全 文 ：第 35 卷第 9 期
2015年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.9
May,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(41301304); 中国科学院知识创新工程课题(KSCX2鄄YW鄄N鄄46鄄11)
收稿日期:2013鄄08鄄29; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄08鄄01
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yuyajun0211@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201308292169
于亚军, 王小国, 朱波.成都平原水稻鄄小麦轮作系统 NO排放及其主要影响因素.生态学报,2015,35(9):2910鄄2916.
Yu Y J, Wang X G, Zhu B.NO emission and its main impacting factors in rice鄄wheat rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Basin.Acta Ecologica
Sinica,2015,35(9):2910鄄2916.
成都平原水稻鄄小麦轮作系统 NO 排放及其主要影响
因素
于亚军1,2,*, 王小国2, 朱摇 波2
1 山西师范大学地理科学学院, 临汾摇 041000
2 中国科学院成都山地灾害与环境研究所, 成都摇 610041
摘要:应用静态暗箱鄄化学发光氮氧化物分析法对成都平原水稻鄄小麦轮作系统进行了 1.5 个轮作周期的 NO 排放定位观测,分
析了 NO排放特征及施氮、土壤温度、土壤湿度和作物参与对 NO排放的影响。 结果表明:成都平原水稻鄄小麦轮作系统在不施
氮情况下,表现为土壤 NO负排放(吸收),而施氮(N150kg / hm2)时 NO排放通量为(5.5依3.3)滋g m-2 h-1,施氮能显著增加土壤
NO排放量,并且其效应在水热条件较好的水稻季更明显。 整个观测期 NO 排放量有 56.1%来自水稻季,而 2 个小麦季和休闲
期 NO排放量分别占 32.5%和 11.4%,由于休闲期 NO高排放主要是作物收获后的几次翻地引起的,因此,减少休闲期翻地次数
可能会有效减少 NO排放。 土壤温度是影响 NO排放的首要环境因素,并且两者呈线性回归关系,土壤湿度对 NO 排放的影响
因土壤湿度本身状况而异,土壤湿度条件较差时,其增加有利于 NO排放,而当土壤湿度较好时会抑制 NO 排放。 此外,土壤水
热条件还是造成 NO负排放(吸收)和作物参与对水稻季和小麦季 NO排放贡献有别的重要原因。
关键词:NO排放; 水稻鄄小麦轮作系统; 影响因子; 土壤水热状况
NO emission and its main impacting factors in rice鄄wheat rotation system in
Chengdu Plain of Sichuan Basin
YU Yajun1,2,*, WANG Xiaoguo2, ZHU Bo2
1 College of geography Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, China
2 Institute of mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
Abstract: Observation of NO emissions from a field under rice鄄wheat rotation was performed during the period from
November, 2004 to May, 2006 using the static chamber method鄄chemiluminescence NO analyzer. Characteristics of the
emissions and effects of the factors,such as N application, soil temperature, soil moisture and crops on the emissions were
analyzed. Results show that in CK (No N applied) and in conventional fertilization (N was applied at rate of N150kg / hm2)
the mean NO emission fluxes were (-0.8依2.1)滋g m-2 h-1 and (5.5依3.3)滋g m-2 h-1,respectively. N application increased
NO emissions flux significantly,and increased more remarkablely in rice season than in wheat seasons because of better soil
hydrothermal condition in the rice season. About 56.1% of the total amount of NO emission came from rice season during the
total research period, and NO emission in two wheat seasons and fallow season accounted for 32.5% and 11.4% of the total
amount, respectively. Due to the high NO emissions come mainly from a few times plough in fallow season after crop
harvest, therefore, plough times reduction might reduce NO emissions effectively in fallow season. Soil temperature is the
key factor of NO emission flux,and its were linearly regressioned. Soil moisture increase will promoted the NO emission in
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wheat seasons, while in rice season, soil moisture increase inhibited NO emissions. At the same time, soil hydrothermal
condition were reasons of soil NO negative emissions (soil absorption) and the difference contribution of crops participation
on NO emissions of between rice season and two wheat seasons.
