全 文 ：开放式空气 CO2 增高对稻田 CH4 和 N2O
排放的影响 3
徐仲均1 　郑循华1 3 3 　王跃思1 　韩圣慧1 　黄　耀1 　朱建国2
(1 中国科学院大气物理研究所 , 北京 100029 ,2 中国科学院南京土壤研究所 , 南京 210008)
【摘要】　在 FACE(free2air carbon dioxide enrichment) 平台上 ,采用静态暗箱2气相色谱法观测研究了大气
CO2 浓度增加对稻田 CH4 和 N2 O 排放的影响. 结果表明 ,在 150 和 250kgN·hm - 2两种氮肥水平下大气
CO2 浓度增加 200μmol·mol - 1均明显促进水稻生长 ,水稻生物量积累. 大气 CO2 浓度增加对 150 和 250kgN
·hm - 2两种氮肥水平下稻田 CH4 排放均无显著影响 ,并简要分析了与现有文献报道结果不一致的原因. 大
气 CO2 浓度增加也未导致 150 和 250kgN·hm - 2两种氮肥水平下稻田 N2O 排放的明显变化 ,与大多数研究
结果一致.
关键词 　CO2 浓度增高 　CH4 排放 　N2O 排放 　稻田
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 10 - 1245 - 04 　中图分类号 　X511 　文献标识码 　A
Effects of elevated atmospheric CO2 on CH4 and N2 O emissions from paddy f ields. XU Zhongjun1 , ZHEN G
Xunhua1 ,WAN G Yuesi1 , HAN Shenghui1 , HUAN G Yao1 , ZHU Jianguo2 (1 Institute of A t mospheric Physics ,
Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029 ;2 Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , N an2
jing 210008) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (10) :1245～1248.
Effects of elevated atmospheric CO2 on CH4 and N2O emissions during the paddy rice2growing season were exam2
ined in a FACE (free2air carbon dioxide enrichment) study. The emission fluxes of CH4 and N2 O from paddy
rice fields were measured using methods based on static opaque2chamber and gas chromatography techniques.
Synthetic fertilizer N was amended for the rice2growing season at two rates , 150 and 250kgN·hm - 2 and the at2
mospheric CO2 was enriched by 200μmol·mol - 1 . At both N levels , the preliminary results indicate that no sig2
nificant effect of CO2 enrichment on CH4 and N2O emissions from the rice paddy fields was detected. The result
on CH4 emissions is inconsistent with the most literatures , and the result on N2O emissions is consistent with the
most literatures.
Key words 　Free2air CO2 enrichment , CH4 emissions , N2O emission , Paddy rice fields.3 国家自然科学基金项目 (40175030、40120140817) 、中国科学院知
识创新重要方向资助项目 ( KZCX22408) .3 3 通讯联系人.
2002 - 06 - 12 收稿 ,2002 - 08 - 18 接受.
1 　引 　　言
水稻作为世界三大粮食作物之一 ,在亚洲分布
最广. 稻田生态系统的变化不仅影响粮食生产 ,有可
能改变原有的生态平衡 ,因此大气 CO2 浓度的持续
上升对稻田生态系统的影响引起了人们的关注. 大
气 CO2 浓度增加对稻田生态系统影响的研究始于
20 世纪 60 年代[13 ] . 近半个世纪来 ,人们对大气 CO2
浓度增加影响稻田生态系统的研究一直没有间断.
起初的研究主要集中在 CO2 浓度增加对水稻生理
的影响 ,涉及到水稻光合作用、生物量以及粮食产
量. 直到最近 10 年 ,才有研究涉及到 CO2 浓度增加
对稻田生态系统微量气体排放的影响. 但据已发表
的资料 ,仅有王大力[11 ] 、Ziska 等[13 ]的 O TC (open2
top2chamber)研究以及日本学者 Inubushi (2000) 的水
稻 FACE(free2air carbon dioxide enrichment) 研究等
为数不多的报道.
过去研究 CO2 浓度增加对农田 N2O 和 CH4 排
放的影响 ,主要是在开顶箱 (O TC) 中进行的. O TC
技术由于设备简单 ,运行经济 ,曾得到较广泛的应
用. 但 O TC 的箱壁效应使在此基础上得出的结论不
一定能反映自然状态下的 CO2 增加效应. 关于稻田
CH4 和 N2O 排放的大气 CO2 增加效应 FACE 研究 ,
国外仅有日本开展过 ,国内尚无报道. 本文利用在江
苏无锡稻2麦轮作农田建立的 FACE 平台[7 ] ,研究大
气 CO2 浓度增加对稻田 CH4 和 N2O 排放的影响.
