全 文 ：中国生态农业学报 2016年 6月 第 24卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2016, 24(6): 704715


* 国家自然科学基金面上项目(41571291)、国家自然科学基金重点项目(41530859)、中国科学院科技服务网络计划(KFJ-EW-STS-055-2,
KFJ-SW-STS-142)和国家科技支撑计划项目(2013BAD05B00)资助
**通讯作者: 张玉铭, 主要研究方向为农田生态系统养分管理及环境效应研究, E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn
† 同等贡献者: 闫翠萍 , 主要研究方向为增温对农田生态系统影响的研究, E-mail: zdyi888@163.com; 张玉铭, 主要研究方向为农田生
态系统养分管理及环境效应研究, E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn
收稿日期: 20160122 接受日期: 20160322
* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41571291, 41530859), the Science and Technology
Service Program of the Chinese Academy of Sciences (No. KFJ-EW-STS-055-2, KFJ-SW-STS-142) and the National Key Technologies R & D
Program of China (2013BAD05B00).
** Corresponding author, E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn
Received Jan. 22, 2016; accepted Mar. 22, 2016
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160261
不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体
交换及其综合增温潜势*
闫翠萍2† 张玉铭1†** 胡春胜1 董文旭1 王玉英1 李晓欣1 秦树平3
(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室
石家庄 050022; 2. 山西省农业科学院小麦研究所 临汾 041000; 3. 福建农林大学资源与环境学院 福州 350002)
摘 要 研究不同耕作措施下小麦玉米轮作农田 N2O、CO2和 CH4等温室气体的综合增温潜势, 有助于科学
评价农业管理措施在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用, 为制定温室气体减排措施提供依据。基
于 2001 年开始的位于华北太行山前平原中国科学院栾城农业生态系统试验站的不同耕作与秸秆还田方式定
位试验, 应用静态箱/气相色谱法于 2008 年 10 月冬小麦播种时开始, 连续两个作物轮作年动态监测了秸秆整
秸覆盖免耕播种(M1)、秸秆粉碎覆盖免耕(M2)、秸秆粉碎还田旋耕(X)、秸秆粉碎还田深翻耕(F)和无秸秆还
田深翻耕(CK, 代表传统耕作方式)5 种情况下冬小麦夏玉米轮作农田土壤 N2O、CO2和 CH4排放通量, 并估
算其排放总量。试验期间同步记录每项农事活动机械燃油量、灌溉耗电量、施肥量, 依据燃油、耗电和单位
肥料量的碳排放系数统一转换为等碳当量, 测定作物产量、地上部生物量, 估算农田碳截存量, 根据每个分支
项对温室效应的作用估算了 5个处理的综合增温潜势。结果表明, 华北小麦玉米轮作农田土壤是 N2O和 CO2
的排放源, 是 CH4的吸收汇, 每年 M1、M2、X、F和 CK农田土壤 N2O排放总量依次为 2.06 kg(N2O-N)·hm2、
2.28 kg(N2O-N)·hm2、2.54 kg(N2O-N)·hm2、3.87 kg(N2O-N)·hm2和 2.29 kg(N2O-N)·hm2, CO2排放总量依次为
6 904 kg(CO2-C)·hm2、7 351 kg(CO2-C)·hm2、8 873 kg(CO2-C)·hm2、9 065 kg(CO2-C)·hm2和 7 425 kg(CO2-C)·hm2,
CH4吸收量依次为 2.50 kg(CH4-C)·hm2、1.77 kg(CH4-C)·hm2、1.33 kg(CH4-C)·hm2、1.38 kg(CH4-C)·hm2和
1.57 kg(CH4-C)·hm2。M1和M2处理农田生态系统综合增温潜势(GWP)均为负值, 表明免耕情况下农田生态系统为
大气的碳汇, 去除农事活动引起的直接或间接排放的等当量碳, 每年农田生态系统净截留碳 947~1 070 kg(C)·hm2;
其他处理农田生态系统的 GWP值均为正值, 表明温室气体是由系统向大气排放, CK、F和 X每年向大气分别
排放等当量碳 3 364 kg(C)·hm2、989 kg(C)·hm2和 343 kg(C)·hm2。故华北小麦玉米轮作体系中, 秸秆粉碎还
田旋耕是最优化的耕作措施, 其温室效应相对较低, 而又能保证较高的经济产量。
关键词 耕作措施 秸秆还田 温室气体 温室效应 增温潜势 小麦–玉米轮作系统
中图分类号: S341 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)06-0704-12
Greenhouse gas exchange and comprehensive global warming potential
under different wheat-maize rotation patterns*
YAN Cuiping2†, ZHANG Yuming1†**, HU Chunsheng1, DONG Wenxu1, WANG Yuying1, LI Xiaoxin1, QIN Shuping3
(1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving
Agriculture / Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics & Developmental Biology, Chinese Academy of
第 6期 闫翠萍等: 不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势 705


