全 文 ：中国生态农业学报 2013年 3月 第 21卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Mar. 2013, 21(3): 297−307


* 国家自然科学基金面上项目(30970534)和中国科学院重大项目(二期)(KSCX2-EW-N-08)资助
** 通讯作者: 张玉铭(1964—), 女, 副研究员, 研究方向为农田生态系统养分循环与平衡及其环境效应。E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn
宋利娜(1984—), 女, 硕士研究生, 研究方向为农田生态系统温室气体排放。E-mail: aysonglina@163.com
收稿日期: 2012−12−25 接受日期: 2013−01−22
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00297
华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室
气体排放及其综合温室效应*
宋利娜1,2 张玉铭1** 胡春胜1 张喜英1 董文旭1 王玉英1 秦树平1
(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. 中国科学院大学 北京 100049)
摘 要 研究不同农业管理措施下小麦农田 N2O、CO2、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。本研究采
用静态明箱−气相色谱法对华北平原高产农区 4种农业管理措施下冬小麦农田土壤温室气体(CO2、CH4和 N2O)
季节排放通量进行了监测, 估算了不同农业管理措施下小麦季的综合温室效应。结果表明, 华北太行山前平原
冬小麦农田土壤是 CO2、N2O的排放源, CH4的吸收汇。不同农业管理措施对不同温室气体的排放源和吸收汇
强度的影响不同, 增施氮肥、充分灌溉促进了土壤 CO2、N2O的生成, 强化了土壤 CO2和 N2O排放源的特征;
但却抑制了土壤对 CH4的氧化, 弱化了土壤作为大气 CH4吸收汇的特征。2009—2010 年和 2010—2011 年冬
小麦生长季 T1(传统模式)、T2(高产高效模式)、T3(再高产模式)和 T4(再高产高效和土壤生产力提高模式)处理
土壤排放的温室气体碳当量分别依次为 8 880 kg(CO2)·hm−2、8 372 kg(CO2)·hm−2、9 600 kg(CO2)·hm−2、9 318
kg(CO2)·hm−2和 13 395 kg(CO2)·hm−2、12 904 kg(CO2)·hm−2、13 933 kg(CO2)·hm−2、13 189 kg(CO2)·hm−2。各处
理间温室气体排放差异主要是由于施肥和灌溉措施的不同引起的 , 秸秆还田与否是造成年度间温室气体排
放存在差异的主要原因。T2处理综合增温潜势相对较低, 产量和产投比相对较高, 为本区域冬小麦优化管理
模式。
关键词 华北平原 冬小麦 农业管理措施 温室气体排放 综合温室效应
中图分类号: X51 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)03-0297-11
Comprehensive analysis of emissions and global warming effects of greenhouse
gases in winter-wheat fields in the high-yield agro-region of North China Plain
SONG Li-Na1,2, ZHANG Yu-Ming1, HU Chun-Sheng1, ZHANG Xi-Ying1, DONG Wen-Xu1,
WANG Yu-Ying1, QIN Shu-Ping1
(1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources of Chinese Academy of Sciences; Hebei Key Laboratory of Agricultural
Water-Saving; Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of
Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract Comprehensive studies on greenhouse gas emissions and the related global warming potential (GWP) under different
agricultural management practices had the benefits of mitigated greenhouse gas emissions, reduced GWP and strengthened
theoretical basis for measurements of greenhouse gas emissions. Based on experiment with four agricultural management patterns
(T1: conventional pattern; T2: high-yield and high-efficiency pattern; T3: super-high-yield pattern; T4: super-high-yield,
high-efficiency and soil fertility improvement pattern), N2O, CO2 and CH4 fluxes in winter-wheat fields were monitored from
October 2009 to September 2011 using the static chamber method and the gas chromatographic technique. Total greenhouse gas
emissions and GWP were then accordingly estimated. The results indicated that the winter-wheat field was the sources of N2O and
CO2, but the sink of CH4. The effects of the different agricultural management patterns on the different greenhouse gas sources and
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sinks were different. High N application and sufficient irrigation increased the CO2 and N2O in the soil and strengthened the
