全 文 ：中国生态农业学报 2013年 8月 第 21卷 第 8期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Aug. 2013, 21(8): 921−930


* 国家自然科学基金项目(31160269)、“十二五”《循环农业科技工程》项目(2012BAD14B03)、甘肃省干旱生境作物学重点实验室——
省部共建国家重点实验室培育基地开放基金课题(GSCS-2013-13)和甘肃省高等学校研究生导师科研项目(1002-09)资助
** 通讯作者: 张仁陟(1961—), 男, 博士, 教授, 主要从事恢复生态学的研究。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn
蔡立群(1976—), 男, 博士, 副教授, 主要从事恢复生态学方面的研究。E-mail: cailq@gsau.edu.cn
收稿日期: 2012−11−26 接受日期: 2013−04−19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00921
不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的
排放及影响因素研究*
蔡立群 1,2,3 王 娟 2 罗珠珠 1,2 武 均 2 张仁陟 1,2,3**
(1. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070;
3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心 兰州 730070)
摘 要 为了研究耕作措施对双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响, 采用 CO2分析仪、静态箱−气相色
谱法在陇中黄土高原半干旱区对传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作+秸秆还田 4种耕作
措施下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体(CO2、N2O和 CH4)的排放及影响因素进行了连续测定和分析。结果
表明: 测定期内 4 种耕作措施下农田土壤均表现为 CO2源、N2O 源和 CH4净吸收汇; 除传统耕作不覆盖措施,
其他 3种耕作措施不同程度地减少了 2种轮作序列土壤的 N2O排放通量, 并显著增加了土壤对 CH4的吸收。
CO2和 N2O的排放通量分别与地表、地下 5 cm处、地下 10 cm处的土壤温度呈极显著和显著正相关关系, 相
关系数分别为 0.92**和 0.89**、0.95**和 0.91**、0.77*和 0.62*; 而 CH4吸收通量与不同地层的温度之间无明显
的相关关系; CO2和 CH4的通量与 0~5 cm、5~10 cm的土壤含水量均呈显著正相关关系, 相关系数分别为 0.69*
和 0.72*、0.77*和 0.64*, 而与 10~30 cm土壤含水量无明显相关关系; N2O排放通量与各层次的土壤含水量之间
均呈不显著负相关关系。对 2种轮作序列各处理下土壤中排放的 3种温室气体的增温潜势计算综合得出: 4种
耕作措施中, 免耕不覆盖处理可相对减少土壤温室气体的排放量, 进而降低温室效应。
关键词 耕作措施 豆麦双序列轮作 温室气体 排放通量 影响因素
中图分类号: S154.38 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)08-0921-10
Greenhouse gas emissions in double sequence pea-wheat rotation fields under
different tillage conditions
CAI Li-Qun1,2,3, WANG Juan2, LUO Zhu-Zhu1,2, WU Jun2, ZHANG Ren-Zhi1,2,3
(1. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. College
of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Engineering Research
Center for Agricultural Water Saving, Lanzhou 730070, China)
Abstract This study analyzed the effects of different tillage conditions on greenhouse gas emissions of double sequence pea-wheat
rotation fields during 2011. Three greenhouse gases (CO2, N2O and CH4) emission were investigated under four tillage types
[conventional tillage without straw mulching (T), no-tillage without straw mulching (NT), conventional tillage with straw mulching
(TS) and no-tillage with straw mulching (NTS)]. The carbon dioxide analyzer and static chamber-gas chromatographic techniques
were used to continuously measure and analyze the greenhouse gases fluxes. The results showed that double sequence pea-wheat
rotation fields served not only as source of atmospheric CO2, N2O, but also as sink of atmospheric CH4. Compared with T, NT
retarded CO2 emission. The three conservation tillage methods of NTS, NT and TS reduced N2O emission but significantly
increased CH4 absorption. CO2 and N2O fluxes were significantly correlated with topsoil temperature (R2 = 0.92** and 0.89**), soil
temperature at the 5 cm soil depth (R2 = 0.95** and 0.91**) and soil temperature at the 10 cm soil depth (R2 = 0.77* and 0.62*). CH4
fluxes were uncorrelated with soil temperature at different soil depths. The correlation coefficients between CO2 and soil water
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content, and CH4 and soil water content at 0~5 cm soil layer were 0.69* and 0.72*, respectively. The correlation coefficient between
CO2 and soil water content at the 5~10 cm soil layer was 0.77* and that between CH4 and soil water content at the 5~10 cm soil layer
was 0.64*. CO2, CH4 fluxes were positively correlated with soil water content at the 10~30 cm soil layer. N2O fluxes showed negative
correlations with soil water content at different soil layers. The calculated global warming potential of the three greenhouse gases
under the different tillage conditions showed that NT limited greenhouse gas flux, thereby reducing greenhouse effect.
Key words Tillage condition, Double sequence pea-wheat rotation system, Greenhouse gas, Emission flux, Influencing factor
(Received Nov. 26, 2012; accepted Apr. 19, 2013)
CO2、N2O 和 CH4是大气中最重要的温室气体,
对温室效应的贡献率接近 80%[1]。3种温室气体凭借
各自来源的复杂性、较高的增长速率以及增温潜势,
成为人们研究的重点。温室气体排放的加剧主要是
人类活动的结果, 其中农业生产的贡献所占比例相
当大。据估计, 大气中 20%的 CO2、90%的 N2O 和
70%的 CH4 来源于农业活动和土地利用方式的转换
等过程[2]。农田是重要的温室气体排放源, 保护性耕
作对节能减排亦具有重要作用[3]。而轮作是保护性
耕作的一个重要组成部分, 保护性耕作结合合理的
轮作作物和轮作方式, 有效降低农田温室气体排放
的同时 , 还有利于提高土壤肥力并增加土壤有机
质。因此通过调整耕作种植方式来控制农田温室气
体排放对缓解全球气候变暖有着巨大潜力。目前 ,
对于旱作农田温室气体排放的研究多集中在作物生
长期或休闲期温室气体排放的动态变化和日变化及
影响因素上[4−9], 虽取得了许多可喜研究成果, 但仍
缺乏对温室气体排放通量及其影响因子全年连续观
测的系统研究。本文拟通过在陇中黄土高原半干旱
区对传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖
和传统耕作+秸秆还田 4 种耕作措施下豆麦双序列
轮作农田 CO2、N2O和 CH4的全年排放特征的研究,
并探讨环境因子对旱地农田 CO2、N2O 和 CH4排放
通量的影响, 为旱地雨养农田温室气体排放量的正
确估算, 全球温室气体源汇分布规律的分析及制定
合理的温室气体减排措施与方案提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区自然环境概况
试验区位于甘肃省中部偏南的陇中黄土高原半干
旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇。该区干旱多灾,
属中温带半干旱区。平均海拔 2 000 m左右, 日照时
数 2 476.6 h, 年均太阳辐射 594.7 kJ·cm−2, 年均气温
6.4 , ℃ ≥0 ℃积温为2 933.5 , ℃ ≥10 ℃积温为2 239.1 , ℃
无霜期 140 d。区内水资源主要依靠天然降水, 多年平
均降水量 390.9 mm, 80%保证率的降水量为 365.0 mm,
变异系数为 24.3%, 年蒸发量高达 1 531 mm, 干燥度
2.53, 属于典型的半干旱雨养农业区。试验地农田土壤
主要为黄绵土, 土质绵软、质地均匀、土层深厚、储水
性能良好。试验初期 0~200 cm 土层容重平均为 1.17
g·cm−3, 饱和含水率 21.9%, 凋萎含水率 7.3%。图 1 为
温室气体测定期内降雨量分布状况。