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Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. Institute of Wheat Research, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Linfen 041000,
China; 3. College of Resources and Environmental Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)
Abstract Studies on the emissions of greenhouse gases and global warming potential (GWP) under different tillage systems
have benefited scientific research on the effects of agricultural management on mitigating greenhouse gas emission and
reducing global warming. Such studies have also laid the theoretical basis for establishing measures to reduce global
greenhouse gas emissions. Long term tillage and straw return to soil experiments were set up in 2001 at the Luancheng
Agro-ecosystem Experimental Station (LAES) of Chinese Academy of Sciences. The experiments included 5 treatments —
no-tillage with whole maize residue mulching (M1), no-tillage with chopped maize residue mulching (M2), rotary tillage with
chopped maize residue incorporation (X), mouldboard ploughing with chopped maize residue incorporation (F) and
mouldboard ploughing with maize residue remove (CK, representing conventional tillage method). The experiment monitored
N2O, CO2 and CH4 fluxes in wheat-maize rotation fields using the static chamber method / gas chromatography technique for
the period from October 2008 to September 2010. Total greenhouse gas emissions and GWP were also estimated. Meanwhile,
during the experimental period, the amount of fuel consumed by farm machines and power consumed during irrigation and
fertilizer application were recorded and transformed to carbon equivalent using a transformation coefficient. In the study,
crop yield and aboveground biomasses were measured and carbon sequestration calculated. The total GWP under the 5
tillage treatments were estimated based on the identified parameters of greenhouse effect. The results indicated that
wheat-maize rotation fields served as the source of N2O and CO2, and also the sink of CH4. In M1, M2, X, F and CK treatments,
total N2O emissions from soil were 2.06 kg(N2O-N)·hm2·a1, 2.28 kg(N2O-N)·hm2·a1, 2.54 kg(N2O-N)·hm2·a1, 3.87 kg(N2O-N)·hm2·a1
and 2.29 kg(N2O-N)·hm2·a1; total CO2 emissions from soil of 6 904 kg(CO2-C)·hm2·a1, 7 351 kg(CO2-C)·hm2·a1, 8 873
kg(CO2-C)·hm2·a1, 9 065 kg(CO2-C)·hm2·a1 and 7 425 kg(CO2-C)·hm2·a1; and total CH4 sink of 2.50 kg(CH4-C)·hm2·a1,
1.77 kg(CH4-C)·hm2·a1, 1.33 kg(CH4-C)·hm2·a1, 1.38 kg(CH4-C)·hm2·a1 and 1.57 kg(CH4-C)·hm2·a1, respectively.
GWPs in M1 and M2 treatments were negative, which indicated that farmland ecosystems under no-tillage with straw served as
carbon sink, with annual carbon retention of 947–1 070 kg(C)·hm2 after subtracting directly or indirectly carbon equivalent emitted
from the system. GWPs for other treatments were positive, with GWPs for CK, F and X of 3 364 kg(C)hm2, 989 kg(C)hm2 and
343 kg(C)hm2, respectively. This suggested that for wheat-maize rotation system in the North China, chopped crop residue
incorporation with rotary tillage was optimal tillage practice with relatively lower greenhouse effects and higher grain yield.
Keywords Tillage measure; Straw return; Greenhouse gas; Greenhouse effect; Global warming potential; Wheat-maize
rotation system
全球气候变化已引起国际社会高度重视, 对温
室效应、温室气体减排和节能减排的研究已成为关
注的焦点。大气中 CO2、CH4和 N2O 是最重要的温
室气体, 对温室效应的贡献率近 80%[1]。其中 CO2
对增强温室效应的贡献率最大, 约占 60%, 是最重
要的温室气体[2]; 其次是 CH4, 温室效应潜能是 CO2
的 21~25倍, 对温室效应的贡献率约占 15%[3]; N2O
增温效应是 CO2的 296~310 倍[4], 对温室效应的贡
献率约占 5%。由于 CO2、CH4和 N2O的增温效应不
同, 它们对全球变暖的影响亦不相同。当这 3 种气
体从一个系统同时排放时, 需计算它们作用的综合
效果才能了解该系统或某一农业管理措施对综合增
温潜势的贡献。
农田生态系统综合增温潜势 (Global Warming
Potential, GWP)除了包含农田土壤温室气体排放引
起的温室效应外, 还包含农事活动中农机具燃油引
起的 CO2直接排放、化肥生产与运输和灌溉耗费电
能等引起 CO2 间接排放所造成的温室效应; 此外,
还应考虑农作物生长对碳的截存在削减农田温室效
应方面的贡献。因此, 在对农田生态系统温室效应
进行综合评估时, 不仅要关注农田土壤引起的温室
气体直接排放, 还应考虑各项农事活动直接或间接
引起的温室气体排放以及农田生态系统对碳的截存,
并将其统一转换为碳当量 [5](carbon equivalent), 从
而才能精确评价农田生态系统或某一农业管理措施
的综合增温潜势。当前国内关于增温潜势的研究大
多集中在土壤特性以及施肥、灌溉对土壤温室气体
排放的影响方面, 忽略了农业生产机械燃油、肥料
生产与运输、灌溉耗能引起的 CO2直接或间接排放
的温室效应以及农作物的碳截存效果。众所周知 ,
耕作措施不仅对作物产量有影响, 也是影响农田土
壤温室气体排放及综合增温潜势的重要农业生产方
式之一, 目前关于耕作措施对农田生态系统综合增
温潜势影响的定量研究依然较少 [6]。本研究基于
2001年开始的不同秸秆还田方式和不同耕作措施的
定位试验 , 对华北小麦玉米轮作农田土壤温室气
体排放、农业投入引起的 CO2排放、作物生长对碳
的截存进行了连续监测, 综合分析了不同耕作措施
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下农田土壤温室气体(CO2、CO4、N2O)排放的增温
潜势、不同耕作体系综合增温效应以及保护性耕作
措施对减缓农田温室效应的贡献, 为制定温室气体
减排措施提供依据, 为减少气候变化预测的不确定
性提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况与试验设计
试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站进
行, 该站位于华北太行山前平原, 北纬 37°50′, 东经
114°40′, 海拔高度 50.1 m, 属中国东部暖温带半湿
润季风气候 , 年平均气温 12.2 ℃ , 年降雨量平均
536.8 mm, 主要集中在 7、8、9月, 雨热同期, 年无
霜期 200 d左右, 土壤类型为潮褐土。
冬小麦夏玉米轮作是当地主要的种植制度 ,
冬小麦于 10上旬播种, 6月初收获; 夏玉米于小麦收
获后进行机械播种, 9月底收获; 两季作物均实行秸
秆还田。一般小麦季施两次肥, 播种前施一次底肥,
撒施然后翻耕, 追肥于拨节期施用, 表面撒施后灌
溉。玉米季于大喇叭口期追肥, 表面撒施后灌溉。
本试验于 2008年 10月至 2010年 9月在耕作长
期定位试验(2001 年开始的定位试验)场内进行, 根
据冬小麦播种时的土壤耕作方式, 试验处理设深翻
耕、旋耕和免耕, 每种耕作方式中按照有无玉米秸
秆还田和秸秆还田方式的不同分为: 秸秆整秸覆盖
免耕播种(M1)、秸秆粉碎覆盖免耕播种(M2)、秸秆
粉碎还田旋耕(X)、秸秆粉碎还田深翻耕(F)和无玉米
秸秆还田深翻耕(CK, 代表传统耕作方式)。深耕: 先
用秸秆粉碎机将玉米秸秆机械粉碎 2 遍, 后用传统
的深耕犁深耕(20 cm), 平整土地, 播种。旋耕: 先用
秸秆粉碎机将玉米秸秆机械粉碎 2 遍, 后用旋耕犁
旋耕 2 遍(15 cm), 秸秆和表土形成混合层, 播种。
M1处理为玉米秸秆整秸覆盖直接用 2BMFS-5/10型
免耕覆盖施肥播种机播种。M2 为先用秸秆粉碎机
将玉米秸秆机械粉碎 2遍 , 后用 2BMFS-5/10型免
耕覆盖施肥播种机播种。CK 和 F 处理的播种量为
195 kg·hm2, X处理为 210 kg·hm2, M1、M2播种量
为 285 kg·hm2。每个处理底肥和追肥量相同, 底肥
为 300 kg·hm2二铵、75 kg·hm2尿素; 春季追施尿素
300 kg·hm2。小麦生长期灌溉量均为 157.5 mm。每
年小麦采用联合收割机收获, 秸秆全部覆盖还田。玉米
季大喇叭口期追施尿素 435 kg·hm2, 灌溉量 70 mm。
1.2 测定指标
1.2.1 土壤温室气体采集与环境要素监测
气体样品采集采用静态明箱法。采样箱由箱体和
底座组成, 箱体长60 cm、宽20 cm、高40 cm, 顶部有
一风扇和采气孔。箱底座深度均为15 cm, 作物播种后
底座埋入作物的行间, 以测定土壤排放的温室气体。
气体采集时间定在上午 8:00—12:00间。取气前
1 min盖上箱体并用水密封, 打开风扇电源, 风扇运
行使箱内气体混合均匀。以此为 0 时刻, 用 50 mL
医用注射器连续采集 0 min、15 min、30 min和 45 min
4 个时刻的气样用于分析计算不同处理的温室气体
排放 /吸收通量。为了更准确估算土壤呼吸排放的
CO2总量, 平时气样采集频度 1次·周1, 冬季为 0.5~
1次·周1, 施氮肥后加大采样密度。所采气体于当天
用安捷伦 6820型气相色谱仪进行测定。气相色谱仪
检测器为电子捕获检测器, 色谱分离柱 4 m×4 mm,
填充 PorapackQ(80100 目), 柱温 70 ℃, 检测器温度
300 ℃, 高纯氮(99.999%)为载气, 流速 20 mL·min1,
气体进样量 2 mL。
采集气样时, 同步监测大气、地表温度、5 cm
地温, 采集 0~10 cm 土壤样品, 测定硝态氮和铵态
氮含量、含水量。为利用土壤呼吸与土壤温湿度的
高度相关关系更准确估算两次相邻监测期间每天的
土壤呼吸速率以及土壤呼吸排放的 CO2 总量, 每天
监测 5 cm地温和 0~10 cm土壤含水量。
1.2.2 土壤温室气体排放通量与总量
由于在一定的时间段内, 农田温室气体排放浓
度的变化呈线性增长(减少)[7], 所以可以根据箱内
气体浓度随时间变化来计算农田气体排放通量:
dm dc dc
dt dt R dt
V M P hF
A A T
         (1)
式中: F为气体排放通量(mg·m2·h1); ρ为气体密度;
R为气体常数; dm和 dc分别为 dt时间内采集箱内气
体质量和浓度的变化; h、A、V分别为气箱高度(m)、
底面积(m2)和体积(m3); M为气体分子量; T为气箱内
绝对温度; P为气箱内气压。气体通量 F为负值时表
示土壤或土壤作物体系从大气中吸收该气体; F为正
值时表示土壤或土壤作物体系向大气排放该气体。
为了更准确估算监测时段内土壤呼吸排放的
CO2总量, 建立土壤呼吸速率与土壤温湿度关系[8]:
bT cR a e W   (2)
式中: R为土壤呼吸速率; T 为 5 cm 处土壤温度;
W为 0~10 cm土壤含水量; a、b、c为拟合参数。
根据式(1)中计算的 CO2排放通量及同步测定的
5 cm地温和 0~10 cm土壤含水量, 获得每个处理土
壤呼吸与温湿度的指数关系式, 再依据每天监测的
土壤温湿度估算每日土壤呼吸速率。再利用式(3)估
算监测时段内土壤呼吸排放 CO2总量:
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24Y R  (3)
式中: Y 为土壤呼吸排放 CO2总量(kg·hm2)。
N2O和 CH4排放总量通过式(4)计算:
1 1
1
( ) / 2 ( ) 24
n
i i i i
i
Y X X t t 