characteristics of soil as the emission source of CO2 and N2O. Meanwhile, CH4 oxidation in soils was restrained and soil
characteristics as CH4 sink decreased. The carbon equivalent of emitted greenhouse gases in treatments T1, T2, T3 and T4 in
2009—2010 were respectively 8 880 kg(CO2)·hm−2, 8 372 kg(CO2)·hm−2, 9 600 kg(CO2)·hm−2 and 9 318 kg(CO2)·hm−2; and 13 395
kg(CO2)·hm−2, 12 904 kg(CO2)·hm−2, 13 933 kg(CO2)·hm−2 and 13 189 kg(CO2)·hm−2 in 2010—2011. Differences in greenhouse gas
emissions among different treatments were caused by different fertilization and irrigation managements. Straw return or non-return
largely led to the differences in greenhouse gas emissions between 2009—2010 and 2010—2011. GWP was relatively low while
yield and input-output ratio relatively high in T2. Treatment T2 was therefore considered the optimal management mode for
winter-wheat cultivation in the North China Plain.
Key words North China Plain, Winter-wheat, Agricultural management pattern, Greenhouse gas emission, Global warming
potential
(Received Dec. 25, 2012; accepted Jan. 22, 2013)
全球变暖和臭氧层破坏是我们面临的两大环境
问题, 它们都是由温室气体引起的。大气中 CO2、
CH4和 N2O 是 3 种最重要的温室气体, 它们对全球
变暖的贡献率分别是 60%、15%和 5%[1]。据估计, 大
气中每年有 5%~20%的 CO2、15%~30%的 CH4 和
80%~90%的 N2O 来源于土壤[2−3], 农田生态系统作
为陆地生态系统的主要组成部分, 农业生产是温室
气体的重要排放源, 对温室气体总排放的贡献率大
约是 20%[4]。华北平原是我国主要的粮食产区, 粮食
总产量占全国的 1/7[5], 其生产过程中必然伴随着
CO2、CH4和 N2O 等温室气体的产生与排放, 因此,
研究该地区农田土壤温室气体排放具有很好的代表
性。农业管理措施, 包括施肥、灌溉和耕作方式等, 通
过影响土壤的理化性质影响土壤温室气体的排放[6−9]。
近年来, 有关温室气体排放的研究主要集中在温室
气体排放的季节变化规律及其影响因素, 关于综合
增温潜势的研究较少。为此, 本研究主要讨论不同
农业管理模式下冬小麦农田土壤温室气体排放的季
节变化规律及其综合温室效应, 旨在为建立高产高
效的、具有良好经济和生态效益的综合农业管理措
施提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地点概况
试验于 2009年 10月—2011年 6月在中国科学
院栾城农业生态系统试验站(37°53N, 114°41E, 海
拔 50.1 m)进行。该站位于华北太行山前平原, 属中
国东部暖温带半湿润季风气候, 年平均气温 12.2 ℃,
降雨量 536.8 mm, 主要集中在 7、8、9 月, 雨热同
期, 无霜期 200 d 左右。该区供试土壤为潮褐土,
0~20 cm 土壤理化性质分别为: 有机质 14.0~19.0
g·kg−1, 全氮 0.8~1.0 g·kg−1, 碱解氮 60~80 mg·kg−1,
速效磷 15~20 mg·kg−1, 速效钾 150~170 mg·kg−1。
1.2 试验设计
试验设 4个处理, 每个处理 4次重复, 每个小区
面积 120 m2, 采用随机区组排列, 试验设计如表 1
所示, T1代表农民传统管理模式, T2代表高产高效
管理模式, T3代表再高产管理模式; T4代表再高产
和水肥高效、土壤生产力提高的集成管理模式。试
验设计中 , 各处理为多项农业管理技术集成模式 ,
在分析其产量效应和环境效应时, 各处理间不能单
独比较某单一因素的作用, 是各因素综合作用的结
果, 旨在为该区域寻求高产高效、环境友好的综合
技术集成模式提供参考。
试验期间, 具体管理方案除表 1所示外, 2009年
小麦播种前各处理施用腐熟鸡粪 7 500 kg·hm−2作为
底肥, 秸秆全部移出。2010年小麦播种前 T2~T4处
理均施用牛粪 75 m3·hm−2作为底肥, T1处理未施用
牛粪, 各处理增加二铵 112.5 kg·hm−2, 并全部进行
秸秆还田。2009—2010年小麦生长期间 T1和 T3处
理灌溉 3水, T2和 T4处理灌溉 2水; 2010—2011年
小麦生长期间 T1、T3、T4处理灌溉 3水, T2处理灌
溉 2水。
1.3 田间采样方法与室内分析
温室气体排放通量采用静态明箱−气相色谱法
观测。采样箱由顶箱和底座组成, 顶箱用透明有机
玻璃制成, 底座用聚乙烯塑料制成。在小麦行间埋
设采样箱底座, 底座为 20 cm×60 cm×20 cm, 上端有
密封水槽。采样箱为 20 cm×60 cm×40 cm。观测频
率为每周 1 次, 时间均为 9:00—11:00[10−11], 4 个重
复。箱内外气温、土壤温度等环境要素与温室气体
排放同期观测。采样时将有机玻璃扣在底座的槽内,
槽内加水密封以隔绝箱内外环境, 顶箱上端装有搅
拌空气的小风扇和抽取气体样品接口, 接口处连接
三通。扣箱后立刻用 60 mL 注射器采集样品, 然后
分别在扣箱 10 min、20 min后采集样品, 并准确记
录每次采样时间。采样结束后, 立即将样品带回实
验室分析。样品利用 Agilent 6820型气相色谱仪进行
分析, 采用 CA-5 气体样品进样仪进样。CO2 和 CH4
检测器为 FID(氢火焰离子检测器), 载气为氮气, 流
第 3期 宋利娜等: 华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应 299


