全 文 ：中国生态农业学报 2015年 11月 第 23卷 第 11期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2015, 23(11): 13491358


* 国家自然科学基金项目(31271675)和国家科技支撑计划课题(2013BAD05B03)资助
** 通讯作者: 武兰芳, 主要研究方向为农业可持续发展评价、农田生产力与资源环境关系。E-mail: wulf@igsnrr.ac.cn
许艳艳, 主要研究方向为农田生态系统优化管理。E-mail: xuyan20081011@163.com
收稿日期: 20150401 接受日期: 20150703
* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31271675) and the National Key Technology Support
Program (No. 2013BAD05B03)
** Corresponding author, E-mail: wulf@igsnrr.ac.cn
Received Apr. 1, 2015; accepted Jul. 3, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150373
不同耕作措施下土壤 N2O排放及其农学效率*
许艳艳1,2 武兰芳1** 李彬彬1 丘清燕1,2 秦 越1,2
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室 北京 100101; 2. 中国科学院大学 北京
100049)
摘 要 为评价不同耕作措施下华北平原农田土壤 N2O 排放及其农学效率 , 通过设置常规耕作秸秆还田
(CT+)、常规耕作无秸秆还田(CT)、免耕秸秆还田(NT+)、免耕无秸秆还田(NT)4个处理田间定位试验, 采用
静态箱气相色谱法测定分析了连续 3个小麦生长期的表层土壤N2O排放及其主要相关因子, 同时测定了小麦
产量与氮吸收量等相关指标。结果表明: 在 4个处理下, 小麦生长期内表层土壤 N2O排放动态基本一致, 而土
壤 N2O 累积排放量却存在显著差异, 而且耕作方式与秸秆还田存在显著的互作效应。在常规耕作和免耕措施
下, 单位面积土壤 N2O 累积排放量均表现为秸秆还田土壤显著高于无秸秆还田土壤, CT+和 NT+分别比 CT
和 NT高 26.2%和 74.6%; 在无秸秆还田条件下, 土壤 N2O排放量表现为常规耕作比免耕高 42.4%。相关分析
表明, 土壤 N2O排放通量与地下 5 cm土壤温度、土壤孔隙充水率(WFPS)之间呈显著正相关关系, 与土壤溶解
性有机氮(DON)含量之间呈显著负相关关系。利用农学效率指标度量 N2O 排放量时可知, 虽然小麦籽粒产量
和氮肥偏生产力在各处理间没有达到显著性差异, 但每生产 1 kg 小麦籽粒表层土壤 N2O 排放量为 0.18~0.73 g
N2O-N, 每投入 1 kg 氮素表层土壤 N2O 排放量为 5.1~18.0 g N2O-N, 处理间存在显著差异; 与单位面积土壤
N2O排放量表现一致，单位籽粒产量 N2O排放量和单位氮素投入 N2O排放量均表现为无论是常规耕作还是免
耕措施, 秸秆还田土壤均显著高于秸秆不还田土壤, 在秸秆不还田条件下, 常规耕作土壤均显著高于免耕土
壤。总之, 免耕是有效减少土壤 N2O排放的一种耕作措施。
关键词 土壤 N2O排放 耕作措施 秸秆还田 农学效率
中图分类号: X712 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)11-1349-10
Soil N2O emission and its agronomic efficiency under different tillage*
XU Yanyan1,2, WU Lanfang1**, LI Binbin1, QIU Qingyan1,2, QIN Yue1,2
(1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources
Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing
100049, China)
Abstract Cultivated land soil is regarded as an important source of N2O emission that is affected by farming practices. To
determine effects of tillage and crop residues management on soil N2O emission and it’s agronomic efficiency on the North
China Plain, a field experiment was carried out, which contained 4 treatments with 3 replications. The 4 treatments were
conventional tillage with crop residues incorporation to soil (CT+) and without crop residues incorporation to soil (CT),
no-tillage with crop residues mulching (NT+) and without crop residues mulching (NT). During the field experimentation soil
N2O emissions at soil/atmosphere interface were sampled and analyzed by using static chamber-Gas Chromatography (GC)
method in continuous 3 wheat growth seasons; meanwhile, the primary related factors with N2O emission were also investigated
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and analyzed. The results showed that the dynamic changes of soil N2O emission during wheat growth were similar but the
cumulative N2O emissions were significantly different under 4 treatments and, the interactive effect between tillage and
crop residues management was significant. The cumulative N2O emission per unit area under CT+ and NT+ were higher
than those under CT and NT by 26.2% and 74.6%, respectively, and CT treatment emitted 42.4% more N2O than NT
treatment. The soil N2O emission was greatly influenced by soil temperature and soil moisture. The correlation analysis
indicated that there was a significant positive correlation between soil N2O emission and both soil temperature at 5 cm
depth soil and water filled pore space (WFPS), while there was a significantly negative relation between soil N2O emission
and dissolved organic nitrogen (DON). When assessing soil N2O emission in relation to crop productivity expressed as
above-ground N uptake (i.e. yield-scaled and nitrogen input-scaled N2O emission), the soil N2O emissions per kilogram
grain yield were 0.180.73 g N2O-N and per kilogram nitrogen input were 5.118.0 g N2O-N. Although grain yield and
nitrogen productivity were not significantly different among treatments, the N2O emissions in relation to crop productivity
were still significantly different among treatments, similar to the N2O emission per unit area that were also greater under
CT+ and NT+ than under CT and NT. In conclusion, no-till practice is help to reduce N2O emissions from arable land
soil in the North China Plain.
