全 文 ：中国生态农业学报 2012年 9月 第 20卷 第 9期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2012, 20(9): 1191−1196


* 国家自然科学基金项目(40901132, 40900539, 40671114)资助
** 通讯作者: 蔡崇法(1961—), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事水土保持和农业生态方面的研究。E-mail: cfcai2008@126.com
郭忠录(1980—), 男, 博士, 副教授, 主要从事水土保持和生态环境方面的研究。E-mail: zlguo2007@163.com
收稿日期: 2012-01-03 接受日期: 2012-04-10
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01191
农田改为农林(草)复合系统对红壤 CO2和
N2O排放的影响*
郭忠录1 郑珉娇2 丁树文1 李朝霞1 蔡崇法1**
(1. 华中农业大学水土保持研究中心 武汉 430070; 2. 湖北省水利水电规划勘测设计院 武汉 430070)
摘 要 以鄂南玉米地、紫穗槐/玉米地、香根草/玉米地、紫穗槐林地、香根草草地与撂荒地 6种土地利用类
型为研究对象, 利用静态箱法, 对夏玉米生长期间土壤 CO2和 N2O 通量及影响因子进行了测定, 研究我国北
亚热带丘陵红壤区农田改变为林(草)地和农林(草)复合系统后土壤 CO2和 N2O 排放特征。研究结果表明: (1)
土地利用方式改变后, 撂荒地土壤 CO2排放量明显低于其他 5 种土地利用类型，但紫穗槐/玉米地、单作玉米
地、香根草/玉米地、紫穗槐林地、香根草草地 5种土地利用类型之间土壤 CO2排放量差异不显著。(2)玉米生
长期间, 6种不同土地利用方式下, 土壤 N2O排放总量从高到低依次为紫穗槐/玉米地(508 g·hm−2·a−1)、紫穗槐
林地(470 g·hm−2·a−1)、撂荒地(390 g·hm−2·a−1)、香根草/玉米地(373 g·hm−2·a−1)、香根草草地(372 g·hm−2·a−1)、单
作玉米地(285 g·hm−2·a−1)。(3)土壤 CO2通量与土壤有机碳、土壤微生物生物量碳和土壤含水量无显著相关关
系; 土壤 N2O 通量与土壤氮素净矿化率呈显著线性相关, 但与土壤无机氮和土壤含水量无显著相关关系。农
田改变为农林(草)复合系统可能潜在地增加土壤 CO2 和 N2O 排放; 农田改变为林(草)地可能潜在地减少土壤
CO2排放, 增加土壤 N2O排放。
关键词 退耕还林(草) 农林(草)复合系统 土地利用变化 红壤 CO2和 N2O排放
中图分类号: x511 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)09-1191-06
CO2 and N2O emissions in the red soils of agro-forestry (grass) systems
conversed from cropland in subtropical hilly region of China
GUO Zhong-Lu1, ZHENG Min-Jiao2, DING Shu-Wen1, LI Zhao-Xia1, CAI Chong-Fa1
(1. Center of Soil and Water Conservation, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;
2. Hubei Institute of Survey and Design for Water Resources and Waterpower Engineering, Wuhan 430070, China)
Abstract Not much information exists on soil respiration and nitrous oxide emissions in soils under different terrestrial ecosystems
in subtropical China. Field experiments were conducted in static chambers to investigate the effects of soil environmental conditions
on CO2 and N2O fluxes from red soils under six different land use types. The investigated land use types included maize land,
Amorpha fruticosa plantation, Vetiveria zizanioides plantation, A. fruticosa + maize and V. zizanioides + maize agro-forestry (grass)
systems, and wasteland. Also variations in soil greenhouse gases, water, nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon and net
nitrogen mineralization were determined. The results were as follows: 1) during maize growth season, CO2 flux in wasteland was
lower than that in A. fruticosa + maize agro-forestry system, sole maize, V. zizanioides + maize agro-grass system, A. fruticosa
plantation and V. zizanioides plantation, in that order. However, no significant differences in CO2 flux were noted among five land
use types. 2) N2O fluxes were 508 g·hm−2·a−1, 470 g·hm−2·a−1, 390 g·hm−2·a−1, 373 g·hm−2·a−1, 372 g·hm−2·a−1 and 285 g·hm−2·a−1 for A.