表 1 试验处理描述和方案
Table 1 Description of treatments in the experiment
处理
Treatment
氮肥 N fertilizer
[kg(N)·hm−2]
代码
Code
描述
Description
耕作
Tillage
播后镇压
Rolling after
seeding
灌溉
Irrigation 总量
Total
基肥
Base
追肥
Topdressing
磷肥
P fertilizer
[kg(P2O5)·hm−2]
钾肥
K fertilzier
[kg(K2O)·hm−2]
T1 传统管理模式
Conventional pattern
旋耕
Rotary tillage
No 农民习惯
Conventional
270 135 135 100 —
T2 高产高效管理模式
High-yield and high-efficiency pattern
旋耕
Rotary tillage
Yes 亏缺灌溉
Deficit
210 75 135 100 60
T3 再高产管理模式
Super-high-yield pattern
深耕
Deep plough
Yes 充分灌溉
Sufficient
270 95 175 110 70
T4
再高产高效和土壤生产力提高管理模式
Super-high-yield, high-efficiency and soil
fertility improvement pattern
深耕
Deep plough
Yes 亏缺灌溉
Deficit
230 85 145 110 70

速为 30 mL·min−1, 氢气为燃气, 流速为 30 mL·min−1,
空气为助燃气, 流速为 400 mL·min−1, 检测器温度
为 200 , ℃ 分离柱温度为 55 ℃。N2O检测器为电子
捕获检测器, 氮气是载气, 流速为 30 mL·min−1, 检
测器温度为 330 ℃, 分离柱温度为 55 ℃。
1.4 通量计算
气体通量表示单位时间单位面积该气体质量的
变化。气体排放通量利用式(1)求得[12]:
0
0 0
MPT dcF H
V P T dt
= (1)
式中: F为排放通量(mg·m−2·h−1); M为气体的摩尔质
量; P0和 T0为理想气体标准状态下的空气压力和气
温, 分别为 110.325 kPa和 273.15 K; V0为目标化合
物在标准状态下的摩尔体积, 为 22.41 L·mol−1; H为
采样箱高度(m); P为采样点的气压(Pa); T为采样箱
内平均绝对温度; dc为 dt时间内采集箱内目标气体
浓度的变化。
通过冬小麦生育期内田间原位动态观测获得温
室气体排放通量, 采用内插法和数值积分法估算冬
小麦整个生育期各温室气体排放总量。
1.5 综合增温潜势(GWP)计算
由于 CO2、CH4和 N2O 这 3 种温室气体的增温
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[13], 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
综合增温潜势(global warming potential, GWP)来表
示 3种温室气体的联合作用[14]。GWP的计算如下:

2 4 2CO CH N O
44 16 4425 298
12 12 28
GWP f f f= × + × × + × × (2)
式中, fCO2为 CO2净排放量[kg(CO2−C)], fCH4为 CH4
净排放量 [kg (CH 4−C) ] , f N 2 O 为 N 2 O 净排放量
[kg(N2O-N)]。
其中:
fCO2=Rh+Eh−CNPP (3)
式中: Rh为土壤表观呼吸排放的 CO2; Eh表示由于农
业投入引起的 CO2 排放, 即由灌溉、机械和肥料施
用等所造成的 CO2 排放量, 计算柴油和化肥等农用
物资 CO2 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,
本文采用农业物资的 CO2 排放系数分别为: 机械燃
油 2.59 kg(CO2)·L−1[15]、灌水 4.73 kg(CO2)·cm−1[16]、氮肥
(N)3.59 kg(CO2)·kg−1[18]、磷肥(P) 0.61 kg (CO2)·cm−1[18]、
钾肥(K2O) 0.12 kg(CO2)·cm−1[18]。CNPP为植株转化为净初
级生产力(NPP)的碳量, kg·hm−2。NPP 和 CNPP 由式
(4)~(5)获得:
NPP=TAGB+0.15×TAGB (4)
CNPP=0.24×NPP/(0.68×0.85)=0.42×NPP (5)
式中, 0.15 是小麦和玉米根系占地上部生物量系数,
0.68是碳水化合物对CO2的转化比率, 0.85是生物量
对碳水化合物的转化比率 [19]; TAGB(total above
ground biomass)为地上生物量, kg·hm−2。
1.6 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 ;
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 结果与讨论
2.1 不同耕作措施下土壤温室气体排放特征
2.1.1 土壤 CO2排放特征
土壤 CO2排放包括土壤中生物学和生物化学过
程, 主要由微生物分解有机物和根系呼吸作用产生,
研究表明[20], 土壤中释放的 CO2 85%~90%是由于土
壤微生物的活动产生, 植物根的呼吸约占 15%。农
事活动, 诸如施肥、灌溉、耕作等, 以及气候因子季
节性变化共同影响土壤生物化学特性, 从而对土壤
CO2季节性排放规律产生影响。图 1 给出了不同农
300 中国生态农业学报 2013 第 21卷




图 1 不同农业管理措施下 2009—2010年度(a)和 2010—2011年度(b)冬小麦土壤 CO2排放特征
Fig. 1 CO2 emission features in winter-wheat field under different agricultural management patterns during wheat
growing seasons of 2009—2010 (a) and 2010—2011 (b)