     (4)
式中: Y 为土壤 N2O 或 CH4排放总量(kg·hm2); X
为 N2O 或 CH4排放速率(mg·m2·h1); i为第 i次测定;
( 1i it t  )为相邻两次测定间隔天数; n为测定次数。
1.2.3 土壤排放温室气体增温潜势( soilexportGWP )
由于 CO2、CH4和 N2O 的增温效应不同, 它们
对全球变暖的影响亦不相同。当这 3 种气体从一个
系统同时排放时, 只有计算它们作用的综合效果才
能了解该系统或某一农业管理措施对温室效应的贡
献。根据 IPCC的报告[4], 以 100年影响尺度为计, 1 kg
CH4的增温效应是 1 kg CO2的 25倍, 而 1 kg N2O的
增温效应是 1 kg CO2的 298倍, 用增温潜势(GWP)来
表示 3种温室气体的联合作用[9]。土壤直接排放温室
气体增温潜势( soilexportGWP )的计算公式如下:
soilexport 2 4 2
44 16 44GWP CO CH 25 N O 298
12 12 28
f f f       
(5)
式中: soilexportGWP 为土壤直接排放的温室气体增温
潜势[kg(CO2)·hm2]; fCO2为土壤排放 CO2的净排放
量[kg(CO2-C)·hm2], fCH4为土壤排放 CH4净排放量
[kg(CH4-C)·hm2], fN2O 为土壤排放 N2O 净排放量
[kg(N2O-N)·hm2]。
1.2.4 农事活动投入引起的间接增温潜势( indirectGWP )
试验期间记录各种农事活动的物资投入种类和
用量, 用于计算农田温室气体间接排放量, 主要包
括由灌溉、机械和肥料投入所造成的 CO2排放量。
计算灌溉耗电、机械燃油和化肥施用等农业投入
CO2等当量排放系数时, 需要综合考虑其生产、运输
和使用过程中的总能耗, 将其折算为 CO2 排放当量,
各农事活动耗能 CO2等当量排放系数如表 1所示。
表 1 农事活动耗能 CO2等当量排放系数
Table 1 Index of equivalent CO2 emission of energy consumption by different agricultural managements
施肥 Fertilization 机械燃油[10]
Fuel consumption
灌水量[11]
Irrigation N[7,1012] P[12] K2O[12]
2.59 kg(CO2)·L1 1.29 kg(CO2)·cm1 3.59 kg(CO2)·kg1 0.61 kg(CO2)·kg1 0.12 kg(CO2)·kg1

农事活动间接引起温室气体排放增温潜势计算
公式:
indirectGWP n nI C  (6)
式中: In和 Cn分别为第 n 种物资的用量和 CO2等当
量排放系数。
1.2.5 净初级生产力增温潜势( NPPGWP )
试验期间每季作物收获时测定作物产量和地上部
生物量, 计算植株地上和地下部分转化为净初级生产
力(NPP)的增温潜势( NPPGWP )。具体计算方法如下:
NPPGWP NPP/(0.68 0.85)   (7)
NPP 1.15 TAGB  (8)
式中: 系数 0.68 是碳水化合物对 CO2 的转化比率
([CH2O]/[CO2]=0.68); 0.85 是生物量对碳水化合物
的转化比率([Biomass]/[CH2O]=0.85), 即光合产物
对干物质的转化率约为 0.6[13]; TAGB(total above
ground biomass)为地上部总生物量(kg·hm2); 1.15为
地上总生物量转换为植株总生物的系数, 华北平原
夏玉米根系生物量 (root biomass)约占地上生物量
(TAGB)的 0.10~0.15, 冬小麦根系生物量约占地上
生物量的 0.15~0.20[14], 这里统一取 0.15作为根系占
地上部生物量的系数; NPP(net primary production)
为净初级生产力(kg·hm2)。
1.2.6 综合全球增温潜势(ΔGWP)
农田生态系统碳流特点是固碳和耗碳共存。本
研究综合考虑农田生态系统的温室气体的源与汇功
能, 借鉴刘巽浩等[15]全环式考虑农田生态系统碳流
路径的学术思想, 计算综合增温潜势:
soilexport indirect
NPP ΔSOC
GWP GWP GWP
GWPGWP
   
