全 文 ：中国生态农业学报 2009年 5月 第 17卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2009, 17(3): 495−499


* 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2-YW-432-1)、国家自然科学基金重大项目(30590381-04)和中国科学院地理科学与资源
研究所创新三期领域前沿课题(066U0607SZ)资助
** 通讯作者: lijun@igsnrr.ac.cn
孙善彬(1983~), 男, 汉族, 硕士生, 主要从事温室气体方面研究。E-mail：sunshanbin@gmail.com
收稿日期: 2008-04-12 接受日期: 2008-07-04
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00495
小麦植株在麦田 CH4交换中的
作用及光照的影响*
孙善彬 1 李 俊 2** 陆佩玲 1 于 强 2 姚玉刚 3 孙艳丽 1
(1. 北京林业大学资源与环境学院 北京 100083; 2. 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;
3. 安徽农业大学 合肥 230039)
摘 要 采用密闭箱/气相色谱法对中国科学院山东禹城实验站的麦田 CH4通量进行观测, 研究了土壤 CH4通
量、光照和遮光情况下的土壤−植物系统 CH4通量, 及植物、光照等因素对 CH4通量的影响。试验采用小暗箱
测定土壤 CH4通量, 采用暗箱和明箱测定土壤−植物系统 CH4通量, 同步观测了生物量、5 cm土壤温度、土壤
水分及土壤 NH4+含量。结果表明, 麦田土壤和土壤−植物系统 CH4通量均无明显的日变化, 但季节变化显著;
小麦的存在使土壤−植物系统 CH4通量的季节波动加剧; 小麦植株和光照促进麦田土壤−植物系统对 CH4的吸
收。此外, 本研究发现在野外观测中, 采用明箱覆盖土壤以及植物进行观测更能真实反映有植被覆盖的地表
CH4通量状况。
关键词 冬小麦 甲烷通量 土壤−植物系统 光照 暗箱 明箱
中图分类号: S154.1; S154.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)03-0495-05
Effect of plant and light on CH4 exchange in the soil-plant system
of wheat fields
SUN Shan-Bin1, LI Jun2, LU Pei-Ling1, YU Qiang2, YAO Yu-Gang3, SUN Yan-Li1
(1. College of Resources and Environment, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. Anhui Agricultural University, Hefei 230039, China)
Abstract Methane (CH4) fluxes in wheat fields of the North China Plain were measured by closed chamber and GC techniques.
The measured fluxes in the soil-plant systems through opaque chamber and transparent chamber were then compared. The results
show obvious seasonal variations but insignificant diurnal variations in CH4 flux in the system. Wheat cover induces larger seasonal
flux variation in the soil-plant system. Wheat and light increase soil-plant CH4 uptake. More importantly, however, transparent closed
chamber proves the best CH4 flux measurement method in the field experiment.
Key words Winter wheat, Methane flux, Soil-plant system, Light, Opaque chamber, Transparent chamber
(Received April 12, 2008; accepted July 4, 2008)
CH4 是大气中含量仅次于 CO2 的温室气体, 其
浓度约为 1.75 μL·L−1[1], 对增强温室效应的贡献仅
次于 CO2, 占温室气体对全球变暖贡献总份额的
20%~25%[1,2], 每分子 CH4对温室效应的贡献是每分
子 CO2 的 21~30 倍[1,3]。在特定条件下土壤是 CH4
源, 但多数情况下土壤是已知重要的 CH4 汇。大气
CH4浓度的增长是由于人类活动增加了 CH4源的同
时也减弱了土壤汇的缘故[3]。CH4的土壤汇虽然相对
较小, 但其作用显著。如果没有土壤汇, 大气 CH4
浓度的增长率将是现在的 1.5倍[4]。
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湿地和稻田是 CH4重要的源。植物在湿地、稻
田 CH4 通量排放中起着促进作用: 向土壤输入有机
