全 文 ：中国生态农业学报 2016年 4月 第 24卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Apr. 2016, 24(4): 478488


* 国家重大基础研究计划 (973 计划 )项目 (2011CB100400)、国家科技支撑计划项目 (2012BAD14B16-04)和广东省科技计划项目
(2012A020100003)资助
** 通讯作者: 王建武, 主要从事循环农业和转基因作物生物安全方面的研究。E-mail: wangjw@scau.edu.cn
管奥湄, 主要从事甘蔗大豆、甜玉米大豆间作效应研究。E-mail: aomeiguan@126.com
收稿日期: 20150831 接受日期: 20151211
 The study was supported by the National Program on Key Basic Research Project of China (973 Program, No. 2011CB100400), the National
Key Technology R&D Program of China (No. 2012BAD14B16-04) and the Science-technology Project of Guangdong Province (No. 2012A020100003).
** Corresponding author, E-mail: wangjw@scau.edu.cn
Received Aug. 31, 2015; accepted Dec. 11, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150953
减量施氮与间作大豆对蔗田碳平衡特征的影响*
管奥湄 章 莹 刘 宇 罗莎莎 王建武**
(华南农业大学热带亚热带生态研究所/农业部华南热带农业环境重点实验室/华南农业大学广东省高等学校农业生态与农村
环境重点实验室 广州 510642)
摘 要 为了研究氮肥投入及豆科作物间作对蔗田碳汇的影响, 通过 2年(2012—2013年)的大田试验, 采用投
入产出平衡法(即将作物生育期内的碳投入与碳产出进行量化分析), 探讨 2个蔗田施氮水平[300 kg·hm2(减量
施氮)和 525 kg·hm2(常规施氮)]和 4种种植模式(甘蔗单作、大豆单作、甘蔗||大豆 1行︰ 1行间作及甘蔗||大豆
1行︰ 2行间作)下蔗田生态系统碳的输入和输出特征。结果表明, 两种施氮处理甘蔗||大豆 1︰ 2间作模式碳输
入量均显著高于甘蔗单作和甘蔗||大豆 1︰ 1 间作模式。2012 年减量施氮处理甘蔗||大豆 1︰ 2 间作模式碳输出
量显著低于甘蔗单作和甘蔗||大豆 1︰ 1 间作模式, 2013 年差异不显著; 甘蔗收获后, 减量施氮处理甘蔗||大豆
两种间作模式土壤碳截存量均显著高于甘蔗单作。甘蔗||大豆间作生态系统的碳收支与平衡分析表明, 减量施
氮处理甘蔗 ||大豆 1︰ 2间作模式净碳固定量 2012 年为 2 956.35 kg·hm2, 2013年为 872.59 kg·hm2。减量施
氮处理甘蔗 ||大豆 1︰ 2 间作模式下农田固碳潜力大于其他处理, 从农业可持续发展角度考虑, 该模式具有
一定的生态合理性。
关键词 甘蔗||大豆间作 减量施氮 碳输入 碳输出 碳平衡 农田固碳
中图分类号: S344.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)04-0478-11
Effects of reduced nitrogen application and sugarcane-soybean
intercropping on carbon balance in sugarcane fields*
GUAN Aomei, ZHANG Ying, LIU Yu, LUO Shasha, WANG Jianwu**
(Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University / Key Laboratory of Agro-Environment in the
Tropics , Ministry of Agriculture / Key Laboratory of Agroecology and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education
Institutions, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Abstract Intercropping has an outstandingly long history in China. Studies have reported several advantages of cereal-
legume intercropping systems, including increased yields, land use efficiency, natural resources utilization, and pest and
disease control. This has a huge potential to significantly contribute to the sustainability of modern agriculture. As cereal crop,
sugarcane is a major economic crop used in the production of sugar in China. Its wide-row planting space and slow growth rate
during initial growth stage provide the required niche of space and resources for intercropping. However, long-term
mono-cropping of sugarcane along with the overuse of nitrogen fertilizer has induced severe nitrous pollution in the
environment and high cost of agricultural production in South China. Sugarcane-soybean intercropping can reduce nitrogen
application while maintaining high crop yield, in turn reducing the overall cost of farming, enriching soil fertility and
enhancing soil carbon sequestration in the field. However, few studies have investigated carbon balance under sugarcane
intercropping and carbon sequestration in sugarcane intercropping fields. The objective of this study was to determine the
第 4期 管奥湄等: 减量施氮与间作大豆对蔗田碳平衡特征的影响 479


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effects of sugarcane and soybean intercropping under reduced nitrogen fertilizer on soil carbon balance. This study will further
strengthen the scientific basis for the uptake and utilization of soil nutrient and the relationships among nutrition utilization
and environmental factors under intercropping systems. To that end, a field experiment was conducted in 2012–2013 in South
China Agriculture University. The study analyzed carbon balance and sequestration in farmlands in sugarcane-soybean
intercropping systems with crop line ratio of 1︰1, sugarcane-soybean intercropping systems with crop line ratio of 1︰2,
monocropped sugarcane (MS) under two nitrogen levels (N1, 300 kg·hm2 and N2, 525 kg·hm2) and monocropped soybean
under zero nitrogen supply during crop growth season. Carbon balance and sequestration in farmland soils were investigated in
this study using Input-Output Analysis, where carbon input and output were quantified for crop growth period in order to
determine the intensity of carbon sink. The results showed that carbon input under sugarcane-soybean (1︰2) intercropping
system was significantly higher than that under monoculture sugarcane and sugarcane-soybean (1︰1) intercropping under two
nitrogen application levels. Compared with sugarcane-soybean (1︰1) intercropping and monoculture sugarcane, carbon output
under sugarcane-soybean (1︰2) intercropping was significantly decreased with reducing nitrogen application in 2012,
although there was no significant difference in 2013. After harvesting sugarcane, soil carbon storage under sugarcane-soybean
intercropping systems with reduced nitrogen application was significantly higher than that under monoculture sugarcane.
