全 文 ：中国生态农业学报 2015年 12月 第 23卷 第 12期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Dec. 2015, 23(12): 15361543


* 山西省土壤环境与养分资源重点实验室开放基金项目(2013003)、国家自然科学基金项目(41471192, 41171238)和农业行业科研专项
(201503106)资助
** 通讯作者: 熊正琴, 主要研究方向为氮素循环与生态环境。E-mail: zqxiong@njau.edu.cn
贾俊香: 主要研究方向为农田氮素循环与生态环境。E-mail: junxiangjia@163.com
收稿日期: 20150508 接受日期: 20150908
* The study was supported by the Open Fund of Key Laboratory of Shanxi Provincial Soil Environment and Nutrient Resource (No. 2013003),
the National Natural Science Foundation of China (No. 41471192, 41171238) and Special Fund for Agro-scientific Research in the Public
Interest (No. 201503106).
** Corresponding author, E-mail: zqxiong@njau.edu.cn
Received May 8, 2015; accepted Sep. 8, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150539
典型菜地土壤剖面 N2O、CH4与 CO2分布特征研究*
贾俊香1,2 熊正琴2**
(1. 山西农业大学资源环境学院 太谷 030801;
2. 江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室/南京农业大学资源与环境科学学院 南京 210095)
摘 要 为探究菜地土壤剖面 N2O、CH4与 CO2时空分布特征, 利用地下气体原位采集系统与气相色谱法, 周
年动态监测 3种典型菜地, 即休闲裸地、轮作地 (Ⅰ 芹菜空心菜小白菜苋菜)以及轮作地 (Ⅱ 菜心芹菜空心
菜大青菜) 7 cm、15 cm、30 cm与 50 cm土层 N2O、CH4与 CO2浓度变化。结果表明, 0~50 cm土层范围内, N2O、
CH4与CO2 3种气体浓度周年变异性较大, 变幅分别为 0.63~1 657.0 μL(N2O)L1、0.8~72.5 μL(CH4)L1和 0.41~
36.6 mL(CO2)L1。轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ的 N2O 平均浓度随土壤深度增加而增加, 休闲裸地则呈现先增加
(0~30 cm)后降低(30~50 cm)的变化趋势。两种轮作菜地 4个土层 N2O平均浓度均显著高于休闲裸地, 二者氮
肥施用量不同并未造成相同土层间 N2O平均浓度的显著差异。3种菜地 CH4与 CO2平均浓度均呈现 50 cm>30 cm>
15 cm>7 cm的梯度特征。轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ0~15 cm土层 CH4平均浓度均大于休闲裸地, 而在 15~50 cm土
层则分别大于和小于休闲裸地。CO2浓度呈现明显的季节性变化, 除轮作地Ⅰ50 cm土层外, 两种轮作菜地其
他土层 CO2平均浓度均小于休闲裸地对应土层。可见, 蔬菜地高氮肥施用、多频次耕作等复杂管理使得 N2O、
CH4与 CO2表现出较大的时空变异特征, 其中氮肥施用对 N2O的影响大于 CH4与 CO2, CH4受施肥与耕作的
影响均较小, CO2显著受土壤温度与耕作措施的影响, 在此基础上需进一步探究 N2O、CH4与 CO2 的其他影
响因素。
关键词 典型菜地 轮作 施氮肥 土壤剖面 N2O CH4 CO2 分布特征
中图分类号: X511; S153.6 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)12-1536-08
Distribution characteristics of nitrous oxide, methane and carbon
dioxide along soil profile in typical vegetable fields*
JIA Junxiang1,2, XIONG Zhengqin2**
(1. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Low
Carbon Agriculture and GHGs Mitigation / College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University,
Nanjing 210095, China)
Abstract The concentrations of nitrous oxide (N2O), methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) at 7 cm, 15 cm, 30 cm and 50 cm
soil depths under bare fallow, rotation field Ⅰ (rotation of celery-tung choy-baby bok choy-amaranth) and rotation field Ⅱ
(rotation of choy sum-celery-tung choy-bok choy) were monitored using a special in situ soil gas collection device and gas
chromatography to explore the distribution characteristics of N2O, CH4 and CO2 in soil profiles. The results showed great
variations in annual concentrations of N2O, CH4 and CO2 within the 0-50 cm soil depth with respective values of 0.63
1 657.0 μL(N2O)L1, 0.872.5 μL(CH4)L1 and 0.4136.6 mL(CO2)L1. N2O concentrations under rotation Ⅰ and rotation Ⅱ
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increased with increasing soil depth. Also N2O concentration under bare fallow increased with increasing soil depth within the
030 cm soil layer, while it decreased with increasing depth within the 3050 cm soil layer. Average N2O concentrations of
two vegetable rotational fields were significantly higher than that of bare fallow. Different N fertilizers application to the two
vegetable rotational fields did not significantly change N2O concentration for the same soil layer. The orders of both CH4 and
CO2 concentrations in soil profile were 50 cm > 30 cm > 15 cm > 7 cm. N fertilizer application had no significant effect on
CH4 concentration. Average CH4 concentration under the two vegetable rotations in the 015 cm soil depth was higher than
that under bare fallow. However, CH4 concentration at the 1550 cm soil depth was higher under field rotation Ⅰ but lower
under field rotation Ⅱ than that under bare fallow. CO2 concentration had a clear seasonal variation. Average CO2
concentration under the two vegetable rotations was lower than that in corresponding soil layers under bare fallow, except for
the 50 cm soil depth under field rotation Ⅰ. The results suggested that soil N2O, CH4 and CO2 concentrations of vegetable
rotational fields with high nitrogen input and frequent tillage had greater temporal and spatial variability. The effect of
nitrogen application on N2O was stronger than that on CH4 and CO2. Nitrogen application and tillage slightly affected the
distribution of CH4 concentration in the soil. CO2 concentration was significantly affected by soil temperature and tillage.