 (9)
式中: GWP 为全球增温潜势或温室气体净增减量,
当其为正值时, 代表系统为温室气体的源, 反之则
为汇; GWPΔSOC为土壤有机碳量的增温潜势(此项短
期试验可忽略); GWPNPP、GWPsoilexport和GWPindirect如前
所述。
1.2.7 数据处理
应用方差分析(ANOVA)、回归分析(regression
analysis)相关分析对数据进行处理 , 处理间差异的
多重比较采用 Least-significant difference(LSD)法完
成。所有数据分析均在 Microsoft Excel 2003和 SPSS
13.0环境下进行, 画图采用 Sigmaplot 11.0。
2 结果与分析
2.1 不同耕作措施下农田土壤温室气体排放特征
2008年 10月冬小麦播种时开始至 2010年 9月
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底玉米收获, 连续两个作物轮作年利用静态箱式法
动态监测了农田土壤 N2O、CH4和 CO2的排放通量,
目的是了解不同耕作措施对温室气体排放通量季节
性变化规律的影响, 为优化利于温室气体减排的耕
作措施提供参考。
2.1.1 农田土壤 N2O排放特征
图 1给出了两个作物轮作年每个月 N2O排放通
量监测值的平均值。由图 1可以看出, 每个小麦玉
米轮作年中存在 3 个 N2O 排放高峰期, 第 1 个出现
在小麦底肥和播种后, 第 2 个出现在小麦拔节肥后,
第 3 个出现在玉米大喇叭口期施肥后 , 其余时间
N2O 排放通量维持在一个较低的基础背景排放值附
近波动。从不同作物生长季来看, 玉米季 N2O 排放
通量明显高于小麦季。究其原因, N2O排放通量的季
节性变化主要是施肥、灌溉和季节性气候变化造成
的土壤温湿度变化引起的。小麦季和玉米季总施氮
量相同, 小麦季分作底肥和追肥两次施用, 每次各
占季施用总量的 1/2, 而玉米季只在大喇叭口期施肥
一次, 单次施氮量比小麦季高一倍, 造成玉米季施
肥后土壤 NH4+-N、NO3-N 瞬时含量高于小麦季, 为
硝化、反硝化过程提供了充足底物; 此外, 玉米季正
值本区域高温多雨季节, 土壤温湿度明显高于小麦
季, 为反硝化微生物营造了良好的生存条件, 促进
了反硝化过程的发生, 提高了 N2O 产生速率与排放
通量。
耕作措施与秸秆还田方式的不同, 是引起不同
处理间 N2O 排放通量存在差异的主要原因。10 月上
旬开始小麦播种, 由于播种前的施肥灌水与耕作, 激
发了土壤 N2O的产生与排放, 使 10月份 N2O排放出
现小麦生长季的第 1 个小高峰, 此时, 秸秆粉碎还田
深翻耕处理(F)N2O排放通量[41.8 g(N2O-N)·hm2·d1]
显著高于其他处理((P<0.05), 其他各处理间差异不
显著[6.5~12.2 g(N2O-N)·hm2·d1]。进入 11月到翌年
2 月份, 冬小麦处于越冬期, 由于土壤温度的限制,
微生物活性微弱, 农田 N2O 排放维持在一个极低的
基础水平 , 各处理间差异不显著 , 平均通量范围
1.2~4.0 g(N2O-N)·hm2·d1。进入 3月份, 随着天气
转暖, 土壤温度回升, 农田土壤 N2O 排放略有增加,
至 4 月份, 小麦进入生长旺季, 拔节肥施过之后激发
了小麦生长季的第 2个 N2O排放峰, 4月份不同耕作方
式N2O排放通量平均值 CK为 16.5 g(N2O-N)·hm2·d1、
M1为17.9 g(N2O-N)·hm2·d1、M2为20.8 g(N2O-N)·hm2·d1、
F为 32.8 g(N2O-N)·hm2·d1、X为 36.2 g(N2O-N)·hm2·d1,
秸秆粉碎还田后旋耕(X)和深翻耕(F)处理 N2O 排放
通量显著高于其他处理((P<0.05)。进入 5 月份至 6
月初小麦收获, 由于小麦生长对水肥吸收利用, 使
得土壤水分和 NO3-N 含量不断降低, 减弱了土壤
N2O的排放。

图 1 不同耕作措施下农田土壤 N2O排放通量季节性变化规律
Fig. 1 Seasonal change of N2O fluxes under different tillage treatments
M1: 秸秆整秸覆盖免耕播种; M2: 秸秆粉碎覆盖免耕播种; X: 秸秆粉碎还田旋耕; F: 秸秆粉碎还田深翻耕; CK: 无玉米秸秆还
田深翻耕。施底肥时间为 10月小麦播种前, 于 4月小麦拔节期和 7月玉米大喇叭口期追肥并灌溉。下同。M1: no-tillage with whole maize
residue mulching; M2: no-tillage sowing with chopped maize residue mulching; X: rotary tillage with chopped maize residue incorporation; F:
mouldboard ploughing with chopped maize residue incorporation; CK: mouldboard ploughing with maize residue remove (conventional pa-
ttern). Fertilizer was applied in October (before wheat sowing), April (wheat jointing stage) and July (maize bit trumpet period) with
irrigation management, respectively. The same below.

6月初至 9月底是玉米生长季, 6月份玉米处于
苗期 , 该时期华北地区降雨量较少 , 土壤湿度低 ,
加之前茬作物对养分的吸收利用使土壤中 NO3-N、
NH4+-N含量较低, 硝化、反硝化过程微弱, N2O排放
较低。进入 7月份, 玉米进入旺盛生长时期, 大喇叭
口期灌溉施肥后N2O排放通量显著提高, 7月份是一
第 6期 闫翠萍等: 不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势 709


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年中 N2O 排放通量最高的月份, 通量范围为 48.1~
100.3 g(N2O-N)·hm2·d1, 此时, 不同耕作处理 N2O
排放通量差异最为显著, 以秸秆还田深翻耕处理(F)
最高, 秸秆整秸覆盖免耕播种处理(M1)最低, 两处
理的平均 N2O 排放通量相差 52%。进入 8 月份, 玉
米正值旺盛生长期 , 随着作物对养分的吸收利用 ,
土壤中的 NO3-N、NH4+-N 含量逐渐减少, N2O 排放
通量下降, 9月份, 主要雨季已过, 土壤温湿度下降,
土壤 N2O 主要来源由反硝化过程转为硝化过程 ,
N2O 排放通量降至玉米生长季的基础背景值, 此时,
各耕作处理间 N2O排放差异不显著。
2.1.2 农田土壤 CH4排放/吸收通量
图 2 给出了不同处理两年观测结果每个月 CH4
排放通量的平均值 , 正通量表示土壤向大气排放
CH4, 负通量表示土壤从大气中吸收 CH4。研究结果
表明, 多数情况下北方小麦玉米轮作农田土壤 CH4
排放通量为负值, 即土壤为大气 CH4 的吸收“汇”。
不同耕作方式和秸秆还田方式下CH4吸收/排放的季
节性变化规律存在差异, 每年 10 月这种差异最显
著。无秸秆还田深翻耕(CK)、秸秆粉碎还田旋耕(X)
和深翻耕(F)3 个处理 CH4通量均为正值, 排放通量
依次为 1.1 g(CH4-C)·hm2·d1、3.5 g(CH4-C)·hm2·d1
和 0.5 g(CH4-C)·hm2·d1, 表明 3个处理此阶段均有
CH4 排向大气。旋耕和深翻耕均对土壤有所扰动 ,
破坏了土壤原有结构, 提高了表层土壤孔隙度, 促
进了郁闭于土壤空气中的 CH4向大气的排放, 大大
降低土壤 CH4 汇的强度[15]。也有报道[16]认为翻耕
初期会增加 CH4的排放, 但经过一定时间(6~8 h)后,
则有降低 CH4 排放通量的趋势。而两个免耕处理
(M1、M2)全年内均为负通量, 10月份通量值相对其
他月份较高 , 可能是因为该时期本地区正处于耕
种时期 , 传统的耕种方式提高了土壤向大气的
CH4 排放量 , 短时间内提高了近地表大气 CH4 浓
度 , 导致该处理区大气与土壤空气 CH4 浓度梯度
加大 , 增加了土壤对大气 CH4 的吸收量 , 故其负
通量绝对值较大。