fruticosa + maize agro-forestry system, A. fruticosa plantation, wasteland, V. zizanioides + maize agro-grass system, V. zizanioides
plantation and sole maize, respectively. 3) No significant relationships existed between CO2 fluxes and soil organic carbon, microbial
biomass carbon or water content. Significant positive linear relationship was, however, observed between N2O flux and soil
mineralization. The study suggested that land conversion from cropland to agro-forestry potentially increased soil CO2 and N2O
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release. While land conversion from cropland to forestland and/or grassland potentially decreased soil CO2 emission, it increased
N2O emission.
Key words Returning farmland to forest or grass, Agro-forestry (grass) system, Land use change, Red soil, CO2 and N2O
emission
(Received Jan. 3, 2012; accepted Apr. 10, 2012)
大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的
主要因素。CO2和 N2O 是大气中 2 种最重要的温室
气体。研究表明, 人类活动特别是农业生产行为已
经直接或间接地影响到 CO2 和 N2O 排放[1]。Oorts
等[2]指出农业土壤排放 CO2和 N2O 是气候与土壤物
理、化学和生物性质共同作用的结果。农业耕作和
管理措施作为主要的农业生产行为, 其农业耕作的
改变或结构的调整必然会对土壤物理、化学和生物
学性质产生影响[3], 从而可能影响到 CO2和 N2O 的
产生和排放。因此, 正确认识人类活动引起的陆地
生态系统类型转变, 对预测区域土地生产力和正确
估计这些系统生态环境功能, 以及全球变化研究具
有极其重要的意义。
关于土地利用方式改变对土壤 CO2和 N2O排放
影响的研究, 国内外科学家开展了大量工作。但目
前我国的研究工作大多局限于森林或草地开垦为农
田后土壤 CO2和 N2O 排放, 且多集中在热带和温带
地区[4−5], 亚热带地区的研究报道较少[6]。红壤丘陵
区是我国农业生产发展潜力最大的地区之一, 在我
国经济发展中起着重要作用。但由于该区水热资源
丰富, 矿物风化和土壤侵蚀、淋溶作用强烈, 加之长
期对山丘坡地资源的不合理利用, 导致水土资源流
失严重。研究表明等高植物篱种植作为我国南方湿
润区广泛示范的一种农林复合经营模式, 不仅可控
制水土流失、改善土壤结构和缓解土地退化, 同时
也是提高陆地生态系统碳、氮蓄存, 实现农业可持
续发展的重要措施[7−9]。然而随着退耕还林政策进一
步实施, 农田改变为等高绿篱复合系统、林地和草
地对 CO2和 N2O产生与排放的影响尚少见报道。
因此, 本文在国内外同类试验的基础上, 采用
静态箱法, 研究了 6 种不同土地利用方式红壤 CO2
和 N2O 排放特征, 并分析了相关影响因素, 以期为
红壤丘陵区水土流失治理生态环境效应评价提供科