业管理模式下冬小麦生长期间土壤 CO2 排放特征,
结果表明, 华北太行山前平原冬小麦农田土壤 CO2
的排放速率均为正值, 是 CO2排放的源。10 月上旬
是冬小麦播种的季节, 由于施肥、灌溉、耕种的影
响, 特别是有机粪肥或秸秆的施入, 为土壤微生物
提供了充足碳源, 提高了土壤微生物活性[21−22], CO2
排放通量出现排放高峰。2009 年度和 2010 年度冬
小麦播种后 CO2 排放峰值范围分别为 288~625
mg·m−2·h−1和 844~1 368 mg·m−2·h−1, 峰值出现时间
分别在 2009年 10 月 14日和 2010 年 11 月 12 日。
两个年度小麦播种后 CO2排放峰值和峰值出现时间
存在明显差异, 2009 年度小麦播种后 CO2排放峰出
现较早但峰值较低, 而 2010年度小麦播种后 CO2排
放峰出现较晚且峰值显著高于 2009年度, 主要原因
在于两年秸秆管理措施不同。2009年度冬小麦播种
前所有处理前茬玉米秸秆全部移除, 只施用腐熟鸡
粪作为有机肥; 而 2010年度冬小麦播种前所有处理
前茬玉米秸秆全部粉碎还田, 此外 T2~T4 处理增施
牛粪作为有机肥, 由于秸秆和腐熟粪肥有机碳组成
不同, 还田玉米秸秆与腐熟粪肥相比被土壤微生物
分解历时会相对较长, 还田秸秆是造成 2010年度小
麦播种后 CO2排放通量显著提高和排放峰滞后的主
要原因。进入 11月底, 随着温度的降低微生物活性
开始下降 , CO2 排放通量亦逐渐下降 , 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, 2009年和 2010年越
冬期通量范围分别为 32~176 mg·m−2·h−1 和 34~221
mg·m−2·h−1。3 月下旬小麦进入起身期, 此时土壤温
度开始回升, 作物生长速度加快, CO2排放通量开始
升高, 4月上中旬小麦进入拔节期, 进行施肥和灌水,
促进了作物快速生长和根系活动, 至 5 月上旬 CO2
排放达到小麦生长季的第 2 个排放高峰期, 最高排
放通量出现在 T3处理, 2010年和 2011年峰值分别
为 934 mg·m−2·h−1和 1 350 mg·m−2·h−1。进入小麦生
长后期, 由于土壤含水量的下降和根系活动的减少,
CO2排放减弱。
2.1.2 土壤 CH4排放/吸收特征
微生物活动引起了土壤中 CH4 的排放和吸收,
在厌氧条件下, 甲烷菌分解土壤中的有机质, 产生
CH4, 促进其排放; 在好气土壤中, CH4 被氧化菌氧
化成 CO2, 削弱 CH4的排放特征, 当土壤中 CH4浓
度低于大气中 CH4 浓度时, 在浓度梯度作用下引起
CH4的负排放, 强化了土壤作为 CH4的吸收汇特征;
此外, 因为 CO2吸收辐射能的能力比 CH4低 24 倍,
因此, 由 CH4氧化为 CO2的氧化过程是一个对环境
有利的过程。图 2 显示了 2009—2010 年度和 2010—
2011 年度冬小麦季土壤 CH4 的季节性排放/吸收特
征, 结果表明, 华北太行山前平原冬小麦生长期间
农田土壤 CH4 排放通量均为负值 , 即土壤是大气
CH4的吸收“汇”[23−24]。
CH4 在土壤中的排放和吸收受到施肥、灌溉、
耕作等农业管理措施和土壤理化特性、气候季节性
变化规律的影响[25−26]。10 月初, 小麦播种前进行施
肥与灌溉, 一方面灌溉导致土壤含水量增加, 土壤
呈厌氧环境, 甲烷菌活性提高, 促进了 CH4 产生;
另一方面, 施肥导致土壤中硝态氮和铵态氮含量迅
速增加, 抑制了土壤对 CH4 的氧化, 从而降低了土
壤对 CH4 的吸收作用, 表现为小麦播种后各处理土
壤 CH4吸收速率较低。冬小麦越冬期间, 由于土壤温
度的限制, 微生物活性较低, CH4吸收速率在一个较低
水平波动, 各处理间差异不明显。3 月进入返青期后,
随着土壤温度的回升, 土壤对大气 CH4的吸收出现一
个较大吸收峰, 主要原因在于这一时期土壤含水量较
低, 处于好气状态, 有利于 CH4氧化菌生长, 促进了
土壤对 CH4 的吸收[24], 此时, CH4 吸收峰值范围为
−67~−89 μg·m−2·h−1(2010 年)和−57~−76 μg·m−2·h−1

第 3期 宋利娜等: 华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应 301




图 2 不同农业管理措施下 2009—2010年度(a)和 2010—2011年度(b)冬小麦土壤 CH4排放特征
Fig. 2 CH4 emission features in winter-wheat field under different agricultural management patterns during wheat growing seasons
of 2009—2010 (a) and 2010—2011 (b)

(2011年)。冬小麦进入拔节期, 由于追肥和灌溉, 造
成土壤厌氧环境和 NH4-N、NO3-N含量的迅速增加,
强化了 CH4 生成过程, 弱化了其还原过程, 明显降
低了该阶段土壤对 CH4的吸收速率。进入小麦生长
后期, 由于土壤水分和氮素消耗, 利于 CH4 氧化菌
对 CH4的氧化, 造成 5 月中下旬再次出现 CH4吸收
小高峰, 两年的峰值范围分别为−25~−56 μg·m−2·h−1
和−18~−45 μg·m−2·h−1。两年的监测结果表明, CH4
吸收最高峰值均出现在 T4处理, 2009—2010年度和
2010—2011年度小麦生长期间 CH4吸收最高峰值分
别为−89 μg·m−2·h−1和−83 μg·m−2·h−1。多数情况下 T3
处理 CH4吸收速率最低, 主要原因在于 T3处理不仅
施氮水平较高, 且采用充分灌溉措施, 相对其他处
理来说土壤环境更有利于甲烷菌的生存, 而对甲烷
氧化菌相对不利。
纵观冬小麦生长季 CH4排放/吸收动态, 华北太
行山前平原冬小麦农田土壤是大气 CH4 的吸收汇,
施肥和灌溉显著降低了土壤对大气 CH4的吸收速率,
弱化了土壤作为大气 CH4 吸收汇的特征, 干燥的土
壤环境和较低的氮素含量利于促进土壤对 CH4的氧
化过程, 提升土壤对大气 CH4的吸收速率。
2.1.3 土壤 N2O排放特征
农田土壤 N2O 产生与排放主要源于土壤氮素
的硝化和反硝化作用, 影响土壤硝化和反硝化过程
的因素都会影响 N2O的产生与排放。施肥、灌溉、
耕作、土壤理化特性以及气候的季节性变化等直接
影响土壤的硝化、反硝化过程, 是引起农田土壤 N2O
排放季节变化的重要因子[27−28]。图 3给出了 2009—
2010 年度和 2010—2011 年度冬小麦生长期间土壤
N2O季节性排放特征, 由图 3可知, 冬小麦季华北太
行山前平原农田土壤是 N2O 的排放源[29−30], 施肥和
灌溉可显著提高 N2O排放通量。施肥不仅为作物提
供了生长所需的养分, 同时也为微生物提供了充足
的底物, 促进了硝化、反硝化过程中 N2O 的生成与
排放; 而灌溉或强降雨为反硝化微生物营造了很好
的厌氧环境, 提高了反硝化过程中 N2O 的生成与排
放。故通常在施肥灌水后会产生 N2O排放峰[31]。
由于小麦播种前施用底肥和灌底墒水的原因 ,
10月份各个处理土壤 N2O排放通量均较高, 出现了
小麦季的第 1个排放峰, 2009年和 2010年小麦播种
后 N2O排放通量峰值范围分别为 39.0~53.5 μg·m−2·h−1
和 44.0~93.8 μg·m−2·h−1, 两年均以 T1处理 N2O排放
通量显著高于其他处理, 主要原因在于 T1处理采用
农民传统的施肥模式, 氮肥底追比为 1∶1, 底肥施
氮量在所有处理中最高。进入 11月份后, 随着土壤
温度下降土壤 N2O 排放通量逐渐下降, 越冬期至返
青期, 土壤 N2O排放通量持续维持在一个较低水平,
此时各处理间 N2O 排放通量差异不明显。4 月初小
麦进入拔节期, 不仅温度逐渐回升, 经过施肥和灌
水, 激发了土壤 N2O 的生成及排放, 导致麦季出现第
2次 N2O排放高峰, 峰值范围为 39.7~71.2 μg·m−2·h−1
(2010年)和 77.5~132.1 μg·m−2·h−1(2011年)。小麦进
入扬花、灌浆期后, 必要的灌溉不仅满足了作物生
长需求 , 也为反硝化微生物提供了厌氧生存环境 ,
提高了其活性, 促进了 N2O 的产生与排放, 导致 5
月中上旬再次出现N2O排放小高峰, 此后, N2O排放
逐渐下降, 至收获前维持在一个较低水平。
2009年的 12月上旬观测到了 N2O的负排放通
量, 其数值范围为−10.9~−6.6 μg·m−2·h−1, 究其原因,
很可能是该阶段土壤温湿度较低造成的。有学者对
北京森林生态系统的研究表明[32], 当处于较低温度
(15~7 ℃)时, N2O可能会出现负排放。还有研究表明,
土壤处于一种氮素含量较低的干燥环境中, 会出现
对 N2O的吸收现象[12]。
302 中国生态农业学报 2013 第 21卷