Carbon budget analysis for sugarcane-soybean intercropping systems showed that sugarcane-soybean (1︰2) intercropping was
a good net carbon sink with high carbon fixation of 2 956.35 kg·hm2 in 2012, and 872.59 kg·hm2 in 2013 under reduced
nitrogen application conditions. It was noted that sugarcane-soybean (1︰2) intercropping with reduced nitrogen application
had better carbon storage potential. In addition, the value of land equivalent ratio (LER) of sugarcane-soybean intercropping
systems exceeded 1.0 in 2012 and 2013. Also LER of sugarcane-soybean (1︰2) intercropping system with reduced nitrogen
application was higher than 1.0. In conclusion, sugarcane-soybean intercropping system (1︰2) with reduced nitrogen
application was a feasible production mode for the sustainability of modern agriculture.
Keywords Sugarcane-soybean intercropping; Reduced nitrogen application; Carbon input; Carbon output; Carbon balance;
Soil carbon sequestration
气候变暖已成为全球的热点问题。 其中, 人类
活动所引起的温室气体增加是引起气候变暖的主要
原因, 因而如何降低碳排放量成为全世界科学家共
同关注的问题[1]。农田生态系统具有极大的固碳潜
力[23], 不同的灌水、耕作及施肥方式都将直接影响
到土壤碳循环, 以及生态系统的碳平衡, 进而影响
碳排放。
在农业生态系统中, 碳氮循环是相互依赖、紧
密联系的两个过程, 氮肥的施用与土壤碳循环有着
息息相关的关系。史吉平等[4]通过大量的长期施肥
定位试验结果表明, 单施有机肥、氮磷钾化肥配施
或有机无机肥料配施均可增加土壤有机碳含量。此
外 , 张丽敏等 [5]研究表明 , 与不施肥处理相比 , 施
肥处理提高了土壤有机碳水平, 有利于土壤培肥。
Thorburn等[6]的研究发现甘蔗(Saccharum officinarum)
秸秆还田能够提高土壤活性有机碳含量及总碳含
量。Manna等[7]、Banger等[8]的研究也得出类似结论。
土壤在土地利用变化中既有可能成为碳源, 也有可
能成为碳汇。现今关于碳平衡的研究方向主要为施
肥有利于土壤碳平衡, 然而对过量施肥背景下碳平
衡的研究较少, 对过量施肥的相关研究大部分集中
在其所带来的环境效应。此外, 间作系统中, 由于两
种作物更有效地利用了空间、环境资源等, 与单作
相比, 农作物对碳的固定总量有所提升, 即碳输入
总量提高 , 农田生态系统达到一个新的碳平衡 [9],
有利于提升农田固碳能力。Oelbermann等[10]经过对
农林复合系统碳截留潜力研究表明, 农林复合生态
系统的固碳潜力是不可忽视的。Albrecht等[11]的研究
也得出类似结论。此外 , 在农田生态系统中 , 张帆
等 [12]对稻鸭共生系统的碳循环的研究表明, 其固碳
潜力大于常规固碳。但是目前国内外对于农田生态
系统碳平衡的研究主要关注点在于施肥有助于促进
农田土壤提高土壤有机碳含量[45]及土壤呼吸[1314],
对于过量施肥背景下氮肥的合理施用或作物的间
作对农田生态系统碳平衡的研究较少, 而该项研究
也将是未来农田生态系统碳循环研究的重要趋势
之一。
甘蔗是我国主要的糖料作物, 是农民经济收入
的重要来源之一, 广东是我国三大甘蔗生产区之一,
其得天独厚的气候条件非常有利于甘蔗产业的发展[15]。
然而, 蔗区甘蔗种植缺乏科学指导, 普遍存在偏施
和过量施用氮肥的情况[16]。我国是世界上甘蔗生产
成本较高的国家, 其中肥料投入占总成本的30%以
上 [17], 氮肥的过量施用不仅不能提高甘蔗产量 [18],
还会引起一系列的环境问题[19]。因此探讨甘蔗科学
栽培及管理的措施显的尤为重要。甘蔗前期生长缓
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慢, 从下种到封行期至少需90 d, 在此期间, 光、水
分等资源不能被甘蔗充分利用。前人研究证明, 间
作作物生长期比单作更能有效利用环境资源, 此外,
间作中两种作物在时间和空间生态位进一步互补扩
大[20]。有研究表明豆科||禾本科间作体系中存在种间