Keywords Soil; N2O emissions; Tillage; Crop residues management; Agronomic efficiency
N2O 作为重要的温室气体之一, 其增温潜势是
CO2的 298 倍[1]。农田土壤是大气 N2O 的重要排放
源, 其产生和排放受土壤耕作、施肥、灌溉等多种
农作措施的影响, 其中耕作方式和秸秆还田主要通
过影响土壤温湿度、土壤性质和土壤养分状况等过
程对 N2O 排放产生重要的影响[2]。Munkholm-Lars
等 [3]在丹麦砂质壤土的研究发现, 常规耕作措施下
土壤排放的 N2O 高于免耕。Ball 等[4]在英国黏壤土
进行的免耕和常规耕作长期定位试验中指出, 免耕
措施下较高的土壤密度和水分含量增加了气体扩散
阻力和土壤厌氧环境, 表层土壤中的反硝化作用速
率提高, 进而促进了土壤 N2O 的排放。太湖地区冬
小麦田的观测表明, 翻耕对 N2O 排放的影响在作物
不同生长阶段表现不同, 但总体而言, 翻耕和免耕
措施下 N2O 平均排放通量并无明显差异[5]。张玉铭
等[6]则认为, 耕作措施对农田土壤 N2O 的排放产生
了显著影响, 翻耕比免耕更有利于 N2O 的排放, 主
要是因为土壤扰动促进了郁闭于土壤内的 N2O向大
气中的释放。汪婧等[7]在我国半干旱地区的研究中
指出, 秸秆还田改善了土壤团粒结构, 减缓了土壤
有机质的降解, 从而降低了土壤 N2O 的排放量。另
有研究显示, 秸秆覆盖能够补充土壤中碳源, 使本
来受碳限制的土壤硝化、反硝化细菌活性增强, 从
而增加了 N2O的排放[8]。马二登等[9]研究发现, 稻草
覆盖于地表显著增加了麦田土壤 N2O 的排放量, 而
将稻草与土壤混合均匀或原位焚烧则显著减少了土
壤 N2O 的排放。胡春胜等[10]研究指出, 秸秆还田可
以改变氮素的迁移和转化规律, 有效减少氮素以气
体形式释放到大气中的量。总之, 不同农作措施对
土壤 N2O排放的影响在不同的气候及土壤条件下具
有不同结果。鉴于此, 典型区域内耕作措施对农田
土壤 N2O排放的影响, 有必要继续进行研究。
有学者[1112]指出, 由于全球对农产品增长的不
断需求, 高投入、高产出的农业生产通常伴随着大
量氮素损失(包括 N2O 排放), 所以, 在评价农田土
壤 N2O 排放时, 相对于单位面积 N2O 排放量, 以作
物生产力相关的农学指标度量土壤 N2O排放更有实
际意义。由于温室气体的排放和作物氮肥利用率均
与化肥施用、耕作方式、秸秆还田等农田管理措施
密切相关, 土壤 N2O 排放量的降低可能伴随而来的
是产量的减少, 更高的化肥氮施入可能引起作物产
量的提高和 N2O 排放量的增加, 如果其带来的产量
提高幅度大于 N2O 排放的增加比例, 则可以降低单
位产量 N2O的排放量。采用作物生产力尺度来度量
N2O 的排放量可以兼顾不同农田管理方式带来的
经济与环境效应, 有利于管理者在寻求作物产量最
大化的前提下确保由此造成的环境影响最低。
Almaraz 等 [13]在对加拿大西部黏壤土进行研究时发
现, 免耕与翻耕相比, 作物产量增加 17%, 而土壤
N2O 累积排放量却增加 35%, 但是, 如果用单位籽
粒产量所排放的 N2O 表示, 两种耕作措施之间差异
并不显著。Venterea等[14]研究表明, 翻耕和免耕措施
下 N2O 累积排放量之间没有显著差异, 而单位地上
部氮吸收量 N2O排放量则表现为免耕土壤显著高于
翻耕, 主要是由于免耕条件下较低的产量造成的。
江波等[15]的研究发现, 与对照相比, 秸秆还田、常规
耕作措施增加了冬小麦土壤 N2O 的排放率, 但明显
降低了单位产量 N2O 的排放量, 降低幅度在秸秆还
田措施下表现最为明显。因此, 有必要对不同耕作
方式下农田土壤 N2O排放的农学效率进行评估。
第 11期 许艳艳等: 不同耕作措施下土壤 N2O排放及其农学效率 1351


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华北平原作为我国的粮食主产区 , 以小麦玉
米一年两熟种植为主体种植制度, 常规耕作和免耕
是最主要的两种耕作措施, 秸秆直接还田又是未来
的主要趋势, 依赖于化肥投入保持作物高产稳产又
是重要的物质基础。因此, 本研究的主要目的是基
于农田定位试验, 测定分析不同耕作措施下小麦对
化肥氮的吸收利用、土壤 N2O的排放及其影响因素,
尝试用籽粒产量和化肥投入量度量评价农田土壤
N2O 的排放, 以探讨小麦生产力与土壤 N2O 排放之
间的关系。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在中国科学院禹城农业综合试验站(东经
116°36′, 北纬 36°57′)进行。气候属暖温带半湿润季
风气候, 多年年均气温为 13.1 ℃, 多年平均降水量
为 583 mm, 且主要集中在 7—9 月。地貌特征为冲
积平原, 土壤类型为盐化潮土。试验开始时 0~20 cm
土壤本底值为: 有机质 12.2 g·kg1, 全氮 0.8 g·kg1,
全磷 2.06 g·kg1, 全钾 22.9 g·kg1, pH 8.4。种植制度
为冬小麦夏玉米一年两熟种植。
1.2 试验设计
田间定位试验开始于 2008 年 10 月, 共设置常
规耕作秸秆还田(CT+)、常规耕作无秸秆还田(CT)、
免耕秸秆还田(NT+)、免耕无秸秆还田(NT)4 种处