Key Words: NO emissions; rice鄄wheat rotation system; influencing factors; soil hydrothermal condition
NO是一种可以直接或间接影响大气质量和破坏地球生态环境的活性气体[1鄄2],其浓度变化备受关注。
研究表明,土壤是全球 NO排放的重要来源,而土壤排放中约有 41%来自农业土壤[3鄄4],并且其排放量的增加
主要受土壤氮肥水平的驱动。 尽管土壤是大气 NO的一个主要来源已是公认的事实,但迄今为止对土壤 NO
排放的估算仍存在极大的不确定性[5],而造成其估算不确定性的一个重要原因就是缺少系统的、具有代表性
的土壤 NO排放的观测数据[6],我国氮肥用量约占全球用量的 25%左右,因而研究我国农田土壤 NO 排放规
律及减排措施十分必要。 但是,我国现有关于 NO 排放的报道仍十分有限,特别是通过田间定位观测分析农
田 NO排放过程和规律性的研究更为少见,因而选取我国典型区域开展 NO 排放的田间定位观测十分必要。
成都平原是我国轮作稻田的高产区,水稻鄄小麦轮作是该区主要的作物种植制度。 所以,作者以成都平原水
稻鄄小麦轮作系统为研究对象,在 2004年 11月至 2006年 5月对 1.5个轮作周期(2个小麦季,1个水稻季及休
闲期)NO排放进行了田间定位观测,研究了该区稻田 NO排放特征及施用氮肥、土壤湿度、温度和作物参与对
NO排放的影响,为准确估算我国农田 NO排放量提供基础数据,并为农田 NO减排提供理论支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
试验于 2004年 11月至 2006年 5月在成都市温江区(30毅41忆N,103毅48忆E)进行,该区属亚热带湿润季风
气候,冬无严寒,夏无酷暑,年均气温 15.2—16.6益,年均降水量 873—1265mm,年日照时数 1017—1345h,地下
水位多为 1.0—2.0m。 试验为当地长期水稻鄄小麦轮作田,土壤类型为灰潮土,土壤容重为 1.31g / cm3,0—20cm
土层土壤黏粒(<0.002mm)、粉粒(0.002—0.05m)和砂粒(>0.05 mm)含量分别为 6.0%、49.9%和 44.1%。 pH
为 7.79,有机质及全 N、P、K分别为 27.11、1.58、1.38 和 18.32 g / kg,速效 N、有效 P 和速效 K 分别为 129.59、
22.65、56.42 mg / kg。
1.2摇 试验设计
试验设不施氮(CK)、常规施氮(NPK鄄C)和空地(NPK鄄NC:施肥同 NPK鄄C 处理,但不种作物,保持裸地)3
种处理,3个随机重复。 试验小区面积 2m伊3m= 6m2,每季作物氮肥(尿素)施用量为 N150kg / hm2,以 6颐4 的比
例分两次施用,施肥方式为表层撒施。 并在每季作物播种或移栽前一次性施过磷酸钙(P 2O5160kg / hm2)和氯
化钾(K2O 150kg / hm2),施肥后翻耕耙地。 试验地 2004年 11 月 9 日至 5 月 15 日,2005 年 5 月 28 日至 9 月
14日和 2005年 10月 25日至 2006年 5月 3日分别为第一茬小麦季,水稻季和第二茬小麦季,2005年 5月 16
日至 5月 27日和 2005年 9月 15日至 10月 24日分别为第一茬小麦收获后休闲期和水稻收获后休闲期。 试
验时水稻(品种为域优鄄162,移栽时秧龄为 23d)栽植株、行距为 25cm伊25cm,小麦(品种为绵阳 26)播种密度
为 210万株 / hm2。 试验田水稻季田间水分管理措施为:移栽—6月 21日、7月 16日—7月 21日、8 月 5 日—8
月 16日均为持续淹水;6月 22日—7月 15 日和 7 月 22 日—8月 4 日为灌排交替; 8 月 17 日—收获为排水
晒田。
1.3摇 气体采样及分析方法
采用静态暗箱气袋采样鄄化学发光氮氧化物分析法对 NO 排放采样测定。 采样箱的构造及田间设置方法
与文献[7]描述的一致。 气体采样从作物播种或移栽后 1 周内开始,采样频率为每周 3 次,时间为每周一、三、
五 9:00—11:00,具体采样方法、分析方法与文献[8]描述的一致,NO排放通量计算方法与文献[9]描述的一致。
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NO排放总量的计算是先用内插法计算因停电或偶尔发生仪器故障等原因造成的排放通量缺失数据,再根据
观测期排放通量的平均值求得排放总量。 气体采样同时采用与文献[10]一样的方法测定试验地 0—5cm 土层
土壤湿度(WFPS)和地下 5cm处土壤温度。
2摇 结果与分析