氮素互补利用机制, 即由于禾本科作物竞争吸收土
壤氮素 , 从而减少土壤氮素对固氮酶活性的抑制 ,
进而促进豆科作物的生物固氮[2123]。因此, 在甘蔗
种植系统中 , 与大豆(Glycine max)间作 , 对减少农
田管理措施中氮肥的施用量有着重要意义。同时合
理的肥料管理措施不仅能提高土壤肥力, 还能促进
农田生态系统土壤固定碳[24], 并有利于增强农田生
态系统碳汇强度[25]。减量施氮及大豆间作对农田生
态系统的影响得到了科学家们越来越多的关注[2627],
但是对于我国甘蔗种植区, 减量施氮及大豆间作对
蔗田生态系统的碳收支与平衡的研究却少见报道。
研究甘蔗不同种植制度下碳的循环平衡状况 ,
明确典型种植制度下蔗田生态系统碳的源汇问题 ,
对于华南地区蔗田科学施肥及促进农业可持续健康
发展具有重要意义。本文通过田间定位试验研究了
减量施氮和与大豆间作对蔗田碳平衡与碳循环特征
的影响, 以期为华南地区甘蔗种植的氮素优化管理
提供科学参考。
1 研究地区概况与研究方法
1.1 试验区概况
甘蔗 ||大豆间作与减量施氮长期定位试验始于
2009 年 [28], 在广州市华南农业大学校内农场进行
(23°08′N, 113°15′E)。该农场地处亚热带, 气候属亚
热带典型的季风海洋气候, 光热资源充足, 年日照
时数 1 289~1 780 h, 太阳辐射总量 105.3 kJ·cm2, 年
平均气温 21.9~22.8 , ℃ 极端最高气温 38.6~39.3 , ℃ 极
端最低气温 0~2.3 , ℃ 年平均降雨量 1 348~2 278 mm,
约 85%的降水集中在 4—8月。2009年, 长期定位试
验开始前, 测定试验地土壤为赤红壤, 耕层有机质
含量 14.81 g·kg1, 碱解氮 41.30 mg·kg1, 速效磷
85.03 mg·kg1, 速效钾 169.38 mg·kg1。
1.2 材料与试验设计
1.2.1 供试材料
供试甘蔗品种为‘粤糖 00-236’, 其特点是特早
熟, 高糖, 高产, 萌芽快而整齐, 萌芽率高, 分蘖力
强, 成茎率高; 供试大豆品种为‘毛豆 3’, 为早熟品
种, 生育期约 100 d。
1.2.2 试验设计
试验设计与章莹等[19]相同。本试验采用施氮水
平、种植模式双因素设计。参考当地蔗农习惯施氮
量, 试验施氮水平设置常规施氮525 kg·hm−2和减量
施氮300 kg·hm−2 2个施氮水平; 4种种植模式中3种甘
蔗种植模式为甘蔗单作、甘蔗||大豆1∶1(行比)间作、
甘蔗||大豆1∶2(行比)间作, 一个不施肥的大豆单作
对照, 共设7个处理(表1)。试验采取随机区组设计, 3
次重复, 每重复为1个小区, 小区长5.5 m, 宽4.8 m,
小区面积 26.4 m2。甘蔗行距120 cm, 每小区均种植4
行, 每行 38 段双芽苗; 大豆行距30 cm, 株距 20 cm,
大豆单作16行, 每行种25穴。每穴在苗期定植 2株。
甘蔗 ||大豆1∶1和甘蔗 ||大豆1∶2间作为甘蔗种植4
行、大豆分别种植 4 行和 8 行(图1)。
表 1 甘蔗||大豆间作田间试验设计
Table 1 Field experiment design of sugarcane||soybean
intercropping
处理
Treatment
蔗田施氮水平
Nitrogen rate of
sugarcane (kg·hm2)
种植模式
Cropping pattern
MS-N1 300 甘蔗单作
Sugarcane monoculture
SB1-N1 300
甘蔗||大豆(1行 1∶ 行)
Sugarcane||soybean 1 1 ∶
intercropping
SB2-N1 300
甘蔗||大豆(1行 2∶ 行)
Sugarcane||soybean 1 2 ∶
intercropping
MS-N2 525 甘蔗单作
Sugarcane monoculture
SB1-N2 525
甘蔗||大豆(1行 1∶ 行)
Sugarcane||soybean 1 1 ∶
intercropping
SB2-N2 525
甘蔗||大豆(1行 2∶ 行)
Sugarcane||soybean 1 2 ∶
intercropping
MB 0 大豆单作
Soybean monoculture

1.2.3 田间管理
2012年田间试验于 2月 25日播种甘蔗, 3月 10
日种植大豆, 6 月 3 日收获大豆, 12 月 16 日收获甘
蔗。2月 24日施基肥氯化钾 150 kg·hm2、过磷酸钙
1 050 kg·hm2、复合肥(N P K=15 15 15)750 kg·hm∶ ∶ ∶ ∶ 2;
5月 3日追施攻蘖肥, 追施氯化钾 300 kg·hm−2, 常规
施氮处理追施尿素 225 kg·hm−2, 减量施氮处理追施
尿素 113 kg·hm2; 6月 27日施攻茎肥, 常规施氮处
理追施尿素 672 kg·hm2, 减量施氮处理追施尿素
295 kg·hm2。2013年于 3月 9日播种甘蔗, 3月 16
日种植大豆, 6月 3日收获大豆, 12月 8日收获甘蔗。
3月 8日施基肥, 5月 5日追施攻蘖肥, 6月 30日施
攻茎肥。2013年田间试验除甘蔗大豆播种施肥日期