图 1 试验区测定期降雨量分布
Fig. 1 Distribution of the precipitation during determination period in the experimental area
1.2 试验设计与材料方法
保护性耕作长期定位试验从 2001年开始, 保持
至今, 采用随机区组设计, 试验地采取春小麦、豌豆
双序列轮作措施, 即2009年小麦→2010年豌豆→2011
年小麦(简称W→P→W)序列和 2009年豌豆→2010年
小麦→2011 年豌豆(简称 P→W→P)序列, 其中各序列
分别设 4 个不同耕作措施处理: T, 传统耕作不覆盖,
即前茬作物收获后三耕两耱, 翻耕深度依次为 20 cm、
10 cm和 5 cm; NT, 免耕不覆盖, 即全年不耕作, 不覆
盖任何材料, 播种时仅用免耕播种机一次性完成播
种和施肥 ; TS, 传统耕作+秸秆还田 , 即耕作同 T,
但在第一次耕作的同时将前茬作物秸秆翻埋入土 ;
NTS, 免耕秸秆覆盖, 即耕作同 NT, 小区地面均匀
覆盖前茬作物秸秆。各处理设 4次重复, 共计 16个
第 8期 蔡立群等: 不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究 923


小区, 小区面积 20 m×4 m=80 m2。
供试春小麦品种为“定西 35 号”, 豌豆品种为“绿
农 1号”。本试验春小麦于 2011年 3月 15日播种, 7月
底收获, 播种量 187.5 kg·hm−2, 行距 20 cm, 各处理均施
纯 N 105 kg·hm−2(尿素, N 46%), 纯 P2O5 105 kg·hm−2
(过磷酸钙, P2O5 14%); 豌豆于 2011年 4月 1日播种,
7月底收获, 播种量 180 kg·hm−2, 行距 24 cm, 各处理
均施纯 N 20 kg·hm−2(尿素 , N 46%), 纯 P2O5 105
kg·hm−2(过磷酸钙, P2O5 14%)。所有试验肥料均作为基
肥在播种时同时施入。试验地覆盖处理所用秸秆为前
茬作物秸秆, 收获打碾后切碎均匀撒布于小区内。
1.3 气体样品的采集与分析
采样期为 2010年 11月 4日至 2011年 11月 3日,
每隔 15 d进行 1次采样, 每次分别采集W→P→W序
列与 P→W→P 序列排放的气体, 气体采集均在上午
8:30—11:30完成。
N2O、CH4 气体同时采用静态暗箱密闭法采
集。采样箱用 1 mm厚 304 K薄不锈钢板制成, 直
径 38 cm, 高 35 cm。底座内径 36.5 cm, 埋入各处
理小区, 整个采样期不再移动。箱体外覆反光铝箔
保温膜, 箱体一侧安装三通阀采气孔并连接一根塑
料细管用于注射器采样, 箱内壁装有 1个 12 V混气
风扇、箱顶开一测温口便于采样时观测箱内温度 ,
采样时将采样箱扣入底座凹槽内并加水密封后立
即用注射器分别采集 0 min、10 min和 20 min时的
气体样品, 通过采气三通阀分别注入 150 mL 铝塑
复合气袋中, 密封保存。每次采样结束立即将样品
带回实验室分析。
使用安捷伦 7890A 型气相色谱仪 (7890A GC
System, USA)进行气体样品分析。色谱条件为色谱柱:
Porapark Q 15 m×0.53 mm×25 μm; 进样口 150 , ℃ 分流
进样。N2O检测器 ECD, 检测温度 300 , ℃ 柱温 45 , ℃
柱流速 3.3 mL·min−1, 载气为高纯N2(≥99.999%), 流量
60 mL·min−1。CH4检测器 FID, 检测温度 200 , ℃ 柱温
55 , ℃ 柱流速 7.7 mL·min−1, 载气为高纯 N2(≥
99.999%), 流量 10 mL·min−1。
气样中 N2O、CH4的浓度采用外标工作曲线法
计算, 排放通量(M)的计算公式如下:
M=∑(FN+1+FN)/2×(tN+1−tN) ×24 (1)
式中: M为整个测定期内温室气体(N2O、CH4)的累积
排放量(kg·m−2); F为温室气体(N2O、CH4)的排放通量
(kg·m−2·h−1); N为采样次数; t为采样时间, 即距初次
采样的天数。
增温潜势(GWP)的计算公式如下:
GWP=CO2的排放量×1+ N2O的排放量×284+
CH4的排放量×62 (2)
其中, CO2气体通量采用 EGM-4便携式 CO2分析仪
(英国 PP Systems公司生产)测定。本文以 1 kg CO2
的增温潜势为 1, 1 kg N2O和 CH4的增温潜势分别为
1 kg CO2的 284倍和 62倍[10], 从而得出 W→P→W
序列和 P→W→P 序列各处理下 CO2、N2O 和 CH4
全年的综合增温潜势。
1.4 同期观测数据
土壤温度测定。试验同期在所有采样小区各安
置一套地温计, 每次采集气体的同时同步观察并记
录地表和地下 5 cm、10 cm、15 cm、20 cm及 25 cm
处的土壤温度。
土壤水分含量测定。在每次采集气体的同时分
别测定 0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm 3个土壤层的
水分含量。用土钻在各土层取土后分别放在铝盒内,
采用烘干法[(105±2) ]℃ 进行土壤含水量测定。
1.5 数据整理与分析
试验原始数据用 Microsoft Office Excel 2003整
理后, 利用 DPS v7.05、SPSS v17.0软件对数据进行
统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤CO2
排放通量的全年动态变化
图 2a 为不同耕作措施下 W→P→W 序列 CO2
排放通量的全年动态变化曲线。如图 2a所示, 各处
理下 CO2 排放的季节变化趋势比较一致, 均为夏季
最高、春秋季次之、冬季最低, 具有明显的季节性
特征。冬季休闲期各处理下 CO2排放通量随温度缓
慢降低, 在 1 月 18 日前后达到全年排放最小值, 这
可能与冬季休闲期土壤温度的降低, 土壤微生物的
活动受到限制有关。随后各处理 CO2排放通量缓慢
增加至播种前; 在小麦整个生育期, 小麦播种(3 月
15 日)后, 不同耕作措施在 3 月 18 日出现小排放峰,
是由于播种对土壤引起扰动, 加速了土壤有机质的
分解 , 及气温的回升所致; 随着生育期推进 , 各处
理下 CO2排放通量也逐渐增大, 至春小麦拔节期(6 月
3 日前后)均达到全年排放高峰, 并且 NTS>TS>NT>T,
该时期是小麦旺盛生长的时期, 植物光合作用与土壤
呼吸作用大幅增强, 因此 CO2 排放通量呈现比较大
的增加趋势; 随后各处理 CO2 排放通量缓慢降低至
成熟期(7月 18日左右); 小麦收获后 8月 3日各处理
下的 CO2排放通量较 7 月 18 日各处理均大幅降低,
是因为小麦的收获大幅度降低了土壤−植物系统中
的 CO2排放通量; 随后各处理下 CO2排放通量均有
所回升直至 9 月 3 日, 这可能与地上部分的凋落物
增加, 从而为土壤微生物提供更多的有机基质有关,
924 中国生态农业学报 2013 第 21卷


之后的降低可能是由于秋季休闲期土壤温度起了主
导作用。在整个全年的排放过程中, 4种不同耕作措
施下 CO2 的年平均排放通量的大小依次为
NTS>TS>T>NT。
图 2b为不同耕作措施下 P→W→P序列 CO2排
放通量的全年动态变化曲线。如图 2b所示, 各处理
下 CO2 排放通量具有明显的季节变化规律, 各处理
之间的变化趋势比较一致。冬季休闲期随着土壤温
度的降低各处理 N2O 排放通量达到波谷值, 以 NT
处理最低; 随后各处理 CO2 排放通量缓慢增大至豌
豆播种前; 在豌豆的整个生育期, 呈双峰双谷型变
化曲线, 由于播种时人为的土壤翻动, 致使不同处
理间在播种期(4 月 3 日前后)至五叶期(5 月 3 日前
后)CO2 排放通量差异较大 , 五叶期出现排放低谷;
随后各处理排放通量逐渐增大至吐丝期(6 月 3 日前
后)达到生育期第 1 个排放高峰, 随着生育期推进,
至结荚期(7月 3日前后)达到第 2个排放高峰, 随后
各处理CO2排放通量缓慢降低至成熟期(7月 18日左
右); 豌豆收获后 8月 3日各处理下的 CO2排放通量
较 7月 18日各处理均大幅降低, 进入秋季休闲期之
后各处理 CO2排放通量缓慢降低。各处理下 CO2年
平均排放通量的大小次序为: TS>T>NTS>NT。