理, 试验采用随机区组设计, 每个处理 3次重复。每
种处理的小区面积 2.5 m×2.5 m, 小区与小区之间用
宽 12 cm、深 60 cm的水泥隔板分隔, 并设置 1.2 m×
1.2 m的保护行。秸秆还田为各小区上一个生长季收
获作物籽粒后将剩余的作物根、茎、叶全部归还, 秸
秆还田之前先将其切成约 10 cm 左右的小段。CT+
处理在小麦和玉米播种前先把秸秆均匀地覆盖在小
区土壤表面, 小麦播种前进行常规耕作处理, 使秸
秆耕层土壤充分混合 ; 玉米播种对土壤不进行耕
作。NT+处理在小麦和玉米播种前先把秸秆均匀覆
盖在土壤表层, 然后直接进行播种, 播种时尽量避
免过多扰动覆盖的秸秆。CT和 NT处理于小麦季
按照常规耕作和免耕方式进行耕作与播种, 玉米季
均采用免耕方式。冬小麦于每年 10月中旬播种, 次
年 6 月上旬收获, 播种时采用人工开沟撒种, 行距
20 cm; 同时两行小麦中间开沟施入底肥(N: 195 kg·hm2;
P2O5: 45 kg·hm2; K2O: 60 kg·hm2), 沟深 3~5 cm。夏
玉米于 6月中旬人工点播(6.67×104株·hm2), 10月上
旬收获, 不施底肥。于小麦拔节期和玉米大口期追施
氮肥, 氮肥施用量分别为 115 kg·hm2和 240 kg·hm2。
小麦和玉米生育期内其他的农作管理措施如浇水、
除草全部与当地大田常规方法相同。
1.3 测定项目与测定方法
研究在 2010—2011 年度、2012—2013 年度和
2013—2014 年度 3 个小麦生长季进行采样分析, 气
温和降水数据来自中国科学院禹城农业综合试验站
气象站。
1.3.1 土壤气体的采集与分析
土壤气体采用静态箱气相色谱法 [16]进行测定
分析。采气装置分为上下两部分, 底座常年埋于土
壤中, 每个试验小区 1 个底座。采集气体时将采样
箱放置于底座上 , 底座外围的凹槽用水密封。采样
箱内装有温度传感器 , 同步测量采样时的箱内温
度和地下 5 cm土壤温度。采集气体时间为 20 min,
分别于 0 min、5 min、10 min、15 min时用 20 mL
医用注射针管抽取采样箱内气体, 抽取完毕后用三
通阀密闭针管保存气体。气体采集自小麦出苗(11月
上旬)时开始, 小麦成熟收获(6月上旬)时结束, 小麦
越冬期(12月中旬至来年 3月上旬)只采集 1次, 其他
生育期内采样频率为每周 1 次, 大量降水后于田间
没有积水时进行测定。每次采样从 9:00开始, 11:00
结束, 该时间段对气体通量日平均值的估算有较好
的代表性[17]。采集的气体样品于 12 h 内用安捷伦
4890 气相色谱仪完成对气体样品 N2O 浓度的分析,
N2O 检测器为电子捕获检测器(ECD)。气体通量(表
示单位时间、单位面积观测箱内该气体质量的变化)
的计算公式为:
0 0 0 tC tF M V P P T T H d d     (1)
式中 : F 为土壤气体通量 [ N 2 O 通量单位为
μg(N2O-N)·m2·h1]; M 为气体的摩尔质量(g·mol1);
V0、T0 和 P0 分别为标准状态(温度 273 K, 气压
101.3 kPa)下气体摩尔体积(22.4 L·mol1)、空气的绝
对温度(K)和气压(kPa); P、T 和 H 分别为采样点气
压(kPa)、采样时的绝对温度(K)和采样箱的高度(m);
dCt/dt 为箱内气体浓度随时间的变化率, 正值表示排
放, 负值表示吸收。
N2O累积排放量计算公式:
 1 1 24 1002i i i i
F F
M t t 
        (2)
式中: M、F 分别为 N2O 累积排放量和 N2O 排放通
量, 单位分别为 kg(N2O-N)·hm2、μg(N2O-N)·m2·h1;
i为采样次数; t为采样时间, 单位为 d。
1.3.2 土壤样品
气体采集的同时采集 0~20 cm 土壤样品, 每个
小区采集 3 个点的土样混合均匀, 采用烘干法测定
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土壤水分含量。土壤溶解性有机氮(DON)含量=土壤
浸提液中全氮含量(TDN)硝态氮含量 (NO3-N)铵
态氮含量 (NH4+-N); 其中 , 土壤浸提液的提取采用
1︰5 水土比法[18], 全氮含量采用过硫酸钾氧化紫
外分光光度计法测定, 硝态氮和铵态氮含量采用紫
外分光光度计法测定。分别于小麦播种前和收获后
采用环刀法测定每个试验小区内 0~20 cm土壤容重,
取平均值作为小区土壤容重值。
1.3.3 植物样品
植物样品采用收割法采集, 小麦成熟收获时于
各小区内选择 0.2 m×0.2 m的样方植株齐地取出, 测
定籽粒产量、秸秆干物质量, 籽粒和秸秆分别粉碎
后用凯氏定氮法测定其氮素含量。冬小麦地上部氮
吸收量=籽粒产量×籽粒氮素含量+秸秆干物质量×
秸秆氮素含量。氮肥偏生产力(PFPN)=小麦籽粒产量
(kg·hm2)/所施氮肥总量[kg(N)·hm2]。
1.3.4 土壤孔隙充水率(WFPS)的计算
 
 
WFPS / /
1 /2.65 100%
w w 
 
土壤含水量 土壤容重
土壤容重 (3)
式中: WFPS为土壤含水量(质量), 单位为%; 土壤容
重的单位为 g·cm3; 2.65为土粒密度, 单位为 g·cm3。
1.3.5 土壤 N2O排放量的农学效率计算
单位籽粒产量N2O排放量[g(N2O-N)·kg1]= N2O累
计排放量[kg(N2O-N)·hm2]/小麦籽粒产量(t·hm2)