质和根际分泌物, 提供叶表皮气孔和根茎的通气组
织作为气体交换通道, 改变土壤湿度和温度等; 植
物自身可以排放 CH4[5]。旱地土壤吸收氧化 CH4, 是
CH4重要的汇。不同植被条件下的旱地对 CH4的吸
收不同 [3,6], 其中: 森林>草原>农田 [6], 植物在旱地
地表 CH4通量研究中有着不容忽视的作用。已往的
旱地 CH4 通量观测多以土壤为研究对象, 忽略了对
植物的研究; 也有的考虑到了植物却使用暗箱研究
方法, 忽视光照的影响。有鉴于此, 本文以麦田为例,
研究植物在土壤和大气间 CH4交换中的作用以及光
照的影响。
1 材料与方法
试验在中国科学院禹城综合实验站 (36°57′N,
116°38′E , 海拔 23.4 m)进行。该站位于山东省禹城
市, 属大陆性季风气候暖温带地区。年均温 13.1 ℃,
1 月平均温度−3 ℃, 7 月平均温度 26.9 ℃; 年均降
水量 610 mm, 3~5月平均 75.7 mm, 占年均降水量的
12.4%; 6~8月平均 419.7 mm, 占年均降水量的 68.8%。
实验站土壤质地以粉砂和轻壤为主, pH 7.9~8.0; 土
壤有机质含量较低, 为 6~10 g·kg−1; 全氮含量为
0.5~0.65 g·kg−1。当地种植制度以冬小麦-夏玉米轮
作为主。供试冬小麦品种为“科禹 13”, 2005年 10
月 28日播种, 2006年 6月 10日收获。
采用静态箱/气相色谱法测量麦田甲烷通量。设
3 个处理: 处理 A, 土壤+植株, 明箱观测; 处理 B,
土壤+植株 , 暗箱观测 ; 处理 C, 土壤 , 小暗箱
(50 cm×20 cm×30 cm)观测。3次重复。明箱(50 cm×
50 cm×50 cm)由有机玻璃制成, 暗箱(50 cm×50 cm×
50 cm)和小暗箱均由不锈钢制成, 外罩隔热棉被。处
理 A、B 在植株长高后加中段箱。底座采用不锈钢
制成, 底面积和相应的采样箱配套。采样时将箱子
扣在底座上, 用水密封, 在扣箱后 0 min、5 min、10
min 和 15 min 用注射器抽取箱内气体。同时, 用数
字温度计测定 0 cm、5 cm地温及箱内外气温, 用测
墒仪测定底座四周土壤湿度。
1~2月每 2周观测 1次, 3月为每周观测 1次, 4~6
月为每周 2次。每次观测在 9: 00~10: 00进行。处理
A、C在 3~5月每月观测 1次日变化, 观测时间为白
天每 2 h 1次, 晚上每 3 h 1次。定期测定小麦生物
量并在取样点附近分 3 点取土壤样品, 采用氯化钾
浸提−靛酚蓝比色法测定土壤氨态氮含量。
采集的气样在 24 h 内用 Angilent 公司生产的
4890D 型气相色谱仪(GC)进行分析。用 FID 检测器检
测, 检测柱温度为 55 ℃, 检测器工作温度为 200 ℃。
载气为高纯 N2, 标准气体由国家标准物质研究中心
提供。每组样品检测前后分别测定标气, 变异系数
在 0.3%~0.6%之间。CH4通量计算公式如下:
MP CF h
RT t
∂= ∂ (1)
式中, F为 CH4通量(正值代表排放), h为箱高, M为
CH4 的摩尔质量, P 为气压, R 为普适气体常数, T
为箱内气温, C 为 t 时刻箱内 CH4的体积混和比浓
度, t为扣箱后时间。
2 结果与分析
2.1 麦田 CH4通量的季节变化和日变化规律
3 个处理的 CH4通量均有明显季节变化且趋势
相似(图 1), 小麦拔节期(4月 6日)前, 3个处理的CH4
通量均表现为微弱的吸收 , 范围在 0.21~44.74
μg·m−2·h−1之间, 变化平缓; 拔节期至孕穗期(4月
6日~4月 27日), 处理A和处理B也表现为吸收CH4,
但波动较大; 从抽穗期到成熟期(5月 1日~6月 9日),
处理 A和处理 B的 CH4通量波动剧烈, 总体呈吸收
状态, 但收获前有排放。如图 1所示, 麦田 CH4的排
放正对应着土壤[NH4+-N]高峰。这是因为土壤 CH4
通量是土壤排放 CH4和氧化吸收 CH4两过程的统一,
高浓度 NH4+-N的存在抑制土壤对 CH4的氧化[7], 土
壤表现出排放 CH4。3 个处理的 CH4通量的季节变
化规律不同(表 1), 麦田土壤(处理 C) CH4吸收为小
麦生长旺盛期高(拔节期至抽穗期, 4 月 6 日~5 月 7
日), 生长前期(1 月 3 日~4 月 6 日)和收获期(6 月 9
日~6 月 12 日)低, 这和土壤湿度的变化趋势恰恰相
反, 可见较大的土壤湿度可抑制土壤对 CH4的氧化,
Lessard等[8]也有类似结论; 麦田土壤−植物系统(处
理 A和处理 B)对 CH4的吸收随时间推移逐渐增大。
小麦的存在促进了麦田土壤−植物系统对 CH4的氧
化吸收, 使其通量季节波动加剧。
由图 2可见, 无论是处理 A还是处理 C, CH4通
量的日变化均无明显的规律性。在 10~30 ℃土壤温
度范围内, 土壤和土壤−植物系统 CH4 的吸收对温
度不敏感, 因而 CH4 通量的昼夜变化不明显。张秀
君等[9]对长白山阔叶红松林的研究也有类似结果。
2.2 小麦植株对麦田土壤−植物系统CH4吸收的影响
全季节来看, 处理 A、B、C的 CH4平均吸收通
量依次为 21.47 μg·m−2·h−1、13.75 μg·m−2·h−1
和 4.29 μg·m−2·h−1(表 1), 处理 A>处理 B>处理 C,
差异显著(P<0.05)。说明小麦的存在对麦田土壤−植
物系统吸收 CH4有明显促进作用。
图 1 显示, 在小麦生长早期(拔节期之前), 土
第 3期 孙善彬等: 小麦植株在麦田 CH4交换中的作用及光照的影响 497