图 3 不同农业管理措施下 2009—2010年度(a)和 2010—2011年度(b)冬小麦土壤 N2O排放特征
Fig. 3 N2O emission features in winter-wheat field under different agricultural management patterns during wheat growing seasons
of 2009—2010 (a) and 2010—2011 (b)

2.2 土壤温室气体排放总量估算
利用数值积分法分别对 CO2、CH4、N2O排放通
量进行积分, 获得冬小麦生长期间各温室气体排放
总量(表 2)。结果表明华北平原麦田土壤是 CO2 和
N2O 的排放“源”, 是 CH4 的吸收“汇”。2009—2010
年度和 2010—2011年度冬小麦生长期间CO2排放总
量分别为 8 062~9 200 kg·hm−2 和 12 514~13 485
kg·hm−2, 两年度的监测结果均表现为 T2 处理 CO2
排放总量显著低于其他处理(P<0.05), T3 处理 CO2
排放总量最高, 但与 T1 和 T4 处理间差异不显著。
两年中 T3 处理 CO2排放总量最高可能是由于该处
理采用充分灌溉且肥料用量最多的原因。2010年度
CO2排放总量显著高于 2009 年, 主要原因在于秸秆
管理措施的不同, 2009 年度所有处理小麦前茬玉米
秸秆全部移除, 而 2010 年所有处理小麦前茬玉米
秸秆全部还田, 大量秸秆还田显著提高了 CO2排放
总量。
受到施肥、灌溉、耕作和秸秆还田措施的影响,
两年度监测结果均表现为采用亏缺灌溉、氮肥用量
较低的 T4和 T2处理土壤对大气 CH4的氧化吸收总
量显著高于 T3和 T1处理(P<0.05), 以 T4处理土壤
对大气 CH4的吸收总量最高(表 3)。T4和 T2处理麦
季土壤氧化吸收 CH4总量分别为 1.79~1.97 kg·hm−2
和 1.77~1.91 kg·hm−2, T3 和 T1 处理则分别为
1.39~1.64 kg·hm−2和 1.49~1.73 kg·hm−2。一方面由于
T3 和 T1 处理采用充分/农民传统灌溉方式, 土壤湿
度相对 T4 和 T2 较高, 利于土壤颗粒微域形成厌氧
环境, 从而提高甲烷细菌活性, 利于 CH4 产生, 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, 可减弱土壤对大气 CH4 的吸收;
此外, 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。另一
方面 , T3 和 T1 处理施氮量较高 , 土壤中较高的
NO3-N和NH4-N含量, 抑制了土壤对 CH4的氧化[33],
从而弱化了土壤对大气 CH4吸收汇的特征。
从表 3 可知, 两年度小麦季土壤 N2O 排放总量
由大到小的顺序为 T3>T1>T4>T2, T3 和 T1 处理土
壤N2O排放总量显著高于 T4和 T2处理(P<0.05), T3
和 T1 以及 T4 和 T2 之间则差异不显著。农业管理
措施的不同是引起各处理间 N2O排放总量存在差异
的主要原因, T3和 T1处理仅小麦季施氮量高达 270
kg(N)·hm−2, 在满足作物氮素需求、保证作物高产的
同时, 却造成大量过剩肥料氮残留于土壤中, 为土
壤硝化、反硝化微生物提供了充足底物, 促进了硝
化、反硝化过程中 N2O的产生与排放; 而与此同时,
两个处理均采用充分灌溉措施, 促进了反硝化过程
中 N2O的产生, 这是 T3和 T1处理土壤 N2O排放总
量较高的主要原因。
不同农业管理措施对不同温室气体的排放源和
吸收汇强度的影响不同。增施氮肥、充分灌溉利于
强化土壤 CO2和 N2O 排放源的特征, 弱化土壤作为
大气 CH4 的吸收汇特征, 施肥与灌溉的不同是造成
T3(T1)与 T4(T2)处理间温室气体排放差异的主要原
因。耕作方式的不同是造成 T3 和 T1、T4 和 T2 之
间温室气体排放差异的主要原因, T3和 T4处理为深
耕, T1和 T2处理为旋耕。一方面深耕对土壤扰动较
大, 利于郁闭于土壤中的气体逸出, 提高了温室气
体排放量; 另一方面, 深耕利于有机肥料和秸秆与
土壤的很好混合, 利于土壤微生物对有机肥和秸秆
的腐解, 促进温室气体的产生与排放, 在该研究中
表现为施氮量基本相同的情况下温室气体排放量
T3>T1、T4>T2。
2.3 源于农业生产投入的 CO2排放
在农作物生产过程中, 不仅仅是农田土壤排放
温室气体, 各项农事活动如耕作、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
第 3期 宋利娜等: 华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应 303


