全 文 ：中国生态农业学报 2013年 11月 第 21卷 第 11期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2013, 21(11): 1318−1327


* 国家重大基础研究计划 (973计划 )项目 (2011CB100400)、国家科技支撑计划项目 (2012BAD14B16-04)和广东省科技计划项目
(2012A020100003)资助
** 通讯作者: 王建武(1966—), 男, 教授, 主要从事循环农业和转基因作物生物安全方面的研究。E-mail: wangjw@scau.edu.cn
章莹(1988—), 女, 硕士研究生, 主要从事甘蔗大豆间作农田温室气体排放研究。E-mail: zy1489@163.com
收稿日期: 2013−03−27 接受日期: 2013-07-09
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.30295
减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响*
章 莹1,2,3 王建武1,2,3** 王 蕾1,2,3 杨文亭4
吴 鹏1,2,3 刘 宇1,2,3 唐艺玲1,2,3
(1. 华南农业大学热带亚热带生态研究所 广州 510642; 2. 农业部华南热带农业环境重点实验室 广州 510642;
3. 华南农业大学广东省高等学校农业生态与农村环境重点实验室 广州 510642; 4. 江西农业大学农学院 南昌 330045)
摘 要 采用静态箱−气相色谱法对常规施氮(N2, 525 kg·hm−2)和减量施氮(N1, 300 kg·hm−2)处理下甘蔗与大
豆按行数比 1 1(SB1)∶ 和 1 2(SB2)∶ 间作、甘蔗单作(MS)、大豆单作(MB)种植模式下蔗田土壤 CO2、N2O、CH4
排放通量及土地当量比(LER)进行观测和对比分析, 以探讨不同间作模式及施氮水平下甘蔗//大豆间作农田土
壤温室气体排放的动态变化规律及对作物产量的影响, 为制定农田温室气体减排措施提供合理的依据。研究
结果表明, 减量施氮处理甘蔗//大豆(1 2)∶ 间作模式(SB2-N1)农田土壤 CO2排放总量较甘蔗单作(MS)显著降低
35.58%, N2O累积排放总量较甘蔗单作降低 56.36%, CH4累积排放总量较甘蔗单作升高 7.02%; 不同种植模式
和施氮处理蔗田土壤均表现为 CO2和 N2O的排放源, CH4吸收汇, 追施氮肥后土壤对 CH4的吸收速率降低, 但
CO2和 N2O 的排放速率增加。MS-N1、SB1-N1、SB2-N1、MS-N2、SB1-N2、SB2-N2 和 MB 处理土壤 CO2
年累积排放总量(kg·hm−2·a−1)分别为 5 096.89、6 422.69、3 283.20、4 103.29、4 475.84、4 775.31和 4 780.35, 土
壤 N2O年累积排放总量(kg·hm−2·a−1)分别为 4.61、5.11、2.15、3.13、3.72、5.60和 3.11, 土壤 CH4年累积排放
总量(kg·hm−2·a−1)分别为−13.68、−21.78、−12.72、−5.53、−11.36、−4.77和−9.97。甘蔗//大豆间作系统 2009—2012
年土地当量比(LER)均大于 1, 且减量施氮水平下, 甘蔗//大豆(1 2∶ )间作模式优势最明显。
关键词 甘蔗//大豆间作 减量施氮 温室气体 排放通量 土地当量比
中图分类号: S151.9 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)11-1318-10
Effect of low nitrogen application and soybean intercrop on soil greenhouse
gas emission of sugarcane field
ZHANG Ying1,2,3, WANG Jian-Wu1,2,3, WANG-Lei1,2,3, YANG Wen-Ting4,
WU Peng1,2,3, LIU Yu1,2,3, TANG Yi-Ling1,2,3
(1. Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Key
Laboratory of Tropical Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510642, China; 3. Key Laboratory of Agroecology
and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education Institutions, South China Agricultural University, Guangzhou
510642, China; 4. College of Agriculture, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)
Abstract This study discussed the effect of different sugarcane intercropping patterns and nitrogen dosages on soils greenhouse gas
emission and the related impact on crops yield. The study further strengthened the theoretical basis for measuring agriculture-based
greenhouse gas emission. It analyzed emission fluxes of greenhouse gases (CO2, N2O and CH4) in sugarcane//soybean intercropping
systems with crops line ratios of 1∶1 (SB1) and 1∶2 (SB2), monocropped sole sugarcane(MS)under two nitrogen levels (N2, 525
kg·hm−2 and N1, 300 kg·hm−2) and monocropped soybean under zero nitrogen supply using the static chamber/gas chromatographic
technique during the crop growth season. Results showed that compared to the sugarcane monoculture, cumulative emissions of CO2
and N2O in SB2 under low nitrogen dose (SB2-N1) respectively decreased by 35.58% and 56.36%. Also cumulative CH4 emission
increased by 7.02%. Soils in different cropping patterns and nitrogen dosages served as sources of CO2 and N2O, sink of CH4 during
crop growth season. After nitrogen application, CH4 absorption rate decreased while CO2 and N2O flux rates increased. CO2 emissions
第 11期 章 莹等: 减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响 1319