图 2 不同耕作措施下W→P→W(小麦→豌豆→小麦)序列(a)和 P→W→P(豌豆→小麦→豌豆)序列(b)的土壤 CO2排放
通量动态变化
Fig. 2 Dynamic variations of soil CO2 fluxes in W→P→W (wheat→pea→wheat) (a) and P→W→P (pea→wheat→pea) (b) rotation
sequences under different tillage treatments
T: 传统耕作不覆盖 conventional tillage without straw mulching; NT: 免耕不覆盖 no-tillage without straw mulching; TS: 传统耕作+秸秆
还田 conventional tillage with straw mulching; NTS: 免耕秸秆覆盖 no-tillage with straw mulching. 下同 The same below.
2.2 不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤N2O
排放通量的全年动态变化
图 3a为不同耕作措施下W→P→W序列 N2O排
放通量的全年动态变化曲线。如图 3a所示, 各处理
在整个测定期 N2O 通量的变化趋势比较一致, 均呈
现降低→升高→降低的单峰型变化曲线。冬季休闲
期各处理 N2O 排放通量达到波谷值 , 其中
TS>T>NTS>NT; 小麦播种后, 随着气温缓慢回升通
量也逐渐增大 , 至分蘖期 , 此时水热适宜 , 小麦生
长旺盛, 各处理 N2O 通量达到全年排放最大值, 且
T>NTS>NT>TS; 随后各处理 N2O 排放通量逐渐降
低至拔节期 , 在花期和灌浆期 , 通量又缓慢增加 ,
直至成熟期; 进入秋季休闲期, 随时间的推移各处
理 N2O 通量均逐渐降低, 其中 TS 处理下 N2O 通量
排放高于其他 3 个处理, NT 处理始终最低, 可能是
因为相对于无秸秆还田耕作, 秸秆还田后, 土壤有
机质与全氮含量得到提高, 为土壤微生物提供更多
能量的同时还能为土壤的硝化反应提供充足的底物,
有利于土壤中 N2O 的扩散与释放, 而免耕条件下土
壤的容重较高, 透气性差, 不利于氧气进入土壤也
不利于产生的 N2O顺利排出土壤。
图 3b为 P→W→P序列 N2O排放通量的全年动
态变化曲线。如图 3b所示, 整个测定期各处理 N2O
排放的变化趋势比较一致, 具有明显的季节性特征,
不同耕作措施对 N2O排放有一定影响。在冬季休闲
期, 各处理 N2O 通量随温度降低至最低值, 立春后
随着气温缓慢回升通量逐渐增大; 豌豆播种后, 由
于施用基肥, 土壤水分含量适宜, 土壤中的无机氮
第 8期 蔡立群等: 不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究 925



