全 文 ：集约高产农业生态系统有机物分解
及土壤呼吸动态研究3
崔玉亭　韩纯儒　 (北京农业大学, 北京 100094)
卢进登　 (湖北大学, 武汉 430062)
【摘要】　以河北省吴桥县龙王河中心试区内的集约农业生态系统为例, 借用生态学的
方法, 用网袋法测定了集约高产田 (H YF) 和中产田 (M YF) 小麦秸秆、小麦根、玉米秸秆
和玉米根等 4 种有机物的分解动态; 用隔离罐2碱液吸收法测定了土壤的呼吸动态; 并
以此推算了 2 种农田土壤C 的矿化率和平衡系数. 结果表明, 集约高产田的有机物分解
与中产田没有明显区别, 土壤呼吸量分别为 1878. 5 和 1725. 7 gCO 2·m - 2·a- 1. 土壤C
的矿化率分别为 5. 64% 和 5. 48% , 平衡系数分别为 1. 84 和 1. 86, 表明集约高产并没有
降低土壤C 的正平衡.
关键词　集约农业　有机物分解　土壤呼吸　土壤 C 平衡
D ynam ics of organ ic mater ia l decomposition and so il resp iration in in ten sive and h igh-
y ield agroecosystem. Cu i Yuting, H an Chunru (B eij ing A g ricu ltu ra l U niversity , B ei2
j ing 100094) , L u J indeng (H ubei U niversity , W uhan 430062). 2Ch in. J . A pp l. E col. ,
1997, 8 (1) : 59～ 64.
In th is paper, m esh2bag m ethod is used to study the decompo sit ion of straw s and roo ts
of m aize and w heat, and iso la ted po t2alkaline liqu id assim ila t ion m ethod is used to de2
term ine so il resp ira t ion. Based on these, the yearly m ineralizat ion rate and balance co2
efficien t of so il o rgan ic carbon are calcu la ted. T he decompo sit ion dynam ics of o rgan ic
m ateria ls doesn′t show any difference betw een m iddle2and h igh2yield fields, bu t the so il
resp ira t ion rate of these tw o fields are 1725. 7 and 1878. 5 g CO 2·m - 2·yr- 1, respec2
t ively. T he yearly m ineralizat ion rates of so il o rgan ic carbon are 5. 48 and 5. 64% , and
the balance coefficien ts are 1. 86 and 1. 84 respectively. T he resu lts suggest that in ten2
sive m anagem ent of crop field doesn′t decrease the con ten t of so il o rgan ic carbon.
Key words　 In tensive agricu ltu re,O rgan ic m ateria l decompo sit ion, So il resp ira t ion, So il
carbon balance.
　　3 国家教委博士点基金 (930116) 资助项目“黄淮海
平原农业持续发展”的一部分.
1995 年 10 月 18 日收稿, 1996 年 1 月 28 日接受.
1　引　　言
随着农业集约化程度的不断提高, 投
入和产出不断加大. C 循环作为农业生态
系统的主要元素循环之一, 研究它的动态
变化对农业生态系统的稳定甚至对农业的
持续发展都有积极的意义. 本文以华北平
原龙王河试区为例, 通过对中产田和集约
高产田的有机物分解及土壤呼吸动态的比
较研究, 试图找出C 循环在农业生态系统
集约化程度不断提高过程的某些规律, 为
农业生产提供决策服务.