表 2 不同农业管理措施下不同年份冬小麦土壤 CO2、CH4、N2O排放总量
Table 2 CO2, CH4 and N2O accumulated emission quantities of winter-wheat field under different agricultural management patterns during
wheat growing seasons of 2009—2010 and 2010—2011 kg·hm−2
年度 Year 处理 Treatment CO2 CH4 N2O
T1 8 506±188ab −1.49±0.031a 1.38±0.04a
T2 8 062±52b −1.77±0.057b 1.19±0.04b
T3 9 200±105a −1.39±0.030a 1.46±0.06a
2009—2010
T4 9 008±97a −1.79±0.025b 1.19±0.07b
T1 12 970±64a −1.73±0.019a 1.57±0.06ab
T2 12 514±363b −1.91±0.068b 1.47±0.04c
T3 13 485±81a −1.64±0.052a 1.64±0.07a
2010—2011
T4 12 782±153ab −1.97±0.072b 1.53±0.02bc
相同字母表示差异不显著(P<0.05)。Values within a column followed by different letters are significantly different (P < 0.05).

表 3 不同农业管理措施下不同年份小麦季耕种收与灌溉引起的土壤 CO2排放
Table 3 Soil equivalent CO2 emission caused by tillage and irrigation of winter-wheat field under different agricultural management
patterns during wheat growing seasons of 2009—2010 and 2010—2011 kg(CO2)·hm−2
2009—2010 2010—2011 项目
Item T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4
秸秆还田 Straw returning 0 0 0 0 122 122 122 122
耕作 Tillage 97 97 117 117 97 97 117 117
镇压 Compacting 0 14 14 14 0 14 14 14
播种 Seeding 14 14 14 14 14 14 14 14
收获 Harvest 78 78 78 78 78 78 78 78
灌溉 Irrigation 121 80 121 80 121 80 121 121
总量 Total 309 283 342 302 432 405 465 465

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。由于每种温室气体的增温潜势不
同, 故在对某一系统或农事活动的温室效应进行评
价时, 需将其统一转换为碳当量(carbon equivalent)。
农业生产中的耕作、播种、收获、秸秆还田等
农事活动均由机械参与 , 机械燃油会产生大量的
CO2, 不同的耕种方式、秸秆还田方式均影响机械能
的投入和 CO2的排放, 可以通过机械燃油量来计算
CO2产生量。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。施肥不仅可以直接影响农田土壤温室气体排放,
在其生产、运输过程中亦会通过电能和机械能消耗
引起温室气体排放。试验期间记录了每个处理的具
体农事活动以及由此引起的燃油或电能消耗, 依据
不同农业物资源(活动)的 CO2 系数计算了每项农事
活动直接或间接引起的 CO2排放当量(表 3)。
从表 3 可知 , 耕种和灌溉方式不同所引起的
CO2排放量存在明显差异。T2采用的是旋耕和亏缺
灌溉, 机械能和电能投入最少, 耕作和灌溉引起的
CO2 排放量最低; T3 采用的是深翻耕和充分灌溉,
机械能和电能投入最多, 耕作和灌溉引起的 CO2 排
放量最高。2009—2010 年和 2010—2011 年耕作方
式和灌溉引起的 CO2 排放由高到低的顺序分别为
T3>T1>T4>T2和 T3=T4>T1>T2。
由于各处理施肥的不同造成各处理间 CO2排放
量存在差异(表 4), 两年中均以 T2 处理施肥量最低,
其引起的 CO2排放量亦最低; T3处理各种肥料用量
均为最高, 其引起的 CO2 排放量亦最高, 两年各处
理因施肥引起的 CO2 排放由高到低的顺序均为
T3>T1>T4>T2。不同处理由于采用的农业管理措施
不同, 生产投入引起的 CO2排放存在差异。
2.4 综合增温效应评价
对农田生态系统进行综合温室效应评价时 ,
GWP不仅是土壤排放温室气体所相当的 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(CNPP)。在
此因为是计算农田生态系统 CO2净排放量, 故此处
的 CNPP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
CNPP 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 CNPP就只包

