of N2O emitted from rice
season only accounts for about 30 % of the whole rotation cycle. The CH4 emission increases
26 % by keeping flooding in rice season ,and N2O emission from rice - wheat rotation cycle re2
duces 13～26 % ,comparing to normal irrigation.
Key words N2O emission , Temporal variation ,Regulating factor ,CH4 emission ,Rice2wheat ro2
tation system.
3 国家自然科学基金 (49675270) 、中国科学院大气
物理研究所边界层物理与大气化学国家重点实验室基金
和中德合作项目.
1995 年 3 月 28 日收稿 ,1996 年 4 月 2 日接受.
1 引 言
农田是大气 N2O 的重要源之一 ,原位
观测研究各类农田生态系统的 N2O 排放 ,
尤其是对农田 N2O 和 CH4 排放进行同步
观测实验 ,是研究这两种气体减排技术的
重要基础. 本文以华东稻麦轮作生态系统
为对象 ,系统地研究 N2O 排放及其影响因
素 ,同时还同步观测研究了稻田 CH4 和
N2O 排放. 对整个稻麦轮作周期进行 N2O
排放及其控制因子的实验研究 ,具有理论
和实践意义.
2 实验方法
2. 1 田间实验处理
实验地位于江苏吴县市农业科学研究所实
验场 (31°15′N ,120°34′E) ,土壤为潴育型黄泥土 ,
是太湖地区典型水稻土类型 ,耕层土壤为粘壤
质 ,其有机质、全 N、全 P 和全 K 的含量分别为
34. 93 g·kg - 1 、1. 88 g·kg - 1 N、1. 15 g·kg - 1 P2O5
和 13. 4 g·kg - 1 K2O. 田间实验处理如表 1. 水稻
生长季落干 36 d 是当地常规灌溉方式 , 除
应 用 生 态 学 报 1997 年 10 月 第 8 卷 第 5 期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 1997 ,8 (5)∶495～499
NH4NO3 外的施肥处理均属于当地常规施肥方
式 ,稻田氮肥用量均为 191 kgN·hm - 2 ,堆肥和
25 %的化肥施作基肥 ,返青肥、拔节肥和穗肥各
追施 25 %的化肥. 麦田氮肥用量为 160 kgN ·
hm - 2 ,其中复合肥和堆肥作基肥 ,尿素 40 %作越
冬肥 ,60 %作返青肥.
表 1 田间处理
Table 1 Field treatments
小区
Plots
处理 Treatments
水稻 Rice 小麦 Wheat
A NH4HCO3 ,落干 53 d
NH4HCO3 ,Drainage
for 53 days
-
B NH4HCO3 ,落干 71 d
NH4HCO3 ,Drainage
for 71days
-
C NH4HCO3 ,落干 36 d
NH4HCO3 ,Drainage
for 36 days
复合肥 + 堆肥 +
尿素
Mixed mineral +
Manure + Urea
D 尿素 + 堆肥 ,落干 36 d
Urea + Manure ,Drainage
for 36 days
对照 (不施肥)
No fertilizer
E 尿素 ,落干 36 d
Urea ,Drainage
for 36 days
复合肥 + 尿素
Mixed mineral +
Urea
F NH4NO3 ,落干 36 d
NH4NO3 ,Drainage
for 36 days
2. 2 观测方法
实验中采用一套自动观测系统全天候连续
观测 N2O 排放通量和温度. 系统从置于田间的密
闭采样箱自动抽取空气样品 ,传输到气相色谱
仪 ,分析 N2O 浓度 ,用箱法通用公式计算 N2O 排
放通量[1 ] . 每个实验小区安装 2 个 70 cm ×70 cm
×90 cm 采样箱 ,每个箱子每天可获得 6 个 N2O
通量数据. 该系统野外原位检测空气样品 N2O 浓
度的分辨率达 ±4. 5 ppbv (十亿分之一体积混合
比) ,N2O 通量检测下限 5. 4 ng·m - 2·s - 1 ,即 19. 4
μg·m - 2·h - 1 ,和手动采样分析方法相比 ,自动采
样分析法观测结果的相对误差为 - 2. 39 %～
3. 30 %. 在自动观测 N2O 通量的同时 ,系统每 15
min 记录 1 次 8 个探头的温度数据. 另外 ,还对整
个轮作周期的土壤湿度以及 NO3 - 和 NH4 + 含量
进行了连续观测.