(kg·hm−2·a−1) under MS-N1, SB1-N1, SB2-N1, MS-N2, SB1-N2, SB2-N2 and MB treatments were 5 096.89, 6 422.69, 3 283.20,
4 103.29, 4 475.84, 4 775.31 and 4 780.35, respectively. Cumulative N2O emissions (kg·hm−2·a−1) under MS-N1, SB1-N1, SB2-N1,
MS-N2, SB1-N2, SB2-N2 and MB treatments were 4.61, 5.11, 2.15, 3.13, 3.72, 5.60 and 3.11, respectively. Also cumulative CH4
emissions (kg·hm−2·a−1) under MS-N1, SB1-N1, SB2-N1, MS-N2, SB1-N2, SB2-N2 and MB treatments were 13.68, 21.78, 12.72,
5.53, 11.36, 4.77 and 9.97, respectively. Land equivalent ratio (LER) values in sugarcane//soybean intercropping systems exceeded
1.0 during 2009 and 2012. The study showed that SB2 cropping system was the best one under low nitrogen conditions.
Key words Sugarcane//soybean intercrop, Low nitrogen application, Greenhouse gas, Emission flux, Land equivalent ratio
(Received Mar. 27, 2013; accepted Jul. 9, 2013)
近年来, 气候变暖已成为备受瞩目的全球性问
题, 人类社会生产生活引起的温室气体增加是全球
气候变暖的主要原因。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接近
80%[1]。农田土壤是温室气体排放的主要来源之一,
农业管理措施, 包括耕作、灌溉以及施肥等, 通过影
响土壤理化性质而影响着温室气体的排放[2−8]。土壤
有机碳经土壤微生物的矿化作用, 以 CO2 的形式释
放到大气中[9], 大气中 N2O 的 65%来源于土壤微生
物的硝化和反硝化作用[10], 土壤 CH4排放是甲烷产
生菌和甲烷氧化菌共同作用的结果[11]。
甘蔗是我国最重要的糖料作物 , 有喜高温光
照、需水量大、吸肥多、生长期长的特点, 主要分
布在北纬 24°以南的热带、亚热带地区, 其种植面积
常年占我国糖料种植面积的 85%以上, 蔗糖产量占
食糖总产的 90%以上[12], 甘蔗产业已成为中国主产
区经济发展的重要支柱和农民增收的主要来源。我
国是世界上甘蔗生产成本较高的国家之一, 根据近
年来对粤西蔗区的调查分析, 平均每 667 m2甘蔗生
产成本达 1 400 元, 其中肥料投入最大, 达 500 元,
占总生产成本的 30%以上。目前我国生产中甘蔗施
肥水平为尿素 450~1 000 kg·hm−2、磷肥 1 500~3 000
kg·hm−2、钾肥 450~1 000 kg·hm−2, 平均施肥量为世
界平均水平的 3 倍, 更是发达国家的 5~10 倍, 直接
造成肥料利用率低, 生产成本居高不下, 同时引起
土壤酸化、地力退化和温室气体排放量大等环境问
题[13]。杨文亭等[14]指出, 甘蔗大豆间作土地当量比
均大于 1, 不同施氮水平对甘蔗鲜重无显著影响, 施
氮水平和种植模式对甘蔗单株氮吸收量、甘蔗收获
后土壤硝态氮和微生物量氮均无显著影响; 谢如林
等 [15]的研究结果也表明, 在当地试验条件下, 每公
顷施用 300 kg N不仅能获得较高的甘蔗产量, 而且
能达到提高氮肥利用率的目的 , 氮肥利用率达到
45.6%。
大量研究表明 [14,16−17], 甘蔗间套作大豆 , 能有
效提高单位面积的经济效益, 且对甘蔗品质及土壤
氮素均无显著影响; 另外 , 甘蔗间作大豆 , 还可以
利用豆科根瘤菌的固氮作用 [18], 减少氮肥施用量 ,
缓解农田土壤中有机碳的矿化, 从而有效减少 CO2
的损失[19]。Dyer等[20]通过玉米−大豆间作研究得出,
玉米−大豆间作较玉米单作显著降低了土壤 CO2 排
放, 但 N2O 排放差异不显著, 两季土壤温室气体排
放结果均表现为玉米单作>大豆单作>间作 ; Pappa
等 [21]通过豆科−禾本科间作研究结果表明 , 禾本科
间作豆科可以显著降低农田 N2O 排放和氮素损失,
但不同豆科作物品种的选择是影响氮素损失数量的
关键因素。目前有关不同间作模式及施氮水平下甘
蔗//大豆间作蔗田 CO2、N2O和 CH4排放的研究相对
较少, 哪种种植模式最有利于减少蔗田温室气体排
放还有待于深入研究。为此, 本文在华南农业大学
农场甘蔗//大豆间作与减量施氮长期定位试验(2009
年开始)的基础上 [14,16], 采用静态箱−气相色谱法原
位观测不同间作模式及施氮水平下甘蔗//大豆间作
农田土壤温室气体排放的动态变化规律及对作物产
量的影响, 以期为利用农艺措施减少蔗田温室气体
排放量提供科学依据。
1 研究地概况与研究方法
1.1 试验区概况
该甘蔗//大豆间作与减量施氮长期定位试验始
于 2009年[14,16], 在广州市华南农业大学校内农场进
行(23°08′N, 113°15′E)。该农场地处亚热带, 气候属
亚热带典型的季风海洋气候, 光热资源充足, 年日
照时数 1 289~1 780 h, 太阳辐射总量 105.3 kJ·cm−2,
年平均气温 21.9~22.8 , ℃ 极端最高气温 38.6~39.3 ℃,
极端最低气温 0~2.3 , ℃ 年平均降雨量 1 348~2 278 mm,
约 85%的降水集中在 4—8月, 2009—2012年各月气温
及降雨情况见图 1(资料来源于广州市气候公报)。试
验地土壤为赤红壤, pH 5.87, 耕层有机质含量 21.08
g·kg−1, 碱解氮 75.38 mg·kg−1, 速效磷 75.04 mg·kg−1,
速效钾 61.71 mg·kg−1。
1.2 材料与试验设计
试验设计与李志贤等[16]相同, 供试甘蔗品种为
“粤糖 00-236”, 其特点是特早熟、高糖、高产、萌
芽快而整齐、萌芽率高、分蘖力强和成茎率高。供试
大豆品种为“毛豆 3”, 早熟品种, 生育期约为 100 d。
1320 中国生态农业学报 2013 第 21卷