Other factors affected the distribution of N2O, CH4 and CO2 in the soil can be the focus of further research.
Keywords Typical vegetable field; Rotation; Nitrogen application; Soil profile; N2O; CH4; CO2; Distribution characteristics
大气中温室气体浓度不断增加, 气候变暖成为
当前全球重要的环境问题之一[1]。氧化亚氮(N2O)、
甲烷(CH4)与二氧化碳(CO2)是 3 种重要的温室气
体 [23], 而农业土壤是其产生的重要来源[46]。目前
关于农田温室气体研究主要集中于土壤与大气之间
排放通量的观测 [78], 而对其在土壤剖面中的行为
特征研究甚少[910]。国外对土壤剖面中温室气体行
为过程的研究开始于 20 世纪 70 年代, 主要采用探
头法研究其在森林与农田土壤的分布特征、扩散能
力以及从不同土层释放到大气中的贡献率[1113]。例
如 , Goldberg 等 [11]对沼泽地和云杉森林土壤剖面
N2O 研究结果显示 , 沼泽地中 N2O 主要产生于
30~50 cm土层。我国关于土壤剖面温室气体研究较
早的报道见于梁东丽教授课题组采用田间原位土壤
塿探头测定法对黄土性与 土 10~150 cm土壤剖面中
N2O分布进行研究[1415]。
研究土壤剖面温室气体有助于揭示其在土壤中
产生、积累、运输以及向大气排放的生物和物理过
程[16]。现有对土壤剖面中温室气体的报道主要集中
于对非菜地生态系统单一气体进行研究[1718]。菜地
作为农业生态系统的重要组成部分, 目前对其土壤
剖面温室气体的研究却相对缺乏 , 而对同时研究
N2O、CH4与 CO2 3种气体的报道更为鲜见。为此, 本
文以南京郊区多种典型菜地为研究对象, 采用特殊
地下气体采集系统周年、原位、动态监测菜地土壤
剖面中 N2O、CH4与 CO2的浓度变化, 探究 3 种气
体在菜地土壤剖面的动态变化规律与分布特征, 以
期为探究菜地温室气体排放过程、产生机理与减排
措施提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2009年11月28日—2010年11月26日于江
苏省南京市孝陵卫街道(即镇)沧波门大队大门西一
组(32°01N, 118°52E)进行。该地区属典型的长江中
下游亚热带季风气候, 平均气温15.4 ℃, 年均降水
量1 107 mm。试验地具有30多年的集约化蔬菜种植
历史, 借助于大棚增温保护, 一年可连续种植3~5茬
蔬菜。菜地以种植叶菜类为主 , 包括芹菜 (Apium
graveolens L. var. dulce)、空心菜(Ipomoea aquatica
Forsk.)、苋菜 (Amaranthus mangostanus L.)、茼蒿
(Chrysanthemum coronarium L.)、生菜(Lactuca sativa
L.)、小白菜 [Brassica rapa L. chinensis (Linnaeus)
Kitamura Group]、菜心(B. rapa var. chinensis Group)
与大青菜(B. rapa var. chinensis Group)等。本试验选
取3种典型菜地, 分别为休闲裸地、轮作地Ⅰ(芹菜
空心菜小白菜苋菜周年轮作)与轮作地Ⅱ(菜心芹
菜空心菜大青菜周年轮作)进行研究, 试验地总面
积600 m2, 每个试验小区面积为200 m2 (50 m×4 m),
小区内设置3个平行采样点, 采样点之间间隔距离为
17 m。菜地按照当地管理措施种植, 包括施肥、灌溉、
耕翻等(表 1)。试验地土壤pH 5.77, 容重1.12 gcm3,
有机碳18.6 gkg1, 总氮2.1 gkg1, 砂粒31.2 gkg1,
粉粒664.3 gkg1, 黏粒304.4 gkg1。
1.2 气样采集与分析
采用地下气体原位采集系统[14]监测菜地土壤剖
面同一位点不同土层N2O、CH4与CO2浓度(图 1)。该
系统由4个基本采气单元上下连接而成 , 每个基本
采气单元由高50 mm、内径40 mm的PVC管制成。采
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表 1 不同供试菜地种植蔬菜种类、栽培与肥料管理
Table 1 Vegetable species, cultivation and fertilization managements of different tested vegetable fields
菜地类型
Vegetable
field type
蔬菜种类
Vegetable
species
生长周期
Growth
duration
(d)
生长期间
(年-月-日)
Growth period
(year-month-day)
翻耕次数
Tilling
times
施肥时间
(年-月-日)
Fertilization date
(year-month-day)
肥料种类
Fertilizer type
氮肥用量