2　材料与方法
本文借用生态学的方法, 用网袋法测定了有
机物的分解动态[5 ], 用隔离罐- 碱液吸收法测定
应 用 生 态 学 报　1997 年 2 月　第 8 卷　第 1 期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CH IN ESE JOU RNAL O F A PPL IED ECOLO GY, Feb. 1997, 8 (1)∶59～ 64
了土壤的呼吸动态[6 ]. 研究材料选用了小麦根、小
麦秸秆、玉米根和玉米秸秆等 4 种有机物. 试验按
排在河北省吴桥县龙王河中心试区内, 年均温度
12. 3℃; 降雨量为 500 mm. 试验地为潮土, pH =
8. 0, 集约高产田土壤有机质为 0. 83% , 小麦玉米
一年两熟产量已连续 3 年在 15000 kg·hm - 2左
右, 施有机肥 33375 kg·hm - 2 (其有机质含量为
8. 25% ; 纯N 含量为 0. 5% , 下同) , 棉籽饼 675 kg
·hm - 2, 无机氮肥折纯N 450 kg·hm - 2; 全年灌
水共 7 次, 每次 60 mm 左右, 其中小麦生期内 4
次, 玉米生育期内 3 次. 中产田土壤有机质为
0. 72% , 产量全年在 7500～ 10500 kg·hm - 2之间,
施有机肥 28875 kg·hm - 2, 棉籽饼 3755 kg·
hm - 2, 无机氮肥折纯N 300 kg·hm - 2; 全年灌水 5
次, 其中小麦生育期内 3 次, 玉米生育期内 2 次.
首先把 4 种有机物料剪成小块, 装入网眼为
1. 8 mm ×1. 8 mm、大小为 10 cm ×10 cm 的网袋
中, 于头年 11 月末埋入土壤约 10 cm , 埋入时尽量
不要翻动土壤. 自第 2 年 4 月末开始, 每月末随机
取出 3 袋 (即 3 个重复)进行测量, 取其平均值, 一
直到 11 月末, 即 1 年为 1 个周期. 隔离罐为长约
25 cm 的硬塑料筒, 纵向埋入土壤约 8～ 10 cm. 测
定时把一盛有 N aOH 溶液的小吸收瓶 (内径 6
cm , 高 8 cm ) 置于隔离罐内, 将罐的上口用玻璃板
盖上并封严, 于是土壤放出的 CO 2 就被碱液吸收,
24 h 后取出进行测定. 为了测定根呼吸量, 试验分
别按排在作物地上及相应的空白地上, 两者相减
即得根呼吸量. 为了测定土壤耕层内的呼吸量以
及所占土壤总呼吸的比例, 在土壤 20 cm 处放上
一块铁板, 让罐的下部接触铁板, 消除土壤纵向影
响. 每块地及相应的空白地均按排 6 个隔离罐, 其
中 3 个在土壤 20 cm 处放上一块铁板, 即每个项
目都有 3 个重复.
3　结果与分析
3. 1　有机投入物的分解动态
表 1 列出了自 4 月份以来有机物料的
月累积分解率, 即累积重量丢失率. 到来年
11 月末为 1 周年, 本月的累积重量丢失率
便可认为是有机物料的分解率. 试验时因
每袋有机物料含水量和样品含土量稍有差
表 1　几种有机投入物的累积分解率 (% )
Table 1 Accumulated decomposition rate of organ ic mater ia ls
日期
D ate
玉米秸秆M aize strawÉ Ê 小麦秸秆W heat strawÉ Ê 玉米根M aize roo tÉ Ê 小麦根W heat roo tÉ Ê
实　测 4. 25 26. 16 26. 50 32. 75 13. 98 13. 18 10. 20 34. 64 29. 99
D eterm ined 5. 25 41. 44 32. 45 33. 67 22. 97 17. 28 28. 91 42. 67 27. 45
6. 25 43. 31 40. 00 33. 01 36. 73 34. 59 42. 05 39. 65 38. 94
7. 25 73. 34 61. 00 50. 10 66. 09 53. 45 67. 62 69. 65 66. 13
8. 25 75. 39 76. 49 65. 89 65. 31 60. 00 60. 02 61. 04 65. 00
9. 25 76. 12 72. 99 66. 89 66. 78 64. 62 65. 12 64. 41 65. 09
10. 25 79. 89 75. 40 76. 93 78. 28 72. 18 71. 15 71. 45 71. 09
11. 25 78. 26 80. 01 73. 39 77. 73 75. 82 75. 06 72. 19 72. 08
t2测验 t2test t= 2. 08 t= 0. 15 t= 0. 68 t= 1. 21
模拟分解率 Sim ulated 86. 69　 85. 08 77. 56 84. 03 79. 06 80. 23 74. 27 76. 27
decomp. rate
模拟腐殖化系数 Sim u2 13. 33　 14. 92 22. 44 15. 97 20. 94 19. 77 25. 73 23. 73
lated hum ification coeff.
　　t2测验时 t0. 05= 2. 364. É . 高产田H igh yield field; Ê . 中产田M iddle yield field. 下同 T he sam e below.