图 1 2009—2012年试验区月降雨量和月均温度图
Fig. 1 Precipitation and average temperature per month during 2009—2012 in the tested area in Guangzhou
参考当地甘蔗施氮量, 试验施氮水平设置常规
施氮 525 kg·hm−2, 减量施氮 300 kg·hm−2。
本试验采用施氮水平、种植模式二因素设计, 2
个施氮水平, 4种种植模式, 共设 7个处理(表 1)。试
验采取随机区组设计, 3 次重复, 小区长 5.5 m, 宽
4.8 m, 小区面积 26.4 m2。甘蔗行距 120 cm, 每小区
种植 4行, 每行 38段双芽苗, 大豆行距 30 cm, 株距
20 cm, 大豆单作 16行, 每行种 25穴。每穴在苗期
定植 2株。甘蔗//大豆(1 1)∶ 和甘蔗//大豆(1 2)∶ 间作
为甘蔗种植 4行、大豆分别种植 4行和 8行。
表 1 甘蔗//大豆间作田间试验设计
Table 1 Field experiment design of sugarcane//soybean intercropping
处理 Treatment 施氮水平 Nitrogen rate (kg·hm−2) 种植模式 Cropping pattern
MS-N1 300 甘蔗单作 Monocropped sugarcane
SB1-N1 300 甘蔗//大豆(行数比 1∶1) Sugarcane//soybean intercropping (line ratio of crops is 1∶1)
SB2-N1 300 甘蔗//大豆(行数比 1∶2) Sugarcane//soybean intercropping (line ratio of crops is 1∶2)
MS-N2 525 甘蔗单作 Monocropped sugarcane
SB1-N2 525 甘蔗//大豆(行数比 1∶1) Sugarcane//soybean intercropping (line ratio of crops is 1∶1)
SB2-N2 525 甘蔗//大豆(行数比 1 2)∶ Sugarcane//soybean intercropping (line ratio of crops is 1∶2)
MB 0 大豆单作 Monocropped soybean