N fertilizer
rate
[kg(N)hm2]
休闲裸地
Bare fallow
— — — — —
2009-11-20 猪粪 Pig manure 405 芹菜
Celery
77 2009-11-26— 2010-02-11 3 2009-11-25 NH4HCO3/(NH4)2HPO4 428/300
2010-03-11 NH4HCO3/ NH4)2HPO4 428/375
2010-05-08 尿素 Urea 347 空心菜
Tung choy
119 2010-03-13— 2010-07-10 2
2010-05-29 尿素 Urea 347
小白菜
Baby bok choy
48 2010-07-25— 2010-09-11 1 2010-08-13 尿素 Urea 116
轮作地Ⅰ
RotationⅠ
苋菜
Amaranth
59 2010-09-11— 2010-11-09 1
NH4HCO3 214 菜心
Choy sum
48 2009-11-20— 2010-01-07 1 2009-11-19 (NH4)2HPO4/尿素 Urea 188/463
2010-01-08 猪粪 Pig manure 405
2010-01-10 NH4HCO3/(NH4)2HPO4 342/188
芹菜
Celery
70 2010-01-30— 2010-04-10 2
2010-01-19 尿素 Urea 289
2010-05-06 猪粪 Pig manure 405
2010-05-11 NH4HCO3/(NH4)2HPO4 428/375
2010-05-29 尿素 Urea 347
2010-06-09 尿素 Urea 289
空心菜
Tung choy
110 2010-05-11— 2010-08-20 3
2010-07-24 尿素 Urea 394
2010-09-06 NH4HCO3/复合肥
Compound fertilizer
428/240
轮作地Ⅱ
Rotation Ⅱ
大青菜
Bok choy
79 2010-09-08— 2010-11-26 1
2010-09-30 尿素 Urea 579


图 1 土壤气体原位采集系统结构图
Fig. 1 Schematic design of soil gas collection device
气单元之间用PVC板隔断, 采集气体的细管经隔板
上小孔穿过, 统一从采集系统顶部穿出, 再用硅胶
管连接到三通阀上。在采气单元底部管壁均匀分布8
个小孔作为土壤气体交换界面。本试验中该采集系统
设计为能同时采集同一菜地土壤剖面中 7 cm、15 cm、
30 cm与50 cm土层的N2O、CH4与CO2气体。种植蔬
菜前, 将采集系统安装到每个试验小区里, 同时进
行气密性的检测与平衡调试。该系统平时保持密闭状
态, 采集时打开三通阀用医用注射针筒采集20 mL地
下气体样品 , 采集完立即用等体积的99.999%高纯
氮回封。样品每周采集1次, 采集好的样品带回实验
室于48 h内用装有ECD与FID检测器的安捷伦气相
色谱仪Agilent 7 890A测定。3种气体色谱柱均为
80/100目的SS-2 m×2 mm Porapak Q, 检测器温度为
300 ℃。ECD检测器测定N2O, 载气为体积比为5%氩
甲烷 , 流速为35 cm3min1; FID检测器测定CH4与
CO2, 载气为氮气, 流速为35 cm3min1。样品测试前先
校正气相色谱仪, 然后将样品上机测定, 样品浓度由
气相色谱直接测定所得。试验期间共采集样品52次,
每周1次。此外, 由于需要还测定了休闲裸地、轮作地
Ⅰ与轮作地Ⅱ 3 种温室气体排放通量, 经计算其累积 N2O
排放量分别为 29.2 kg(N)hm2、137.2 kg(N)hm2与
100.9 kg(N)hm2, 累积CH4排放量分别为9.0 kg(C)hm2、
13.9 kg(C)hm2与18.8 kg(C)hm2, 累积CO2排放
量分别为 6 659 kg(C)hm2、15 862 kg(C)hm2与
第 12期 贾俊香等: 典型菜地土壤剖面 N2O、CH4与 CO2分布特征研究 1539


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18 373 kg(C)hm2[19]。
1.3 土壤温度、NO3-N与 NH4+-N的测定
土壤温度、NO3-N与NH4+-N的观测与地下气体
采集频率同步。在整个观测期间, 采用土壤温度计
(Model JM 222, China)定期监测菜地土层耕层温度。
NO3-N 与 NH4+-N采用比色法测定[20]。
1.4 数据处理
采用 JMP(SAS Institute, USA, 2007)软件进行方
差分析与多重比较(Tukey法)(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 不同蔬菜地土壤温度、NO3-N、NH4+-N变化
整个观测期间(图 2), 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮
作地Ⅱ的土壤温度呈现明显相似的夏秋较高、冬春
较低的季节性变化趋势, 变化幅度为 6.0~31.1 ℃。