2.1摇 水稻鄄小麦轮作系统 NO排放特征
2.1.1摇 NO排放的季节变化
从图 1a可见,试验期间第一茬小麦季和第二茬小麦季地下 5cm处土壤温度平均分别为 11.3益和 10.6益,
而水稻季和休闲期平均分别为 23.9益和 20.0益;0—5cm 土层土壤湿度(WFPS)在 2 个小麦季平均分别为
35郾 6%和 30.6%,而水稻季和休闲期平均分别为 42.7%和 37.4%。 可见,试验期间水稻季和休闲期水热状况总
体优于两个小麦季。
从不施氮、空地和常规施氮处理 NO排放通量的季节变化来看(图 1),整个观测期 3种处理 NO排放的季
节变化趋势基本一致,均波动不大,波动主要由一些脉冲式排放峰和负排放组成,并且排放峰和高排放期更多
的集中在水稻季。 具体来看,3种处理 NO排放通量的季节变化存在差异,不施氮处理(图 1)整个观测期仅观
测到 1次大的排放峰和 2次小的排放峰,并且排放峰主要出现在小麦播种、水稻移栽或休闲期翻地后,持续时
间约 1周左右。
空地和常规施氮处理(图 1)观测到的 NO 排放峰明显多于不施氮处理,并且峰值更高,两种处理分别观
测到 2次和 4次大的排放峰和若干次小排放峰,大排放峰主要出现在施氮后(如空地处理在 2005 年 3 月 14
日和 10月 28日观测到的排放峰以及常规施氮处理在 2005年 3月 14日和 6月 9日和 10月 30日观测到的排
放峰),小排放峰主要出现在小麦播种、水稻移栽(如两种处理在 2004 年 11 月 9 日和 10 月 25 日观测到的排
放峰)或休闲期翻地后(如两种处理在 2005年 9月 19日观测到的排放峰),并且施氮后观测到的峰值大小和
排放峰持续的时间均超过作物播种(移栽)或休闲期翻地后。 据此认为,NO排放峰出现的主要驱动因子是施
氮、作物播种(移栽)或翻地等农事活动,并且排放峰和高排放期更多的出现在土壤水热状况较好的时期。
2.1.2摇 NO排放通量和总量
从表 2可见,常规施氮处理整个观测期 NO平均排放通量为(5.5依3.3)滋g m-2 h-1,其中作物季和休闲期分
别为(6.1依4.3)滋g m-2 h-1和(8.1依10.1)滋g m-2 h-1,可见,休闲期 NO平均排放通量稍高于作物季,但两者差异
并不显著。 不同作物季和休闲期 NO排放通量表现为水稻季最高,其次为休闲期,2个小麦季排放通量最低且
相当。
表 2摇 常规施氮(NPK鄄C)处理水稻鄄小麦轮作系统 NO排放通量、总量
Table 2摇 NO emission flux and total emission in rice鄄wheat rotation system under conventional fertilization (NPK鄄C)
观测期
Sampling period
观测天数
Sampling days / d
通量范围
Ranges of emission flux /
(滋g m-2 h-1)
平均排放通量
Emission flux /
(滋g m-2 h-1)
排放总量
Total emission /
(kg / hm2)
第一茬小麦季 First wheat season 188 (-18.5依2.4)—(101.3依44.8) 1.9依3.3 C 8.4依15.5
水稻季 Rice season 108 (-1.1依4.3)—(80.4依44.3) 13.9依6.3 A 36.0依16.4
休闲期 Fallow* 33 (-1.4依4.1)—(101.2依99.9) 8.1依10.1 B 7.0依3.3
第二茬小麦季 Second wheat season 191 (-49.8依10.1)—(248.2依29.3) 2.7依3.3 C 12.5依15.2
整个观测期 Total sampling period 520 (-49.8依10.1)—(248.2依29.3) 5.5依3.4 64.2依10.6
摇 摇 同列不同大写字母上标表示数据间差异显著(P<0.05)
从不同作物季和休闲期 NO排放总量来看,水稻季 NO排放量占整个观测期排放总量的 56.1%,2 个小麦
季和休闲期分别占 32.5%和 11.4%。 尽管休闲期排放量所占的比例不大,但休闲期时间远少于水稻季和 2个
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图 1摇 水稻鄄小麦轮作系统土壤温度、土壤湿度和不施氮、常规施氮和空地处理 NO排放通量的季节变化
Fig.1摇 Seasonal patterns of soil temperature, soil moisture and NO emission flux from rice鄄wheat rotation system of different treatments, i.