(4)
单位地上部氮吸收量N2O排放量[g(N2O-N)·kg1 (N)]=
N2O累积排放量[kg(N2O-N)·hm2]/小麦地上部氮吸收量
[kg(N)·hm2]×1 000 (5)
单位氮肥投入量排放 N2O系数(FIEFN)(%)=N2O
累计排放量[kg(N2O-N)·hm2]/氮肥施用量[kg(N)·hm2]×
100%[1112] (6)
1.4 数据处理与分析
采用 SPSS 16.0 进行数据的统计分析, 方差分
析采用单变量方差分析(Univariate), 相关性分析采
用二元变量相关分析方法(Bivariate); 画图软件采用
Sigmaplot 10.0。
2 结果与分析
2.1 小麦生长季内降水与气温状况
研究期间的降水状况如图 1 所示, 2010—2011
年度、2012—2013 年度和 2013—2014 年度冬小麦
生长季累积降雨量分别为 64.5 mm、132.2 mm 和
101.2 mm, 播种至返青期累积降雨量分别为 8.3 mm、
81.2 mm 和 29.4 mm, 小麦返青至成熟期累积降雨
量分别为 56.2 mm、51.0 mm 和 71.8 mm; 分别降
雨 17 d、21 d和 12 d, 日降雨量分别介于 0.2~23.5 mm、
0.9~16.2 mm和 1.6~33.9 mm。3个年度冬小麦生长季
日均气温变化趋势一致(图 2), 分别在8.13~26.2 ℃、
12.2~27.2 ℃和6.0~29.4 ℃范围内变化 , 平均日
均气温分别为 7.77 ℃、7.45 ℃和 8.09 ℃。
2.2 不同耕作措施下土壤 N2O排放通量的动态变化
3 个小麦生长季不同耕作措施下 N2O 排放通
量的变化趋势基本一致(图 3), 小麦出苗至越冬期
前 , 土壤 N2O 的排放通量呈下降趋势。返青期 ,
N2O 排放通量先增加后降低。拔节期追施氮肥和
灌水后 , 土壤 N2O 排放通量增加 , 到抽穗期达到
峰值 , 排放量为 97.23~224.77 μg(N2O-N)·m2·h1。
抽穗灌浆期土壤 N2O 排放通量一直保持在较高
水平。此后土壤 N2O 排放通量逐渐下降 , 至小麦
成熟 , 排放量降至 15.37~34.15μg(N2O-N)·m2·h1。
N2O 平均排放通量 CT+、NT+、CT之间没有显著
差异(P>0.05), 均显著高于 NT处理(P<0.05), 分
别高 85.72%、79.76%和 49.82%。免耕措施下, 秸
秆还田较不还田显著增加了土壤 N2O 的排放; 无
秸秆还田条件下, 免耕较常规耕作明显减少了 N2O
的排放。

图 1 2010—2011年度(a)、2012—2013年度(b)和 2013—2014年度(c)试验区小麦生长季降水量
Fig. 1 Precipitation during wheat growing seasons in 20102011 (a), 20122013 (b) and 20132014 (c) in the experimental site
第 11期 许艳艳等: 不同耕作措施下土壤 N2O排放及其农学效率 1353


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图 2 2010—2011年度(a)、2012—2013年度(b)和 2013—2014年度(c)试验区小麦生长季日均温度
Fig. 2 Daily mean temperature during wheat growing seasons in 20102011 (a), 20122013 (b) and 20132014 (c) in the experimental site

图 3 2010—2011年度(a)、2012—2013年度(b)和 2013—2014年度(c)不同耕作措施下土壤 N2O排放通量的动态变化
Fig. 3 Dynamic changes of N2O fluxes during wheat growing seasons in 20102011 (a), 20122013 (b) and 20132014 (c) under
different treatments
CT、NT、CT+和 NT+分别为常规耕作无秸秆还田、免耕无秸秆还田、常规耕作秸秆还田和免耕秸秆还田处理; ①、②、③、
④和⑤分别代表小麦苗期、越冬期、返青拔节期、抽穗开花期和灌浆成熟期; 垂直箭头代表拔节期施肥灌水日。下同。CT, NT,
represent conventional tillage and no-tillage without crop residues retention, CT+ and NT+ are conventional tillage and no-tillage with crop
residues retention, respectively. ①, ②, ③, ④ and ⑤ represent wheat growth periods of seedling, over-wintering, re-greening to jointing,
earing to grouting, and grain-filling to mature. Downward-pointing arrows indicate dates of fertilization and irrigation. The same below.