3 结果与讨论
3 . 1 N2O 排放季节变化
实行常规水肥管理的稻麦轮作生态系
统 N2O 排放具有明显的季节变化 ,即 N2O
显著排放发生在水稻生长期的排水阶段和
秋季小麦播种前后以及春季泡田以前的旱
地阶段和冬季麦田和淹水阶段的稻田排放
相当微弱. 轮作周期内 N2O 排放以旱地阶
段为主 ,水稻生长期约占 30 %(图 1) .
图 1 稻麦轮作周期内的 N2O 日平均排放通量季节变
化 (1994. 7. 5～1995. 7. 5)
Fig. 1 Seasonal variation of N2O emission flux during rice2
wheat rotation cycle.
田间处理 : 水稻有机肥 + 尿素 ; 小麦无肥 ; 常规灌溉
Field treatment : Manure + Urea for rice ; no fertilizer for
wheat ;local method of irrigation. 1. 追施尿素并落干 1 周
Urea and drainage ,2. 追施尿素并落干 Urea and drainage ,
3. 开始灌溉落干交替 Flooding/ drainage alternation ,4. 停
止灌溉 Stoping irrgation ,5. 水稻收割 Rice harvest ,6. 耕
地和种小麦 Wheat seeding ,7. 追施尿素 Urea dressing ,
8.追施尿素 Urea dressing ,9. 小麦收割 Wheat harvest ,
10. 淹水、施堆肥和尿素、插秧 Flooding ,applying manure
and urea ,transplanting ,11. 追施尿素 Urea dressing.
3 . 2 N2O 排放通量的日变化
当水分、养分等因子对 N2O 排放的作
用大于温度日变化的影响时 ,N2O 排放的
日变化随机性很大. 相反 ,当土壤湿度适
宜 ,养分供应充足 ,气温较高且日较差比较
大时 , N2O 排放日变化表现出显著特征
(图 2 和图 3b) . 对于土壤水分不饱和的麦
田 ,N2O 排放于上午 8 ¬ 00 左右开始上
升 ,16 ¬00 左右达到排放高峰 ,而后逐渐
下降 ,夜间相对稳定 ,N2O 排放与气温和
表层土壤温度的日变化之间大约相差 2 h
左右 (图2) . 土壤水分过饱和稻田的N2 O
694 应 用 生 态 学 报 8 卷
图 2 N2O 排放通量与温度日变化 (1995. 5. 2～5. 4)
Fig. 2 Diurnal variations of N2O emission flux and tempera2
ture.
Ⅰ. 通量 N2O flux , Ⅱ. 气温 Air temperature , Ⅲ. 土温
Soil temperature. 下同 The same below.
图 3 稻田施肥后的 N2O 排放日变化
Fig. 3 Diurnal variation of N2O emission from fertillzed rice
fields. (1994. 8. 18～8. 20)
排放日变化则有些不同. 给淹水 5 cm 的稻
田撒施 N H4 HCO3 ,2 d 后停止灌水 ,6 d 后
恢复淹水 5 cm , (图 3a) . 图 3a 表明 ,当施
肥和晒田引起的 N2O 排放增长幅度超过
了受温度影响的日变化幅度时 ,N2O 排放
的日变化不明显 ,但随着排水和施肥的影
响逐渐减弱 ,N2O 排放表现出明显的 24 h
周期性变化 ,并几乎与气温同步达到极大
值 (图 3b) ,其日变化特征与东北水稻田[2 ]
相似. 比较图 2 和图 3b 可见 ,土壤水分过
饱和时 ,达到 N2O 日排放极大值的时间比
土壤水分不饱和时约提前 3 h 左右. 土壤
中 N2O 的产生和传输过程对 N2O 排放的
相对重要性不同 ,是导致这种日变化差异
的主要原因. 土壤水分过饱和时 , N2O 排
放取决于传输过程. 相反 ,水分不饱和土壤
的 N2O 排放则主要取决于产生过程.