等不同, 其余田间管理, 施肥量、追肥量同 2012年。
甘蔗||大豆间作种植采用畦沟模式, 大豆种植在畦上,
第 4期 管奥湄等: 减量施氮与间作大豆对蔗田碳平衡特征的影响 481


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图 1 甘蔗||大豆间作和单作种植示意图
Fig. 1 Schematic diagrams of different sugarcane||soybean intercropping systems and monoculture systems
畦宽 90 cm, 甘蔗种植在沟里, 沟宽 30 cm。基肥施
于种植甘蔗的沟里, 然后覆土 5 cm, 以后追肥全部
施在种植甘蔗的沟内, 再培土, 大豆整个生育期不
施肥, 大豆收获后将叶和茎秆还田于蔗行, 并覆土,
最后畦成为沟, 有利于排水。其他田间管理与当地
甘蔗种植保持一致。
1.3 样品采集与测定方法
1.3.1 植株样品采集及测定
2012 年 6 月 3 日每小区随机取 5 株大豆, 将大
豆茎叶、荚、根分开后 105 ℃下杀青 30 min, 80 ℃
烘干 48 h至恒重, 测定全碳含量[29]。大豆茎叶、根
全碳含量计入碳输入量的秸秆还田部分, 荚全碳含
量计入碳输出量的大豆收获部分。12 月 16 日每小
区连续选取有代表性的甘蔗 3株。植株取样后 105 ℃
下杀青 30 min, 80 ℃烘干 60 h至恒重, 测定全碳含
量[29]。2013年测定方法同 2012年。
1.3.2 凋落物测定
2012 年 9 月 2 日甘蔗剥叶, 每小区收集 3 株剥
下来的蔗叶烘干、磨碎测定全碳含量[29], 计入凋落
物输入量。2013年 9月 18日甘蔗剥叶, 其余处理同
2012年。
1.3.3 土壤样品采集及测定
2012年分别于 2月 24日(试验前)和 12月 17日
(试验后), 在各处理距甘蔗 20 cm 的甘蔗||大豆间作
带取样, 每带取样深度为表层 0~30 cm, 每带取 3个
点混合, 鲜土取回后风干, 研磨, 过筛, 用于测定土
壤全碳含量[29]。2013 年分别于 3 月 8 日(试验前)和
12月 11日(试验后)取土样, 其余测定方法同 2012年。
1.3.4 化肥含碳量的计算
化肥含碳量参照West等[30]的“全碳”分析方法进
行估算, 化肥含碳量=化肥施用量×0.895 6。各处理
投入的化肥所带入的碳量见表 2。

表 2 各处理化肥所带入的碳量
Table 2 Input amounts of carbon by fertilizers application of different treatments
处理 Treatment MS-N1 SB1-N1 SB2-N1 MS-N2 SB1-N2 SB2-N2 MB
碳输入法 C input [kg(C)·hm2] 268.68 268.68 268.68 470.19 470.19 470.19 0

1.3.5 种子碳的计算
根据种植要求, 甘蔗每个小区需要 16 株蔗种,
每公顷需 6 000株, 根据收获的甘蔗碳含量平均数为
443.30 g·株1, 每公顷蔗种含有碳素为 2 659.80 kg。甘
蔗||大豆间作模式下每公顷需大豆种子 3.03×105 粒,
大豆单作需 6.06×105粒。取 10粒豆种烘干磨碎测定
含碳量为 477.89 g·kg1, 甘蔗||大豆 1 1∶ 间作模式下
豆种含碳 651.67 kg·hm2, 甘蔗||大豆 1 2∶ 间作模式
下豆种含碳 1 303.34 kg·hm2, 大豆单作模式下豆种
含碳 2 606.67 kg·hm2。
1.3.6 气体的采集与分析
从甘蔗种植起, 每隔 14 d(如遇下雨天气则相应
推迟或提前), 采用静态箱气相色谱法, 在甘蔗、大
豆植株基部中间的位置设置 2 个测试样点, 每个处
理各 3 个小区, 每个小区两个测试样点。田间静态
箱的设置参照 Dyer [31]的方法, 静态箱为直径 11 cm
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的圆形 PVC管, 长度为 25 cm, 底端插入土壤 10 cm。
静态箱上端盖有直径为 11 cm聚氯乙烯材质的管帽。
管帽中间有 1个直径 2 cm的采样孔, 并用橡胶塞封
住。采样孔旁边还装置有一条长度为 10 cm、直径为
6 mm的导气管, 用来平衡静态箱内外的气压。具体
操作为在晴朗天气下白天 9:00—11:00时, 选择适合
的时间, 在 t=0、t=15 min、t=30 min时完成 3次气
体采样。用 50 mL 注射器插入采样口, 采集气体时
先来回抽动注射器的活塞 3 次将静态箱内的气体混
匀。采集气体后迅速将注射器放入做好标记的密封
袋里, 迅速拿回实验室进行气相色谱仪分析。气相
色谱仪采用意大利产 TRACE GC 2000。CO2检测器
ECD, 检测温度 300 , ℃ 炉温 80 ; CH℃ 4检测器 FID,
检测温度 300 , ℃ 炉温 80 , ℃ 载气为高纯 N2。温室
气体排放通量参照万运帆等[32]方法进行计算, 加权
求生育期温室气体累积排放总量。温室气体排放通
量的计算公式为:
 
2 0 1 0