异而造成一些误差, 但总的分解趋势明显.
　　由表 1 可见, 集约高产田和中产田的
分解趋势基本相似, 4 种有机物在 4 月份
前分解很少, 最多只分解36. 64% ; 最少的
才分解了10. 20% , 可见冬季还田的有机物
分解过程主要在来年进行. 5 月份有机物
分解速度大都已明显增加, 7 月份分解骤
然加快, 进入 9 月份以后, 分解又开始缓慢
起来, 而且越来越慢. 所以冬季还田有机物
的分解呈现缓慢2加快2缓慢的规律. 有机
06 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　8 卷
物的这种分解动态与其本身以及土壤的水
热状况有很大关系. 有机物本身分为易分
解物质和难分解物质, 易分解物质在水热
条件都比较合适时分解很快; 一旦易分解
物质分解完毕, 难分解的物质便进入缓慢
过程, 而且越来越慢. 6～ 7 月份水分和温
度条件都较合适, 故分解较快; 9 月份水热
条件仍适于分解, 但分解很少.
将有机物的分解动态绘成图 1 (以中
产田小麦秸秆为例) , 据图选择几种方程进
行模拟, 比较后发现对数方程比较理想地
反应它的分解动态. 其模拟方程为:
X = 79. 27õL n (D ) - 383. 64
　　r = 0. 933 3 3
式中, x 为累积分解率 (% ) ; D 为分解时间
(d).
图 1　有机物分解动态
F ig. 1 D ecompo sit ion dynam ic of o rgan ic m aterials.É . 高产 H igh yield, Ê . 中产 M iddle yield. 下同 T he
sam e below.
　　把D = 365 代入方程式, 得到有机物
的分解率为 84. 03% , 腐殖化系数为 16%.
表 2　土壤CO 2 释放量 (g·m - 2·day- 1)
Table 2 Released quan tity of CO2 from so il
时间
T im e
É
释放量
Q uantity T a T 10 T 20
Ê
释放量
Q uantity T a T 10 T 20
8. 12 11. 50 24. 3 25. 0 24. 8 10. 00 24. 3 25. 0 24. 8
8. 27 7. 29 23. 9 27. 0 26. 7 6. 36 23. 9 27. 0 26. 7
9. 13 9. 01 22. 9 23. 0 23. 2 4. 08 22. 9 23. 0 23. 2
9. 28 6. 91 19. 4 19. 3 20. 2 6. 81 19. 4 19. 3 20. 2
10. 20 13. 28 15. 2 14. 4 15. 4 11. 87 15. 2 14. 4 15. 4
10. 30 4. 07 16. 5 12. 5 13. 3 5. 96 16. 5 12. 5 13. 3
11. 23 1. 66 3. 0 3. 8 6. 0 2. 16 3. 0 3. 8 6. 0
12. 20 0. 99 0. 9 - 0. 2 0. 5 1. 35 0. 9 - 0. 2 0. 2
2. 7 0. 92 - 0. 2 - 0. 1 0. 8 1. 31 - 0. 2 - 0. 1 0. 8
3. 28 2. 08 1. 8 4. 8 5. 5 2. 75 1. 8 4. 8 5. 5
4. 18 4. 33 10. 5 12. 7 12. 4 5. 18 10. 5 12. 7 12. 4
5. 5 6. 10 14. 3 15. 7 16. 3 5. 50 14. 3 15. 7 16. 3
5. 20 7. 77 22. 2 21. 8 20. 6 7. 49 22. 2 22. 4 21. 2
5. 30 6. 21 20. 1 16. 4 15. 2 6. 32 20. 1 17. 2 16. 1
6. 7 8. 20 24. 1 25. 9 24. 5 6. 85 24. 1 25. 9 24. 5
6. 21 9. 65 19. 6 25. 9 25. 6 6. 98 19. 6 25. 9 25. 6
7. 7 10. 67 29. 7 27. 7 28. 9 10. 54 29. 7 27. 7 28. 7
7. 16 13. 77 30. 2 30. 2 29. 4 12. 57 30. 2 30. 3 30. 8
7. 26 12. 01 27. 2 27. 3 27. 7 10. 48 27. 2 27. 3 27. 7
8. 10 10. 38 24. 8 26. 2 26. 3 9. 24 24. 8 26. 4 26. 5
8. 25 10. 14 21. 6 20. 6 23. 4 9. 03 21. 6 20. 5 21. 8
9. 12 8. 74 20. 6 20. 6 23. 4 6. 86 20. 6 20. 9 23. 5
T a: 气温 T emp ratu re, T 10: 10 cm 地温 So il temp ratu re at the dep th of 10 cm , T 20: 20 cm 地温 So il temp ratu re at the
dep th of 20 cm.