图 2 不同耕作措施下农田土壤 CH4排放通量季节性变化规律
Fig. 2 Seasonal change of CH4 fluxes under different tillage measurements
玉米生长初期(6 月份), 由于土壤含水量低, 土
壤空气孔隙度高, 利于土壤对 CH4 的吸收氧化, 对
于大多数耕作处理而言, 6月份是玉米生长季 CH4负
通量绝对值最大的时期, 即土壤作为大气 CH4吸收
“汇”较强烈时期, 各处理土壤月平均吸收 CH4-C量
差异显著, 分别为: CK 20.1 g(CH4-C)·hm2·d1、F
9.3 g(CH4-C)·hm2·d1、M2 8.1 g(CH4-C)·hm2·d1、X
5.3 g(CH4-C)·hm2·d1、M1 2.0 g(CH4-C)·hm2·d1, 以
多年秸秆移除深翻耕处理(CK)对CH4吸收强度最高,
而秸秆整秸覆盖免耕处理(M1)最低。由于 CK 处理
多年没有秸秆还田, 土壤有机碳含量显著低于其他
处理, 可能会导致土壤空气中 CH4 浓度低于其他处
理, 故其对 CH4的吸收量最高。进入 7月份以后, 所
有处理 CH4 吸收量大大降低, 7—9 月份是一年中
CH4 吸收量最低的时期, 各处理间差异不显著, 通
量范围为4.7~+1.5g(CH4-C)·hm2·d1。7 月中下旬,
玉米进入大喇叭口期, 进行施肥灌水, 加之此时正
值高温多雨季节 , 一方面土壤湿度大 , 利于土壤
颗粒微域形成厌氧环境 , 利于提高甲烷细菌活性 ,
产生 CH4, 提高土壤空气 CH4浓度 , 缩小了大气与
土壤空气间 CH4 的浓度梯度 , 减弱了土壤对大气
CH4 的吸收; 另一方面 , 土壤孔隙含水量提高 , 减
少了大气 CH4进入土壤的通道, 降低了土壤对大气
CH4的吸收; 最重要的是 7 月中下旬施肥, 提高了
土壤中 NO3-N 和 NH4-N 含量, 抑制了土壤对 CH4
的氧化 [1618], 从而弱化了土壤对大气 CH4 吸收汇
710 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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的特征。
2.1.3 农田土壤 CO2排放通量
本研究采用静态箱法测定了土壤表观呼吸排放
的 CO2通量。土壤表观呼吸主要包括土壤原有有机
质和植物残留物分解、根系分泌物分解和植物根系
呼吸作用释放的 CO2总和。图 3 给出了不同处理两
年观测结果每个月 CO2 排放通量的平均值, 不难看
出, CO2 排放通量的季节性变化与土壤温度的季节
性变化规律极度吻合, 玉米季高温多雨, CO2排放通
量明显高于小麦季。每年的 7—8月, 正值玉米生长
旺季, 根系呼吸作用强烈, 根系呼吸产生大量 CO2,
且此时是土壤温湿度最高时期 , 微生物活性增强 ,
加速了土壤有机质分解速率和土壤呼吸速率 , 提
高了土壤中 CO2浓度 , 促进农田土壤 CO2排放 [19]。
该阶段以秸秆粉碎还田深翻耕 (F)和旋耕 (X)处理
CO2 排放量相对较高 , 排放通量分别为 43.7~54.2
kg(CO2-C)·hm2·d1和 50.7~53.4 kg(CO2-C)·hm2·d1,
以秸秆移除深翻耕(CK)和秸秆整秸覆盖免耕(M1)处
理 CO2 排放通量较低, 排放通量分别为 40.0~42.3
kg(CO2-C)·hm2·d1和 32.3~39.2 kg(CO2-C)·hm2·d1。
每年的 10月至翌年的 6月初是冬小麦生长季节。
10 月初, 由于施肥、耕种的影响, 各处理 CO2排放通
量相对较高, 以秸秆粉碎还田深翻耕处理(F)CO2 排放
通量最高 , 达 24.2 kg(CO2-C)·hm2·d1, 以秸秆移
除深翻耕处理(CK)最低[13.2 kg(CO2-C)·hm2·d1],
其他各处理间差异不显著 , 通量范围为 15.8~15.9
kg(CO2-C)·hm2·d1。进入 12 月份, CO2排放通量急
剧下降, 至越冬期, CO2排放通量一直维持在一个较
低水平, 此时各处理间 CO2 排放通量差异不明显,
其通量范围 2.7~6.3 kg(CO2-C)·hm2·d1。进入 3月份
随着土壤温度的回升和作物生长速度的加快 , CO2
排放通量开始升高, 至 4 月份到达小麦生长季的 CO2
排放高峰期, CO2排放通量以 F和X处理最高, 分别为
36.2 kg(CO2-C)·hm2·d1和 36.5 kg(CO2-C)·hm2·d1, 两个
免耕处理(M1、M2)较低, 分别为 22.9 kg(CO2-C)·hm2·d1
和 22.7 kg(CO2-C)·hm2·d1。

图 3 不同耕作措施下农田土壤 CO2排放通量及 5 cm土壤温度的季节性变化规律
Fig. 3 Seasonal changes of CO2 fluxes under different tillage treatments and soil temperature at 5 cm
从周年 CO2 排放通量动态变化来看, 每个月不
同处理 CO2排放表现不尽相同。在秸秆还田情况下,
深翻耕和旋耕 CO2 排放通量较免耕高, 这可能是耕
作方式不同和秸秆还田方式不同双重作用的结果。
一方面频繁耕作或对土壤扰动会导致土壤有机碳的
大量损失, CO2释放量增加, 而免耕则能有效控制土
壤有机碳损失, 增加有机碳的储量, 降低 CO2 释放
量[20]; 另一方面, 免耕处理为秸秆表覆, 腐解较慢,
减缓了因秸秆腐解造成的 CO2释放。在同样耕作条
件下, 秸秆还田会增加农田土壤 CO2 排放量, 秸秆
还田后一部分残留于土壤中成为土壤有机质的来源,
另一部分将会以 CO2气体的形式散逸到大气中。因
此, 随着秸秆还田量的增加 CO2 排放也会增加, 这
也是 F处理 CO2排放通量高于 CK处理的主要原因。
2.2 农田土壤温室气体排放总量
利用数值积分法对每季作物动态监测的温室气
体排放通量进行积分, 获得小麦、玉米生长季和周年
温室气体排放总量(表 2)。结果表明华北平原小麦玉
米轮作农田土壤是 CO2和 N2O排放的源, 是 CH4的
吸收“汇”。小麦季和玉米季温室气体的源/汇强度存在
差异, 玉米季土壤作为 CO2和 N2O 的排放源强度大
于小麦季, 而作为 CH4 吸收汇的强度又低于小麦季,
玉米季土壤排放N2O总量为 1.21~2.07 kg(N2O-N)·hm2,
CO2总量为 3 804~4 941 kg(CO2-C)·hm2, 吸收 CH4
第 6期 闫翠萍等: 不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势 711


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表 2 不同耕作措施下农田土壤温室气体排放总量估算
Table 2 Total emission of greenhouse gases from agricultural soil under different tillage treatments
N2O排放量
Total N2O emission [kg(N2O-N)·hm2]
CH4排放量
Total CH4 emission [kg(CH4-C)·hm2]
CO2排放量
Total CO2 emission [kg(CO2-C)·hm2] 处理
Treatment 小麦
Wheat
玉米
Maize
全年
Annual
小麦
Wheat
玉米
Maize
全年
Annual
小麦
Wheat
玉米
Maize
全年
Annual
M1 0.85±0.03 1.21±0.11 2.06±0.20b 2.20±0.14 0.30±0.04 2.50±0.12a 2 908±423 3 996±641 6 904±606c
M2 0.88±0.10 1.40±0.12 2.28±0.16b 1.45±0.08 0.32±0.06 1.77±0.07b 2 835±210 4 516±351 7 351±552bc
X 1.25±0.15 1.28±0.10 2.54±0.27b 0.99±0.16 0.34±0.06 1.33±0.13c 3 932±472 4 941±338 8 873±558ab
F 1.80±0.10 2.07±0.12 3.87±0.40a 0.97±0.17 0.41±0.05 1.38±0.14c 4 438±213 4 627±373 9 065±908a
CK 0.83±0.06 1.46±0.11 2.29±0.14b 0.78±0.15 0.79±0.04 1.57±0.12bc 3 620±426 3 804±395 7 425±93bc
同列数字后标有不同字母表示处理间差异达 5%显著水平。下同。Different letters within the same column indicate significant difference at
P<0.05 level. The same below.