图 3 不同耕作措施下W→P→W(小麦→豌豆→小麦)序列(a)和 P→W→P(豌豆→小麦→豌豆)序列(b)的土壤 N2O排放
通量的动态变化
Fig. 3 Dynamic variations of soil N2O fluxes in W→P→W (wheat→pea→wheat) (a) and P→W→P (pea→wheat→pea) (b) rotation
sequences under different tillage treatments
含量高, 植株吸收少, 至苗期出现 1个小排放峰, 随
后豌豆生长愈加旺盛, 各处理 N2O 排放达到生育期
内最大值 , 其中 T>NT>NTS>TS, 之后各处理通量
值逐渐减小至吐丝期; 随着生育期推进, 各处理下
N2O 通量又逐渐增加, 直至成熟期, 在豌豆生育期
内 T处理 N2O通量始终高于其他 3个处理, TS处理
最低; 豌豆收获后进入秋季休闲期, 各处理通量值
随着时间的推移而逐渐降低。
2.3 不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤CH4
吸收通量的全年动态变化
图 4a 为不同耕作措施下 W→P→W 序列 CH4吸
收通量的全年动态变化曲线。如图 4a 所示, 整个测
定期各处理 CH4 通量的变化趋势比较一致, 呈单峰
双谷型变化曲线, 均表现为 CH4的净吸收汇, 并具有
明显的季节性特征, 夏秋季较高、冬春季次之。由于
夏、秋两季土壤温度较高、通气性好, 使得 CH4氧化
菌的活性升高, 所以 CH4通量主要为负值, 即土壤吸
收 CH4增强; 冬、春两季土壤温度较低, 使得 CH4氧
化菌的活性降低, 土壤吸收 CH4明显减弱。从图中可
以看出 NT处理首先在春小麦苗期达到生育期内第 1
个吸收高峰, T、TS、NTS处理分别在三叶期达到生
育期吸收高峰, 且 CH4 吸收通量的大小次序依次为:
NTS>NT>T>TS; 随后各处理 CH4吸收逐渐减弱直至
拔节期出现吸收低谷, TS、NTS 分别达到生育期内
CH4通量的最小值; 随后各处理 CH4吸收逐渐减弱直
至拔节期出现吸收低谷, 进入抽穗期, 此时由于水热
适宜, 土壤中 CH4氧化菌活性增强, 各处理下 CH4的
吸收通量逐渐增大直至成熟期, 分别达到生育期内
第 2个吸收高峰, 此时农田土壤对 CH4吸收通量的大
小次序为: NT>NTS>TS>T。
图 4b 为不同耕作措施下 P→W→P 序列 CH4吸
收通量的全年动态变化曲线。如图 4b所示, 不同耕
作措施下 P→W→P 序列 CH4吸收通量变化范围在
0.020 4~0.133 9 mg·m−2·h−1之间, 整个测定期内各处
理 CH4 通量具有明显的季节变化规律, 各处理之间
的变化趋势比较一致, 呈双谷型变化曲线, 均表现
为 CH4的净吸收汇, 农田土壤对 CH4的强吸收主要
集中在豌豆整个生育期内。从图中可以看出, 豌豆
播种后, 各处理 CH4 吸收通量随气温的升高逐渐增
大, 至五叶期均达到生育期内第 1 个吸收高峰; 农
田土壤对 CH4 通量的吸收次序为: NTS>TS>NT>T,
其中 NTS处理是 T处理的 2.26倍; 进入结荚期, 由
于此时水热适宜, CH4氧化菌活性较高, 增强了 CH4
的氧化程度, 因此各处理 CH4 吸收通量明显开始增
大, 至成熟期达到生育期内的第 2 个吸收高峰, 此
时, 不同处理下 CH4 吸收通量的大小次序依次为:
NT>TS>T>NTS; 进入秋季休闲期, TS处理下CH4吸
收通量始终最高, T处理最低, 且各处理 CH4吸收通
量随温度缓慢降低。
2.4 不同耕作措施对 W→P→W 序列和 P→W→P
序列 CO2、N2O和 CH4平均通量的影响
保护性耕作对节能减排具有重要作用 [ 3 ]。
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图 4 不同耕作措施下W→P→W(小麦→豌豆→小麦)序列(a)和 P→W→P(豌豆→小麦→豌豆)序列(b)的土壤 CH4吸收
通量的动态变化
Fig. 4 Dynamic variations of soil CH4 fluxes in W→P→W (wheat→pea→wheat) (a) and P→W→P (pea→wheat→pea) (b) rotation
sequences under different tillage treatments
对W→P→W序列和 P→W→P序列不同耕作措施测一
定时期内 CO2、N2O 和 CH4的平均通量值进行方差分
析和多重比较(表 1), 可以看出不同序列各处理下 CO2、
N2O和CH4的排放通量之间都有显著差异, 说明不同耕
作方式对农田温室气体排放(吸收)产生了一定影响。
其中 W→P→W 序列中, NTS、TS 处理 CO2平
均通量均显著高于 T、NT处理, NTS处理分别较 T、
NT处理高 17.32%、21.84%, TS处理分别较 T、NT
处理高 15.03%、19.68%, 由于秸秆覆盖不仅为土壤
微生物提供了更多的有机基质, 还为微生物活动提
供了适宜的水分, 因此这可能与秸秆覆盖对土壤有
机物料输入和土壤表层水分的增加有关。其中 T 与
NT处理之间、TS与 NTS处理之间差异均不显著; T
处理 N2O 平均通量分别较 NT、TS、NTS 处理高
21.32%、7.61%、14.72%, 各处理之间差异均不显著;
NT、NTS处理下 CH4平均吸收通量显著高于 T、TS
处理, 其中 NT处理分别较 T、TS处理高 39.66%、
20%, NTS处理分别较 T、TS处理高 37.72%、17.44%,
NT处理较 NTS处理略高 3.1%, NT、NTS处理显著
增加了对 CH4 的吸收, 这主要是由于免耕和秸秆覆
盖在保护土壤原有结构的同时, 还增加了土壤 CH4
的氧化程度, 从而促进了土壤对 CH4的吸收。
P→W→P 序列中, T、TS 处理 CO2平均通量均
显著高于 NT、NTS处理, 其中 T处理分别较 NT、
NTS处理高 7.16%、6.21%, TS处理分别较 NT、NTS
处理高 9.73%、8.81%, 两种免耕处理相对于其他 2
种处理可显著减少 CO2排放量; T 处理 N2O 平均通
量显著高于其他 3个处理, 分别较 NT、TS、NTS处
理高 17.18%、30.25%、20.56%; NT、TS、NTS处理下
CH4平均吸收通量均显著高于T处理, 且分别较T处理
高 27.09%、29.95%、26.62%, 可知 TS、NT、NTS 3种
保护性耕作措施显著减少了土壤对 N2O 的排放, 增加
了对 CH4 的吸收, 由于免耕和秸秆覆盖可增加土壤表
层水分, 抑制N2O的硝化和反硝化过程, 从而减少N2O
的排放, 并且免耕可以增加土壤中的好气性微生物, 利
于大气中 CH4的氧化, 促进旱地对 CH4的吸收。
有研究表明, 在实施秸秆还田的过程中, 有可能
引起温室气体的增排, 进而影响最初的固碳效果[11],
也有研究认为, 有机物料和根茬较多的农田土壤呼吸
也高, 并且土壤呼吸随秸秆量的增加而增加[12]。从表 1
可看出 NTS、TS 处理相对增加了土壤 CO2排放。对
固氮植物而言, 一般认为种植豆科作物能直接(内生或
外生根瘤菌参与下的硝化、反硝化反应)或间接(增加 N
量)促进 N2O的排放[13]。从表 1可知, 同W→P→W序
列相比较, 除 TS 处理外, 其余 3 种处理下 P→W→P
序列的 N2O 平均通量都高于 W→P→W 序列各处理,
这主要是由于豆科作物通过自身根瘤菌固氮为土壤提
供更多氮素, 有利于土壤硝化和反硝化作用的进行,
增加了土壤 N2O 的排放。也有研究指出, 对未扰动的
土壤进行传统耕作, 在破坏了土壤原有结构的同时也
减少了土壤 CH4 氧化程度, 可大大降低土壤 CH4 汇
的强度[14−15], 而免耕与秸秆还田措施能够促进土壤对
第 8期 蔡立群等: 不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究 927