其他有机物的分解模拟相似 (表 1). 从表 1
可见, 实测值小于模拟值, 但两者都表现为
根的分解率小于秸秆; 小麦的分解率小于
玉米, 且 t2测验表明, 集约高产田和中产田
161 期　　　　　崔玉亭等: 集约高产农业生态系统有机物分解及土壤呼吸动态研究　　　　　
之间没有明显区别. 所测得的参数基本属
于正常范围[1～ 3 ].
3. 2　土壤呼吸动态分析
　　土壤有机质在微生物的参与下进行分
解, 最终放出 CO 2. 每隔 15 d 左右测定 1
次, 测定结果如表 2. 由表 2 可见, 集约高
产田和中产田的CO 2 释放动态基本相似,
只是高产田的变化幅度更大, 从冬季的
0. 92到夏季的 13. 77, 相差为 15 倍左右;
而中产田从冬季的 1. 31 到夏季的 12. 57,
相差在 10 倍左右. 两者均为 12 月到 2 月
期间释放量较低, 进入 3 月份以后, 开始逐
渐升高, 至 7 月中旬形成一个高峰, 在以后
表现为逐渐下降趋势. 但值得注意的是, 在
10 月中旬还有一个最大的高峰, 这种土壤
呼吸起伏波动现象是受环境因素影响的结
果. 首先, 它受温度和湿度特别是温度的影
响; 其次农艺措施对土壤呼吸的影响也很
大. 如除了 10 月 20 日出现的高峰以外, 呼
吸量曲线和温度曲线几乎变化一致 (图
2) , 可见温度对土壤呼吸的影响; 但 10 月
20 日 10 cm 地温只有 14. 4℃, 显然呼吸高
峰不是由于温度的影响, 而是因为 10 月初
秋耕的原因, 残落物的大量还田以及化肥、
有机肥的大量施用而使土壤呼吸急剧增加
(如果提前测定, 高峰还有可能提早出现)
由于集约高产田残落物和有机肥使用量比
中产田高, 因此, 10 月份高峰呼吸量高于
中产田.
　　对土壤年呼吸量和日平均气温、10 cm
地温以及20cm 地温分别进行相关分析 ,
图 2　土壤呼吸动态
F ig. 2 D ynam ic of so il resp iration.
相关性都较好, 本文选择 10 cm 地温作为
自变量, 土壤呼吸量作为因变量, 进行模拟
分析, 可得模拟方程:
高产田: L n (W ) = 0. 079X + 0. 294
　　　　　　r= 0. 893 3 3
中产田: L n (W ) = 0. 058X + 0. 614
　　　　　　r= 0. 833 3 3
用上述曲线通过每天的 10 cm 地温数
据即可求得每天的土壤呼吸量, 进而求得
每个月以至全年的土壤呼吸量 (表 3). 从
表 3 可见, 6～ 8 月份的土壤呼吸量较大,
而 12、1～ 2 月份的呼吸量较小, 比较这几
个月份的 10 cm 地温累积值便可知道这是
由于受温度的影响. 就两块地比较而言, 高
产田的土壤呼吸量比中产田稍大 (大约在
10% 左右). 这是因为高产田投入的有机物
料和残留根茬量较多的原因.