3 种菜地平均土壤温度分别为 18.9 ℃、18.7 ℃和
18.4 ℃。多次肥料施用使轮作菜地土壤 NO3-N与
NH4+-N 呈现较大变异性 , 轮作地Ⅰ变幅最大, 分
别为 6.4~747.4 mgkg1与 2.9~414.0 mgkg1; 休闲裸地
变幅最小, 分别为0.4~52.4 mgkg1与1.1~22.7 mgkg1。
轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ平均 NO3-N含量(121.5 mgkg1,
64.8 mgkg1)与NH4+-N含量(76.4 mgkg1, 37.8 mgkg1)
均显著高于休闲裸地(16.4 mgkg1, 6.3 mgkg1), 分
别为休闲裸地的 4.0~7.4 倍与 6.1~12.1 倍, 表明氮
肥施用显著提高了土壤中速效氮的含量。3 种典型
菜地的 NO3-N 含量均高于 NH4+-N 含量, 表明菜地
中 NO3-N 明显累积。由于轮作菜地高复种指数(表
1), 使得轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ的耕作管理次数均达
7次。
2.2 不同蔬菜地土壤剖面 N2O时空分布动态变化
由图 3可知, 0~50 cm土层内, 休闲裸地、轮作地
Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面 N2O 浓度变化范围分别为
0.63~334 μLL1、0.65~1 657 μLL1与 0.87~1 310 μLL1。
休闲裸地 4个土层的 N2O浓度在 8—9月较高, 两种
轮作菜地的 N2O 浓度则在 5—9 月较高。休闲裸地
土壤剖面 N2O 平均浓度呈现先增加(0~30 cm 土层)
后降低(30~50 cm 土层)的趋势, 而轮作地Ⅰ与轮作
地Ⅱ均表现为随土层深度增加而增加(50 cm 土层>
30 cm土层>15 cm土层>7 cm土层)。表 2表明, 两
种轮作菜地N2O平均浓度除 7 cm与 15 cm土层间无
显著差异外, 其他土层间均达到显著水平(P<0.05)。
轮作地Ⅰ 50 cm与 30 cm土层 N2O平均浓度分别为
15 cm土层的 5.8倍与 4.3倍, 7 cm土层的 16.1倍与
12.1倍。轮作地Ⅱ 50 cm与 30 cm两个土层 N2O平

图 2 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤温度和土壤
NO3-N与 NH4+-N含量的动态变化
Fig. 2 Dynamic changes of soil temperature, and contents of
nitrate nitrogen and ammonium nitrogen of bare fallow, rotation
Ⅰ and rotation Ⅱ fields
均浓度分别为 15 cm土层的 10.3倍与 5.3倍, 7 cm土
层的 28.3倍与 14.7倍。相同土层不同轮作处理 , 其
N2O 平均浓度表现出不同的差异显著性。15 cm、
30 cm与 50 cm土层中, 轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ的 N2O
平均浓度均显著高于休闲裸地; 7 cm 土层中, 休闲
裸地 N2O 平均浓度显著小于轮作地 , Ⅰ 但与轮作地
Ⅱ差异未达显著水平。
2.3 不同蔬菜地土壤剖面 CH4时空分布动态变化
从图 4可知, 0~50 cm土层中, 休闲裸地、轮作地
Ⅰ和轮作地Ⅱ的 CH4浓度变化幅度为 1.1~46.6 μLL1、
1.4~72.5 μLL1和 0.8~59.8 μLL1。观测期间休闲裸
1540 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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图 3 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面不同深度
N2O浓度的动态变化
Fig. 3 Dynamic changes of soil N2O concentration at different
depths of bare fallow, rotation Ⅰ and rotation Ⅱ fields
地与两种轮作菜地均有不同程度的峰值出现, 但在
时间上未表现出相似的变化趋势。休闲裸地 4 个
土层 CH4浓度于 4—10月变化较大 , 尤以 30 cm与
50 cm 表现突出。轮作地Ⅰ在整个观测周期内变化
均较大, 轮作地Ⅱ于 5—8 月变化较大, 其余月份则
变化较小。整个观测周期 CH4平均浓度显示(表 2),
休闲裸地与两种轮作菜地均表现出 7 cm<15 cm<
30 cm<50 cm的规律性, 休闲裸地与轮作地Ⅱ中 30 cm
与 50 cm土层 CH4平均浓度显著高于 7 cm与 15 cm
土层, 下层土壤 30 cm与 50 cm间与上层土壤 7 cm
与 15 cm 间无显著差异, 轮作地Ⅰ4 个土层中 CH4