田间试验于 2月 25日播种甘蔗, 3月 10日种植
大豆, 6月 3日收获大豆, 12月 16日收获甘蔗。2月 24
日施基肥[氯化钾 150 kg·hm−2, 过磷酸钙 1 050 kg·hm−2,
复合肥(N P K=15 15 15)750 kg·hm∶ ∶ ∶ ∶ −2]; 5月 3
日追施攻蘖肥, 追肥氯化钾 300 kg·hm−2, 常规施氮
处理追施尿素 225 kg·hm−2, 减量施氮追施尿素 113
kg·hm−2; 6 月 27 日施攻茎肥 , 常规施氮处理追肥
尿素 672 kg·hm−2, 减量施氮处理追施尿素 295
kg·hm−2。甘蔗 //大豆间作种植采用的是畦沟模式 ,
大豆种植在畦上, 畦宽 90 cm, 甘蔗种植在沟内, 沟
宽 30 cm。基肥施在种植甘蔗的沟内, 上盖一层细土
(5 cm), 之后追肥全部施在种植甘蔗的沟内, 再培土,
大豆整个生育期不施肥, 大豆收获后将叶和茎秆还
田于蔗行, 并覆土, 最后畦成为沟, 有利于排水。其
他田间管理与当地甘蔗种植保持一致。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 气体的采集与分析
自甘蔗种植起, 每隔 14 d(如遇下雨天气则相应
推迟或提前), 采用静态箱−气相色谱法, 分别在甘
蔗、大豆两邻行中间位置设置测试样点, 大豆单作
随机选取两点为测试样点, 每个小区安装两个静态
箱。田间静态箱的设置参照 Dyer[22]的方法, 静态箱
为直径 11 cm的圆形 PVC管, 长度为 25 cm, 底端插
入土壤 10 cm。静态箱上端盖有直径为 11 cm聚氯乙
烯材质的管帽。管帽中间有 1个直径 2 cm的采样孔,
并用橡胶塞封住。采样孔旁边还装置有 1 条长度为
10 cm、直径为 6 mm的导气管, 用来平衡静态箱内
外的气压。具体操作为: 在晴朗天气下白天 9:00—
11:00时左右, 选择适合的时间, 在 t=0 min, t=15 min,
t=30 min时完成 3次气体采样。用 50 mL注射器插
入采样口, 采集气体时先来回抽动注射器的活塞 3
次将静态箱内的气体混匀。采集气体后迅速将注射
器放入做好标记的密封袋里, 迅速拿回实验室进行
气相色谱仪分析。气相色谱仪采用意大利产 TRACE
GC 2000。CO2、N2O检测器为ECD, 检测温度 300 ℃,
炉温 80 ; CH℃ 4检测器为 FID, 检测温度 300 , ℃ 炉
第 11期 章 莹等: 减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响 1321


温 80 , ℃ 载气为高纯 N2。温室气体排放通量根据万
云帆等[23]提供的公式进行计算, 加权求生育期温室
气体累积排放总量。公式如下:
2 1m m mF
A t A t
−= =× ×
+
+ +
2 0 1 0
2 1
2 1
273 273
( ) 22.4
C V M C V M
T T
A t t
−
−
× × × × × ×
= × × (1)
式中: F 为气体排放通量(mg·m−2·h−1), 正值为排放,
负值为吸收; A 为取样箱的底面积(m2); V 为取样箱
体积(m3); 0M 为测定气体的分子质量; m1、m2分别
为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内某温室气体的
质量(mg); t1、t2为测定开始和测定结束的时间; C1、
C2 分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温室
气体的体积浓度; T1、T2 分别为测定箱关闭时和测
定箱开启前箱内温度(K)。
1.3.2 土地当量比
土地当量比(Land Equivalent Ratio, LER)常被用
于衡量间作优势, 计算公式如下:
ib is
sb ss
Y Y
LER
Y Y
= + (2)
式中: Yis、Yib分别为间作甘蔗、大豆的产量(t·hm−2);
Yss、Ysb 分别为单作甘蔗、大豆的产量(t·hm−2); 若
LER>1, 表明有间作优势; 若 LER<1, 为间作劣势[24]。
1.3.3 同期观测的其他数据
每次气体采集时, 记录大气温度, 并用土钻钻
取有代表性的新鲜土样 , 刮去土钻中的上部浮土 ,
将土钻中部所需深度处的土壤约 20 g, 捏碎后迅速
装入已知准确质量的大型铝盒内, 盖紧, 装入整理
箱内, 带回室内采用烘干法测定 0~30 cm 土层土壤
含水量。
1.4 数据处理及统计方法
定位试验从 2009年开始, 温室气体测定从 2012
年开始 , 因此本试验结果产量及土地当量比采用
2009—2012年数据, 温室气体采用 2012年数据。试
验结果均以处理的 3 次重复分析的平均值来表示,
试验数据采用 SigmaPlot 10.0、Microsoft Excel 2003
和 SPSS 13.0软件统计分析。不同处理之间多重比较
采用 Duncan新复极差法。
2 结果与分析
2.1 不同种植方式下农田 CO2排放季节变化趋势
不同种植方式农田土壤 CO2 排放的时间动态如
图 2 所示, 各处理间 CO2 总体变化趋势基本一致且
排放通量均为正值, 各处理土壤都是 CO2的源。4—7
月是甘蔗、大豆间作共生期, 由于化学肥料的施用
和大豆的共生固氮作用, 为土壤微生物提供了充足
的碳源和氮源, 提高了土壤微生物活性, 因此追施
攻茎肥后(5月 6日)MS-N2、SB1-N1、SB2-N1处理
第 1 次出现排放高峰; 且 MS-N1 处理蔗田 CO2排
放较 MS-N2 处理降低 83.78%, SB1-N1 处理较
SB1-N2处理升高 370.02%, SB2-N1处理较 SB2-N2
处理升高 858.72%。追施攻蘖肥后(6 月 28 日)各处
理均第 2次出现排放高峰; 且MS-N1处理蔗田 CO2
排放较 MS-N2 处理降低 33.70%, SB1-N1 处理较
SB1-N2 处理降低 55.33%, SB2-N1 处理较 SB2-N2
处理升高 36.06%。随后逐渐降低, 7月末至甘蔗收
获, 土壤 CO2排放变化趋势平缓, 主要原因是甘蔗
拔节生长期(8 月 10 日), 需要从土壤中吸收更多的
养分来满足植物生长的需求, 从而降低土壤无机氮
含量, 抑制了土壤微生物的生长; 进入甘蔗生长后
期(11月 18日), 甘蔗根系活力下降, 根系分泌物减
少 , 微生物数量减少 ; 另外 , 随着温度降低微生
物活性下降, CO2 排放通量亦逐渐下降, 维持在一
个较低水平 , 因此各处理间 CO2 排放通量差异不
明显。