2 1 2 1
2 1
273 273
22.4
m
t t
C V M C V M
m m T TF
A A A t t
             
(1)
式中: F 为气体排放通量, mg·m2·h1, 正值为排放,
负值为吸收; A 为取样箱的底面积(m2); V 为取样箱
体积(m3); M0为测定气体的分子质量; m1、m2分别为
测定箱关闭时和测定箱开启前箱内某温室气体的质
量(mg); t1、t2为测定开始和测定结束的时间; C1、C2
分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温室气体
的体积浓度; T1、T2分别为测定箱关闭时和测定箱开
启前箱内温度(K)。
1.3.7 土地当量比
土地当量比(Land Equivalent Ratio, LER)常被用
于衡量间作优势, 计算公式如下:
LER=Yib/Ysb+Yis/Yss (2)
式中: Yis、Yib分别为间作甘蔗、大豆的产量(t·hm2);
Yss、Ysb分别为单作甘蔗、大豆的产量(t·hm2); 若 LER>
1, 表明有间作优势; 若 LER<1, 为间作劣势[33]。
1.4 数据处理及统计方法
长期定位试验从 2009 年开始 , 而本文碳平衡
试验从 2012 年开始。因此本试验土地当量比采用
2009—2013 年的数据, 其余则采用 2012 年、2013
年的数据。采用 Microsoft Excel 2003软件作表, 用
SPSS 13.0软件统计分析数据。不同处理之间多重比
较采用 Duncan 新复极差法, 图表中数据为平均值±
标准误。
2 结果与分析
2.1 不同种植制度的土地当量比
2009—2013 年甘蔗||大豆间作系统的土地当量
比(基于作物产量)如图 2所示, 2009—2013年期间各
间作模式的土地当量比均大于 1, 为 1.10~1.84, 说
明甘蔗||大豆间作能提高单位面积的土地利用率, 具
有一定的产量优势。N1(减量施氮)水平下, SB2(甘
蔗||大豆 1 2∶ 间作)模式土地当量比在 2009—2013
年均显著高于 SB1(甘蔗||大豆 1 1∶ 间作); N2(常规
施氮)水平下, SB2模式土地当量比在 2013年显著高
于 SB1模式。总体来看, 5年的数据均表明 SB2-N1
处理的 LER值大于其他种植模式且年际间没有显著
变化, 间作优势最明显且稳定, 表明减量施氮处理
对甘蔗||大豆 1 2∶ 间作模式下农田生态系统产量有
优势。从成本节约角度和甘蔗产量维持角度来考虑,
减量施氮水平下的甘蔗||大豆 1 2∶ 间作模式具有一
定的可行性。
2.2 不同种植制度农田土壤碳库的变化
由表 3可知, 2012年甘蔗||大豆间作系统土壤碳
截存量均高于甘蔗单作, 2013年甘蔗||大豆间作系统

图 2 2009—2013年不同甘蔗||大豆间作系统的土地当量比(LER)
Fig. 2 Land equivalent ratios (LER) of different sugarcane||soybean intercropping systems during 2009—2013
第 4期 管奥湄等: 减量施氮与间作大豆对蔗田碳平衡特征的影响 483


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表 3 2012—2013年甘蔗||大豆间作与单作的土壤碳库变化
Table 3 Soil carbon pool of sugarcane and soybean intercropping and monocropping systems in 2012 and 2013
种植前 Before planting 收获后 After harvest
年份
Year
处理
Treatment
碳含量
C content
(g·kg1)
土壤碳库
Soil carbon pool
(kg·hm2)
全碳含量
Total C content
(g·kg1)
土壤碳库
Soil carbon pool
(kg·hm2)
土壤截存碳量
Soil C sequestration
(kg·hm2)
MS-N1 7.27±0.86a 2 509.83±401.89a 7.86±0.29b 2 682.02±108.03b 172.19±307.62b
SB1-N1 7.94±0.25a 2 934.40±228.44a 8.94±0.82ab 3 346.42±246.60ab 412.02±258.93a
SB2-N1 7.53±0.21a 2 641.75±138.01a 8.88±0.46ab 3 101.00±466.60ab 459.25±360.50a
MS-N2 8.06±0.75a 3 053.85±250.93a 8.49±0.24ab 3 257.19±332.88ab 203.34±213.44b
SB1-N2 7.91±0.42a 3 092.31±217.88a 8.49±0.23ab 3 309.74±35.41ab 217.43±245.74b
SB2-N2 7.51±0.51a 2 768.21±335.82a 8.77±0.33ab 3 242.42±201.13ab 474.21±312.84a