2.3 N2O排放的相关影响因素
2.3.1 土壤水热状况
如图 4 所示, 同一年份不同处理间土壤 WFPS
变化趋势一致, 呈现出明显的季节变化。在为期 3
年的观测中, 土壤WPFS均表现为 NT+>NT>CT+>
CT, 处理间差异均达显著水平 , 表明免耕和秸秆
还田措施均显著增加了土壤 WFPS。相关分析显示,
各处理下WFPS与土壤 N2O排放通量之间呈极显著
正相关关系(R=0.31~0.33, P<0.01)。小麦季不同处理
间地下 5 cm土壤温度变化趋势一致(图 5), 出苗越
冬期下降, 返青成熟期升高, 各处理间平均地温无
显著差异(P>0.05)。相关分析表明, 各处理地下 5 cm
土壤温度与土壤 N2O排放通量间呈显著正相关关系
(R=0.31~0.33, P<0.05)。

图 4 2010—2011 年度(a)、2012—2013 年度(b)和 2013—2014 年度(c)不同耕作措施下小麦生长季土壤孔隙充水率的动态变化
Fig. 4 Dynamic changes of water filled pore space (WFPS) of soil during wheat growing seasons in 20102011 (a), 20122013 (b)
and 20132014 (c) under different treatments
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图 5 2010—2011年度(a)、2012—2013年度(b)和 2013—2014年度(c)不同耕作措施下小麦生长季地下 5 cm土壤温度
Fig. 5 Dynamic changes of 5 cm soil temperature during wheat growing seasons in 20102011 (a), 20122013 (b) and 20132014 (c)
under different treatments
2.3.2 土壤溶解性有机氮(DON)与 NO3-N含量
3 个年度中各处理下土壤溶解性有机氮(DON)
含量的季节变化动态如图 6所示。小麦返青拔节期
土壤DON含量先升高后下降; 拔节期施肥灌水后土
壤 DON含量先下降后升高, 于抽穗期达到高峰; 而
后含量逐渐下降。2010—2011 年度和 2012—2013
年度灌浆成熟期土壤 DON 含量升高, 而 2013—
2014年度含量变化平缓。平均 3个小麦生长季来看,
不同耕作措施下土壤 DON 平均含量表现为 NT+显
著高于CT+(P=0.03), CT+显著高于NT和CT (P<0.05);
无论是常规耕作还是免耕, 秸秆还田均显著高于不
还田; 在秸秆还田条件下, 免耕明显高于常规耕作,
无秸秆还田条件下, 免耕和常规耕作间没有显著差
异。相关分析显示, 土壤 DON含量与表层土壤 N2O
排放通量间呈显著的负相关关系 (R=0.47~0.42,
P<0.05)。
2010—2011 年度和 2013—2014 年度小麦季土
壤 NO3-N 含量变化如图 7 所示。小麦返青期后

图 6 2010—2011年度(a)、2012—2013年度(b)和 2013—2014年度(c)不同耕作措施下小麦生长季土壤溶解性有机氮含
量的动态变化
Fig. 6 Dynamic changes of soil dissolved organic nitrogen (DON) contents during wheat growing seasons in 20102011 (a),
20122013 (b) and 20132014 (c) under different treatments

图 7 2010—2011年度(a)和 2013—2014年度(b)不同耕作措施下小麦生长季土壤硝态氮含量的动态变化
Fig. 7 Dynamic changes of soil NO3-N contents during wheat growing seasons in 20102011 (a) and 20132014 (b) under
different treatments
第 11期 许艳艳等: 不同耕作措施下土壤 N2O排放及其农学效率 1355


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NO3-N 含量 NT+处理呈下降趋势, 其他 3 种处理
NO3-N 含量增加 ; 拔节期追施尿素和灌水后土壤
NO3-N 含量较高, 开花成熟期土壤 NO3-N 含量在
较低水平上小幅度波动。不同耕作措施下土壤
NO3-N 平均含量表现为常规耕作处理(CT、CT+)
显著高于免耕处理(NT、NT+, P<0.05), 无论秸秆还
田还是不还田, 常规耕作土壤硝态氮含量均明显高
于免耕土壤 ; 秸秆还田与无秸秆还田间差异不显
著。相关分析显示, 土壤中 NO3-N含量与 N2O排放
通量间相关关系不显著(P>0.05)。
2.4 小麦生育期土壤 N2O累积排放量与农学效率
2.4.1 N2O累积排放量
3 个年度冬小麦生长季 N2O 累积排放量如表 1
表 1 不同年度不同耕作措施下小麦生长季土壤 N2O
累积排放量
Table 1 Soil cumulative N2O emissions during wheat growing
seasons in different years under different treatments
kg(N2O-N)·hm2
年度 Year 处理
Treatment 2010—2011 2012—2013 2013—2014
平均值
Average
CT+ 3.55±0.09a 2.67±0.09b 5.39±0.07a 3.90a
NT+ 2.85±0.02b 3.29±0.10a 5.25±0.37ab 3.79a
CT 2.92±0.07b 2.56±0.07c 3.78±0.09b 3.09b
NT 2.03±0.05c 1.67±0.08d 2.60±0.10c 2.17c
同年度同列不同字母表示不同处理间 5%水平上差异显著。下
同。Values in the same column with different letters are significantly
different (P < 0.05). The same below.