图 2 甘蔗//大豆间作农田土壤 CO2季节排放特征
Fig. 2 Seasonal CO2 flux from intercropping soils of sugarcane and soybean
箭头表示施肥, 下同。The arrows mean fertilization. The same below.
1322 中国生态农业学报 2013 第 21卷


2.2 不同种植方式下农田 N2O排放季节变化趋势
各处理土壤 N2O排放的季节变化均表现为 N2O
的源(图 3), 4—7月各处理土壤 N2O排放变动幅度较
大, 甘蔗、大豆幼苗期在基肥的影响下土壤 N2O 排
放通量较高; 此后逐渐降低, 追施攻茎肥后(5 月 20
日)出现排放高峰, 且 MS-N1 处理蔗田 N2O 排放较
MS-N2 处理升高 5.61%, SB1-N1 处理较 SB1-N2 处
理降低 50.27%, SB2-N1 处理较 SB2-N2 处理降低
61.49%; 追施攻蘖肥后(6 月 28 日)土壤 N2O 通量没
能迅速提高, 主要可能是受土壤水分的影响。由图 4
可知, 甘蔗//大豆间作农田生态系统土壤含水量从 6
月 16 日的 18.12%下降到 6 月 28 日的 8.24%, 土壤
含水量降低 , 使得施入土壤的尿素没能迅速溶解 ,
土壤中的 NH4+浓度升高; 低水分含量也影响占主导
作用的硝化反应的速度, 从而导致没能出现 N2O 排
放高峰。大豆收获后(6月 16日)各处理土壤 N2O排
放变化趋势平缓, 土壤 N2O 排放通量较低且波动幅
度较小, 为 0.09~2.24 μg·hm−2·h−1。
2.3 不同种植方式下农田 CH4排放季节变化趋势
由各处理 CH4排放的季节变化可知(图 5), 由于

图 3 甘蔗//大豆间作农田土壤 N2O季节排放特征
Fig. 3 Seasonal N2O flux from intercropping soils of sugarcane and soybean

图 4 甘蔗//大豆间作农田生态系统 30 cm土层土壤含水量及气温变化
Fig. 4 Soil water content at 30 cm depth and temperature of intercropping system of sugarcane and soybean

图 5 甘蔗//大豆间作农田土壤 CH4季节排放特征
Fig. 5 Seasonal CH4 flux from intercropping soils of sugarcane and soybean
第 11期 章 莹等: 减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响 1323