2012
MB 8.44±0.40a 3 191.98±29.26a 9.70±0.57a 3 683.24±276.54a 491.25±286.54a
MS-N1 8.46±1.04a 2 914.66±463.42a 8.16±0.70abc 2 796.93±312.25a 117.74±167.51ab
SB1-N1 8.84±0.23a 3 091.54±18.68a 9.11±0.18ab 3 192.77±108.45a 101.23±120.08a
SB2-N1 8.70±0.12a 3 219.88±265.11a 8.71±0.13abc 3 233.87±330.15a 13.99±88.12ab
MS-N2 8.29±0.58a 3 200.96±457.27a 7.87±0.29c 3 035.95±380.33a 165.02±127.38ab
SB1-N2 8.51±0.35a 3 312.86±71.48a 8.31±0.44abc 3 236.49±137.30a 76.37±127.40ab
SB2-N2 8.90±0.41a 3 277.15±68.81a 7.82±0.05c 2 889.64±148.78a 387.51±138.59b
2013
MB 8.80±0.53a 3 333.83±191.42a 9.40±0.12a 3 567.44±154.93a 233.61±165.40a
数值为平均值±标准误, 同一年份同列数据后不同小写字母表示利用 Duncan检验差异显著(P<0.05)。下同。Values are mean ± SE. Different
small letters in the same column for the same year mean significant difference at 5% level. The same below.

土壤碳截存量除 SB2-N2 外均高于甘蔗单作。两年
结果均表明, SB1-N1、SB2-N1处理土壤碳截存量显
著高于甘蔗单作。然而, 由于大豆的共生固氮作用,
MB处理土壤碳截存量显著高于其他各个处理。2013
年 MS-N1、MS-N2、SB1-N2、SB2-N2 处理土壤截
存碳量为负值, 说明甘蔗收获后农田土壤碳库呈现
亏缺。
2.3 不同种植制度农田土壤 CO2和 CH4排放总量
甘蔗||大豆间作农田土壤 CO2 和 CH4 季节排放
总量见表 4。由表 4 可知, 2012 年 N1 水平下, SB2
模式土壤 CO2累积排放总量显著低于 SB1和 MS模
式, 而 2013年 SB2模式土壤 CO2累积排放总量表现
相似规律, 但差异不显著。而在 N2水平下, 2012年
土壤 CO2累积排放总量各处理间差异均不显著。双
因素方差分析表明, 间作模式和施氮水平互作对土
壤 CO2 累积排放总量产生了极显著影响, 不同间作
模式对土壤 CO2 累积排放总量产生了显著影响。
2013年 N2水平下 SB1模式土壤 CO2累积排放总量

表 4 2012—2013年甘蔗||大豆间作及单作农田土壤 CO2和 CH4累积排放总量
Table 4 Soil CO2 and CH4 accumulated emission of sugarcane and soybean intercropping and monocropping systems in 2012 and 2013
kg(C)·hm2
2012 2013
处理 Treatment
CO2 CH4 CO2 CH4
MS-N1 5 096.89±137.12ab 13.68±1.74ab 2 676.92±250.55ab 0.42±0.90a
SB1-N1 6 422.69±791.95a 21.78±8.31b 3 117.74±515.68ab 0.95±0.37a
SB2-N1 3 283.20±535.71c 12.72±3.35ab 2 763.93±345.75ab 1.49±1.29a
MS-N2 4 103.29±560.66bc 5.53±1.10a 2 451.77±319.68ab 0.34±0.64a
SB1-N2 4 475.84±158.22bc 11.36±2.62ab 2 317.94±292.26b 1.23±0.85a
SB2-N2 4 775.31±486.46bc 4.77±4.31a 3 461.51±264.42a 0.73±0.74a
MB 4 780.35±255.29bc 9.97±3.36ab 2 509.31±134.28ab 0.11±0.11a
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
施氮量 N level (N) 0.84 3.38 0.05 1.44
种植模式 Intercropping pattern (P) 4.54* 2.13 0.96 1.10
种植模式×施氮量 P×N 7.01** 0.05 0.62 1.88
*表示显著差异(P<0.05), **表示极显著差异(P<0.01)。* and ** refer to significant difference at 5% and 1% levels, respectively.