3. 3　根呼吸动态
　　根呼吸也是土壤呼吸的主要来源之
一, 它可以从作物地的土壤呼吸与相应空
表 3　土壤各月呼吸量和全年呼吸量 (gCO2·m - 2·yr- 1)
Table 3 M on thly and annual so il resp ira tion
月　份M onth
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
全年
YearÉ 37. 7 42. 1 59. 1 120. 9 212. 8 268. 2 331. 2 328. 8 223. 5 130. 1 80. 4 44. 0 1878. 5Ê 51. 2 56. 0 72. 1 123. 9 188. 3 227. 1 265. 1 265. 0 196. 9 131. 0 91. 1 58. 0 1725. 7
地温和3 - 42. 4 5. 0 131. 0 415. 6 619. 4 739. 3 806. 5 821. 1 853. 0 653. 0 443. 8 225. 5 4871. 2
ST 103 ST 10为 10 cm 地温之和. T he sum of so il temp ratu re at the dep th of 10 cm.
26 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　8 卷
表 4　根呼吸所占土壤总呼吸比例 (% )
Table 4 Ratio of resp ira tion of crop root to tota l so il resp ira tion
日期 D ate
10. 20 10. 30 11. 22 12. 24 3 2. 7 3. 28 4. 10 5. 5 5. 20 5. 30 6. 7É 0. 16 0. 11 0 0 0 0. 21 0. 15 0. 20 0. 17 0. 20 0. 08Ê 0. 12 0 0 0 0 0. 16 0. 30 0. 19 0. 15 0. 16 0. 11
日期 D ate
6. 21 7. 7 小麦 7. 16 7. 28 8. 18 8. 25 9. 12 9. 24 玉米 全年
W heat average M aize average O ne yearÉ 0. 15 0. 21 0. 13 0. 13 0. 23 0. 18 0. 22 0. 17 0. 17 0. 18 0. 15Ê 0. 22 0. 16 0. 13 0. 13 0. 18 0. 18 0. 19 0. 28 0. 15 0. 17 0. 14
白地的土壤呼吸两者的差额中求得, 计算
根呼吸所占土壤总呼吸的比例 (表 4). 由
表 4 可见, 根呼吸在一定程度上反应了根
的活力和数量, 如小麦在开花期根呼吸量
最大, 冬季根呼吸基本停止. 小麦整个生育
期间根呼吸约占土壤总呼吸量的 13%. 玉
米期间, 由于温度和湿度都较合适, 整个生
育期间根呼吸量都较大, 尤其抽穗吐丝期
表现为更高. 两者的根呼吸分别约占土壤
总呼吸量的 18% 和 17% , 计算全年的根呼
吸占土壤总呼吸的比例分别为 15% 和
14% 左右. 与中产田相比, 高产田根呼吸持
续的时间和数量大.
3. 4　耕层呼吸占整个土壤呼吸的比例
耕层呼吸为土壤 20 cm 处隔铁板而测
得的土壤CO 2 释放量. 它随季节变化而不
断发生变化, 与小麦相比玉米生育期内耕
层呼吸所占的比例较小. 本试验所占比例
范围为 55～ 90% , 高产田平均为 78% , 中
产田为 73%.
3. 5　土壤C 矿化量、矿化率及C 平衡
利用土壤呼吸和有机物的分解测定结
果可计算土壤C 矿化量、矿化率和土壤 C
平衡系数.
土壤呼吸释放 CO 2 的来源是多方面
的, 其中主要来源于微生物参与的有机碳
的分解. 在土壤中化学氧化作用一般很弱,
土壤动物呼吸比根呼吸也要低得多. 故本
试验中化学氧化作用和土壤动物呼吸作用
共取土壤总呼吸的 5%.
土壤 C 矿化是指每年土壤有机质部
分因矿化作用而消耗掉的C 量, 故还要除
去土壤非有机质部分分解而放出的CO 2,
可由下列公式求得
C 矿化量 (gC ·m - 2 ·a- 1 ) = (土壤
CO 2
释放量- 非土壤有机质CO 2 释放量)ö3. 67
式中, 非土壤有机质部分指有机肥、饼肥、
根茬、半腐解物、动物呼吸和氧化作用等.