土壤外界环境变化, 土壤在 CH4的源与汇之间变化,
CH4 排放通量雨季多为正值, 旱季多为负值, 随着
氮肥的施入, 土壤对 CH4 的吸收速率降低。土壤对
CH4的最大吸收值出现在甘蔗生长旺盛期(9月 22日)
的 SB2-N1处理, 为−41.08 μg·hm−2·h−1。主要原因是
这段时期无明显降水, 土壤底墒低, 干燥透气的土
壤环境有利于 CH4 氧化菌发挥活性, 土壤表现出吸
收 CH4的特性[25]。
2.4 不同种植方式下农田 CO2、CH4和 N2O的季节
排放总量
甘蔗//大豆间作农田土壤 CO2、CH4和 N2O的季
节排放总量见表 2。由表 2 可见, 减量施氮处理下,
甘蔗//大豆(行数比 1 2)∶ 间作模式土壤 CO2 累积排
放总量显著低于甘蔗//大豆(行数比 1 1)∶ 间作模式
和甘蔗单作; 常规施氮水平下, 各处理间差异均不
显著。间作模式和施氮水平互作对土壤 CO2累积排
放总量产生了极显著影响 , 不同间作模式对土壤
CO2累积排放总量产生了显著影响。减量施氮处理
下 , 甘蔗 //大豆 (行数比 1 2)∶ 间作模式农田土壤
N2O 累积排放总量较单作降低 56.36%, 但差异不
显著 ; 不同间作模式和施氮水平对土壤 N2O 累积
排放总量没有产生显著影响。减量施氮处理下 , 甘
蔗 //大豆(行数比 1 2)∶ 间作模式农田土壤 CH4累积
排放总量较单作升高 7.02%; 常规施氮处理下 , 甘
蔗 //大豆(行数比 1 2)∶ 间作模式农田 CH4累积排放
总量较单作升高 13.74%, 甘蔗 //大豆(行数比 1 1)∶
间作模式农田 CH4 累积排放总量较单作降低
105.42%, 差异均不显著 ; 各处理样地 CH4的累积
排放总量均为负值 , 说明甘蔗 //大豆间作农田土壤
是 CH4 的一个弱吸收汇 , 但不同间作模式和施氮
水平对土壤 CH4 的累积排放总量没有产生显著
影响。
表 2 甘蔗//大豆间作及单作农田土壤 CO2、CH4、N2O累积排放总量及双因素方差分析
Table 2 CO2, N2O and CH4 accumulated emission quantities from intercropping and monocropping soils of sugarcane and soybean
kg·hm−2
处理 Treatment CO2累积排放总量
Accumulated CO2 emission
N2O累积排放总量
Accumulated N2O emission
CH4累积排放总量
Accumulated CH4 emission
MS-N1 5 096.89±137.12ab 4.61±1.03a −13.68±1.74ab
SB1-N1 6 422.69±791.95a 5.11±2.04a −21.78±8.31b
SB2-N1 3 283.20±535.71c 2.15±0.07a −12.72±3.35ab
MS-N2 4 103.29±560.66bc 3.13±0.92a −5.53±1.10a
SB1-N2 4 475.84±158.22bc 3.72±0.70a −11.36±2.62ab
SB2-N2 4 775.31±486.46bc 5.60±0.82a −4.77±4.31a
MB 4 780.35±255.29bc 3.11±0.27a −9.97±3.36ab
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
施氮量 N level 0.84 0.22 3.38
种植模式 Intercropping pattern (P) 4.54* 0.19 2.13
种植模式×施氮量 P×N 7.01** 3.83 0.05
数值为平均值±标准误; 同列数据后不同小写字母表示利用Duncan检验差异显著(P<0.05), *表示显著差异(P<0.05), **表示极显著差异
(P<0.01), 下同。Values are mean ± SE, different small letters in the same column mean significant difference at 5% level, * and ** refer to significant
difference at 5% and 1% levels, respectively. The same below.

2.5 甘蔗//大豆间作产量与土地当量比(LER)比较
甘蔗//大豆间作系统 4 年土地当量比(LER)均大
于 1(表 3), 说明甘蔗//大豆间作提高了土地利用效
率, 间作优势明显。不同间作模式的间作优势差异
较大, 其中 SB2-N1 处理 LER 在 2009 年显著高于
SB1-N2、SB2-N2处理, 2010年显著高于 SB1-N1处
理, 2011年显著高于 SB1-N1、SB1-N2处理, 2012年
显著高于 SB1-N1、SB1-N2、SB2-N2 处理; 常规施
氮(N1)水平下, 2010年甘蔗单作产量显著高于 SB1、
SB2间作模式, 因此间作模式在 2010年对甘蔗产量
产生了显著影响; 4年内大豆单作鲜荚产量显著高于
各间作模式(2011年大豆单作与 N2水平下各间作模
式差异不显著), 这是由相同种植面积, 不同种植行
数所致, 因此, 间作模式均对大豆鲜荚产量产生了
极显著影响, 2012 年施氮水平和施氮水平及间作模
式互作均对大豆鲜荚产量产生了显著影响。
3 讨论
3.1 不同种植制度对农田土壤 CO2、N2O、CH4排
放的影响
施用氮肥可以增加作物生物量, 促进土壤微生
物和土壤根系活力, 相应地增加了土壤中 CO2 的排
放[26]。Wilson 等[27]和 Iqbal 等[28]的研究发现, 施用
氮肥显著增加了土壤 CO2 的排放, 与本研究结果一
1324 中国生态农业学报 2013 第 21卷