2 　材料与方法
　　实验地点选在江苏省无锡市锡山区安镇镇年余村农场
内 (31°37’N ,120°28’E) ,实验田土壤为黄泥土 ,是太湖流域
典型的水稻土类型 ,土壤的基本性质见表 1. 田间 11 月播种
冬小麦 ,第二年 5 月底收割后 ,田间闲置 ,直至 6 月中旬淹
水、整田、水稻插秧. 试验设 3 个对照区 (Ambient ) 和 3 个
应 用 生 态 学 报 　2002 年 10 月 　第 13 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2002 ,13 (10)∶1245～1248
FACE区 (CO2 浓度 = Ambient + 200 ±40μmol·mol - 1) . 在每
一 FACE区和对照区 ,同时设置低 N (LN) 和高 N ( HN) 两种
处理. 稻田施肥为复合肥和尿素 ,用量见表 2. 水稻 ( Oryz a
sativa L . )品种为粳稻 99215 , 5 月中下旬播种 ,6 月 13 日移
栽 ,FACE低 N 处理 10 月 13 日收割 ,FACE 高 N 处理 17 日
收割 ,低 N 和高 N 对照处理均 23 日收割. 水稻插秧前 ,前茬
小麦秸秆全部还田 (大约 3800kgC·hm - 2) ,按照当地常规水
肥管理方式进行田间日常管理.
表 1 　供试土壤的基本性质
Table 1 Basic properties of soil tested
项目 Item
层次 Soil profile
A P W B
土层厚度 Soil layer (cm) 13. 0 ±1. 6 12. 6 ±3. 6 29. 4 ±13. 8 47. 1 ±12. 8
容重Bulk density (g·cm - 3) 1. 20 ±0. 70 1. 37 ±0. 09 1. 46 ±0. 07 2
总孔隙度 Soil porosity( %) 54. 09 ±2. 30 48. 84 ±2. 87 45. 87 ±2. 44 2
有机质 Organic matter ( %) 2. 58 ±0. 42 2. 09 ±0. 52 0. 85 ±0. 55 0. 68 ±0. 43
速效 N Available N (g·kg21) 114. 0 ±27. 1 99. 0 ±42. 9 47. 2 ±23. 6 38. 1 ±18. 7
速效 P Available P(g·kg21) 10. 4 ±5. 1 8. 3 ±4. 4 4. 2 ±2. 4 3. 2 ±1. 9
速效 K Available K(g·kg21) 85. 7 ±15. 9 81. 4 ±22. 6 83. 7 ±21. 3 89. 3 ±35. 0
pH 6. 8 ±0. 5 6. 8 ±0. 4 7. 0 ±0. 5 7. 1 ±0. 2
表 2 　低 N( L N)和高 N( HN)试验区施肥用量
Table 2 Fertilizer in low N and high N plots ( kg·hm - 2)
处理
Treatment
6 月 19 日 J une 19
N P2O5 K2O
8 月 6 日 August 6
N P2O5 K2O
LN 105 45 45 45 30 30
HN 175 45 45 75 30 30
　　本试验采用暗箱法2气相色谱法观测 CH4 和 N2 O 的排
放通量. 不锈钢采样箱底座 (横截面积 50cm ×50cm) 长期埋
于田间 ,座壁插入土中约 20cm ,每侧壁上距离地表 10cm 以
下开有 9 个直径 2cm 的圆孔 ,以利于水分、土壤动物、微生
物、养分等侧向交流. 箱座顶端有深、宽均为 3cm 的密封水
槽 ,用于采样时与箱体密封. 不锈钢采样箱 (50cm ×50cm ×
100cm)外被覆绝热材料 ,温度最高时也能保证观测过程中
箱内气温变化低于 3 ℃. 为了尽量减少观测过程对 FACE 处
理的大气和植物生长的人为干扰 ,本研究设计为每周定点进
行两次暗箱观测 ,分别在星期一和星期四上午 9∶00～11∶00
之间进行. 每个采样周期为 21min ,在一个周期内每 7min 采
样一次 ,共计 4 个样品. 样品采集好后迅速送回实验室 ,用气
相色谱仪分析. 本实验用改进后的 varian3400 气相色谱仪同
时分析 CH4 和 N2O ,样品中的 CH4 和 N2O 分别用 FID (flame
ionization detector)和 ECD (electron capture detector) 检测. 柱
箱、FID、ECD 温度分别为 55、200、380 ℃,载气为高纯 N2 ,流
速 30ml·min - 1 .
　　水稻生物量分析采用烘干法. 采集一定面积上的水稻 ,
用水仔细冲洗 ,105 ℃杀青后 ,置 80 ℃烘干至恒重称量.