所示。NT+、CT+显著高于 CT和 NT, NT显著低
于其他 3 种处理(P<0.05)。3 个年度 NT较 CT减
排幅度依次为 30.48%、34.77%和 31.22%。3个小麦
生长季内, 无论是常规耕作还是免耕, 秸秆还田较
不还田均显著增加 N2O 排放量; 在无秸秆还田条件
下, 常规耕作较免耕均显著增加 N2O 排放量; 在秸
秆还田条件下, 与免耕相比, 常规耕作对 N2O 排放
量的影响在 3个小麦生长季内表现不同, 2010—2011
年度显著增加了 N2O排放, 2012—2013年度表现为
降低效应, 而在 2013—2014年度两者之间没有明显
差异。3 年综合来看秸秆还田条件下常规耕作和免
耕间差异未达显著水平。
2.4.2 小麦产量和地上部氮吸收量
3 个年度内 CT+较 CT均增加了小麦籽粒产量
(表 2), 后两个年度增产效应显著(P<0.05); NT+、NT
与 CT之间无显著差异(P>0.05), 3个年度 NT仅比
CT减产 1.59%、0.29%和 5.72%。无论秸秆还田与
否, 常规耕作较免耕均提高了小麦籽粒产量; 常规
耕作措施下 , 秸秆还田对冬小麦具有增产效果。
2012—2013 年度和 2013—2014 年度生长季内小麦
地上部氮吸收量在 CT、NT和 CT+之间无显著差
异(P>0.05), 但均显著高于 NT+处理。综合 3年来看,
秸秆还田与不还田条件下, 常规耕作措施小麦地上
部氮吸收量均高于免耕措施 ; 与秸秆不还田相比 ,
无论在常规耕作还是免耕条件下, 秸秆还田均降低
了小麦地上部氮吸收量, 差异均不显著(表 2)。
表 2 不同年度不同耕作措施下小麦籽粒产量、地上部氮吸收量和氮肥偏生产力
Table 2 Grain yield, total shoot N uptake and partial factor productivity from applied N (PFPN) of winter wheat in different
years under different treatments
年度
Year
处理
Treatment
籽粒产量
Grain yield (t·hm2)
地上部氮吸收量
Shoot N uptake [kg(N)·hm2]
氮肥偏生产力
PFPN (kg·kg1)
CT+ 10.78±1.30a 251.25±25.18a 34.53±4.17a
CT 10.05±0.83a 268.14±23.09a 32.19±2.67a
NT 9.89±1.21a 258.67±30.21a 31.66±3.87a
2010—2011
NT+ 9.66±0.32a 227.43±8.46a 30.93±1.03a
CT+ 7.53±0.13a 226.56±3.33a 24.10±0.40a
CT 6.95±0.08b 235.09±4.61a 22.24±0.26b
NT 6.93±0.35b 229.83±6.51a 22.20±1.11b
2012—2013
NT+ 6.45±0.29b 179.00±11.17b 20.66±0.93b
CT+ 8.05±0.27a 194.90±6.02ab 22.92±0.87a
CT 7.47±0.27bc 201.61±6.26a 23.91±0.87bc
NT 7.04±0.13c 184.87±4.67bc 25.79±0.42c
2013—2014
NT+ 7.64±0.21ab 175.57±9.99c 24.46±0.69ab
CT+ 8.79a 224.24a 28.14a
CT 8.15a 234.95a 26.12a
NT 8.12a 224.32a 25.99a
平均值
Average
NT+ 7.92a 194.00a 25.35a
1356 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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小麦季不同处理下氮肥偏生产力 (PFPN)在 3
个年度中的变化范围依次为 26.66~37.92 kg·kg1、
19.76~24.54 kg·kg1和 22.03~26.64 kg·kg1。和免耕
措施相比, 常规耕作在秸秆还田条件下提高了小麦
PFPN, 秸秆不还田条件下增加效果不明显; 在常规
耕作措施下, 秸秆还田较不还田增加小麦 PFPN幅度
为 7.73%; 在免耕措施下, 秸秆还田较不还田降低
小麦 PFPN的幅度为 2.52%。
2.4.3 土壤 N2O排放的农学效率
3 个年度不同处理间单位籽粒产量 N2O 排放
量如表 3 所示。3 个年度 NT处理均显著低于其
他 3 种处理 , 表现出对土壤 N2O 明显的减排效应 ;
CT+处理下单位籽粒产量 N2O 排放量高于 CT,
但仅 2013—2014 年度达显著水平 ; NT+处理下单
位籽粒产量 N2O 排放量高于 CT, 并于 2012—
2013 年度和 2013—2014 年度差异显著。综合 3 年
均值来看 , 在无秸秆还田条件下 , 免耕较常规耕
作显著降低了单位籽粒产量 N2O 排放量 ; 秸秆还
田条件下 , 免耕和常规耕作措施间没有明显差异