表 3 甘蔗//大豆间作及单作的产量与土地当量比
Table 3 Yield of intercropped and monocropped sugarcane and soybean and land equivalent ratio of different planting systems
甘蔗产量 Sugarcane yield (t·hm−2) 大豆产量 Soybean yield (t·hm−2)
年份
Year
施氮水平
Nitrogen rate
间作模式
Cropping pattern 间作
Intercropping
单作
Monoculture
间作
Intercropping
单作
Monoculture
土地当量比
Land equivalent
ratio
N1 SB1 126.06a 119.07a 4.30d 1.41ab
SB2 135.15a 4.97cd 1.78a
N2 SB1 113.28a 142.53a 9.12b 1.13b
SB2 115.56a 6.85c 1.28b
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
14.85a

施氮量 N level (N) 0.15 1.35
种植模式 Intercropping pattern (P) 0.70 24.12**
2009
种植模式×施氮量 P×N 3.03 4.63
N1 SB1 103.91b 125.07a 1.66c 1.10b
SB2 105.04b 1.73c 1.42a
N2 SB1 107.83b 117.65ab 3.72b 1.20ab
SB2 114.71ab 3.05b 1.45a
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
6.41a

施氮量 N level (N) 0.25 0.56
种植模式 Intercropping pattern (P) 5.05* 18.21**
2010
种植模式×施氮量 P×N 1.48 0.87
N1 SB1 128.57a 127.40a 2.33b 1.31c
SB2 126.02a 2.44b 1.84a
N2 SB1 126.08a 112.47a 6.46a 1.44bc
SB2 119.60a 5.08ab 1.69ab
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
7.90a

施氮量 N level (N) 0.77 0.55
种植模式 Intercropping pattern (P) 0.23 15.43**
2011
种植模式×施氮量 P×N 0.17 0.75
N1 SB1 97.52ab 3.17c 1.24b
SB2 99.24ab
108.03a
5.73b 1.53a
N2 SB1 98.23ab 3.08c 1.31b
SB2 85.70b
100.1ab
3.76c 1.26b
双因素方差分析结果 Results of two-way ANOVA test (F)
9.31a

施氮量 N level (N) 1.85 9.46*
种植模式 Intercropping pattern (P) 1.74 22.82**
2012
种植模式×施氮量 P×N 0.66 7.89*

致, 追施攻茎肥和攻蘖肥后农田土壤 CO2 均出现了
排放高峰; Burton等[29]和 DeForest等[30]的研究结果
与之相反, 施用氮肥降低了胞外酶活性, 减少了真
菌群落, 因此降低了土壤 CO2的排放。本研究发现,
间作模式和施氮水平及间作模式互作均对土壤 CO2的
累积排放总量产生了显著影响, 这与 Almaraz 等[31]和
Li等[32]的研究结果不同。主要原因是在水稻田的厌
氧环境下, CO2和H2在产CH4菌作用下生成CH4, 因
此, 施用氮肥对土壤 CO2 的累积排放总量没有产生
显著影响, 并且会减少土壤 CO2的排放。
农田土壤 N2O排放是温度、O2和反应底物浓度
以及传输过程相互作用的结果[33]。郭耀东等[34]的研
究结果表明, 施用氮肥显著促进了旱地土壤 N2O 排
放。本研究发现, 追肥攻茎肥后土壤 N2O 的排放速
率增加且出现排放高峰, 但追施攻蘖肥后土壤 N2O
没有出现排放高峰, 可能是受土壤水分的影响。刘
运通等[35]的研究表明施肥对 N2O 排放的影响较大,
但是需要有一定的水分; 如果施肥时土壤中含水量
较低, N2O排放不会迅速增加; 如果施肥后灌溉或降
水, 则 N2O 的排放速率 1 d 之内能够迅速升高几十
倍。主要原因可能是大量的水分溶解了施入的尿素,
使得土壤中的 NO3−、NH4+等硝化和反硝化过程反应
底物的浓度迅速升高, 促进了反硝化和硝化作用的
进行。本研究发现, 施氮和间作模式对各处理蔗田
第 11期 章 莹等: 减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响 1325