CH4的吸收[16]。如下表 1所示, 无论是在W→P→W序
列还是在 P→W→P序列, TS、NT、NTS 3种保护性耕
作措施下 CH4平均吸收通量都高于 T处理。
2.5 环境因子对豆麦双序列轮作农田土壤 CO2、
N2O和 CH4排放通量的影响
对 CO2、N2O 和 CH4排放通量与不同层次土壤
温度进行相关分析表明(表 2), 全年测定期内 CO2排
放通量与不同层次的土壤温度均呈正显著或极显著
相关关系, 由于温度在一定范围内升高能有效促进
植物根系呼吸、土壤微生物活动和有机质的分解作
用, 进而增加土壤中 CO2 的排放。CO2 排放通量与
地表和地下 5 cm处地温的相关性高于与 10 cm处地
温的相关性, 主要是由于试验区的气温日变化较显
著, 地温变化随着深度的增加相对缓慢, 因此地表与
地下 5 cm处地温对于 CO2排放通量的影响较 10 cm
处地温更加明显。全年测定期内 N2O 的排放通量分
别与地表温度、地下 5 cm处和地下 10 cm处的土壤
温度呈极显著和显著正相关关系。有研究发现, 轮
作周期内N2O显著排放发生的频率随 5 cm处土层温
度的变化呈正态分布[17]。CH4 吸收通量与不同地层
的温度之间无明显相关关系。国内外有关学者就温
度对 CH4 排放的影响研究得出的结论也不一致。
表 1 不同耕作措施对W→P→W(小麦→豌豆→小麦)序列和 P→W→P(豌豆→小麦→豌豆)
序列 CO2、N2O和 CH4平均通量的影响
Table 1 Effects of different tillage treatments on average CO2 , N2O and CH4 fluxes in W→P→W (wheat→pea→wheat) and
P→W→P (pea→wheat→pea) rotation sequences
耕作措施 Tillage treatment 轮作序列
Sequence of rotation
气体
Gas T NT TS NTS
CO2 (μmol·m−2·s−1) 0.095 0bB 0.089 8bB 0.111 8aA 0.114 9aA
N2O (mg·m−2·h−1) 0.059 1aA 0.046 5aA 0.054 6aA 0.050 4aA
W→P→W

CH4 (mg·m−2·h−1) −0.035 0aA −0.058 0cC −0.046 4bB −0.056 2cBC
CO2 (μmol·m−2·s−1) 0.115 9abAB 0.107 6cB 0.119 2aA 0.108 7bcB
N2O (mg·m−2·h−1) 0.068 1aA 0.056 4abAB 0.047 5bB 0.054 1bAB
P→W→P

CH4 (mg·m−2·h−1) −0.046 3aA −0.063 5bB −0.066 1bB −0.063 1bB
同行大、小写字母表示各处理在 1%和 5%水平差异显著。The value with capital and lowercase letters in the same line are significantly different
at 1% and 5% levels.

表 2 豆麦双序列轮作农田 CO2、N2O和 CH4排放通量
与土壤温度的相关性
Table 2 Relationship between CO2, N2O, CH4 fluxes and soil
temperature of pea and wheat double sequences rotation field
土壤温度 Soil temperature 气体通量
Gas flux 0 cm 5 cm 10 cm
CO2通量 CO2 fiux 0.92** 0.95** 0.77*
N2O通量 N2O fiux 0.89** 0.91** 0.62*
CH4通量 CH4 flux 0.27 0.33 0.19
*: P<0.05; **: P<0.01 表 3同 The same as Table 3.

Peterjohn等[18]观测发现 CH4吸收量随土壤温度的升
高而增加, 并且呈线性关系。而董云社等[19]在内蒙
古草原的研究发现 CH4的吸收量与土壤温度呈负相
关关系; Dueñas等[20]却认为 CH4的吸收量与土壤温
度不存在相关关系。
土壤含水量通过影响土壤通气状况来影响分解
土壤有机质的微生物种类、数量及其活性, 进而影响
有机质的分解速率、温室气体的生成速率和扩散速
率。对 CO2、N2O和 CH4排放通量与不同层次土壤含
水量的相关分析表明(表 3), 全年测定期内 CO2排放
通量与 0~5 cm、5~10 cm壤含水量之间分别呈显著正
相关关系, 与 10~30 cm土壤含水量无明显相关关系,
表 3 豆麦双序列轮作农田 CO2、N2O和 CH4排放通量与
土壤含水量的相关性
Table 3 Relationship between CO2 flux, N2O flux, CH4 flux and
soil water content of pea and wheat double sequences rotation
fields
土壤含水量 Soil water content 气体通量
Gas flux 0~5 cm 5~10 cm 10~30 cm
CO2通量 CO2 fiux 0.69* 0.77* 0.48
N2O通量 N2O fiux −0.56 −0.51 −0.45
CH4通量 CH4 fiux 0.72* 0.64* 0.31