学依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
本研究在湖北省咸宁地区华中农业大学贺胜桥
实习基地开展。地理位置为东经 29°50′, 北纬
114°17′, 属中亚热带向北亚热带过渡的季风气候
区。该地热量丰富, 雨水充沛, 四季分明, 雨热同季,
年均气温 16.8 ℃, 年均降雨量 1 370 mm, 且主要集
中在 6—7 月, 年均蒸发量 1 490 mm, 主要集中在
8—9月。供试土壤为发育于第四纪红色黏土的棕红
壤, 质地为壤质黏土。2005 年试验开始前土壤 pH 为
6.35, 有机碳 5.60 g·kg−1, 全氮 0.68 g·kg−1, 硝态氮 0.90
mg·kg−1, 铵态氮 3.21 mg·kg−1, 容重 1.28 g·cm−3。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置
试验在贺胜桥实习基地内农林复合系统试验田
内进行。供试作物为玉米, 前茬为冬小麦, 常规耕
作。选取紫穗槐/玉米(A. fruticosa+maize, AM)和香根
草/玉米(V. zizanioides+maize, VM)间作 , 单作玉米
(sole maize, SM), 紫穗槐(sole A. fruticosa, SA)林地
和香根草 (sole V. zizanioides, SV)草地与撂荒地
(CK)6 种土地利用方式作为研究对象。间作、作物
和绿篱单作小区面积均为 4 m×6 m, 3个重复。间作
系统玉米种植 7 行, 单作系统种植 9 行, 行距为 50
cm, 株距 25 cm; 在毗邻样地内, 设置绿篱处理, 不
间作农作物, 绿篱行距 30 cm, 株距 25 cm。
1.2.2 土壤 CO2和 N2O的测定
试验观测期为 2006 年 6—10 月, 约 15 d 取样 1
次, 每次采样时间为 9:00—11:00。CO2和 N2O 通量
采用静态箱法测定。采样箱由不锈钢圆筒(高 25 cm,
直径 20 cm)和聚丙烯顶盖(厚 3 mm, 直径 20 cm)组
成, 一橡胶圆圈置于中间, 用来减小气体渗漏。顶盖
上有两孔分别固定有玻璃管, 一管连接气袋置于箱
内调节采样箱压强, 另一管连接带三通阀的橡胶管
采集气体。采样时, 尽量在撂荒地上进行, 如有杂草,
齐地面剪去。在作物行间将 3 个采样箱垂直插入土
壤 5 cm, 压实, 尽可能减小对土壤扰动。30 min后,
用 50 mL聚丙烯注射器将 500 mL气体转移至事先
抽成真空的密封袋中, 供测定 CO2; 用 20 mL 注射
器将气体转移至事先抽成真空的 5 mL玻璃瓶中, 供
N2O 测定。采样前, 采集大气样作为对照。采集气体
同时, 测定箱内温度、大气温度、地下 5 cm 温度[10]
和表层土壤含水量(TSC-I, China)。CO2浓度用红外
气体分析仪 (ZEP-5, Fuji Electric Co. Ltd.,Tokyo,
Japan)测定 , N2O 浓度采用改装的气相色谱测定 ,
N2O 检测器 ECD, 检测温度为 330 ℃, 分离柱温度
第 9期 郭忠录等: 农田改为农林(草)复合系统对红壤 CO2和 N2O排放的影响 1193


为 55 ℃, 载气为高纯 N2, 标气由国家标准物质研究
中心提供。
1.2.3 土壤氮矿化
利用原状土就地培养法测定土壤氮素净矿化[11−12]。
具体方法是: 两组 6支 PVC管(长 30 cm, 直径 3.5 cm)
打入土壤 20 cm, 一组 3支密封以避免淋失, 一组立
即取走, 带回实验室分析土壤氮状况; 培养时段结
束后, 取走第一组管带回实验室分析, 同时打入另一
组 PVC管, 3个重复。取样间隔时间为 30~43 d, 玉米
生长期间共取样 5次。NO3−-N、NH4+-N通过 2 mol·L−1
KCl溶液浸提, 流动注射分析仪(FIAstar 5000)测定。