N2O 的累积排放总量没有产生显著影响, 这与 Dyer
等[20]的研究结果一致; 刘辉娟[36]的研究结果表明施
氮和间作不影响 N2O 排放的季节变化规律, 但影响
排放的强度和通量, 玉米间作豌豆农田 N2O 排放通
量小于相应的单作, 随施氮量的增加, N2O排放通量
随之增大, 这可能与豆科作物的固氮作用及不同豆
科作物类型和品种有关。
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[37−38]。谢立勇等[39]指出, 在旱地土
壤中, 甲烷氧化菌占主导作用, 旱地土壤会消耗和
吸收地面大气的 CH4, 是一个弱的 CH4汇。在本研
究中, 受施肥和降雨的影响, 土壤在 CH4 的源与汇
之间变化, 但整个生长期的累积排放总量表明, 甘
蔗//大豆间作农田土壤是一个 CH4 汇, 且不同的施
肥水平和间作模式对土壤 CH4的累积排放没有产生
显著影响。随着氮肥的施入, 土壤对 CH4 的吸收速
率降低, 主要原因是施肥增加了土壤中有机碳基质
的供应, 降低了土壤对 CH4的吸收, 这与 Li 等[32]的
研究结果一致; Crill 等[40]和 Willison 等[41]的研究结
果也表明, 旱地土壤施肥会使甲烷的吸收变小, 且
施用铵态氮肥比硝态氮肥对旱地土壤甲烷吸收的抑
制更强。
3.2 甘蔗//大豆间作优势
前人的研究结果表明[42−45], 豆科禾本科间作较
单作有更高的 LER。高阳等[46]和赵建华等[47]的研究
也指出, 间作种植能够通过更有效地利用光能来增
加作物产量, 提高土地利用效率, 与本研究结果一
致。甘蔗//大豆间作系统 4 年土地当量比(LER)均大
于 1, 且低氮水平下, 甘蔗//大豆(行数比 1 2)∶ 间作
模式的优势更明显, 这是由于甘蔗种植行距宽, 苗
期生长缓慢 , 叶面积小 , 对生长条件的要求不高 ,
所以依据甘蔗、间作物的生物学特性和互利共生的
原则, 甘蔗间作能够整合利用土地资源和光热资源,
集约利用时间和空间, 提高单位面积产量, 从而获
得较好的经济效益和生态效益[48−49]。另外, 氮肥含
量较低时, 禾本科需要较多的无机氮, 促使豆科通
过加强固氮以满足系统的需求, 使禾本科与豆科间
作系统的氮利用互补性更高, 豆科作物在高氮水平
下, 不能合成固氮酶或固氮酶活性丧失, 减少了被
固定氮向非豆科作物的转移, 影响豆科的生长且整
个系统的生长受到影响[50−51]。孟庆宝等[52]的研究结
果也表明, 甘蔗间种大豆不仅没有对甘蔗产量产生
负面影响, 还多收获了 1茬大豆, 提高了经济效益。
4 结论
大田试验表明 , 减量施氮处理下 , 甘蔗 //大豆
(行数比 1 2)∶ 间作模式农田土壤 CO2排放总量较单
作显著降低 35.58%, N2O 累积排放总量较单作降低
56.36%, CH4累积排放总量较单作升高 7.02%; 常规
施氮处理下, 甘蔗//大豆(行数比 1 2)∶ 和甘蔗//大豆
(行数比 1 1)∶ 间作模式农田土壤 CO2排放总量较单
作分别升高 16.38%、9.08%, N2O累积排放总量较单
作分别升高 78.91%、18.85%; 甘蔗 //大豆(行数比
1 2)∶ 间作模式 CH4 累积排放总量较单作升高
13.74%, 甘蔗//大豆(行数比 1 1)∶ 间作模式 CH4累积
排放总量较单作降低 105.42%; 间作模式和间作模
式及施氮水平互作对土壤 CO2累积排放总量产生了
显著影响, 间作模式和施氮水平对土壤 N2O 和 CH4
累积排放总量无显著影响。
减量施氮处理下甘蔗鲜重产量也能达到常规施
氮处理下的鲜重产量 ; 与甘蔗单作相比 , 2009—
2012年甘蔗//大豆间作系统土地当量比(LER)均大于
1 且减量施氮水平下, 甘蔗//大豆(行数比 1 2)∶ 间作
模式优势最明显。因此, 从蔗田土壤 CO2、N2O 和
CH4 排放产生的环境效应和甘蔗、大豆的经济效益
来看, 在本试验土壤肥力条件下实行甘蔗//大豆(行
数比 1 2)∶ 间作模式下减量施氮具有切实的可行性。
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