(P>0.05)。在常规耕作措施下 , 秸秆还田增加了单
位籽粒产量 N2O排放量 , 并于 2013—2014年度达
到显著水平 ; 在免耕措施下 , 3 个小麦生长季内秸
秆还田对单位籽粒产量 N2O 排放量均具有显著的
增加效应。
表 3 不同年度不同耕作措施下小麦单位籽粒产量 N2O排放量、单位地上部氮吸收量 N2O排放量、氮肥排放 N2O系数
Table 3 N2O emissions per unit grain yield and shoot N uptake and nitrogen fertilizer-induced emissions factor (FIEFN) of winter
wheat in different years under different treatments
年度
Year
处理
Treatment
单位籽粒产量 N2O排放量
N2O emission per unit grain
yield [g(N2O-N)·kg1]
单位地上部氮吸收量 N2O排放量
N2O emission per unit shoot N
uptake [g(N2O-N)·kg1(N)]
氮肥排放
N2O系数
FIEFN (%)
CT+ 0.33±0.04a 14.28±1.45a 1.14±0.03a
CT 0.29±0.02a 10.59±0.67b 0.93±0.02b
NT+ 0.29±0.01a 12.52±0.38ab 0.91±0.01b
2010—2011
NT 0.21±0.03b 7.95±1.04c 0.65±0.02c
NT+ 0.51±0.01a 18.42±0.60a 1.05±0.03a
CT+ 0.37±0.01b 12.20±0.05b 0.88±0.03b
CT 0.37±0.01b 10.89±0.45c 0.82±0.02c
2012—2013
NT 0.24±0.01c 7.28±0.20d 0.54±0.03d
NT+ 0.69±0.03a 29.86±0.66a 1.68±0.12ab
CT+ 0.67±0.03a 27.69±1.14b 1.73±0.02a
CT 0.51±0.03b 18.80±0.96c 1.21±0.03b
2013—2014
NT 0.37±0.02c 14.07±0.53d 0.83±0.03c
NT+ 0.50a 20.27a 1.21a
CT+ 0.46ab 18.06ab 1.25a
CT 0.39ab 13.54ab 0.99b
平均值
Average
NT 0.28b 10.11b 0.69c

CT、NT、CT+和 NT+处理下小麦植株每吸收
1 kg的氮土壤排放的 N2O量如表 3所示。3个小麦
生长季内 NT处理下单位地上部氮吸收量 N2O排放
量均显著低于其他 3个处理(P<0.05), 其中较 CT分
别减少 24.93%、33.15%和 25.16%; CT+和 NT+较
CT均显著增加了单位地上部氮吸收量 N2O 排放
量(P<0.05), 3 个年度内增加幅度依次为 34.84%和
18.22%、12.03%和 69.15%、47.29%和 58.83%。3
个小麦生长季内 , 无秸秆还田条件下 , 免耕较常
规耕作显著减少了单位地上部氮吸收量 N2O 排放
量 ; 2012—2013 年度和 2013—2014 年度小麦生长
季内 , 在秸秆还田条件下 , 常规耕作较免耕显著
减少了单位地上部氮吸收量 N2O 排放量。3 个小
麦生长季内, 无论是常规耕作还是免耕措施下, 秸
秆还田均明显增加了单位地上部氮吸收量 N2O 排
放量(P<0.05)。
不同处理下小麦季氮肥排放 N2O 系数(FIEFN)
如表 3 所示。NT处理显著低于其他 3 种处理
(P<0.05), 无论秸秆还田与否, 免耕措施下 FIEFN均
低于常规耕作, 并于秸秆不还田条件下降低效应显
著(3年平均降低 30.3%); 无论是常规耕作还是免耕,
秸秆还田的 FIEFN均显著高于不还田, 免耕措施下 3
年平均提高 75.4%。
3 讨论与结论
与常规耕作相比, 免耕对土壤 N2O 排放的影响
第 11期 许艳艳等: 不同耕作措施下土壤 N2O排放及其农学效率 1357


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不同研究者得到的结论有所不同。Oorts等[19]在法国
北部石灰性褐土上进行的连续 32 年的定位试验研
究指出, 秸秆还田条件下免耕土壤会比常规耕作排
放更多的 N2O, 主要是免耕措施下较强的硝化作用
引起的。江波等[15]对圩区冬小麦水稻轮作系统中小
麦季进行了研究, 秸秆还田翻耕土壤 N2O 的排放量
是秸秆还田免耕土壤的 1.71 倍, 原因可能是免耕措
施下所施化肥暴露在土壤表面, 短时间内大量挥发,
土壤微生物进行硝化反硝化作用的底物减少。黄光
辉等[20]在华北平原潮褐土的研究表明, 玉米秸秆还
田后免耕土壤较高的 C/N可能有效降低了 N2O的排
放, 使得小麦季土壤 N2O 累积排放量明显低于常规
耕作措施。蔡延江等[21]在华北平原潮土的研究显示,
秸秆不还田条件下玉米季土壤 N2O累积排放量免耕
