全 文 ：稻麦轮作生态系统中土壤湿度对 N2O
产生与排放的影响3
郑循华　王明星　王跃思　沈壬兴　龚宴邦　骆冬梅　张　文
(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 215128)
【摘要】　通过对太湖地区稻麦轮作生态系统的N 2O 排放及土壤湿度进行系统观测和开
展一系列模拟实验, 研究了降雨和土壤湿度对N 2O 排放和产生过程的影响. 结果表明, 春
季和秋季麦田N 2O 排放与降雨量呈明显正相关, 但水稻田和冬季麦田的N 2O 排放不受降
雨影响. 稻麦轮作周期内的N 2O 排放较强烈地受土壤湿度制约, 土壤湿度为田间持水量
的97～ 100% 或84～ 86%W FPS (土壤体积含水量与总孔隙度的百分比) 时, N 2O 排放最
强, 低于此湿度范围时, N 2O 排放通量与土壤湿度呈正相关, 反之, 则呈负相关. 田间N 2O
排放随土壤湿度的变化形式与模拟条件下培养土壤样品的N 2O 产生率变化非常相似, 但
前者的最佳湿度范围比后者窄, 而且偏小.
关键词　N 2O 排放通量　土壤湿度　降雨量　N 2O 产生率
Impact of so il hum idity on N2O production and em ission from a r ice-wheat rotation e2
cosystem. Zheng Xunhua, W angM ingxing andW ang Yuesi et a l. ( Institu te of A tm osp her2
ic P hy sics, A cad em ia S in ica , B eij ing 100029). 2Ch in. J . A pp l. E col. , 1996, 7 (3) : 273～
279.
Based on the in2situ m easurem ent of so il hum idity and N 2O em ission from a rice2w heat ro2
ta t ion eco system and on the sim ulated experim ent in labo rato ry, the impact of p recip ita2
t ion and so il hum idity on N 2O p roduction and em ission is studied. T he resu lts show that
the N 2O em ission from w heat field is po sit ively co rrela ted w ith p recip ita t ion in sp ring and
au tum n but no t in w in ter, and that from rice field is no t influenced by p recip ita t ion.
W ith in a cycle of rice2w heat ro ta t ion, N 2O em ission is in tensively affected by so il hum idi2
ty. 97～ 100% of so il w ater ho lding capacity ( i. e. , 84～ 86% of W FPS) leads to a m axi2
m um N 2O em ission. W hen the so il hum idity is low er than th is range, there is a po sit ive
co rrela t ion betw een N 2O em ission flux and so il hum idity, and on the con trary, there is a
negative one. T he varia t ion pattern of N 2O em ission w ith so il hum idity is sim ilar bo th un2
der field and under sim ulated condit ion, a lthough under the fo rm er one, the op tim um hu2
m idity range fo r N 2O em ission is low er.
Key words　N 2O em ission flux, So il hum idity, P recip ita t ion, N 2O p roduction rate.
　　3 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大
气化学国家重点实验室基金资助项目.
1995年12月26日收到, 1996年3月25日改回.
1　引　　言
农田N 2O 排放增加是近几十年来大
气N 2O 浓度持续上升主要原因之一. 由于
单位质量 N 2O 的全球增温潜势分别为
CO 2的190～ 270倍, CH 4的4～ 21倍[11 ] , 控制
农田N 2O 排放显得十分重要. 土壤水分状
况是调节农田2大气N 2O 交换的一个最重
要且易于人为控制的因子[6 ] , 因而深入研
应 用 生 态 学 报　1996年7月　第7卷　第3期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CH IN ESE JOU RNAL O F A PPL IED ECOLO GY, Ju ly 1996, 7 (3) ÷273～ 279
究这一因子影响农田N 2O 排放的机制, 对
农田N 2O 减排很有意义. 本文的研究对象
是华东地区的稻麦轮作生态系统. 其特征
是干湿交替频繁, 因而会增强土壤的N 2O
排放[8 ]. 显然, 土壤湿度及其控制变量对
N 2O 排放的调节作用在稻麦轮作生态系统
中显得格外重要.
2　研究方法
2. 1　试验田处理
实验田设在太湖地区的典型水稻土类型潴育
型粘质黄泥土上, 田间实行当地的常规水肥处理
(表1).