e. control (CK), conventional fertilization (NPK鄄C) and no crop (NPK鄄NC)
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小麦季,因此休闲期 NO排放不容忽视。 并且休闲期 NO高排放主要是由第一茬小麦和水稻收获后的两次翻
地引起的,所以,减少休闲期翻地次数可能会有效减少土壤 NO排放。
2.2摇 NO排放的影响因素
图 2摇 不施氮(CK)与常规施氮(NPK鄄C)NO排放通量比较
Fig.2 摇 Comparison of NO emission from treatments of CK and
NPK鄄C
2.2.1摇 施氮
从图 2可见,常规施氮处理整个观测期和 3 个作物
季 NO 平均排放通量均显著高于不施氮处理 ( P <
0郾 01),不施氮处理在整个观测期表现为土壤 NO 负排
放,而常规施氮处理 NO 平均排放通量为(5.5依3.3)滋g
m-2 h-1。 可见,施氮显著增加了 NO排放(P<0.01)。 但
施氮增加 NO排放量的效应在不同作物季表现有所不
同。 在 2 个小麦季,不施氮处理表现为 NO 负排放,排
放通量分别为(-5.6依1.3)滋g m-2 h-1和( -5.4依2.1)滋g
m-2 h-1,常规施氮处理 NO 排放通量平均为(2.3依3.3)
滋g m-2 h-1;而在水稻季,常规施氮处理 NO 排放通量是
不施氮处理的 2.9 倍。 所以,施氮对增加 NO 排放量的
效应在水稻季表现较小麦季明显,而出现这种差异的原
因可能在于两方面,其一,与 2个小麦季相比,水稻季土壤水热条件较优,因而有利于施氮后土壤 NO 产生和
排放,其二,水稻和小麦生育期长短的差异造成单位时间施肥强度的差别,在生育期较短的水稻季,单位时间
施肥强度大,有利于土壤硝化和反硝化作用进行,因而有更多的 NO从土壤中产生和排放。
2.2.2摇 土壤温度
对不施氮、常规施氮和空地 3种处理 NO排放通量与土壤温度、土壤湿度进行逐步回归分析发现,3 种处
理 NO排放通量主要受土壤温度的影响。 在常规施氮和不施氮情况下,土壤温度(T)对 NO 排放通量(F)的
影响可分别用线性方程 F= 0.285T-11.795(R2 = 0.309,n = 196,P<0.01)和 F = 0.535T-14.162(R2 = 0.282,n =
196,P<0.01)描述。 表明,土壤温度是该区水稻鄄小麦轮作田 NO 排放的关键因子,但在不种作物的裸地两者
关系不明确,这可能是由于裸地中土壤硝化微生物和反硝化微生物(特别是根际微生物)活动与种作物的农
田有较大差异,从而造成 NO排放对土壤温度的响应不明显,但具体原因有待进一步研究。
2.2.3摇 土壤湿度
研究表明,土壤湿度并非 NO排放的关键影响因子,但偏相关分析发现,在不施氮处理中,水稻季和休闲
期土壤湿度和 NO排放通量呈显著的负相关( r= -0.318,n= 62,P<0.05);在常规施氮处理中,2 个小麦季两者
呈显著的正相关( r= 0.200,n= 135,P<0.05),而水稻季和休闲期两者之间呈极显著的负相关( r = -0.397,n =
62,P<0.01);而在空地处理中,2 个小麦季土壤湿度和 NO 排放通量呈显著的正相关( r = 0.182,n = 135,P<
0郾 05)。 据此说明:(1)施氮和作物参与对土壤湿度和 NO 排放之间的关系有影响,施肥和作物参与往往使
NO排放对土壤湿度变化的响应更敏感;(2)土壤湿度与 NO排放量之间的关系受土壤湿度自身状况的影响,
在土壤湿度较差的小麦季(土壤湿度介于 6.9—43.0%,平均为 33.1%),土壤湿度提高有利于 NO排放,而在土
壤湿度较好的水稻季和休闲期(土壤湿度介于 22.5—45.9%,平均为 36.5%),土壤湿度的提高对 NO排放有抑
制作用。
2.2.4摇 作物参与
由图 3可见,整个观测期空地处理和常规施氮处理 NO排放通量分别为(7.5依2.5)滋g m-2 h-1和(5.5依3.3)
滋g m-2 h-1,空地处理稍高于常规施氮处理,但两者差异不显著。 所以,整个观测期空地处理和常规施氮处理