484 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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显著低于 SB2 模式, 不同的施氮水平和间作模式对
土壤 CO2累积排放通量没有产生显著影响。各处理
CH4 的累积排放总量均为负值 , 说明甘蔗 ||大豆间
作农田土壤是 CH4的一个弱吸收汇, 且间作模式和
施氮水平对土壤 CH4 累积排放总量没有产生显著
影响。
2.4 不同种植制度下蔗田土壤的碳循环
由表 5 可知, 甘蔗||大豆间作、甘蔗单作、大豆
单作系统的碳输入、碳输出及碳归还量各不相同。
各处理系统碳输入主要是化学肥料、蔗种、豆种和
凋落物。其中, 2012年 N1水平下 SB2模式农田碳输
入量显著高于 SB1 模式和甘蔗单作 , 分别升高了
11.25%和 25.11%; 2013 年也表现出同样规律, 分别
升高 11.68%和 21.74%。此外, 两年结果均表明 N2
水平下 SB2模式农田碳输入量显著高于甘蔗单作。
同时各间作模式农田碳输入量均显著高于大豆单作,
主要原因是豆种为大豆单作主要碳的来源。各系统
碳的输出主要是大豆收获豆荚带走的碳、甘蔗收获
带走碳以及土壤温室气体 CO2排放带走的碳。各处
理样地 CH4 的累积排放总量均为负值, 说明旱地农
田对 CH4有吸收的作用。其中, 2012年 SB2-N1处理
碳输出量为 4 859.46 kg·hm2, 较 MS-N1和 SB1-N1
处理降低 28.87%和 41.5%; 2013年减量施氮水平下,
不同处理间农田碳输出量均没有显著差异, SB2-N2
处理农田碳输出量显著高于 SB1-N2 处理和 MS-N2
处理, 分别高 36.23%和 43.59%。归还给系统的碳是
大豆收获茎、叶和根, 由于不同间作模式大豆种植
行数不同, 因此, MB处理碳归还量显著高于各间作
模式, 各间作模式间没有显著差异。
2.5 不同种植制度下农田土壤的碳收支与平衡
蔗田生态系统的碳收支与平衡包括化肥种子等
的投入、土壤碳截存量、大豆收获的归还量、CH4
和 CO2 的排放量及作物收获带走的碳量。其中, 总
输入项为输入、土壤截存碳量和归还量, 总输出项
为 CH4和 CO2的排放量及作物收获带走的碳量。由
表 6可知, 在 2012年所有处理中, MS-N1、SB1-N1
和 MB 处理输出项大于输入项, 表现为碳源, 其余
处理均表现为碳汇, 其中 SB2-N1 处理净碳固定值
最大, 达 2 956.35 kg·hm2。2013年, MS-N1、MS-N2
和 SB2-N2处理输出项大于输入项, 表现为碳源, 而
其余处理均表现为碳汇, 其中 SB2-N1 处理固碳潜
力最大, 净碳固定为 872.59 kg·hm2。两年结果均表
明, SB2-N1模式下, 土壤固碳潜力最大。
3 讨论与结论
施用农田氮肥的最终目的是保证作物的高产出,
而氮肥管理的目的是既保证高产又不会损害环境 ,
从而达到经济效益和环境效益的协同统一[34]。甘蔗
与大豆间作 , 一方面可合理利用光等环境资源 ,
另一方面可减少蔗田化学氮肥的施用。本研究中 ,
与农民习惯施氮量 525 kg·hm2 相比 , 减量施肥
(N 300 kg·hm2)处理并没有影响甘蔗产量, 且 5 年
里减量施氮甘蔗||大豆 1 2∶ 间作模式最明显且年际
间变化稳定, 说明在保证甘蔗产量的同时进行减量施
肥是可行的。雍太文等[35]的研究也表明, 在玉米||大豆
间作系统中, 与农民习惯施氮肥用量(240 kg·hm2)相
比, 减量施氮(180 kg·hm2)下, 玉米和大豆的产量、
经济系数、养分吸收利用率等都显著提高。张爱平
等[36]提出研究氮肥使用合理与否, 需注意除了探究
氮肥的增产效果外, 还需考虑在土壤中残留无机氮
的高低。因此不同地区土壤起始无机氮和土壤净矿
化水平可能是影响植株最终施氮量的重要原因, 因
此, 氮肥合理运用要考虑不同地区、不同肥力水平
的土壤状况。
有研究表明氮肥的施用促进了土壤中 CO2的排
放, 其原因可能是促进了微生物的活动等[3738]。在
本研究中, 经双因素方差分析表明, 2012 年施氮量
对 CO2的排放有显著影响, 但 2013年 CO2累计排放