2. 2　田间观测
　　采用静态箱ö气相色谱全自动系统全天候连
续观测N 2O 排放通量. 该系统可同时观测8个采
样箱, 其中2个设在本实验小区, 每箱1 d 可取得6
个N 2O 通量数据. 此外, 土壤含水量用烘干称重
法测定, 降雨量资料来源于当地气象站.
2. 3　培养实验
将土壤样品置于约1300 m l 的可塑透明塑料
表1　田间处理
Table 1 F ield treatmen t
日 期
D ates
处　理
T reatm en t
日 期
D ates
处　理
T reatm en t
施肥量
Fertilization
(kgNõhm - 2)
6. 15 开始淹水 F looding 6. 17 N H 4HCO 3 47. 8
7. 22～ 7. 28 排水晒田D rainage 6. 27 N H 4HCO 3 47. 8
8. 12～ 8. 18 排水晒田D rainage 7. 22 N H 4HCO 3 47. 8
9. 15～ 10. 12 灌排交替A lternate flooding and drainage 8. 12 N H 4HCO 3 47. 8
10. 13 停止灌溉 Stop irriagating 11. 2 腐熟猪粪 P ig w astes 20. 8
6. 18 水稻插秧R ice transp lan ting 复合肥Compound 75. 0
10. 31 水稻收割R ice harvest 12. 29 尿素 U rea 24. 0
11. 2 小麦播种W heat seeding 3. 2 尿素 U rea 40. 0
6. 4 小麦收割W heat harvest
瓶中密闭恒温培养, 定时用注射器抽取瓶内气样,
气相色谱法检测N 2O 浓度, 并由L = M ax ( (V 0-
∑
n
i= 1
V i). ΘöW s. dC töd t) 计算N 2O 产生速率, 即单
位时间单位质量土壤产生的N 2O 质量数, 式中L
为N 2O 产生率, V 0为培养瓶中的初始气体体积,
V i 为采样体积, n 为采样次数, i= 1, 2,. . . , n , W s
为土壤样品干重, Θ为室温下的N 2O 气体密度, t
为培养时间, C t 为N 2O 体积混合比. 用刚性玻璃
瓶实验时发现, 一旦采样造成负压, 就会出现土壤
样品严重吸收N 2O 的现象. 而可塑瓶每次抽取气
样约15 m l 后, 瓶壁自动变形而保持瓶内1个大气
压, 可避免采样造成负压对N 2O 产生的影响. 假
设培养土壤产生的气体量很少, 引起的气压变化
可以忽略, 则认为培养瓶容积变化约等于抽样量.
培养温度为22℃, 并设有普通空气和低氧分压两
种初始O 2状况处理. 空气处理是将土样湿润后直
接密闭培养, 低氧分压处理则是将土样湿润密封
并用高纯N 2反复吹洗8次后才密闭培养. 试验田
耕层土壤样品经风干粉碎后用于培养实验.
3　结果与讨论
3. 1　降雨对N 2O 排放通量的影响
从图1可见, 在水稻生长季 (6月中旬至
10月底) 和冬季 (12月中旬至2月底) , 降雨
不会引起明显的N 2O 排放变化, 相反, 11
月初至12月中旬以前 (秋季) 以及3月初至6
月中旬泡田种稻以前 (春季) 的旱地阶段,
N 2O 排放较明显地受降雨影响. 而对于春
季和秋季麦田, 降雨后3 d 内的日平均通量
> 0. 1 m gN 2Oõm - 2õh - 1的N 2O 排放与降
雨量呈显著正相关 (线性相关系数 r> 0. 9)
(图2). 图3表明, 当温度和土壤湿度低于田
间持水量时, 降雨量越大, 引起的N 2O 排
放越显著, 持续时间也越长, 降雨激发的麦
田N 2O 排放极大值一般发生在一次降雨
过 程 结 束 后 的 第 2 天, 以 后
逐渐降低到降雨前的水平. 春秋季麦田
472 应　用　生　态　学　报 7卷
图1　太湖地区稻麦轮作周期内N 2O 排放通量与降雨量
F ig. 1 P recip itation and N 2O em ission flux during rice2w heat ro tation cycle in T aihu region.É . N 2O 通量 Em ission flux, Ê . 降雨 P recip itation.
图2　降雨后3 d 内N 2O 平均排放通量与降雨量相关性
F ig. 2 Co rrelation of p recip itation to m ean flux of N 2O
em ission w ith in 3 days after rain ing.