304 中国生态农业学报 2013 第 21卷


表 4 不同农业管理措施下不同年份小麦施肥引起的土壤等当量 CO2排放
Table 4 Soil equivalent CO2 emission caused by fertilization of winter-wheat field under different agricultural management patterns
during wheat growing seasons of 2009—2010 and 2010—2011 kg·hm−2
2009—2010 2010—2011
肥料 Fertilizer 项目 Item
T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4
施肥量 Fertilization rate [kg(N)·hm−2] 270 210 270 230 290 230 290 250 氮肥
N fertilizer 等当量 CO2 Equivalent CO2 [kg(CO2)·hm−2] 969 754 969 826 1 042 826 1 042 898
施肥量 Fertilization rate [kg(P)·hm−2] 44 44 48 48 66 66 71 71 磷肥
P fertilizer 等当量 CO2 Equivalent CO2 [kg(CO2)·hm−2] 27 27 29 29 40 40 43 43
施肥量 Fertilization rate [kg(K2O)·hm−2] 0 60 70 70 0 60 70 70 钾肥
K fertilizer 等当量 CO2 Equivalent CO2 [kg(CO2)·hm−2] 0 7 8 8 0 7 8 8
2010—2011年度各处理底肥较 2009—2010年度多施 112.5 kg·hm−2二铵, 故 2010—2011年度各处理氮肥用量增加 20.3 kg(N)·hm−2, 磷肥
用量增加了 22.6 kg(P)·hm−2。In all treatments, more 112.5 kg·hm−2 diammonium phosphate was applied at base fertilization in 2010—−2011 than in
2009—2010, so in 2010—2011 the amount of applied N and P increased 20.3 kg·hm−2 and 22.6 kg·hm−2, respectively.

含生产地下部根系时转化为 NPP 的碳量, 所有处理
生产成籽粒部分转化为 NPP的碳量不包含在内。
在计算温室潜势时, 由于 CO2、CH4、N2O 3种
温室气体增温效应不同, 在此将其统一转换为碳当
量(carbon equivalent), 以便对农田系统或某一生产
模式的综合增温效应进行评价。两年度的监测结果
表明(表 5), 由土壤温室气体排放引起的等当量 CO2
排放量以 T2处理最低, T3处理最高, 二者之间的差
异显著(P<0.05), 而 T1和 T4处理土壤排放的温室气
体 CO2当量介于 T2 和 T3 之间, 且二者之间差异不
显著。由于管理措施不同, 各处理因农事活动引起的
CO2 排放由高到低的顺序为 T3>T1>T4>T2, 2009—
2010年小麦季因农事活动直接或间接排放的 CO2量
为 1 071~1 348 kg·hm−2, 2010—2011 年为 1 278~
1 558 kg·hm−2, 两年度之间的差异主要是由于秸秆
还田与否造成的机械能投入不同引起的。由于小麦
收获时秸秆全部还田, 故农田生态系统截存的碳包
含了生产根系和秸秆时转化为 NPP 的碳量(CNPP),
2009—2010 年度小麦根系和秸秆转化为 CNPP的量
由高到低为 T1>T2>T3>T4, T1 显著高于 T4(P<
0.05), 但与 T2 和 T3 之间差异不显著; 2010—2011
年 CNPP由高到低顺序为 T3>T2>T4>T1, 各处理间差
异不显著。
由于土壤排放的温室气体和农事活动引起的
CO2 排放是从农田生态系统内输出到大气环境, 对
温室效应的贡献为正效应, 故在计算增温潜势时取
正值; 而作物生产根系或秸秆时转化为 NPP 的碳是
由大气环境输入到农田生态系统, 对全球温室效应
的贡献为负效应, 故在计算增温潜势时取负值; 倘
若增温潜势为正, 表示农田生态系统向大气环境输
出的碳量大于其截存的碳量, 是大气的碳源, 对环
境不利; 倘若增温潜势为负, 表明农田生态系统截
存的碳量大于输出碳量, 是大气的碳汇, 对环境有
利。由表 5可知, 2009—2010年小麦季的 GWP均为
负值, 而 2010—2011 年小麦季 GWP 均为正值, 表
明去除农事活动引起的直接或间接排放的 CO2 后,
2009—2010 年麦季农田生态系统净截留 3 041~
5 216 kg(CO2)·hm−2, 是大气的碳汇; 而 2010—2011
年为净输出, 输出碳量为 540~2 609 kg(CO2)·hm−2,
是大气的碳源。究其原因, 一方面, 2010—2011年小
麦前茬玉米秸秆还田, 导致 2010—2011年度小麦生
长季 CO2和 N2O排放量显著高于 2009—2010年(表
2); 另一方面, 2009—2010 年的农业管理模式下不
仅小麦经济产量高于 2010—2011年, 其根系和秸秆
生长过程中转化的碳量也明显高于 2010—2011 年,
上述两方面原因导致了两个监测年度之间 GWP 的
不同。同一年度不同处理间 GWP 存在明显差异 ,
2009—2010年以 T1和 T2处理系统截存的碳量显著
高于 T3 和 T4 处理, 对环境最有利, 2010—2011 年
T1 向环境输出的碳量显著高于其他处理, 对环境最
不利, T2处理输出的碳量最低, T3和 T4输出碳量介
于 T1 和 T2 之间, 由此可见, T1 处理系统对环境影
响的变数较大, 该管理模式不可取, 而 T2 处理对环
境的负面影响两年均较小, 其环境效应相对其他处
理而言最为友好。
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。从两年的小麦产量来看,
T1 处理变幅较大, 第 1 年在所有处理中最高, 第 2
年却最低, 该模式下系统生产力稳定性较差; T4 处
理由第 1年的产量最低上升到了第 2年的第 2位, 产
量呈上升趋势, T2和 T3处理两年产量变幅较小, 系
统生产力相对较稳定, 每年其产量与最高产量间差
异均不显著。从农业生产中的投入来看, T2 处理施
肥量最低 , 灌溉次数最少 , 耕作中采用旋耕 , 机械
投入较低, 故其产投比最高, 经济效应最好。综合分
第 3期 宋利娜等: 华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应 305