总量并没有出现此现象, 主要原因可能是受降雨等
天气环境和采样时间的影响。此外在本研究中, 以
累计排放总量来看土壤是一个 CH4 弱汇, 且各处理
对农田土壤 CH4的累积排放并没有产生显著影响。
陈琛等[39]提出不同肥料种类、施肥方式、施肥量都
会对 CH4 排放造成一定的影响 , 其中施肥处理的
CH4 排放量明显高于无肥处理的温室气体排放量。
其原因可能是长期施肥, 促进了微生物的活动, 引
起了温室气体平均排放通量的增大[40]。
甘蔗||大豆间作生态系统中相同施氮水平甘蔗||
大豆 1 2∶ 间作模式农田碳输入量显著高于甘蔗||大
豆 1 1∶ 间作模式和甘蔗单作, 其主要原因是大豆播
种量的提高, 通过作物种子带入的碳素是农田生态
系统中碳的最主要来源, 而在不同施氮模式下, 通
过氮肥带来的碳素也是不同的。在本试验中, 减量
施氮带来的碳素远远低于常规施氮, 常规施氮的氮
肥用量已远远超过了作物对氮素的需求量。而农田
碳素输出主要包括地上部分作物收获碳量、以 CO2
形式排放损失量、以 CH4形式排放损失量等。甘蔗
||大豆间作生态系统中相同间作模式情况下, 甘蔗 ||
大豆 1 2∶ 间作模式下常规施氮的农田碳输出量显
著高于减量施氮的农田碳输出量 , 其主要原因是
氮肥使用量的增加, 促进了农田 CO2 的排放, 这与
第 4期 管奥湄等: 减量施氮与间作大豆对蔗田碳平衡特征的影响 485


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486 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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Dick[41]的研究结果一致。而甘蔗||大豆1 1∶ 间作模式
下常规施氮农田CO2排放量则是低于减量施氮模式
下的农田CO2排放量 , 这与Burton等 [42]和DeForest
等 [43]的研究结果一致, 其原因可能是因为氮肥的施
用降低了土壤中胞外酶的活性 , 减少了真菌群落 ,
因此导致土壤CO2排放量降低。在本试验中这两种现
象均有体现, 除上述所说原因外, 具体原因还需进
一步长期定位试验来研究。此外, 2013年由甘蔗收获
带出的碳输出远远高于2012年, 其原因可能是甘蔗
生育期较长, 再加上大田试验非常容易受到天气因
素等的影响。2012年甘蔗在后期生长时受台风影响,
发生了较严重的倒伏, 直接影响了甘蔗后期的生长,
从而导致2012年和2013年两年间由甘蔗收获带出的
碳量差异较大, 进而导致净碳固定量差异较大。
尹云锋等[9]对不同施肥条件下潮土碳平衡的研
究表明, 施肥不但影响了耕层土壤有机碳含量, 也
影响着耕层土壤有机碳储量, 施肥处理促进了潮土
的碳固定。黄晶等[44]研究表明, 在对小麦、玉米有
机无机肥配施处理(NPKM)下 , 系统均表现为大气
CO2的“汇”。本研究发现, 甘蔗||大豆不同间作模式
下, 除SB2-N2模式以外, 其余模式均表现为碳汇现
象, 而SB2-N2模式和甘蔗单作表现为碳源, 其原因
可能是SB2-N2模式下CO2排放量明显高于其他处理,
且在甘蔗单作系统中, 所有甘蔗均被作为产量收走,
没有秸秆还田部分, 其归还量为0。此外, 在所有处
理中 , SB2-N1处理固碳潜力最大 , 净碳固定为
2 956.35 kg·hm2(2012年)和 872.59 kg·hm2(2013年)。
李银坤等[45]的研究结果表明, 其农田生态系统固碳
量为6 829.1~8 950.2 kg·hm2, 明显高于本研究结
果。其主要原因可能是计算方法和监测时间长短不
同; 此外不同地域自然条件特点、不同作物类型、
种植模式以及田间管理措施等的不同也是造成上述
估算结果差异的重要因素。
氮肥的施用可以促进碳的固定, 然而氮肥的过
量施用, 不仅不会提高产量, 反而会影响农田生态
系统土壤养分的良好循环。本研究表明, 间作及减
量施氮能够显著提高系统土地当量比, 同时, SB2-
N1 种植模式下, 土壤处在良好碳汇情况下。因此,
合理减量施氮及间作被认为是可行的可持续农业发
展方式。
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