N 2O 排放对降雨响应强烈的原因可从3方
面来解释: 1)降雨增加土壤湿度, 造成有利
于形成N 2O 的氧气条件; 2) 在降雨湿润干
燥土壤的过程中促进土壤有机质矿化过
程, 为硝化作用提供充足的反应底物
N H +4 , 同时硝化产物NO -3 又是反硝化作用
的反应底物, 2个过程协同发生的结果将促
进N 2O 形成[1 ]; 3) 雨水湿润土壤增强了产
N 2O 微生物的生物活性. 在水稻生长季和
冬季, N 2O 排放和降雨量之间不存在任何
相关性 (û rû< 0. 2). 其原因是: 水稻田的土
壤一般都处于水分过饱和状态, 降雨不会
显著改变土壤湿度和土壤中O 2的供给状
况; 而冬季麦田, 虽然降雨可造成适合
N 2O 产生的O 2供应条件和提高反应底物
有效性, 但过低的温度条件降低了微生物
活性, 从而抑制了N 2O 产生过程. 因此, 稻
麦轮作系统N 2O 排放对降雨响应的强烈
程度取决于降雨强度、降雨前的土壤湿度、
温度以及土壤N 和C 的有效性.
3. 2　N 2O 排放通量与土壤湿度的关系
图3　降雨对土壤湿度和N 2O 排放影响
F ig. 3 Effect of p recip itation on so il hum idity and N 2O
em ission.É . 降雨量 P recip itation (mm ) , Ê . 土壤湿度 So il hu2
m idity, Ë . 排放通量N 2O flux.
5723期　　　　　郑循华等: 稻麦轮作生态系统中土壤湿度对N 2O 产生与排放的影响　　　　　
图4　土壤湿度对N 2O 排放的影响
F ig. 4 Effect of so il hum idity on N 2O em ission.É . 湿度 H um idity, Ê . 通量N 2O fulx.
　　实际含水量与田间持水量的百分比
(简称% SW HC)和土壤体积含水量与总孔
隙度的百分比或实际重量含水量与饱和含
水量的百分比 (简称W FPS) 均能较直接
地反映土壤的通气状况, 且不随土壤质地
和结构而变化, 因而在评价田间N 2O 排放
的土壤湿度效应时, 通常采用这2种方法表
示土壤湿度.
从8月中旬到冬季以前, N 2O 日平均
排放通量随土壤湿度而变化的过程以及二
者的相互关系分别用图4A 和4B 表示. 从
图4A 可见, 10月中旬以前, 稻田土壤水分
过饱和, N 2O 排放随灌排交替所引起的湿
度变化而起伏, 湿度增大排放减小; 反之,
湿度减小排放增大. 而10月20日左右的
N 2O 排放却几乎与土壤湿度同步减小, 这
是当时连续几天大幅度降温的结果. 在水
稻收割前后, N 2O 排放随土壤湿度下降而
显著增强, 最大N 2O 排放发生在11月1日,
土壤湿度为97% SW HC (即84. 5%W FPS)
(图4A ). 播种小麦以后, 土壤湿度介于82
～ 97% SW HC 之间, N 2O 排放呈现出随
土壤湿度减小而减少的趋势. 在春季旱地
阶段, 土壤湿度通常小于100% SW HC,
672 应　用　生　态　学　报 7卷
N 2O 排放随湿度增大而增强, 一旦田间淹
水后, N 2O 排放迅速降到检测限附近 (图
4C ). 模拟实验中, 将土壤湿度约为100%
SW HC (即85. 7% W FPS) 的土壤用2～ 4
cm 水层淹没, 3 d 后几乎检测不到N 2O 排
放, 虽然施用N H 4HCO 3的量高达200 kgNõhm - 2时可以引起N 2O 排放显著回升, 但
难以恢复到淹水以前的水平 (图4E ). 图4
表明, 在稻麦轮作周期内, 无论从水田过渡
到旱地, 还是从旱地过渡到水田, N 2O 排
放随土壤湿度而变化的过程均遵循共同的
规律, 即土壤湿度为97～ 100% SW HC 时
排放最强, 低于此湿度范围, N 2O 排放与
土壤湿度呈正相关 ( r> 0. 7) ; 反之, 则呈负
相关 (û rû> 0. 7) (图4B 和D ). 这种规律性
可用土壤中产生N 2O 的机制来解释. 土壤
较干燥时, 氧气充足, 有利于形成硝化最终