壤−植物系统的 CH4 吸收量小且波动不明显; 小麦
生长后期, CH4通量波动加大, 而且越接近小麦收获
期, 波动越大。随小麦生物量逐渐增加, 土壤−植物
系统的 CH4吸收量也逐渐增大。不同阶段处理 A、
C 的差异均达显著水平, 且差异随着生物量的增加
而增大。但无光照情况下(处理 B), 植物的存在对土
壤−植物系统CH4通量影响不明显, 无随生物量增大
的趋势(详见后文)。从麦田 CH4通量日变化看(表 2),
起身期(3 月 31 日)处理 C 大于处理 A; 拔节期(4 月
15日)处理 A大于处理 C, 且差异明显; 成熟期(5月
23日)小麦生物量达到最大, 处理A的日平均通量远
大于处理 C。小麦对土壤−植物系统 CH4吸收的促进
作用随生物量增加而增加。
植物直接或者间接影响土壤−植物系统吸收 CH4,

表 1 不同生长阶段麦田 CH4平均通量及相应的生物量、气温、地温和土壤水分
Tab. 1 Average CH4 fluxes, biomass, air temperature, soil temperature and moisture at different growth stages in wheat field
甲烷通量
CH4 flux (μg·m−2·h−1) 生长时间
Growth stage
日期(月-日)
Date(month-day)
A B C
生物量
Biomass
(g·m−2)
5cm地温
Soil tempera-
ture (℃)
气温
Air temperature
(℃)
土壤水分
Soil moisture
(m3·m−3)
分蘖期~起身期
Tiller~ double ridge
01-08~04-06 −15.53 −10.31 −3.69 145.82 5.18 6.77 22.42
拔节期~孕穗期
Jointing ~ booting
04-07~04-27 −20.26 −14.21 −7.24 664.60 11.48 12.20 16.99
抽穗期~收获期
Heading ~ harvest
04-28~06-09 −29.32 −15.71 −3.83 1 595.36 18.44 22.20 24.14
全季节
Total season
−21.47±
57.84
−13.75±
35.28
−4.29±
18.58

A: 明箱+植物+土壤 Transparent chamber + plant + soil; B: 暗箱+植物+土壤 Opaque chamber + plant + soil; C: 箱暗+土壤 Opaque
chamber + soil. 下同 The same below.


图 1 麦田 CH4通量、生物量、地温和土壤水分、土壤 NH4+-N含量的季节变化
Fig. 1 Seasonal variations of CH4 fluxes, wheat biomass, soil temperature and moisture, soil NH4+-N content in wheat field
498 中国生态农业学报 2009 第 17卷



图 2 3月 31日、4月 15日和 5月 23日处理 A(a、b、c)和处理 C(d、e、f)的麦田 CH4通量和地温日变化
Fig. 2 Diurnal variations of CH4 fluxes in wheat field and soil temperature in March 31, April 15 and May 23 under
treatments of transparent box + plant +soil (a, b, c) and opaque + soil (d, e, f)