1.2.4 土样的采集和分析
每次气体采样结束后, 在每个样地内随机采集
土壤约 250 g(0~10 cm), 带回实验室, 剔除其中的石
块、根系、小动物等。一部分供土壤微生物生物量(氯
仿熏蒸−浸提法)测定; 另一部分土样风干磨细, 供
测定 pH、有机碳、全氮等。此外, 在试验开始前, 用
100 cm3环刀取土壤样, 测定土壤容重。
1.2.5 数据分析与处理
土壤 CO2和 N2O排放通量计算公式为:
hTdtdcF ×+××= )273/(273/ρ (1)
式中: F为气体排放通量(CO2单位为mg·m−2·h−1, N2O
单位为 μg·m−2·h−1); ρ 为被测气体标准状况下密度
(CO2为 1.98 kg·m−3, N2O为 1.97 kg·m−3); h为采样箱
箱罩高度, m; dc/dt为采样箱内被测气体的浓度变化
速率; T为采样过程中采样箱内平均温度, ℃。
土壤微生物生物量碳(MB-C)计算公式为:
MB−C=EC/KEC (2)
式中, EC=(氯仿熏蒸处理后土壤提取液中总有机碳−
未用氯仿熏蒸提取液中总有机碳), KEC=0.45。
土壤充水孔度(water-filled pore space, WFPS)计
算公式为:
(%)
1 / 2.65
VWCWFPS
BD
= − (3)
式中, VWC (volumetric water content)为土壤体积含
水量, BD (bulk density)为土壤容重。
用Microsoft Excel软件制图, 用 SPSS 13.0软件
进行统计分析, 差异显著性检验采用 LSD 法, 显著
性水平均为 α=0.05。
2 结果与分析
2.1 不同土地利用类型土壤 CO2和 N2O排放通量
2.1.1 土壤 CO2和 N2O季节排放通量
图 1为不同土地利用类型土壤 CO2和 N2O通量
季节排放曲线。可以看出, 各处理土壤 CO2 变化趋
势比较一致, 呈现升高→降低→升高→降低的变化
轨迹, 不同处理均在 8 月下旬达到峰值, 随后直至
玉米成熟期, 各处理土壤通量值逐渐降低。夏玉米
生育期内, 紫穗槐/玉米间作系统(AM)土壤CO2通量
变化最大, 介于 30.9~366.2 mg·m−2·h−1, 撂荒地(CK)
变化最小, 变化范围为 29.5~112.5 mg·m−2·h−1。
不同土地利用类型土壤 N2O通量呈双峰型变化
曲线, 随着玉米生长, 各处理均在 7 月 22 日前后出
现第 1个峰值, AM处理峰值最高, 达 35.6 μg·m−2·h−1,
SM 处理最低 , 为 13.6 μg·m−2·h−1, 两者相差 22.0
μg·m−2·h−1; 在 9月 27日前后出现第 2个峰值, SA处
理峰值最大, 为 24.4 μg·m−2·h−1, SM处理峰值最小,
为 11.1 μg·m−2·h−1。玉米生长期间, 土壤 N2O 通量
AM 处理变化最大 , 变化范围介于 4.1~35.6
μg·m−2·h−1, SM 处理变化最小 , 介于 6.1~13.6
μg·m−2·h−1。表明土地利用方式的改变潜在地影响到
温室气体的产生和排放过程[1]。



图 1 不同土地利用类型土壤 CO2和 N2O季节排放通量比较
Fig. 1 Comparison of CO2 and N2O seasonal fluxes of soil among six different land use types
SA: 紫穗槐林地 sole A. fruticosa plantation; SV: 香根草草地 sole V. zizanioides plantation; SM: 单作玉米 maize land; AM: 紫穗槐/玉米
A. fruticosa + maize alley cropping systems; VM: 香根草/玉米间作 V. zizanioides + maize alley cropping systems; CK: 撂荒地 wasteland. 下同
The same below.