总量为 0.30~0.79 kg(CH4-C)·hm2。小麦季土壤排
放 N2O总量为 0.83~1.80 kg(N2O-N)·hm2, 较玉米
季低 13%~31%; CO2 排放总量为 2 835~4 438
kg(CO2-C)·hm2, 较玉米季低 10%~25%; CH4吸收总
量 0.78~2.20 kg(CH4-C)·hm2, 除对照处理外, 较玉
米季增加了 1.3~6.4倍。因此, 玉米季是土壤排放温
室气体的主要时期, 其温室效应远大于小麦季。
不同耕作措施和秸秆还田方式对不同温室气体
的排放源和吸收汇强度的影响不同。对于农田土壤
N2O 排放 , 全年排放总量由大到小的顺序为翻耕
(F)>旋耕(X)>免耕 2(M2)>对照(CK)>免耕 1(M1), F
处理 N2O 排放量显著高于其他处理(P<0.05), 其他
处理间无显著性差异。对于农田土壤 CO2 排放, 全
年排放总量由大到小的顺序与 N2O排放顺序相同, F
处理显著高于 CK和两个免耕(M1、M2)处理(P<0.05),
与 X处理间无显著性差异, X显著高于 M1(P<0.05),
与 CK和 M2之间无显著性差异。M1处理 CO2排放
量最低, 但与 CK和 M2之间无显著差异。对于农田
土壤对大气 CH4 的吸收, 耕作措施与还田方式的影
响小麦季高于玉米季, 究其原因主要是由于耕作与
秸秆还田活动于小麦播种前进行, 对土壤扰动强烈
的处理出现短时 CH4 排放, 减弱了整季吸收量, 以
玉米秸整秸覆盖免耕处理(M1)吸收量最高, 秸秆移
出深翻耕处理(CK)最低, 全年吸收总量由高到低的
顺序为 M1>M2>CK>F>X, M1处理土壤对大气 CH4
吸收量显著高于其他处理(P<0.05), M2 处理显著高
于 F和 X处理(P<0.05), 但与 CK处理间无显著性差
异, F和 X处理对 CH4的吸收氧化能力最低。
2.3 不同耕作体系综合温室效应估算
在农作物生产过程中, 不仅仅是农田土壤排放
温室气体, 各项农田管理活动如耕作、播种、收获、
灌溉、施肥等均可直接或间接引起 CO2以及其他温
室气体排放。因此, 在对农田生态系统温室效应进
行综合评估时, 除了关注农田土壤引起的温室气体
直接排放外, 还应考虑各项农事活动直接或间接引起
的温室气体排放, 并将其统一转换为碳当量(carbon
equivalent)。
2.3.1 农事活动引起的碳排放
在试验过程中需要进行翻地、播种、收获或秸
秆还田等操作, 这些过程均有机械的参与, 而机械
燃油会产生大量的 CO2, 不同的耕作方式及秸秆还
田制度会影响机械能的投入和等量 CO2 的投入, 可
以通过机械燃油量来计算 CO2产生量, 燃油的 CO2
排放系数见表 1。
试验期间, 记录了每个处理的具体油耗, 如表 3所
示。结果表明不同处理间的油耗存在很大差异, 由此引
起的 CO2 排放亦存在明显差异, 以旋耕(X)和翻耕(F)
处理机械耗油最多, 由此引起的 CO2排放量也最高。
表 3 不同耕作处理的机械油耗与等当量 CO2投入量
Table 3 Fuel consumption and equivalent CO2 inputs under different tillage treatments
机械油耗 Fuel consumption by machine (L·hm2·a1)
处理
Treatment
玉米秸秆粉碎
Maize straw
smashing
翻地/旋耕
Ploughing/rotary
tillage
秸秆移除
Straw remove
小麦、玉米播种
Wheat/maize
sowing
平整土地
Land leveling
小麦收获
Wheat harvest
总油耗
Total fuel
consumption
等当量 CO2
Equivalent CO2
[kg(CO2)·hm2·a1]
M1 0 0 0 31.05 0 30 61.05 158
M2 47.25 0 0 31.05 0 30 108.30 280
X 47.25 45.00 0 11.40 3 30 136.65 354
F 47.25 37.50 0 11.40 3 30 129.15 335
CK 0 37.50 3.75 11.40 3 30 85.65 222
712 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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在作物种植过程中需要进行灌溉, 灌溉水来自
地下水, 灌溉时用水泵将水抽至地面, 在这个过程
中需要消耗电能 , 间接通过发电引起了碳排放。
Mosier 等[11]研究表明每从地下泵出 1 cm 水进行灌
溉大致需要 14.8 度电, 可引起 1.29 kg(CO2-C)等当
量排放。试验期间小麦季平均灌溉量 157.5 mm, 玉
米季平均 70 mm, 每年灌溉耗电引起的 CO2排放相
当于 29.3 kg(CO2-C)·hm2·a1。
施肥不仅可以直接影响农田土壤温室气体排放,
在其生产、运输过程中亦会引起温室气体排放。目前
关于肥料生产和运输过程中产生等当量 CO2的研究结
果不一, Robertson等[10]认为每生产、运输、施用 1 kg N
大约可引起CO2的排放量为 4.51 kg(CO2)·kg1(N), 而
Adviento-Borbe 等[7]和 West 等[12]的研究结果分别为
4.05~4.51 kg(CO2)· kg1(N)和 2.6~3.24.51 kg(CO2)·kg1(N)。
在此取其平均值 3.59 kg(CO2)·kg1(N)。磷肥生产运输
过程中引起的 CO2排放量为 0.61 kg(CO2)·kg1(P)。试
验期间每年施用氮肥 426 kg(N)·hm2, 磷肥 60 kg(P)·hm2,
每年因为施肥引起的等当量 CO2 排放量为 1 567
kg(CO2)·hm2。
2.3.2 农田生态系统经初级生产力碳截存
农田生态系统通过光合作用产物将太阳能转换
为生物能, 在此过程中固定 CO2, 这是农田生态系
统作为大气 CO2 汇的功能。农田生态系统对大气
CO2固定通常用作物净初级生产力(NPP)表示, 固碳
量可参照公式(7)~(8)计算。
试验期间每季作物收获时测定作物产量和地上
部生物量, 根据式(7)和式(8)计算了植株地上和地下
部分转化为 NPP的碳总量(表 4)。结果表明, 旋耕(X)
处理经济产量和对碳的截获量最高, 不同耕作处理
籽粒产量由高到低的顺序为旋耕(X)>翻耕(F)>免耕
2(M2)>对照(CK)>免耕 1(M1); 植株转化为净初级生
产力 (NPP)的碳量由大到小的顺序旋耕 (X)>免耕
2(M2)>翻耕(F)>对照(CK)>免耕 1(M1)。由此可见 ,
旋耕处理无论是作物经济生产能力还是碳的截
获能力均为最高 , 而多年秸秆整秸覆盖免耕处理
(M1)经济产量和碳截获量均最低。多年秸秆整秸覆
盖免耕致使耕层土壤紧实度增加, 影响作物根系下
扎; 此外, 秸秆整秸覆盖不能使秸秆很好与土壤混
合, 影响秸秆腐解和土壤有机质的形成, 对提升土
壤肥力有一定影响, 故其生产能力较差。对照处理
因为每年进行翻耕, 且无秸秆还田, 对土壤的频繁
扰动加速了其土壤原有有机质的分解, 降低了土壤
碳库储量 , 对提升土壤地力和作物生产能力不利 ,
其作物产量和碳截获量均明显低于除 M1以外的其
他处理。
表 4 不同耕作处理作物产量及植物碳截获量(GWPNPP)
Table 4 Crop yield and plant carbon capture (global warming
potential based on NPP, GWPNPP) of different tillage treatments
处理
Treatment
籽粒产量
Grain yield
(kg·hm2)
秸秆产量
Straw yield
(kg·hm2·a1)
全年总 GWPNPP
Total GWPNPP
[kg(C)·hm2·a1]
M1 13 166±736c 14 177±798b 14 779±828b
M2 13 834±601b 15 272±715ab 15 732±711a
X 14 294±991a 15 519±998a 16 114±1 075a
F 13 909±580ab 15 032±684b 15 643±681a
CK 13 178±116c 14 302±153b 14 853±162b