图 4 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面不同深度
CH4浓度的动态变化
Fig. 4 Dynamic changes of soil CH4 concentration at different
depths of bare fallow, rotation Ⅰ and rotation Ⅱ fields
平均浓度差异均不显著。除轮作地Ⅰ7 cm土层 CH4
平均浓度显著高于休闲裸地与轮作地Ⅱ外, 其余 3
个土层中, 3种处理间 CH4平均浓度差异均未达显著
水平。
2.4 不同蔬菜地土壤剖面 CO2时空分布动态变化
休闲裸地、轮作地Ⅰ和轮作地Ⅱ的 CO2浓度均
表现出明显的季节性变化并呈现相似的峰形(图 5),
7 cm、15 cm、30 cm 与 50 cm 4个土层中 5—10月
的 CO2浓度较高, 而其他时间较低。与 N2O 与 CH4
相比(图 3与图 4), 不同土层中 CO2浓度在数值上表
现出更为明显的上低下高特性。整个观测期间, 休闲
裸地 CO2浓度变化为 0.45~35.3 mLL1, 轮作地Ⅰ与
第 12期 贾俊香等: 典型菜地土壤剖面 N2O、CH4与 CO2分布特征研究 1541


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图 5 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面不同深度
CO2浓度的动态变化
Fig. 5 Dynamic changes of soil CO2 concentration at different
depths of bare fallow, rotation Ⅰ and rotation Ⅱ fields
轮作地Ⅱ分别为 0.41~36.6 mLL1和 0.59~34.5 mLL1。
休闲裸地与两种蔬菜轮作处理 CO2平均浓度均随土
层深度增加而增加, 30 cm与 50 cm土层 CO2平均浓
度显著高于 7 cm与 15 cm土层(表 2)。相同土层不
同轮作地间 CO2平均浓度表现不同。7 cm与 15 cm
土层中, 休闲裸地 CO2平均浓度显著高于轮作地 , Ⅰ
但与轮作地Ⅱ间差异不显著。7 cm土层轮作地Ⅰ与
轮作地Ⅱ的 CO2平均浓度分别为休闲裸地的 58.5%
与 87.8%, 15 cm土层则分别为休闲裸地的 62.2%与
91.5%。30 cm与 50 cm土层中, 休闲裸地、轮作地
Ⅰ与轮作地Ⅱ间 CO2 平均浓度均无显著差异, 但在
表 2 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面不同深度
平均 N2O、CH4与 CO2浓度(n=52)
Table 2 N2O, CH4 and CO2 concentrations of different soil
depths of bare fallow, rotation Ⅰ and rotation Ⅱ fields (n = 52)
气体
Gas
土层
Soil depth
(cm)
休闲裸地
Bare fallow
轮作地Ⅰ
Rotation Ⅰ
轮作地Ⅱ
Rotation Ⅱ
7 11.9±2.9aB 38.0±6.2cA 21.3±2.7cAB
15 18.5±2.8aC 106.2±1.9cA 58.6±1.4cB
30 48.1±16.7aC 458.2±24.8bA 312.3±8.2bB
N2O
(μLL1)
50 15.3±6.6aB 613.2±51.5aA 601.9±94.6aA
7 4.3±0.04bB 5.7±0.26aA 4.8±0.17bB
15 5.5±0.22bA 7.6±0.61aA 6.4±0.65bA
30 13.2±2.04aA 16.7±3.46aA 9.9±0.85aA
CH4
(μLL1)
50 13.8±0.83aA 24.8±8.15aA 11.7±1.14aA
7 4.1±0.6 cA 2.4±0.2bB 3.6±0.3 cAB
15 8.2±0.8 bA 5.1±0.4 bB 7.5±0.3bAB
30 16.1±0.6aA 14.3±1.1 aA 15.8±0.1 aA
CO2
(mLL1)
50 16.7±0.3aA 17.0±0.3aA 16.0±0.8aA
同列不同小写字母表示相同轮作不同土层间差异显著, 同行不
同大写字母表示同一土层不同轮作间差异显著(P<0.05)。Different
lowercases in a column indicate significant difference at 0.05 level
among different soil layers at the same rotations including bare fallow.
Different capital letters in a row indicate significant difference at 0.05
level among different rotations including bare fallow at the same soil
layer.