产物NO -3 , 但却不利于硝化形成N 2O , 因
为只有当O 2供应开始受到限制, 中间产物
NO -2 被作为替代O 2的电子受体被还原时,
硝化作用才形成N 2O [9 ]. 反硝化作用是厌
氧生物过程, 但严重缺氧会促进形成最终
产物N 2, 不利于产生中间产物N 2O , 只有
存在一定量的O 2时, 才能产生高N 2O öN 2
比率[3, 6 ]. 因此, 在较低湿度范围, 硝化和反
硝化产生的N 2O 均随土壤湿度增大而增
加, 表现为N 2O 排放与土壤湿度正相关,
土壤湿度接近田间持水量时, 2个过程的
N 2O 产生速率均达到最大, 表现为排放最
强, 土壤湿度超过田间持水量时, 随着水分
含量增加, 土壤中的O 2供给越来越少, 硝
化过程逐渐被抑制, 反硝化过程也逐渐移
向不利于产生N 2O 的生物化学平衡态, 表
现为N 2O 排放越来越弱. 但是, 正如图4B
和D 所示, 田间观测结果的相关性并非特
别显著 (û rû < 0. 9) , 原因是土壤湿度不是
制约N 2O 排放的唯一因素, 温度、土壤有
效N 含量等也同时在影响N 2O 排放, 如尽
管稻田的土壤湿度较大, 施N 肥后却引起
极显著的N 2O 排放增加 (图1和图4E). 本
研究观测到最大N 2O 排放时的土壤湿度
约为85% W FPS, 略高于D avidson 提出的
75% W FPS [5 ] , 其原因是由于微生物种群
结构、土壤物理化学性质以及田间耕作管
理方式等存在地域差异.
3. 3　土壤湿度对N 2O 产生率的影响
图5表明22℃恒温培养的土壤N 2O 产
生率与水分含量变化. 从图5可见, 室温下,
无论低氧分压还是普通空气处理, 最大
N 2O 产生率均发生在120～ 220% SW HC
时, 且极大值十分接近. 当土壤湿度介于50
～ 100% SW HC 时, 2种处理的N 2O 产生
率均随土壤湿度而增加, 但同样湿度条件
下空气处理的N 2O 产生率明显大于低氧
分压处理. 土壤湿度在50% SW HC 左右
时, 二者的N 2O 产生率均接近于0. 土壤湿
度高于220% SW HC 时, N 2O 产生率随水
土比增大而逐渐减小, 但低氧分压处理的
产生率始终大于空气处理. 显然, N 2O 排
放通量随田间土壤湿度的变化形式与模拟
条件下的产生率非常相似, 但前者的最
佳土壤湿度范围比后者窄且偏低. 其原因
图5　土壤湿度对N 2O 产生率的影响
F ig. 5 Effect of so il hum idity on N 2O p roduction rate.É . 低氧分压 L ow O 2 availab ility, Ê . 空气 A ir.
可能是: 1) 田间N 2O 排放同时受产生与
7723期　　　　　郑循华等: 稻麦轮作生态系统中土壤湿度对N 2O 产生与排放的影响　　　　　
传输过程制约; 2) 土壤样品经风干粉碎后
破坏了田间原有的土壤结构; 3) 风干土与
田间土壤的硝化和反硝化微生物种群结构
有所不同; 4) 温度条件与田间不同.
3. 4　土壤2大气界面上N 2O 通量的土壤
湿度效应
田间土壤2大气界面的N 2O 交换主要
取决于土壤中的产生、消耗和扩散传输过
程. 土壤通气状况直接从分子水平上制约
着N 2O 的产生与消耗. 通常田间条件下,
无论硝化作用还是反硝化作用均可产生
N 2O. 田间处于强烈还原状态而不可能发
生任何N 2O 产生过程时, 土壤会吸收大气
中的N 2O 而将它反硝化还原成N 2 [7 ] , 但此
过程一般只在湿地才有所表现[8 ]. 另外, 表
面活性强的土壤基质, 尤其是有机质含量
高的土壤处于干燥条件下时也可能物理吸
附空气中的N 2O [2 ]. 当土壤水分含量低于
风干土 (1～ 3% 水ö土) 时, N 2O 会大量地
被粘土吸收[4 ] , 烘干土强烈吸收N 2O 的量
与粘粒含量和温度有关, 但风干土上还未
观测到N 2O 吸附现象[10 ]. 对于特定土壤,
湿度既可有效地指示土壤通气状况, 又影
响着产生N 2O 的微生物活性、N 2O 在土壤
中的扩散传输过程以及土壤基质的表面物
理活性.