2.3.3 不同耕作体系综合温室效应评价
对农田生态系统进行综合温室效应评价时, 应
全面考虑农田生态系统的碳流, 不应仅仅是土壤表
观呼吸排放的 CO2 量, 还应涵盖灌溉、机械和肥料
施用等农事活动所造成的 CO2 排放量, 以及作物转
化为 NPP的碳量(GWPNPP)。在此因为是计算农田生
态系统 CO2净排放量, 故此处的 GWPNPP只能包括
残留在农田生态系统内的那部分植物转化为 NPP的
碳量, 如果进行秸秆还田, 那么GWPNPP包含生产地
下部根系和地上部植株(秸秆)时转化为 NPP的碳量,
如果秸秆移出, 那么 GWPNPP 就只包含生产地下部
根系时转化为 NPP 的碳量(如对照处理), 所有处理
生产成籽粒部分转化为 NPP的碳量不包含在内。根
据式(5)~(9)可计算出农田生态系统的综合增温潜势
(表 5), 结果表明两个免耕处理 GWP 均为负值, 表
明农田生态系统为大气的碳汇, 去除农事活动引起
的直接或间接排放的 CO2或 CO2当量后, 每年农田
生态系统净截留 947~1 070 kg(C)·hm2; 其他 3个处
理农田生态系统的GWP值均为正值, 表明温室气体
是由系统向大气排放, 其GWP由大到小的顺序为对
照(CK)>翻耕(F)>旋耕(X)。
如果仅评价农田生态系统的综合增温效应, 两
个秸秆覆盖免耕措施是温室效应最低的, 对环境最
有益, 但其经济产量很低, 不能满足农业生产高效
可持续发展的要求。农业生产目标是提升经济产量
和可持续发展, 在进行农田生态系统的综合增温效
应评价时要兼顾经济效应和环境效应, 故在华北小
麦玉米轮作体系中 , 耕作制度与秸秆管理上实施
秸秆粉碎还田旋耕将是最优化的耕作措施, 其温室
效应相对较低, 而又能保证较高的经济产量。在采
用该耕作措施时, 应特别注重农田氮素管理, 最大
限度减少 N2O排放, 降低其增温潜势。
第 6期 闫翠萍等: 不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势 713


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表 5 不同耕作体系温室气体的增温潜势
Table 5 Global warming potential (GWP) under different tillage treatments
GWPNPP [kg(CO2-C)hm2] GWPsoilexport [kg(CO2-C)hm2] GWPindirect [kg(CO2-C)hm2] 处理
Treatment 籽粒
Grain
秸秆+根
Straw+root
GWPCH4 GWPN2O GWPCO2
机械油耗
Fuel
灌溉能耗
Energy
肥料
Fertilizer
ΔGWP
M1 6 188346 8 591483 231.1 26326 6 904606 43 29 428 947
M2 6 502283 9 230429 160.6 29120 7 351552 77 29 428 1 070
X 6 718466 9 396609 121.2 32434 8 873558 97 29 428 343
F 6 537272 9 105410 131.3 49451 9 065908 91 29 428 989
CK 6 194118 4 85670 141.1 29218 7 42593 61 29 428 3 364
GWPsoilexport: 土壤排放温室气体增温潜势; GWPindirect: 农事活动投入引起的间接增温潜势; GWPNPP: 净初级生产力增温潜势; ΔGWP: 综
合增温潜势, 正值代表系统为温室气体的源, 反之则为汇。GWPsoilexport: global warming potential of soil greenhouse gases emission; GWPindirect:
indirect global warming potential of farming activities; GWPNPP: global warming potential of plant carbon capture. ΔGWP: comprehensive global
warming potential, its positive value means farming system is sources of greenhouse gase, the negative value means farming system is sink of
greenhouse gas.