30 cm 土层中, 休闲裸地的 CO2平均浓度在数值上
高于轮作地Ⅰ与轮作地 , Ⅱ 可以看出蔬菜轮作对 0~
15 cm土层 CO2浓度变化影响大于 15~50 cm土层。
3 讨论
3.1 不同蔬菜地土壤剖面 N2O时空分布特征
0~50 cm 土层范围内 , 轮作地Ⅰ与轮作地 Ⅱ
N2O 平均浓度随土壤深度的增加而增加, 表现出明
显的上低下高浓度梯度特征(50 cm土层>30 cm土
层>15 cm土层>7 cm土层)。农业管理措施、土壤环
境与养分因子是影响 N2O产生、排放以及在土壤剖
面中分布的重要因素[11,13]。本研究中, 轮作地Ⅰ与
轮作地Ⅱ全年施肥量分别高达 2 340 kg(N)hm2与
4 762 kg(N)hm2, 多种蔬菜种植、高氮肥投入伴随
着频繁的耕作(两种蔬菜轮作均翻耕 7 次)可能是造
成 N2O上低下高浓度特征的主要原因。土壤耕作对
上层土壤的扰动程度大于下层, 从而造成表层土壤
疏松多孔, 利于产生的土壤气体向大气扩散, 而累
积在下层的气体扩散能力相对较低[13]。一些学者在
其他土地类型研究中也得出了相似的结果。Kusa
等 [21]对 0~30 cm 灰色低地土与火山灰土土壤剖面
N2O 浓度分布的研究证实, 表土层对从土壤释放到
大气中的 N2O贡献率最大, 分别达 86%与 100%。梁
东丽等[14]在对黄土性土壤剖面不同层次 N2O浓度的
1542 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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原位监测中发现表土层 N2O 浓度较低。此外, 轮作
地Ⅰ与轮作地 4Ⅱ 个土层 N2O浓度均大于休闲裸地
相对应土层(30 cm与 50 cm表现尤为明显), 表明氮
肥的施用促进了 N2O的产生[14,18]。休闲裸地 4个土
层 N2O 浓度也呈现一定梯度, 但差异均不显著, 表
明不施用氮肥降低了 N2O在土壤剖面中的浓度分布
差异。轮作地Ⅱ施氮量大于轮作地 , Ⅰ 但两种轮作
同一土层 N2O 平均浓度并未表现出随施肥量增加
而增加的趋势。Jia 等[19]通过对两种轮作菜地耕层
土壤 NO3-N、NH4+-N 与累积 N2O 排放量监测发现,
总施氮量少的轮作地Ⅰ平均 NO3-N、NH4+-N 与累积
N2O 排放量[分别为 121.5 mg·kg1、76.4 mg·kg1与
137.2 kg(N)·hm2]均高于总施氮量多的轮作地
Ⅱ[64.8 mg·kg1、37.8 mg·kg1与 100.9 kg(N)·hm2],
因此, 影响菜地土壤剖面氮素损失的其他影响因素
需进一步探究。
3.2 不同蔬菜地土壤剖面 CH4时空分布特征
本研究表明, 0~50 cm土层范围内, 休闲裸地、
轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ CH4浓度表现出较大变化幅度
(0.8~72.5 μLL1), 但未呈现出较为明显的季节性变
化趋势, CH4 平均浓度随土层深度的增加呈现较小
的增加趋势。刘芳等[22]对喀斯特地区 0~80 cm土壤
剖面 CH4 浓度分布研究发现, CH4 浓度变化范围为
0.1~4.7 μLL1, 季节变化对 CH4 浓度变化的影响较
小, CH4 浓度随着土壤深度增加呈现先减小而后逐
渐增加、最后趋于稳定的变化趋势。施用大量氮肥
的轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ对应土层未表现出相似或相
同的变化趋势, 结合氮肥施用对菜地 CH4 排放通量
无显著影响的结果[19], 进一步证实氮肥对 CH4产生
与排放影响不显著。Cai 等[2324]对稻田 CH4排放的
研究中发现氮肥对 CH4 排放的影响不显著 , 氮肥
对 CH4 排放的抑制效应随用量的增加而增强。本
研究表明 , 耕作措施对菜地土壤剖面 CH4 浓度无
显著影响。
3.3 不同蔬菜地土壤剖面 CO2时空分布特征
0~50 cm土层范围内, 休闲裸地、轮作地Ⅰ与轮
作地 COⅡ 2 平均浓度随土层深度的增加而增加, 其
CO2浓度表现出与土壤温度相似的动态变化趋势(对
土壤温度与 CO2 浓度进行相关分析 , 其决定系数
R2=0.346 7, n=153, P<0.01), 表明土壤温度显著影响
土壤剖面 CO2浓度分布, 这与 Ruser 等[25]、Bertora
等[26]与 Wang 等[27]的研究结果一致。土壤中 CO2气
体主要来源于植物根系呼吸和微生物对土壤有机
碳的分解, 而轮作地Ⅰ与轮作地 7 cmⅡ 、15 cm和
30 cm以及轮作地 50 cmⅡ 土层CO2浓度在数值上均
低于休闲裸地对应土层。分析休闲裸地与两种轮作
菜地 CO2 累积排放量发现 [19], 轮作地Ⅰ与轮作地
Ⅱ排放到大气中的 CO2高达 15 862 kg(C)·hm2与
18 373 kg(C)·hm2, 为休闲裸地CO2排放量6 659 kg(C)·hm2
的 2.4倍与 2.8倍, 因此轮作菜地高 CO2排放通量降
低土壤剖面中 CO2平均浓度分布。尽管氮肥施用促
进了蔬菜生长, 增强了土壤呼吸, 但经过 7 次翻耕
管理的两种轮作菜地土壤疏松多孔, 使土壤剖面中
CO2 更易于向大气中排放, 这可能是导致两种轮作
菜地土壤剖面中 CO2平均浓度小于休闲裸地的重要
原因。
4 结论
1)0~50 cm土层范围内, 休闲裸地、轮作地Ⅰ与
轮作地Ⅱ土壤剖面中 N2O、CH4与 CO2浓度分布表
现出较大的时空变异性。N2O、CH4与 CO2 3种气体
浓度周年变幅分别为 0.63~1 657.0 μL(N2O)L1、
0.8~72.5 μL(CH4)L1和 0.41~36.6 mL(CO2)L1。
2)轮作地Ⅰ与轮作地 NⅡ 2O 平均浓度随土壤深
度增加而增加 , 休闲裸地随土壤深度呈现先增加
(0~30 cm)后降低(30~50 cm)的变化趋势。氮肥施用
显著提高了轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ土壤剖面中 N2O浓
度, 加大了其与休闲裸地相应土层 N2O 浓度分布差
异程度。但高氮肥施用量的显著不同并未引起轮作
地Ⅰ与轮作地Ⅱ各土层 N2O浓度分布差异。
3)CH4与 CO2气体浓度均呈现 50 cm土层≥30 cm
土层>15 cm土层>7 cm土层的浓度梯度特征。表土
层的气体更易排放到大气中去, 耕作措施加剧了这
一排放过程。氮肥施用对 CH4浓度分布影响不显著。
菜地土壤剖面 CO2浓度动态变化与土壤温度呈现一
致的变化趋势, 影响 N2O 与 CO2浓度分布的其他因
素需进一步深入探究。
参考文献
[1] Li B, Fan C H, Zhang H, et al. Combined effects of nitrogen
fertilization and biochar on the net global warming potential,