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2.1.2 土壤 CO2和 N2O排放总量
夏玉米生长期间, 6种土地利用类型土壤 CO2排
放总量依次为: AM>SM>VM>SV>SA>CK, 分别为
3 877 kg·hm−2·a−1、3 480 kg·hm−2·a−1、3 124 kg·hm−2·a−1、
2 672 kg·hm−2·a−1、2 449 kg·hm−2·a−1和 1 737 kg·hm−2·a−1
(图 2)。撂荒地土壤 CO2排放通量显著低于其他 5种
土地利用类型(P<0.05), 其他各土地利用之间土壤
CO2通量均无显著性差异(P>0.05)。说明农田改变为
农林复合系统可能潜在地增加土壤 CO2 排放, 而紫
穗槐林地、香根草草地由于人为活动干扰少, 与农
田相比, 土壤 CO2排放量潜在地减少。
土壤 N2O 排放总量依次为: AM>SA>CK>VM>
SV>SM, 分别为 508 g·hm−2·a−1、470 g·hm−2·a−1、390
g·hm−2·a−1、373 g·hm−2·a−1、372 g·hm−2·a−1 和 285
g·hm−2·a−1。但 6 种土地利用类型之间土壤 N2O 通量
无显著差异。农田(SM)土壤 N2O排放量最低, 可能是
由于玉米生长需要大量氮, 土壤中有效氮被利用后,
使硝化或反硝化作用失去有效氮源, 从而减少 N2O
产生机会; 而撂荒地中有足够的有效氮源, N2O 形成
不受氮源限制[13]。有研究认为不施肥条件下裸土 N2O
排放大于森林土壤和种植玉米土壤而小于栽培大麦
和草地的土壤[14]。另外, 紫穗槐和香根草与玉米的复
合系统(AM和 VM)土壤 N2O排放量均高于其单作系
统(SA 和 SV), 这可能与紫穗槐通过生物固氮固定空
气中氮素, 增加土壤氮素输入, 从而增强N2O排放[15],
而香根草复合系统高于香根草单作的原因可能是香
根草和玉米复合种植后改善了土壤水热特性及微生
物活性, 提高了土壤氮素矿化, 从而导致土壤N2O排
放增加(表 1)。香根草草地(SV)和香根草/玉米地(VM)
土壤 N2O 排放量稍小于撂荒地, 可能是由于撂荒地
中存在稀疏植物减少了 N2O 排放, 间接说明不同植
被覆盖类型是影响土壤 N2O排放的重要原因。



图 2 不同土地利用类型土壤 CO2和 N2O排放总量比较
Fig. 2 Comparison of total CO2 and N2O emissions among six land use types

表 1 6种土地利用类型土壤CO2和N2O通量影响因子比较
Table 1 Comparison of influencing factors of soil CO2 and
N2O fluxes under six land use types
处理
Treatment
全氮
Total nitrogen
(g·kg−1)
氮净矿化
Net nitrogen
mineralization
(kg·hm−2)
有机碳
Organic carbon
(g·kg−1)
微生物量碳
Microbial
biomass carbon
(μg·g−1)
CK 0.23a 48.1c 4.7c 50.2d
SM 0.23a 51.5c 5.0c 63.4c
SA 0.24a 75.4a 6.2a 82.1a
AM 0.25a 81.8a 5.7a 83.6a
SV 0.23a 57.7b 5.5b 65.2c
VM 0.24a 68.9ab 5.6b 71.8b
同列不同字母表示处理间差异显著 Different letters in the
same column mean significant difference at P < 0.05.

2.2 土壤水分含量对 CO2和 N2O排放的影响
从图 3 可知, 土壤 CO2和 N2O 排放通量与土壤
WFPS相关性不显著。其中, 土壤 CO2排放通量在土
壤含水量为 54%~61%时最高; 土壤N2O排放通量在
土壤含水量为 50%左右时排放较低。但在某些情况
下, 土壤 WFPS 较大, 土壤 CO2或 N2O 排放通量亦
较大, 这可能与上季作物根系分解提供的碳和氮等
因素有关。
通过逐步回归分析, 结果表明该区域土壤含水
量影响了土壤CO2排放。在一定土壤湿度范围内, 土
壤呼吸速率随湿度的增加而增加[16−17], 土壤湿度太
高或太低对土壤呼吸都有抑制作用。杜丽君等[10]在
本研究点临近的区域, 也发现水田、果园、林地和
旱地 4 种土地利用方式土壤 WFPS 与土壤 CO2排放