且与5~10 cm土壤含水量之间的相关性比0~5 cm土壤
水分的相关性高。许多研究表明, CO2排放量与一定范
围内的土壤含水量呈显著相关关系[21]。在特定范围或
在较小范围内的水分变化对土壤呼吸的影响甚微, 只
有土壤含水量达到土壤微生物永久性萎蔫点或超过田
间持水力时, 才会影响土壤 CO2的释放。全年测定期
内N2O排放通量与各层次的土壤含水量之间都呈负相
关关系且相关性不显著, 则说明土壤水分并不是限制
N2O 排放的关键因子。有研究证实, 土壤含水量的增
加或减少都会不同程度地影响微生物活性, 当土壤水
分较低时, N2O 的产生主要源自硝化过程, 当土壤水分较
高时, N2O则来自反硝化过程。CH4排放通量与 0~5 cm、
928 中国生态农业学报 2013 第 21卷


5~10 cm土壤含水量之间呈显著正相关关系, 与10~30 cm
土壤含水量相关性不显著。常年淹水的土壤会引起
CH4 的大量排放, 甚至在土壤水分发生任何微小的变
化时都会明显的影响到 CH4的排放量。
农田生态系统温室气体(CO2、N2O 和 CH4)的排
放是各种环境因子综合作用的结果。通过采用偏相关
分析方法对豆麦双序列轮作农田 CO2、N2O 和 CH4
排放通量与各环境因子之间作回归分析, 分别拟合
出 CO2、N2O和 CH4排放通量与地表温度、地下 5 cm
处地温、0~5 cm土壤水分、5~10 cm土壤水分之间的
相关方程(表 4)。从表 4可以看出, CO2的排放是地表
温度、5 cm地温、5~10 cm土壤含水量共同作用影响
的结果, 拟合方程的相关系数比较高, 达极显著相关
水平; N2O和 CH4的排放通量主要受地表温度、5 cm
地温和 0~5 cm土壤含水量的共同影响。其中, N2O排
放通量与土壤温度、土壤水分的拟合方程相关系数较
高, 呈极显著相关关系, 但在单独分析土壤含水量对
N2O排放的影响时, 从拟合方程可以看出N2O排放通
量与土壤含水量之间的相关性不太明显; 而 CH4 通
量拟合方程的相关系数则达到显著相关水平。
表 4 豆麦双序列轮作农田 CO2、N2O和 CH4通量与环境因子之间的回归方程
Table 4 Regression equation between CO2, N2O, CH4 fluxes and environment factors of pea and wheat double sequences rotation fields
气体通量 Gas flux 回归方程 Regression equation F值 Sig. R2 P
CO2通量 CO2 flux Y1= 8.589+0.481X1+0.724X2+0.537X4 16.549 0.000 1 0.992 <0.01
N2O通量 N2O flux Y2= 26.727+0.259X1+0.348X2−0.287X3 22.103 0.000 1 0.986 <0.01
CH4通量 CH4 flux Y3= 13.365+0.084X1+0.112X2+0.514X3 7.336 0.000 1 0.704 <0.05
X1: 地表温度 topsoil temperature; X2: 5 cm地温 soil temperature at the depth of 5 cm; X3: 0~5 cm土壤含水量 soil water content at the layer
of 0~5 cm; X4: 5~10 cm土壤含水量 soil water content at the layer of 5~10 cm; Y1: CO2通量 CO2 flux; Y2: N2O通量 N2O flux; Y3: CH4通量 CH4
flux.

2.6 不同耕作措施下豆麦双序列轮作下农田土壤
温室气体(CO2、N2O 和 CH4)排放之间的增温
潜势比较
增温潜势(GWP)用于定量衡量不同温室气体对全球
变暖的相对影响。由于农业活动产生的温室气体已成为
加速全球变暖不容忽视的重要原因, 因此衡量不同耕作
措施 3种主要温室气体的增温潜势对预测未来气候变化
具有重要意义。如表 5 所示, 不同耕作措施下 3 种主要
温室气体的年排放量相差较大, W→P→W 序列各处理
下全年 CO2、N2O、CH4 排放的综合 GWP 表现为:
TS>T>NTS>NT, 其中 TS最高为 2 657.67 kg(CO2)·hm−2,
其综合增温潜势值分别是 T、NT和NTS处理的 1.02倍、
1.27 倍和 1.05 倍, 因为 TS 处理对大气温室效应贡献最
多, 而NT处理能相对减少温室气体排放量, 降低温室效
应; P→W→P序列各处理下全年 CO2、N2O、CH4排放的
综合 GWP 表现为: T>NT>NTS>TS, 其中综合增温潜
势T处理最高为3 050.96 kg(CO2)·hm−2, TS处理最低为
2 476.71 kg(CO2)·hm−2, T是TS的1.23倍, 虽然TS处理对
大气温室效应贡献最小, 但对温室气体却有减排效应。
3 结论
测定期内不同耕作措施下农田土壤均表现为
CO2源、N2O源和 CH4净吸收汇, 并且在作物整个生
育期 CO2和 N2O 均呈现高排放, CH4则呈现强吸收,
并具有明显的季节性特征。这与汪婧和刘博 [22−23]
得到的研究结果相一致。
W→P→W 序列下免耕秸秆覆盖、传统耕作+秸
秆还田 2 种处理的 CO2全年平均通量皆显著高于传
统耕作不覆盖和免耕不覆盖处理; P→W→P 序列下
传统耕作不覆盖和传统耕作+秸秆还田 2 种处理的
CO2 全年平均通量均显著高于免耕秸秆覆盖和免耕
不覆盖处理, 2 种免耕处理可明显降低土壤 CO2 排
放。一般认为, 少耕(旋耕)和免耕能够减少温室气体
排放[3,24], 更加有利于生态环境的改善[25]。但关于少