3 讨论
3.1 耕作措施与秸秆还田方式对农田土壤温室气
体排放的影响
由于农事活动以及气候条件的影响, 耕作、施
肥、灌水后以及高温多雨的夏玉米季是农田土壤温
室气体排放的主要时期, 此时不同处理间温室气体
排放通量差异较显著。10 月份, 冬小麦播种前是耕
作措施实施期, 秸秆粉碎还田深翻耕处理(F)温室气
体排放通量最高, 一方面深翻耕加速了郁闭于土壤
中的温室气体的排放, 另一方面新鲜有机物质翻耕
进入土壤, 加之播种前的底墒水肥, 加速了微生物
的活动, 急剧提高了温室气体排放量。对于无秸秆
还田深翻耕处理(CK), 虽然翻耕亦加速了郁闭于土
壤中温室气体排放, 但由于多年没有秸秆还田, 土
壤有机碳源远没有秸秆还田处理充足, 导致 CK 处
理温室气体排放通量低于其他处理; 此外, 由于翻
耕加速了土壤蒸发, 水分含量下降较快, 土壤厌氧
环境维持时间较短, 使得该处理翻耕后温室气体排
放峰持续时间较短, 导致 10月份 CK处理温室气体
平均排放通量在所有处理中最低。对于旋耕处理(X),
尽管秸秆进行了粉碎还田, 由于旋耕不能使秸秆很
好与土壤混合, 土壤孔隙较大, 加速了土壤水分的
蒸发, 明显减低了土壤含水量, 不利于新鲜有机物
质的腐解以及反硝化过程的发生; 此外, 由于土壤
扰动没有翻耕力度大, 郁闭于土壤中的气体难于充
分释放, 导致 10 月份旋耕处理气体排放(CH4除外)
低于其他秸秆还田处理。对于两个免耕处理, 由于
秸秆只是覆盖于土壤表面, 土壤未经扰动, 郁闭于
土壤中的气体难于释放, 故该处理比同样是秸秆还
田的翻耕处理低很多; 另一方面, 秸秆覆盖降低了
土壤蒸发 , 利于保持土壤水分和土壤的厌氧环境 ,
加速了土壤反硝化过程, 从而提高了 N2O排放通量,
这是小麦播种后短时间内免耕处理比旋耕处理 N2O
排放通量高的主要原因。随着小麦进入越冬期, 各
处理温室气体排放急剧下降, 处理间差异也不再明
显, 但 F处理 N2O排放通量持续比其他处理偏高。3
月底 4 月初, 小麦进入拔节期, 施肥灌溉引起的温
室气体排放急剧增加, 各处理间气体排放通量再度
出现明显差异, X和 F 处理 N2O和 CO2排放通量显
著高于其他处理, 二者之间无显著差异。主要原因
是这两个处理的秸秆还田方式有助于秸秆腐解和有
机碳在土壤中的固持, 土壤碳源丰富 [21], 微生物数
量和活性均较高 [22], 一旦施肥灌水, 会急剧促进微
生物参与的反硝化过程和土壤呼吸强度, 显著提高
N2O和 CO2的生成量和排放量。在此值得一提的是,
经过近半年的淀积, 旋耕(X)处理的秸秆与土壤已能
充分混匀, 此时辅以施肥灌溉, 更能激发秸秆的腐
解速度, 促进 CO2 产生与排放; 同时一方面消耗土
壤空气中的氧气, 为反硝化微生物营造更好的厌氧
环境, 另一方面为微生物提供了更多的碳源、底物,
促进反硝化过程及其中间产物 N2O 的生成与排放,
这也是该时期旋耕处理 CO2和 N2O排放通量最高的
主要原因。
通常在 7 月中旬玉米大喇叭口期进行追肥和灌
溉, 短时间内在表层土壤中累积了大量 NH4+-N 和
NO3-N, 为硝化和反硝化微生物提供了充足的底物,
激发其活性; 此时亦正值高温多雨季节, 土壤孔隙
含水量(WFPS)一般高于 60%, 多为 80%左右, 5 cm
地温保持在 25~32 ℃, 土壤温湿度适宜于各类微生
物活动, 促进了还田秸秆的腐解和反硝化过程的强
烈发生, 导致此阶段 N2O 和 CO2 排放通量的激增,
这也是全年中 7月份 N2O和 CO2排放通量最高的主
要原因。
714 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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研究结果表明, 耕作措施和秸秆还田方式显著
影响农田土壤温室气体排放, 翻耕比免耕更有利于
农田温室气体排放, 主要是土壤扰动促进了郁闭于
土壤内的气体释放; 秸秆深施较秸秆表面覆盖更有
利于农田土壤温室气体排放, 秸秆深施较表覆更易
于分解[23], 为反硝化微生物提供了充足的能源物质
和微域厌氧环境, 利于反硝化过程的进行, 促进了
N2O 的生成与排放; 同时, 秸秆腐解过程中释放大
量 CO2, 提高了 CO2排放通量。
3.2 耕作与秸秆还田对温室气体排放总量及其增
温潜势的影响
综合考虑耕作措施与秸秆还田方式对 3 种温室
气体的排放和吸收的影响, 秸秆粉碎还田深翻耕对
温室气体的排放和吸收影响最大, 不仅强化了土壤
作为 CO2和 N2O 排放源的特征, 也强化了土壤作为
CH4 吸收汇的特征, 主要源于该处理不仅为土壤增
加了有机物质 , 还对土壤进行了较大强度的扰动 ,
使还田秸秆能与土壤较好地混合接触, 不仅为土壤
微生物提供了能源物质, 还为其营造了适宜的土壤
环境, 利于提高各类微生物的活性, 激发微生物参
与的各类生物化学过程。M1是温室效应最低的一个
处理, 其 CO2和N2O排放量最低, CH4吸收量却是最
高 , 究其原因 , 很可能是常年未对土壤进行扰动 ,
不仅抑制了郁闭于土壤空气中的温室气体的排放 ,
还增加了 N2O的还原量。曾有报道认为对未扰动土
壤进行耕作可大大降低土壤 CH4汇的强度[15], 耕作
破坏了土壤原有结构, 减少了土壤 CH4 氧化程度,
这从另一角度为 M1 处理 CH4吸收量最高提供了佐
证。万运帆等[23]的研究结果认为, 秸秆还田和免耕
措施促进土壤对 CH4 的吸收, 秸秆深施对土壤吸收
CH4 的影响大于秸秆表覆与免耕, 主要是由于改善
了土壤通气状况, 更有利于 CH4 的氧化和对空气中
CH4 的吸收。而张雪松等[24]在同一地区开展的麦田
土壤 CH4 吸收特征结果表明, 秸秆还田后不利于土
壤对 CH4的吸收。由于农田 CH4的排放受诸多因素
的影响, 且 CH4 的排放机理也非常复杂, 耕作引起
CH4吸收/排放的结果还有待进一步研究。
传统耕作措施下综合温室效应显著高于免耕。
传统耕作一方面因其机械投入多, 对土壤扰动强烈,
通过燃油消耗和土壤向大气直接排放大量温室气体,
另一方面地上部秸秆的全部移出降低了系统对碳的
截存。当前本区域秸秆移出农田生态系统后尚无其
他可利用途径情况下, 这种传统耕作方式强化了农
田系统对碳的输出, 提高了其温室效应。免耕措施
一方面机械燃油消耗、各种温室气体排放所造成的
农田系统输出碳当量明显低于其他耕作方式, 另一
方面, 秸秆还田造成农田系统截存大量碳, 使得免
耕措施下农田系统的温室效应最低。在综合增温潜
势的估算中, 秸秆处理方式是影响综合增温潜势的
一个重要分项, 倘若秸秆还田, 则表明秸秆中的碳
被农田系统截存, 其增温效应为负, 在计算综合增
温潜势时要扣除秸秆截存的碳当量; 倘若秸秆被移
出, 秸秆中的碳被完全输出农田系统, 在此暂且认
为被移出农田的秸秆无论作何用途其所含碳最终均
以 CO2 形式排向大气, 其增温效应为正, 在计算综
合增温潜势要累加秸秆的碳当量。对系统的各项温
室气体增温潜势统一转换为碳当量后, 秸秆移出深
翻耕情况下, 农田每年每公顷排放 CO2当量为 12.3 t,
显著高于其他耕作措施。
4 结论
北方小麦玉米轮作农田土壤是 N2O 和 CO2的
排放源, 是 CH4 的弱吸收汇。麦季和玉米季温室气
体的源/汇强度存在差异, 玉米季土壤作为 CO2 和
N2O 的排放源强度大于小麦季, 而作为 CH4吸收汇
的强度又低于小麦季。耕作是影响农田温室气体排
放的重要农业生产方式, 翻耕比免耕更有利于农田
土壤 N2O 与 CO2排放, 秸秆还田比秸秆移出、秸秆
深施比秸秆表面覆盖更有利于土壤N2O与CO2排放,
秸秆还田可增加土壤对 CH4 的氧化吸收, 提高土壤
作为大气 CH4吸收汇的特征。
免耕处理农田生态系统综合增温潜势( GWP )
均为负值, 表明该耕作方式下农田生态系统为大气
的碳汇, 去除农事活动引起的直接或间接排放的 CO2
后, 每年农田生态系统净截留 947~1 070 kg(C)·hm2;
其他处理农田生态系统的 GWP 值均为正值, 表明
温室气体是由系统向大气排放, 其综合 GWP 由大
到小的顺序为无秸秆还田深翻耕(CK)>秸秆粉碎还
田深翻耕(F)>秸秆粉碎还田旋耕(X)。如果单单评价
农田生态系统的综合增温效应, 两个秸秆覆盖免耕
措施温室效应最低, 对环境最有益, 但其经济产量
很低, 不能满足农业生产高产高效可持续发展的要
求。农业生产目标是提升经济产量和可持续发展, 在
进行农田生态系统的综合增温效应评价时要兼顾经
济效应和环境效应双赢, 故在华北小麦玉米轮作体
系中, 秸秆粉碎还田旋耕是最优化的耕作措施, 其温
室效应相对较低, 而又能保证较高的经济产量。
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