greenhouse gas intensity and net ecosystem economic budget
in intensive vegetable agriculture in southeastern China[J].
Atmospheric Environment, 2015, 100: 10–19
[2] Robertson G P, Grace P R. Greenhouse gas fluxes in tropical
and temperate agriculture: The need for a full-cost accounting
of global warming potentials[J]. Environment, Development
and Sustainability, 2004, 6(1/2): 51–63
[3] Zheng X H, Han S H, Huang Y, et al. Re-quantifying the
emission factors based on field measurements and estimating
the direct N2O emission from Chinese croplands[J]. Global
第 12期 贾俊香等: 典型菜地土壤剖面 N2O、CH4与 CO2分布特征研究 1543


http://www.ecoagri.ac.cn
Biogeochemical Cycles, 2004, 18(2): GB2018
[4] Yan X Y, Yagi K, Akiyama H, et al. Statistical analysis of the
major variables controlling methane emission from rice
fields[J]. Global Change Biology, 2005, 11(7): 1131–1141
[5] Ding W X, Meng L, Yin Y F, et al. CO2 emission in an
intensively cultivated loam as affected by long-term
application of organic manure and nitrogen fertilizer[J]. Soil
Biology and Biochemistry, 2007, 39(2): 669–679
[6] Ju X T, Liu X J, Zhang F S, et al. Nitrogen fertilization, soil
nitrate accumulation, and policy recommendations in several
agricultural regions of China[J]. Ambio: A Journal of the
Human Environment, 2004, 33(6): 300–305
[7] Zou J W, Huang Y, Zheng X H, et al. Quantifying direct N2O
emissions in paddy fields during rice growing season in
mainland China: Dependence on water regime[J]. Atmospheric
Environment, 2007, 41(37): 8030–8042
[8] 宋利娜, 张玉铭, 胡春胜, 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[J]. 中国生态农业
学报, 2013, 21(3): 297–307
Song L N, Zhang Y M, Hu C S, et al. 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[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013,
21(3): 297307
[9] Yoh M, Toda H, Kanda K, et al. Diffusion analysis of N2O
cycling in a fertilized soil[J]. Nutrient Cycling in Agroeco-
systems, 1997, 49(1/3): 29–33
[10] Well R, Myrold D D. A proposed method for measuring
subsoil denitrification in situ[J]. Soil Science Society of
America Journal, 2002, 66(2): 507–518
[11] Goldberg S D, Knorr K H, Gebauer G. N2O concentration and
isotope signature along profiles provide deeper insight into
the fate of N2O in soils[J]. Isotopes in Environmental and
Health Studies, 2008, 44(4): 377–391
[12] Dowdell R J, Smith K A, Crees R, et al. Field studies of
ethylene in the soil atmosphere-equipment and preliminary
results[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1972, 4(3): 325–331
[13] Burton D L, Beauchamp E G. Profile nitrous oxide and carbon
dioxide concentrations in a soil subject to freezing[J]. Soil
Science Society of America, 1994, 58(1): 115–122
[14] 梁东丽, 同延安, Emterdy O, 等. 黄土性土壤剖面中 N2O
排放的研究初报[J]. 土壤学报, 2002, 39(6): 802–809
Liang D L, Tong Y A, Emterdy O, et al. In-situ measurement
of N2O emissions from profile of loess soil[J]. Acta
Pedologica Sinica, 2002, 39(6): 802–809
[15] 梁东丽, 同延安, Emterdy O, 等. 塿土土壤剖面中 N2O 浓
度的时间和空间变异[J]. 生态学报, 2003, 23(4): 731–737