3. 67 为CO 2 折合C 的系数. 从表 5 可以看
出, 集约高产田耕层土壤C 分解量比中产
田要大, 分别折合有机质15750和13320
表 5　耕层土壤C 年矿化量及其平衡计算 (gC·m - 2·a- 1)
Table 5 D ecomposed quan tity of so il organ ic carbon in arable layer
A B C D E F G H I J KÉ
分解 D ecompo sit ion 511. 7 15 110. 5 23. 6 60. 1 89. 0 20. 0 24. 0 25. 6 78 61. 0
腐质化 H um ification 39. 8 9. 3 22. 1 33. 3 6. 5 111. 2
平衡系数Balance co ief. 1. 84Ê
分解 D ecompo sit ion 470. 2 14 103. 0 14. 6 65. 4 80. 9 13. 9 21. 8 23. 5 73 51. 5
腐质化 H um ification 35. 1 5. 1 23. 9 28. 3 3. 3 95. 7
平衡系数Balance co ief. 1. 86
A. 土壤 So il, B. 根呼吸 Roo t resp iration, C. 有机肥 O rgan ic m anure, D. 饼肥 Cake, E. 小麦根W heat roo t, F. 玉米根
M aize roo t, G. 小麦茬 W heat stubb le, H. 半腐解物 H alf2decompo sit ion, I. 动物呼吸 A nim al resp iration, J. 耕层分解
A rab le layer, K. 耕层C 矿化量M ineralization.
361 期　　　　　崔玉亭等: 集约高产农业生态系统有机物分解及土壤呼吸动态研究　　　　　
kg·a- 1·hm - 2, 如果 1 hm 2 耕层土壤按
1. 5×105 kg 计, 2 块地的有机质含量分别
为 0. 83% 和 0. 72% , 则可计算出 2 块地的
C 矿化率分别为 5. 64% 和 5. 48%. 再根据
前面测得或修订的有机物腐殖化系数, 则
可计算出 2 块地的有机碳腐殖化量, 进而
求出两块地的 C 平衡系数, 分别为 1. 84
和 1. 86, 基本上相似. 这就是说集约高产
并未降低土壤C 的正平衡.
4　结　　语
4. 1　集约高产田有机物的分解和中产田
没有明显区别. 虽然土壤呼吸量前者比后
者要大, 但两者土壤C 的矿化率和平衡系
数却比较相似, 因为集约高产虽然使土壤
有机碳的输出增加, 但更多的残留根茬和
有机物还田却又使土壤C 得到了补充. 所
以并没有降低土壤 C 的含量. 相反, 如果
更加注意集约高产田大量有机物的各种还
田, 再加上它本身大量的残留根茬, 还会使
土壤C 的正平衡进一步加强, 土壤肥力也
会逐渐得到提高, 所以“寓土壤培肥于集约
高产之中”也可成为切实可行的土壤培肥
策略.
4. 2　有机物分解和土壤呼吸是土壤库中
有生命物质, 特别是微生物参与下进行的
一系列生物化学过程的结果. 故它受土壤
本身特性、温度与农田肥水管理措施及耕
作措施等一系列因素的影响. 就温度和水
分而言, 温度特别是地温影响更大, 一般与
之呈显著正相关. 而水分的影响则比较复
杂, 往往不如温度直接、明显[3, 4 ]. 故本试验
中只初步研究了土壤温度这个影响因子,
水分的影响还有待于今后研究. 集约高产
田土壤呼吸量表现出比一般中产田稍高,
是因为其投入有机物及残留根茬量较大的
原因; 有机物的分解高产田和中产田却几
乎没有差别, 这可能是由于两者土壤特性
没有显著差异, 又两者的肥水管理还未达
到足以引起显著差异的水平; 或者是两者
的肥水等多因素差异相互作用的结果. 总
之, 集约高产的一系列技术, 对土壤有机碳
动态影响的某些规律还不十分清楚, 须进
一步系统地研究.
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46 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　8 卷