表 5 不同农业管理措施下不同年份冬小麦季农田生态系统综合增温潜势估算
Table 5 Global Warming Potentials (GWPs) of agricultural systems under different agricultural management patterns
during winter-wheat growing seasons of 2009—2010 and 2010—2011
年度
Year
处理
Treatment
总等当量 CO21)
Total equivalent CO2
[kg(CO2)·hm−2]
Eh2)
[kg(CO2)·hm−2]
小麦产量
Wheat yield
(kg·hm−2)
CNPP3)
[kg(CO2)·hm−2]
增温潜势
GWP
[kg(CO2)·hm−2]
T1 8 880bc 1 305 6 873a 15 401a −5 216
T2 8 372c 1 071 6 141ab 14 386ab −4 943
T3 9 600a 1 348 6 778ab 13 990ab −3 041
2009—2010
T4 9 318ab 1 165 5 970b 13 759b −3 276
T1 13 395ab 1 514 5 876a 12 299a 2 609
T2 12 904b 1 278 6 270a 13 642a 540
T3 13 933a 1 558 6 511a 14 497a 994
2010—2011
T4 13 189ab 1 414 6 326a 13 631a 972
1): 土壤排放温室气体(N2O、CH4、CO2)相当的 CO2总当量 Total CO2 equivalent of greenhouse gases (N2O, CH4, CO2) emitted from soil; 2): 农业
管理措施引起的 CO2排放 Equivalent CO2 caused by agricultural management; 3): 根系和秸秆转化为 NPP的碳量 CNPP by root and straw.

析 4 个处理的经济效应和环境效应, T2 处理应为该
区域小麦季优化管理模式。
在同一处理下, 因为两年的管理措施不完全相
同, 第 1 年所有处理小麦前茬玉米秸秆均未还田,
施用的有机肥均为腐熟鸡粪, 第 2 年各处理前茬玉
米秸秆全部还田, 除 T1外其他处理均施用牛粪作为
有机肥。有机肥和秸秆管理措施的不同是造成年度
间小麦产量和碳当量输出、截存差异的主要原因 ,
从产量结果来推断, 施用腐熟鸡粪比牛粪可能更有
利于小麦产量和系统碳截存量的提高。前茬玉米秸
秆还田是引起第 2年温室气体排放量高的主要原因,
因为本研究只考虑了小麦季农田生态系统综合增温
效应, 故在计算作物根系和秸秆对大气碳的截存时
只能考虑小麦季, 而实际上, 前茬玉米秸秆还田不
仅促进了温室气体排放, 同时也增加了系统对碳的
截存 , 因此 , 在两茬或多茬轮作系统中 , 只对一茬
作物农田生态系统的温室效应进行评价, 其增温潜
势的计算可能会出现偏颇, 对整个轮作体系进行评
价可能会更精确。此外, 秸秆移出农田生态系统后,
或被作为饲料或被作为燃料, 秸秆中的碳亦会通过
各种途径以 CO2 形式排放到大气中, 但秸秆移出农
田系统后其温室气体排放潜势目前还少见研究报
道。因此, 在今后的研究中, 应加强秸秆移出农田后
温室气体排放研究, 以综合评价秸秆还田的积极效
应(固碳作用)和负面效应(分解过程中的 CO2排放)。
上述分析结果表明, T2处理应该是小麦季经济效
应和环境效应双赢的优化管理模式, 即耕作方式采用
旋耕播种后镇压、灌溉方式为亏缺灌溉、施肥量为 210
kg(N)·hm−2、100 kg(P2O5)·hm−2、60 kg(K2O)·hm−2, 磷
钾肥全部用于基肥, 氮肥分为播种前基肥和拔节期
追肥两次施用, 基肥用量为 75 kg(N)·hm−2, 追肥用
量为 135 kg(N)·hm−2, 秸秆管理上推荐采用秸秆粉
碎还田, 可以配施一定量腐熟鸡粪作底肥。
3 结论
华北太行山前平原冬小麦农田土壤是 CO2、N2O
的排放源, CH4的吸收的汇。不同农业管理措施对不
同温室气体的排放源和吸收汇强度的影响不同, 增
施氮肥、充分灌溉促进了土壤 CO2、N2O的生成, 强
化了土壤 CO2和 N2O 排放源的特征; 但却抑制了土
壤对CH4氧化, 弱化了土壤作为大气CH4吸收汇的特征。
2009—2010年和 2010—2011年冬小麦生长季 T1至 T4
处理土壤排放的温室气体相当的 CO2当量分别依次为
8 880 kg(CO2)·hm−2、8 372 kg(CO2)·hm−2、9 600 kg(CO2)·
hm−2、9 318 kg(CO2)·hm−2和13 395 kg(CO2)·hm−2、12 904
kg(CO2)·hm−2、13 933 kg(CO2)·hm−2、13 189 kg(CO2)·hm−2,
各处理间温室气体排放差异主要是由于施肥和灌溉措
施的不同引起的, T3和 T1施氮量较高、采用充分灌
溉, 其土壤 CO2和 N2O排放量明显高于 T4和 T2处
理。秸秆还田与否是造成年度间温室气体排放存在
差异的主要原因, 2010 年小麦前茬玉米秸秆全部还
田导致 2010—2011 年度小麦季温室气体排放显著
高于 2009—2010年。
综合增温效应是土壤直接排放温室气体、农事
活动所引起的 CO2直接或间接排放以及作物转化为
NPP的碳量(CNPP)的综合作用的结果。评价一种管理
模式的优劣要兼顾经济效应和环境效应双赢, 本研
究结果表明, T2处理综合增温潜势相对较低, 产量和
产投比相对较高, 为本区域冬小麦优化管理模式。
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