Liang D L, Tong Y A, Emterdy O, et al. Temporal variation
of nitrous oxide concentrations in soil profiles of manural
loessial soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(4):
731–737
[16] Xiong Z Q, Khalil M A K, Xing G, et al. Isotopic signatures
and concentration profiles of nitrous oxide in a rice-based
ecosystem during the drained crop-growing season[J]. Journal
of Geophysical Research, 2009, 114(G2): G02012
[17] 高程达, 孙向阳, 张林, 等. 北温带干旱地区土壤剖面 CO2
通量的变化特征[J]. 北京林业大学学报, 2010, 32(2): 6–13
Gao C D, Sun X Y, Zhang L, et al. Characteristics of carbon
dioxide flux in soil profiles of arid areas in north temperate
regions, China[J]. Journal of Beijing Forestry University,
2010, 32(2): 6–13
[18] 刘平丽 , 张啸林 , 熊正琴 , 等 . 不同水旱轮作体系稻田土
壤剖面 N2O 的分布特征[J]. 应用生态学报 , 2011, 22(9):
2363–2369
Liu P L, Zhang X L, Xiong Z Q, et al. Distribution
characteristics of soil profile nitrous oxide concentration in
paddy fields with different rice-upland crop rotation
systems[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(9):
2363–2369
[19] Jia J X, Ma Y C, Xiong Z Q. Net ecosystem carbon budget,
net global warming potential and greenhouse gas intensity in
intensive vegetable ecosystems in China [J]. Agriculture,
Ecosystems & Environment, 2012, 150: 27–37
[20] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科学
技术出版社, 2000: 157–160
Lu R K. Methods for Soil Agrochemistry Analysis[M].
Beijing: Agricultural Science and Technology Press, 2000:
157–160
[21] Kusa K, Sawamoto T, Hu R G, et al. Comparison of N2O and
CO2 concentrations and fluxes in the soil profile between a
gray lowland soil and an andosol[J]. Soil Science & Plant
Nutrition, 2010, 56(1): 186–199
[22] 刘芳, 刘丛强, 王仕禄, 等. 喀斯特地区土壤剖面 CO2、CH4
和 N2O 浓度的相关关系 [J]. 生态学杂志 , 2010, 29(4):
717–723
Liu F, Liu C Q, Wang S L, et al. Correlations among CO2,
CH4 and N2O concentrations in soil profiles in central
Guizhou Karst area[J]. Chinese Journal of Ecology, 2010,
29(4): 717–723
[23] Cai Z C, Shan Y H, Xu H. Effects of nitrogen fertilization on
CH4 emissions from rice fields[J]. Soil Science and Plant
Nutrition, 2007, 53(4): 353–361
[24] Zou J W, Huang Y, Jiang J Y. A 3-year field measurement of
methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in
China: Effects of water regime, crop residue, and fertilizer
application[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2005, 19(2):
doi: 10.1029/2004GB002401
[25] Ruser R, Flessa H, Russow R, et al. Emission of N2O, N2 and
CO2 from soil fertilized with nitrate: Effect of compaction,
soil moisture and rewetting[J]. Soil Biology and Biochemistry,
2006, 38(2): 263–274
[26] Bertora C, Alluvione F, Zavattaro L, et al. Pig slurry treatment
modifies slurry composition, N2O, and CO2 emissions after
soil incorporation[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008,
40(8): 1999–2006
[27] Wang Y Y, Hu C S, Ming H, et al. Concentration profiles of
CH4, CO2 and N2O in soils of a wheat-maize rotation
ecosystem in North China Plain, measured weekly over a
whole year[J]. Agriculture, Ecosystems &Environment, 2013,
164: 260–272