NO排放通量相当。 但在不同作物季情况有所不同,在 2 个小麦季 NO 排放通量均表现为空地处理显著高于
常规施氮处理(P<0.01),而水稻季则表现为空地处理显著低于常规施氮处理(P<0.01)。 可见,水稻季作物参
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图 3摇 空地(NPK鄄NC)与常规施氮(NPK鄄C)NO排放通量比较
Fig.3 摇 Comparison of NO emission from treatments of NPK鄄NC
and NPK鄄C
与能够增加土壤 NO排放,而小麦季正好相反。
3摇 讨论
3.1摇 土壤 NO负排放(吸收)缘于土壤水热状况不佳
本试验观测到了土壤 NO负排放(吸收)现象,其他
研究中也有类似现象出现[11]。 从观测结果来看,在不
施氮、常规施氮和空地 3 种处理中,2 个小麦季与水稻
季和休闲期观测到的 NO负排放的频次(观测期 NO 负
排放出现的次数占整个观测数据的比例)存在差异,3
种处理在 2 个小麦季 NO 负排放出现的频次分别为
67郾 4%,29.6%和 61.5%,而在水稻季和休闲期出现的频
次分别为 12.9%、14.5%和 3.2%。 可见,本研究观测到
的土壤 NO负排放(吸收)现象主要出现在小麦季。 具
体原因可能在于:该区水稻鄄小麦轮作田 NO 排放主要受土壤温度的调控,并且土壤湿度也有影响,就本研究
来看,2个小麦季土壤温度和土壤湿度波动范围分别为 3.4—23.9益和 6.9%—43.0%,平均分别为 11.0益和
33.1%,而水稻季和休闲期土壤温度和土壤湿度波动范围分别为 15.5—33.1益和 22.5%—45.9%,平均分别为
21.1益和 36.5%。 可见,与水稻季和休闲期相比,小麦季水热状况明显较差,特别是土壤温度,因而不利于 NO
产生和排放[12]。 所以,本研究出现 NO负排放(吸收)的原因主要在于较差的土壤水热条件。
3.2摇 作物参与对 NO排放的作用受土壤水热状况的影响
作物参与对 NO排放的影响在水稻季表现为能增加土壤 NO排放,而在小麦季却相反。 该现象的原因分
析如下:由于作物种类对土壤 NO无显著影响[13鄄14],并且作物参与影响土壤 NO 排放的一种重要机制就是作
物根系与土壤硝化和反硝化作用竞争利用土壤有效氮[15],当土壤硝化和反硝化作用较强时,土壤中有效氮将
更多的以 NO形式排放,反之,当土壤中硝化和反硝化作用较弱时,根系会因吸收更多的有效氮而减少土壤中
NO产生和排放。 从本研究看,水稻季水热条件优于小麦季,因而水稻季土壤硝化和反硝化作用强于小麦季,
所以水稻季较小麦季会排放更多的 NO。 可见,作物参与对 NO排放的作用受土壤水热状况的影响,在土壤水
热状况较好的情况下,作物参与有利于土壤 NO排放。
4摇 结论
(1) 成都平原水稻鄄小麦轮作系统不施氮和施氮(N150kg hm2)情况下,NO 排放通量分别为(-0.8依2.1)
滋g m-2 h-1和(5.5依3.3)滋g m-2 h-1,施氮显著增加了土壤 NO排放量,并且其增加效应在水分条件较好的水稻
季更明显。
(2) 水稻鄄小麦轮作系统水稻季和 2个小麦季 NO排放量分别占排放总量的 56.1%和 32.5%,其余 11.4%
来自休闲期,可见,水稻鄄小麦轮作系统 NO排放量主要来自水热条件较好的水稻季,小麦季和休闲期 NO排放
量不大,同时,由于休闲期 NO高排放主要是作物收获后的翻地引起的,所以,减少休闲期翻地次数可能会有
效减少农田 NO排放。
(3) 土壤温度是影响该区水稻鄄小麦轮作田 NO排放主要环境因子,并且两者呈线性回归关系,土壤湿度
对 NO排放的影响因其本身状况差异而不同,在土壤湿度较差的小麦季,土壤湿度提高有利于 NO 排放,而在
土壤湿度较好的水稻季和休闲期,土壤湿度提高会抑制 NO 排放。 此外,土壤水热状况还是造成土壤 NO 负
排放(吸收)和作物参与对小麦季和水稻季 NO排放贡献有别的原因。
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