表 5 不同耕作措施下W→P→W(小麦→豌豆→小麦)序列和 P→W→P(豌豆→小麦→豌豆)
序列 CO2, N2O和 CH4的综合增温潜势
Table 5 Comprehensive global warming potential (GWP) of CO2, N2O and CH4 in W→P→W (wheat→pea→wheat) and
P→W→P (pea→wheat→pea) rotation sequence fields under different tillage treatments kg(CO2)·hm−2
W→P→W P→W→P 气体增温潜势
Gas GWP T NT TS NTS T NT TS NTS
CO2增温潜势 CO2 GWP 1 318.20 1 246.04 1 551.31 1 594.34 1 608.20 1 493.05 1 654.00 1 508.32
N2O增温潜势 N2O GWP 1 470.33 1 156.85 1 358.37 1 253.86 1 694.23 1 403.13 1 181.72 1 345.93
CH4增温潜势 CH4 GWP −190.09 −315.01 −252.01 −305.23 −251.47 −344.88 −359.01 −342.71
综合增温潜势 Comprehensive GWP 2 598.44 2 087.88 2 657.67 2 542.97 3 050.96 2 551.30 2 476.71 2 511.54

第 8期 蔡立群等: 不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究 929


耕这方面的报道较少, 还有待于进一步研究。有关秸
秆还田对 CO2排放的影响研究, 国内已得出了比较一
致的结论, 当农田有机物料和根茬较多时土壤呼吸也
高, 并且土壤呼吸随着秸秆量的增减而增减[12,26−27]。
本研究得出免耕秸秆覆盖、传统耕作+秸秆还田处理相
对增加了土壤 CO2排放。
W→P→W 序列 N2O 全年平均通量表现为传统
耕作不覆盖>传统耕作+秸秆还田>免耕秸秆覆盖>
免耕不覆盖, 各处理间差异不显著; P→W→P 序列
下传统耕作不覆盖处理的 N2O全年平均通量显著高
于其他 3种处理, 处理间差异显著。分析结果表明, 2
个轮作序列下除传统耕作不覆盖外, 其他 3 种处理
都明显减少了 N2O排放。国内有关研究结果表明, 不
同耕作措施和秸秆还田方式对农田 N2O 排放有着显
著影响, 翻耕措施比免耕更有利于农田 N2O排放[16]。
本研究表明, 2种传统耕作处理下农田土壤 N2O排放
通量明显高于 2 种免耕处理, 与上述研究结果基本
一致。
W→P→W序列 4种耕作处理下CH4全年平均通
量之间差异极显著 , 依次为免耕不覆盖>免耕秸秆
覆盖>传统耕作+秸秆还田>传统耕作不覆盖。
P→W→P 序列, 传统耕作不覆盖处理下 CH4平均吸
收通量显著低于其他 3 种处理。但无论是在
W→P→W序列还是在 P→W→P序列, 传统耕作+秸
秆还田、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖 3 种保护性耕
作措施均显著增加了土壤对 CH4的吸收。
全年测定期内 CO2、N2O 的排放通量分别与地
表温度、地下 5 cm和地下 10 cm处的土壤温度呈极
显著正相关关系和显著正相关关系; CH4 吸收通量
与不同土壤层次的温度之间无明显相关关系。测定
期内的 CO2、CH4 排放通量与不同土壤层含水量之
间的关系为: 0~5 cm、5~10 cm均呈显著正相关关系,
10~30 cm无明显相关关系; 而 N2O排放通量与各层
次的土壤含水量之间均呈不显著负相关关系。豆麦
双序列轮作农田不同耕作措施下 CO2、N2O、CH4
排放通量之间的差异主要是土壤温度和水分综合作
用的结果。
3 种温室气体的综合增温潜势表现为: CO2 和
N2O正效应, CH4负效应, 各处理的增温潜势中, CO2
的贡献率最大。W→P→W 序列和 P→W→P 序列各
处理下 , 传统耕作+秸秆还田处理对大气温室效应
贡献最多, 而免耕不覆盖处理可相对减少温室气体
排放量, 进而起到降低温室效应的作用。因此, 在今
后的耕作方式选择中, 应充分考虑到这些因素。
在农业生产中耕作措施的选择对温暖化非常重
要, 而如何在轮作作物、覆盖作物的选取、覆盖时
间的长短和减少温室气体排放之间找到平衡则是未
来我们必须注意的课题。
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