可能有 3种原因: 其一, 植物根茎、根系及其根际土
壤可为甲烷氧化菌提供生存场所[10,11], 在稻田湿地
的研究中已经证实甲烷氧化菌能寄生于植物茎根
中[12,13]。其二, 植物的存在改变了土壤微环境。植
物的生长可改变其根际土壤的物理环境 , 如温度 ,
湿度等[14]; 植物向土壤输入有机质, 向根际分泌光
合作用产生的氧气 [15]; 植物吸收大量包括 NH4+-N
的养分使根系周围的局部环境中 NH4+浓度降低, 从
而使其对 CH4的抑制作用减少, 增加土壤对 CH4吸
收, 类似的结论 Hutsch 也提到过[6]。其三, 植物的
根、茎、叶可能成为 CH4和氧气的传输通道。有研
究表明, 甲烷氧化菌消耗 CH4的能力超过 CH4由大
气向土壤中扩散的潜力[16], 因而土壤中 CH4扩散的
速率成为 CH4氧化的限制因素[17]。本文推测植物可
能作为 CH4扩散的通道, 促进大气中 CH4向土壤中
的扩散。在湿地和稻田中, 植物具有作为氧气通道
的作用, 旱田中也可能有类似作用。最后, 植物本身
吸收 CH4, 虽然没有类似的报道支持这样的结论 ,
但是不排除这种可能性。
2.3 光对麦田土壤−植物系统 CH4吸收的影响
从全季节看, 处理 A和处理 B CH4通量的差别
显著, 明箱所测 CH4 吸收量大于暗箱, 说明光照对
土壤−植物系统吸收 CH4有促进作用。在返青期~起
身期, 处理 A 和处理 B 的差异不明显, 随着小麦生
长, 二者间的差异逐渐增大, 即光照对 CH4 吸收的
促进作用逐渐增大。这是因为辐射随时间推移逐渐
增强, 小麦生物量逐渐增加。
由表 2 可知: 处理 C 白天和夜间的 CH4通量差
异不显著, 处理 A 则差异显著, 光照是引起上述差
异的主要原因。土壤吸收 CH4主要是土壤微生物的
代谢活动过程, 与土壤温度密切相关。光照引起明
箱内气温变化, 但短时间内对土壤温度的影响较小
(图 2)。光照可能是通过植物影响土壤−植物系统对
CH4的吸收。植株较小时, 土壤−植物系统夜间对 CH4
第 3期 孙善彬等: 小麦植株在麦田 CH4交换中的作用及光照的影响 499


表 2 麦田日平均 CH4通量及相应的生物量、地温和气温
Tab. 2 Daily average of CH4 fluxes, biomass, soil temperature and air temperature in wheat field
CH4通量
CH4 flux (μg·m−2·h−1) 生长时间
Growth stage
日期(月-日)
Date
(month-day)
处理
Treatment 白天平均
Daily average
晚上平均
Night average
CH4通量平均值
Average CH4 flux
(μg·m−2·h−1)
生物量
Biomass
(g·m−2)
5 cm平均地温
Average soil
temperature
(℃)
平均气温
Average air
temperature
(℃)
A −1.28 −7.40 −2.95±13.94 起身期
Double ridge
03-31
C −11.21 −6.52 −9.89±7.54 273.35 13.7 16.5
A −15.95 −12.57 −15.03±14.35 拔节期
Jointing
04-15
C −5.72 −7.37 −6.17±9.53 562.70 11.5 11.3
A −63.99 −19.75 −51.55±86.69 成熟期
Harvest
05-23
C −2.51 5.51 −0.26±29.95 2 052.58 19.9 22.1

的吸收大于白天; 当植株长大后, 土壤−植物系统白
天对 CH4的吸收大于夜间, 且植株越大, CH4吸收的
昼夜差异也越大。植株越大, 叶面积就越大, 吸收的
太阳辐射增多, 光照对土壤−植物系统CH4吸收的促
进作用也就越明显。光照影响植物的光合速率和 O2
的传输能力[18], 进而影响植物对土壤微环境的改变
及土壤对 CH4的吸收; 光合作用促进 O2的产生[19],
从而促进 O2通过植物根系向土壤的输送, 为甲烷氧
化菌提供充足的氧气以氧化 CH4。
以上可见, 野外观测中, 只测土壤 CH4通量而
忽略植物的作用 , 或用暗箱测量土壤−植物系统 ,
忽视光的影响 , 均会导致低估土壤−植物系统 CH4
的吸收通量。采用明箱覆盖土壤及植物进行观测 ,
才更能真实反映植被覆盖地表 CH4通量状况。
3 小结
本文对比明箱、暗箱测量条件下土壤−植物系统
的 CH4 通量表明, 麦田土壤和土壤−植物系统 CH4
通量均无明显的日变化但季节变化显著, 小麦的存
在加剧了土壤−植物系统 CH4通量的季节波动。小麦
植株及光照促进了麦田土壤−植物系统吸收 CH4, 且
随生物量增加, 促进作用增大。在野外观测中, 采用
明箱覆盖土壤以及植物进行观测更能真实反映有植
被覆盖的地表 CH4通量状况。
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