3 . 3 温度对 N2O 排放的影响
稻麦轮作系统的 N2O 排放与温度的
关系较为复杂 (图 4) . 5 cm 土层的日平均
温度高于 15 ℃时 ,稻田 N2O 排放对温度变
化不敏感. 而表层土壤温度一旦降到 15 ℃
图 4 N2O 排放与温度的季节变化 (1994. 7. 5～1995.
7. 5)
Fig. 4 Seasonal variation of N2O emission and temperature.
以下 ,N2O 排放通量迅速下降 ,温度回升 ,
N2O 排放也随之增强 ,当土壤温度持续低
于 5 ℃时 ,几乎检测不到 N2O 排放.
在适宜的土壤湿度和养分条件下 ,
N2O 排放与表层土壤温度的关系可以用
指数函数 F = Aeat来描述 ,式中 F 为 N2O
日平均排放通量 , t 为日平均土壤温度 , A
和 a 为常数. 5～28 ℃时 , A 和 a 分别为
7945 期 郑循华等 :华东稻麦轮作生态系统的 N2O 排放研究
0. 00516、0. 23477 , N2O 排放通量经对数
变换后与土壤温度呈正相关 ( r = 0. 763)
(图 5) . 图 5 的拟合结果说明 ,一定温度范
围内 ,微生物活性随温度上升而增强 ,从而
导致 N2O 排放增加. 但实际观测结果与拟
合曲线有较大偏差 ,表明除了微生物活性
受温度控制以外 ,同时还有其它因子在影
响 N2O 排放. 比如 ,18 ℃左右的降雨过程
引起 N2O 爆发排放 ,使 3 个通量观测值远
远高于拟合值 (图 5) ,说明这时有其它过
程在起主导作用.
图 6 表明 ,稻麦轮作周期内大于检测
图 5 N2O 排放的土壤温度效应
Fig. 5 Effects of soil temperature on N2O emission .
图 6 > 0. 035 mg·m - 2·h - 1的 N2O 排放通量分布
Fig. 6 Distribution of N2O emission flux of more than
0. 035 mg·m - 2·h - 1.
限 1. 5 倍 (即 0. 035 mg·m - 2·h - 1) 的 N2O
排放通量随温度变化而呈正态分布 ,15～
25 ℃温度范围内的排放占总排放量的
67 % , > 30 ℃和 < 10 ℃的排放仅占 6 %. 在
轮作周期的高温阶段 ,田面通常被水层覆
盖 ,尽管温度条件非常适宜 ,N2O 排放量
仍然较低 ;低温阶段的 N2O 产生过程被抑
制 ,排放自然很弱 ;中温阶段 ,土壤温度和
湿度都较适宜 ,有利于 N2O 排放.
3 . 4 土壤水分状况对 N2O 排放的影响
观测结果表明 ,在适宜温度条件下 ,当
土壤湿度约等于田间持水量时 ,稻麦轮作
系统的 N2O 排放通量最大 ,低于这个湿度
时 ,N2O 排放通量与土壤湿度呈正相关 ,
相反 ,则呈负相关 ,| r | > 0. 7. 淹水阶段的
稻田 N2O 排放与水层深度呈负相关趋势 ,
排水会引起稻田 N2O 排放显著增加 (图
1) . 当地常规灌溉制度下 ,稻田于 9 月中旬
以后排水引起的 N2O 排放占水稻生长期
总排放量的 27～62 %. 施肥处理完全相同
的情况下 ,排水晒田 71、63 和 36 d 的稻田
N2O2N 排放量分别为 2432. 3、1842. 5 和
1527. 5 g·hm - 2 ,各占肥料 N 的 1. 27 %、
0. 96 %和 0. 80 %. 如果全生育期持续淹水
5～10 cm ,则水稻田 N2O 排放强度始终很
低 ,追施尿素引起的排放增加微弱[2 ] .