3 　结果与讨论
311 　CO2 浓度增加对水稻生长的影响
　　有研究认为农作物的长势与农田 CH4 和 N2 O
排放相关1) ,因此 ,有必要先讨论 CO2 浓度增加对水
稻生长的影响. 由于 FACE 圈内没有足够的实验空
间 ,水稻生物量动态测量只能在对照田内进行 ,最后
根据 FACE 及对照水稻的地上生物量收获量反演
了各观测点的地上部分生物量动态 (图 1) . 从图 1
可以看出 ,无论是低 N 还是高 N 处理 , FACE 中水
稻地上部分的累积生物量均高于对照 (t2检验的 P <
0. 001) . 无论是对照还是 FACE ,高 N 处理的水稻地
上部分生物量积累均高于低 N 处理. 显然 ,在两种
氮肥水平下 ,CO2 浓度升高均有利于水稻生物量的
积累. 这与王大力等[11 ]的 O TC 方法研究结果一致 ,
只是 FACE 的水稻生物量增长幅度低于 O TC.
Drake 等[4 ]认为 ,增加 CO2 浓度会增强作物的光合
作用 ,同时抑制其呼吸作用 ,从而导致作物生物量增
加.尽管我们没有直接观测 FACE 的水稻根系生物
量动态 ,但据 Kim 等[8 ]报道 , FACE 的水稻根系生
物量比对照显著增加.
图 1 　水稻地上部分生物量
Fig. 1 Shoot biomass of rice.
Ⅰ. FACE ,高 N High N , FACE ; Ⅱ. FACE ,低 N Low N , FACE ; Ⅲ.
对照 , 高 N High N , Ambient ; Ⅳ. 对照 , 低 N Low N , Ambient .
312 　CO2 浓度增加对稻田 CH4 排放的影响
　　从已经获得观测结果可以看出 ,无论低 N 还是
高 N 处理 ,FACE 及对照稻田的水稻生长期 CH4 排
放通量从时间上可分为差异明显的两个阶段 ,第一
阶段为水稻移栽后 35d 以内 ,第二阶段从插秧后
35d 左右直到水稻收割 (图 2) ,且前一阶段每天上午
观测的 CH4 排放通量显著高于后一阶段 (t2检验 P
< 0. 001) . 但无论哪一阶段 ,各种处理之间的差异均
1) Inubushi K ,Cheng W ,Sonuma S , et al . 2002. Effects of elevated CO2
on CH4 and N2O emissions from paddy field at the rice FACE. Proceed2
ing of FACE 2002. Tsukuba International Congress Center , EPOCHAL
Tsukuba ,Japan.
不具有统计显著性 ( t2检验 P = 0. 12～0. 97) . 前一
阶段 CH4 排放显著偏高 ,主要是由于大量新鲜有机
质—小麦秸秆还田 ,同时 ,淹水后温度适宜 ,充足的
有机质分解产物为产 CH4 过程提供了丰富的反应
底物 ,从而产生并排放出更多 CH4 . 通常秸秆还田后
6421 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
图 2 　CH4 排放
Fig. 2 CH4 emission.
a) 对照 , 低 N Low N , Ambient ,b) FACE , 低 N Low N , FACE , c) 对照 , 高 N High N , Ambient , d) FACE , 高 N High N , FACE. 下同 The
same below.
快速分解持续大约 1 个月 ,因而施用秸秆稻田插秧
后 1 个月内通常产生一个 CH4 强排放高峰. 另外 ,
插秧后 35d 左右开始第一次排水烤田 ,CH4 的强排
放因烤田而迅速受到抑制. 之后虽有所回升 ,但排放
强度远不如烤田以前 ,这是还田秸秆的易分解有机
质逐渐减少的结果. 对于整个水稻生长期 ,两个氮肥
水平下 FACE 和对照稻田的 CH4 排放均无显著性
差异 (t 检验 ,低 N , P = 0. 65 ;高 N , P = 0. 18) . 大多
数的 O TC 研究都认为增加 CO2 浓度会促进稻田
CH4 排放[8 ,11 ,12 ] ,原因是 CO2 增加导致水稻根系生
长和根系分泌功能增强 ,根系生物量和分泌物在土
壤中积累 ,使水稻根际产甲烷菌的有效底物也相应
增加 ,从而促进了产甲烷菌的代谢活性 ,增加了 CH4
产量[11 ] . Ziska 等[13 ]也认为 ,高浓度 CO2 可刺激水
稻根的生长 ,从而促进 CH4 排放. Ineson 等[5 ]在草
地上开展的黑麦草 ( L oli um perenne) FACE 研究认
为 ,长期高浓度 CO2 抑制 CH4 在土壤传输过程中的
氧化 ,因而会减弱土壤对大气 CH4 的吸收. Inubushi
等 (2000)对日本稻田 FACE 研究表明 , 1998 年 ,分
蘖期之前的 FACE 处理 CH4 排放低于对照 ,而在分
蘖期之后 ,FACE 的 CH4 排放高于对照 ;1999 年 ,整
个稻季的 FACE 稻田 CH4 排放比对照增加了 14.