图6　土壤2大气界面上N 2O 通量的湿度效应
F ig. 6 Response of N 2O flux from so il su rface to hum id2
ity.
　　根据前人的研究成果和本实验结果可
以认为, 土壤2大气界面上的N 2O 交换通
量首先受土壤湿度控制 (图6). 图6中的B
值因土壤或微生物种群结构而异, C 值取
决于微生物种群结构和还原性物质含量.
土壤湿度< B 时, N 2O 交换通量主要受土
壤基质的物理吸附过程制约, H 值取决于
粘土矿物类型和含量, F 取决于温度和
N 2O 补给速率. 当土壤湿度> B 时, N 2O
交换通量主要受土壤中的硝化和反硝化等
微生物过程制约. 在B～D 湿度范围内, 硝
化和反硝化N 2O 产率均随土壤湿度增大
而增加, 在D 值附近达到最大. D avidson [5 ]
等认为D 值约为75% W FPS, 而本文结果
约为85% W FPS. N 2O 排放极大值A 取决
于温度、N H +4 和NO -3 以及土壤有机质含
量. 在D～ C 范围内, 随土壤湿度增加, 硝
化N 2O 产生过程逐渐被抑制, 反硝化产物
N 2O öN 2比也逐渐减小. 同时, 充气孔隙的
减少使N 2O 扩散传输变得缓慢, 因而N 2O
排放通量逐渐下降, 直到在C 值附近变为
0. 水分含量> C 时, 随水分增加, 氧气扩散
补给受到严重阻碍, 土壤还原性增强,N 2O
产生过程完全被抑制, 大气中的N 2O 被反
硝化微生物吸收并作为反硝化反应的电子
受体还原成N 2. G 值大小取决于有效性C
含量或土壤还原性, E 值取决于温度、有效
性C 含量、N 2O 在水中的溶解度和扩散补
给速率.
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P ress, Cam bridge.
(上接封四)
6　课题设置
开放站的课题设置实行基金制, 国内外科学
工作者都可以在开放站拟定的课题申请指南范围
内提出课题申请, 经学术委员会评议批准获得资
助后, 来站进行试验研究工作. 也可开展合作研
究, 或自带课题、经费和仪器设备来站工作.
7　工作条件
　　现有实验用房700 m 2, 设有森林资源、土壤、
微生物、动物、生理、森林保护等实验室和仪器室;
具有微型计算机等万元以上仪器设备28台, 建有
我国最大的森林水文功能模拟实验室, 建筑面积
为250 m 2; 建有62. 5 m 高的气象梯度观测塔, 各
植被带设有固定气象观测点; 在主要森林类型中
设置固定标准地14 hm 2, 以供开展长期的生态学
研究; 在保护区周围的作业区内, 设置了合理经营
利用森林资源研究试验地233 hm 2.
　　长白山站现有客房800 m 2, 可接待约80名国
内外客座研究人员来站工作, 以及举行中小型学
术讨论会. 站内现有车辆3台. 可以满足基本生活
和工作需要.
　　站址距铁路干线7 km ; 距公路2 km ; 交通方
便.
8　学术交流与合作
建站以来, 长白山站已与20多个国家的科研
机构建立了学术交流关系, 并同英、美、德、加、日
等开展了合作研究. 每年有20余名国外专家、学者
来访, 现已派出20余名科技人员出国进修、合作研
究、考察或参加国际会议.
站 长: 王庆礼　研究员
副 站 长: 代力民　副研究员
站 址: 吉林省安图县二道白河镇
通讯地址: 沈阳市沈河区文化路72号
　　　　　中国科学院沈阳应用生态研究所
邮 编: 110015
电 话: (024) 3916285 (所内) , (0433)
　　　　　5710407 (站内)
电 挂: 0960
传 真: (024) 3843313
9723期　　　　　郑循华等: 稻麦轮作生态系统中土壤湿度对N 2O 产生与排放的影响