3 . 5 土壤 NO -3 和 N H +4 含量与 N2O 排
放的关系
从图 7a 可见 ,旱地阶段的 N2O 排放
强烈时 ,耕层土壤硝态氮含量也明显高于
排放弱的阶段. 分析结果表明 ,高于 0. 1
mgN2Om - 2·h - 1的日平均排放通量与土壤
NO3 - - N 含量呈正相关 (图 7b) . 本实验
中未发现 N2O 排放同田间土壤铵态氮含
量之间有任何直接的关系.
3 . 6 施肥对 N2O 排放的影响
对不同施肥处理进行连续观测的结果
表明 ,施肥不能改变稻麦轮作周期内 N2O
894 应 用 生 态 学 报 8 卷
图 7 土壤中硝态氮含量对 N2O 排放的影响
Fig. 7 Effect of nitrate concentration in soil on N2O emis2
sion.
排放的季节变化格局 ,但可以改变其排放
强度. 实行常规灌溉的稻田 ,两种施肥处理
的 N2O 排放格局完全一致 ,但堆肥 + 尿素
处理施肥引起的 N2O 排放显著小于
N H4 HCO3 处理 ,两个处理淹水阶段施肥
导致的排放均远小于排水阶段 (图 8) . 可
见 ,施肥引起的 N2O 排放取决于水分状况
和肥料类型. 在实行常规灌溉和纯 N 用量
相同的情况下 ,各肥料处理的 N2O 排放量
如表 2 ,即稻田 N H4NO3 > N H4 HCO3 > 尿
素 > 尿素 + 堆肥 ,麦田堆肥 + 复合肥 + 尿
素 > 复合肥 + 尿素 > 对照.
3 . 7 稻田 N2O 和 CH4 排放比较
同步观测结果表明 ,华东稻麦轮作生
态系统的 N2O 和 CH4 排放具有完全
不同的季节变化规律 (图8) ,且二者随土
图 8 稻田 N2O 和 CH4 排放
Fig. 8 N2O and CH4 emissions from rice fields.
Ⅰ. N2O (NH4HCO3) , Ⅱ. N2O (堆肥 Manure + 尿素 Ure2
a) , Ⅲ. CH4 (堆肥 Manure + 尿素 Urea) .
表 2 各种肥料处理的 N2O 排放量( g·hm - 2 N2O)
Table 2 Total N2O emission of each fertilizer treatment
处 理
Treatment
排放量
Total emission
稻季 Rice
NH4NO3 3160. 9
NH4HCO3 3121. 3
尿素 Urea 2014. 3
尿素 + 堆肥 Urea + Manure 1686. 8
麦田 Wheat field
堆肥 + 复合肥 + 尿素 9267. 6
Manure + Mixed minerals + Urea
复合肥 + 尿素 8516. 7
Mixed minerals + UreaUrea
对照 No fertilizer 3691. 2
壤水分条件变化而互为消长. 根据本实验
结果和参考有关文献资料[2 ,3 ]初步估计 ,
和常规灌溉处理相比 ,全生育期持续淹水
的稻田可增加 CH4 排放约 26 % ,但可减少
N2O 排放 8～11 倍 ,稻田减少的 N2O 排放
量占整个稻麦轮作周期排放总量的 13～
26 %.
参考文献
1 上官行健、王明星、沈壬兴等. 1994. 我国华中地区
稻田甲烷排放特征. 大气科学 ,18 (3) :358～365.
2 陈冠雄、黄国宏、黄 斌等. 1995. 稻田 CH4 和 N2O
排放及养萍和施肥的影响. 应用生态学报 ,6 (4) :378
～382.
3 Cai Zucong , Xu Hua and Zhang Hanhui et al . 1994.
Estimate of methane emission from rice paddy fields in
Taihu region ,China. Pedosphere ,4 (4) :297～306.
9945 期 郑循华等 :华东稻麦轮作生态系统的 N2O 排放研究