8 % ,但两者的差异并未达到统计显著水平. 在我们
实施大气 CO2 浓度升高 200μmol·mol - 1的第一个作
物生长季 ,虽然水稻生长得到促进 (图 1) ,但 CH4 排
放并没有明显变化. 检测不到差异的可能原因之一 ,
是还田秸秆量大 ,新鲜有机质分解导致的强 CH4 排
放掩盖了 CO2 浓度变化可能导致的 CH4 排放的微
小变化. Cotrufo 等[2 ,3 ]认为 ,在高浓度 CO2 下生长
形成的植物有机质 ,其 C/ N 比增大导致有机质分解
时微生物 N 营养相对不足 ,分解速率下降. 因此 ,虽
然由于 CO2 增加导致水稻根系生物量和分泌物增
加 ,但由于根系脱落组织、衰老根系以及分泌物的可
降解性减弱 ,导致 CH4 排放的变化不明显. 由于我
们的 FACE 处理从这茬水稻才开始实施 ,欲了解高
浓度 CO2 的长期累积效应对稻田 CH4 排放的影响 ,
需要开展持续数年 (至少 3 年)的连续观测研究.
313 　CO2 浓度增加对稻田 N2O 排放的影响
　　试验表明 ,稻田 N2 O 排放通量较小 ,有时甚至
表现为弱吸收 (排放通量呈负值) (图 3) . 根据 Ine2
son 等[5 ]的旱地 FACE 试验 ,在施用氮肥后的大约
6d 内会出现 N2 O 的排放高峰. 但在我们的稻田试
验中 6 月 10 日和 8 月 6 日两次施肥均未出现 N2O
的排放高峰 ,导致此观测结果的可能原因有 3 个 :一
是施肥时田间淹水 ,有利于水及土壤中的反硝化作
用 ,反硝化反应进行彻底 ,有利于肥料 N 转化成
N2 ,但却不利于生成 N2O [12 ] ;二是 C/ N 比较高的秸
秆 (C/ N≈60)还田量大 ,促进肥料 N 往微生物 N 转
移 ,从而部分地抑制了肥料 N 立即参与硝化和反硝
化作用生成的 N2O 的的过程 ;三是大量新鲜有机质
分解消耗了土壤中 O2 ,形成比较严格的缺 O2 条件 ,
不利于肥料 N 在反硝化反应中生成 N2 O[10 ] . 在整
个水稻生长季中 ,大气 CO2 浓度升高对稻田 N2O 排
放没有明显影响 (t2检验 :低 N , P = 0. 23 ;高 N , P =
742110 期 　　　　　　　　　　　徐仲均等 :大气 CO2 增加对稻田 CH4 和 N2O 排放的影响 　　　　　　　　
图 3 　N2O 排放.
Fig. 3 N2O emission.
0. 12) . Inubushi 等 (2000)认为 ,稻田 N2O 排放受田间
水分影响 ,只有在稻田排干的情况下 ,增加 CO2 浓
度才会导致 N2 O 排放升高. Ottman 等[9 ]对高粱地
FACE 研究表明 ,土壤中水分充足时 ,高浓度 CO2 不
会影响 N2O 的排放 ,只有在田间水分亏缺时 ,高浓
度 CO2 才引起 N2O 排放增加. 显然 ,尽管农田类型
不同 ,高浓度 CO2 不影响淹水稻田 N2O 排放的观测
结果与 Ottman 等[9 ]的研究结果有共同之处. 但 In2
eson 等[5 ]认为 ,大气中 CO2 浓度增加将促进 N2O 排
放 ,这是因为 CO2 浓度增加会刺激作物生长 ,植株
特别是根生物量积累增加 ,有助于土壤微生物从根
获得更多的 C 源作为反硝化所需能量 ,促进 N2O 的
排放. Ambus 等[1 ]认为 ,这种反硝化作用增强只是
出现在试验初期 ,随后很快消失. 从本试验可知 ,
CO2 浓度增加已经促进了水稻的生长和生物量积
累 ,由此而对 N2 O 排放产生的影响 ,很可能要到下
一茬作物 (冬小麦) 生长季才会有所体现. 关于这一
点 ,有待进一步的实验观测研究.
致谢 　中国科学院南京土壤研究所的韩 　勇和刘 　钢 ,中国
科学院大气物理研究所刘广仁、张 　文、王迎红、谢宝华等对
本项研究提供了重要帮助 ,谨此致谢 !
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作者简介 　徐仲均 ,男 ,1973 年生 ,博士研究生 ,从事大气化
学研 究 , 发 表 论 文 多 篇. E2mail : xzj @ dq. cern. ac. cn ,
xzhongjun @sina. com. cn
8421 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