高于常规耕作, 但差异不显著。本研究结果表明常
规耕作土壤 N2O 排放量高于免耕土壤, 在秸秆还田
条件下差异不显著, 秸秆不还田条件下差异达到显
著水平。这主要是由于相比免耕措施, 常规耕作增
加了对土壤的扰动, 改变了土壤微环境, 农田土壤
的透水透气性较好, 促使厌氧环境向好氧环境转变,
增加了硝化作用产生的 N2O 量, 同时有利于土壤气
体的迁移和扩散; 另外, 耕作还可以改变土壤中营
养物质的空间分布, 将土壤有机碳、硝态氮和铵态
氮从深层土壤向表层土壤迁移, 土壤的干湿交替加
剧, 进而促进了土壤中 N2O的排放[22]。Cui等[8]对华
北平原冬小麦夏玉米农田土壤进行了研究 , 结果
表明秸秆还田能够增加土壤N2O的排放量; Liu等[23]
在华北平原的研究也发现秸秆还田较不还田明显
增加了 N2O 的排放 , 分析原因主要是还田秸秆调
节了土壤 C/N, 改善了土壤理化性状 , 同时秸秆还
田土壤较无秸秆还田土壤温度稍高 , 促进了 N2O
的产生。本研究结果与之一致 , 无论在常规耕作还
是免耕措施下 , 秸秆还田土壤 N2O 排放量均显著
高于无秸秆还田土壤。可能是因为秸秆还田后 , 土
壤中有机碳含量增加 , 土壤硝化、反硝化作用所需
的碳源得到补充 , 反应速率加快 [8]; 同时 , 秸秆还
田较不还田增加了土壤孔隙充水率 , 增强了土壤
中氮素的可利用性 , 进而增加了 N2O 的排放量。
Wei 等[24]于陕西省丘陵区进行的肥料长期定位
试验的测定显示, 0~120 kg(N)·hm2 的施肥水平下,
小麦季单位籽粒产量 N2O 排放量为 1.0~2.5 g(N)·kg1,
单位地上部氮吸收量N2O排放量为 35.6~96.0 g·kg1;
还有研究报道显示在 146 kg(N)·hm2 的施肥水平
下 , 玉米季单位籽粒产量 N2O排放量范围为 0.05~
0.12 g(N)·kg1, 单位地上部氮吸收量 N2O排放量范
围为 2.0~7.0 g·kg1[14]; 在华北平原冬小麦/夏玉米轮作
体系中的研究指出, 氮肥施用量为 0~600 kg(N)·hm2
范围内全年单位籽粒产量 N2O 的排放量为 0.16~
0.46 g(N)·kg1, 单位地上部氮吸收量 N2O 排放量为
5.0~16.0 g·kg1[25]; 另有研究测定显示 , 在施肥量
为 360~430 kg(N)·hm2范围内冬小麦 /夏玉米一年
两熟农田年度单位籽粒产量 N2O 排放量为 0.56~
0.66 g(N)·kg1[20]。本研究中小麦季氮肥施用量为
310 kg(N)·hm2, 2010—2011年度、2012—2013年度
和 2013—2014 年度对应单位籽粒产量 N2O 排放量
为 0.21~0.33 g(N)·kg1、0.24~0.51 g(N)·kg1和 0.37~
0.39 g(N)·kg1, 高于 Venterea 等[14]的研究结果, 低
于Wei等 [24]的测定结果 , 与 Qin等 [25]的研究相近。
3 个小麦季单位地上部氮吸收量 N2O 排放量范围
依次为 7.95~14.28 g·kg1、7.28~18.42 g·kg1和 14.07~
29.86 g·kg1, 高于 Venterea 等[14]的研究报道, 低于
Wei 等[24]的测定结果, 与 Qin 等[25]的研究相近。研
究间的差异可能与不同施肥条件下不同作物产量水
平及对氮素的利用效率不同有关 [11]。因此需要对
N2O 排放的农学效率进行深入研究。对 3 个小麦生
长季内氮肥偏生产力(PFPN)与单位籽粒产量 N2O 排
放量间的相关关系进行分析, 两者呈显著线性负相关
关系(R=0.42, P=0.012), 这和 Van-Groenigen 等[1112, 25]
的研究结论一致, 即氮素利用率越高, 农学效率尺
度 N2O 排放量越低, NT处理下 PFPN较高, 农田产
出单位籽粒产量的同时土壤所排放的 N2O 量最低,
在农业生产实践中有一定的指导意义。
不同耕作措施下, 华北平原小麦生长期内表层
土壤 N2O排放通量在 13.21~224.77 μg(N2O-N)·m2·h1
范围内变化, 且相关分析显示其与地下 5 cm土壤温
度、土壤孔隙充水率(WFPS)之间呈显著正相关关系,
与土壤溶解性有机氮(DON)含量间呈显著的负相关
关系。小麦生长期内, 单位面积土壤 N2O累积排放
量为 2.17~3.90 kg(N2O-N)·hm2, 每生产 1 kg小麦
籽粒表层土壤N2O排放量为 0.18~0.73 g(N2O-N)·kg1,
每投入 1 kg 氮素表层土壤 N2O 排放量为 5.1~
18.0 g(N2O-N)·kg1, 用单位面积、单位籽粒产量、
单位氮肥投入量度量土壤 N2O 排放量, 均为常规耕
作秸秆还田土壤 N2O 排放量最高, 免耕无秸秆还田
土壤 N2O 排放量最低, 处理间呈显著差异。免耕作
为我国将来的一种替代耕作措施, 在华北平原农业
生产实践中可降低农田土壤 N2O排放。
1358 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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