通量之间相关性不显著。他们认为土壤水分作为另
一个影响土壤呼吸的环境因素, 相对于土壤温度而
言, 对土壤 CO2 排放影响更为复杂, 往往同时取决
于与温度的相互协调情况。
众多研究发现, 土壤 N2O 排放与土壤水分含量
呈正相关。在本研究中, 土壤 N2O 排放与土壤水分
含量无明显相关关系, 表明玉米生长期间, 该地区
土壤水分不是土壤 N2O排放的主要限制因子。主要
第 9期 郭忠录等: 农田改为农林(草)复合系统对红壤 CO2和 N2O排放的影响 1195


原因可能是受季风气候影响, 玉米生长期间遭受到
“霉雨”和“伏旱”, 加之土壤质地黏重、结构性差、土
壤入渗、导水能力差, 可能影响到土壤水分含量与
N2O排放关系。
2.3 土壤碳氮对土壤 CO2和 N2O排放的影响
2.3.1 微生物生物碳和有机碳对土壤CO2排放的影响
土壤湿度和温度对土壤 CO2 排放的影响, 常常
是与土壤物理化学性质(如质地、有机质、根系密度
和微生物生物量等)密切相关[18−19]。土地利用方式改
变生态系统类型, 进一步导致生态系统净初级生产
力的改变, 相应影响农田小气候、土壤有机质、土
壤结构稳定和细根生物量, 改变了土壤微生物多样
性, 从而一定程度上影响着大气中 CO2 浓度[20,13]。
由表 1可知, CK处理平均土壤微生物生物量碳最小,
仅 50.2 μg·g−1, AM处理最大, 达 83.6 μg·g−1。在 6种
不同土地利用类型间, 撂荒地的土壤微生物生物量
碳显著小于其他 5种土地利用类型(P<0.05); 以紫穗
槐为基础的两种土地利用类型土壤微生物生物量碳
显著大于以香根草为基础的土地利用和农田; 农田
和香根草地之间无显著性差异。土壤有机碳含量高
低顺序与土壤微生物生物量碳基本相同, 但紫穗槐
林地土壤有机碳含量为 6.2 g·kg−1, 大于紫穗槐/玉米
处理(5.7 g·kg−1)。分析表明, 6种土地利用土壤 CO2
通量与土壤有机碳和土壤微生物生物量碳都具有正
相关关系, 但相关性均不显著(图 4)。
2.3.2 土壤氮素净矿化对土壤 N2O排放的影响
N2O 作为土壤硝化和反硝化作用产物, 会随着
土地利用方式改变而引起的土壤无机氮含量、氮素
矿化、充水孔度和植被类型改变而变化[21−22]。不同
土地利用类型间土壤氮素净矿化率存在较大差异 ,
其中, AM 处理土壤氮素净矿化率最大, 达到 81.8
μg·g−1; 撂荒地最小, 仅 48.1 μg·g−1(表 1)。在 6种不
同土地利用类型之间, CK 和 SM 处理土壤氮素净矿
化率显著低于其他 4种土地利用类型; 以紫穗槐为基
础的两种土地利用类型土壤氮素净矿化率显著大于
以香根草为基础的两种土地利用类型, 撂荒地和单
作玉米地之间没有显著差异。6种不同土地利用类型
土壤全氮含量相当, 各处理之间无显著差异(表 1)。
相关分析表明, 6种土地利用类型土壤 N2O排放通量
与土壤氮素净矿化率之间具有显著相关关系(图 5)。



图 3 不同土地利用类型土壤含水量(WFPS)与 CO2和 N2O排放通量的关系
Fig. 3 Relationship between soil water content (WFPS) and soil CO2 or N2O fluxes under six land use types



图 4 土壤微生物量碳和有机碳与 CO2通量的相关关系
Fig. 4 Correlation between soil CO2 flux and soil microbial biomass carbon and organic carbon
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图 5 土壤 N2O通量与氮素净矿化率的相关关系
Fig. 5 Correlation between soil N2O flux and net nitrogen
mineralization rate

3 结论
本研究表明, 夏玉米生育期内, 农田转变为农
林、林草复合系统潜在地增加了土壤 CO2和 N2O排
放, 农田转变为紫穗槐林地、香根草草地潜在地减
小土壤CO2排放, 但一定程度上增加土壤N2O排放。
夏玉米生育期内, 土壤 CO2排放总量依次为紫穗槐/
玉米间作>玉米单作>香根草/玉米间作>香根草单作
>紫穗槐单作>撂荒地, 种植玉米系统排放量高于未
种植玉米的系统; 土壤 N2O排放总量依次为紫穗槐/
玉米间作>紫穗槐单作>撂荒地>香根草/玉米间作>
香根草单作>玉米单作 , 以紫穗槐为基础的两个系
统排放量均高于以香根草为基础的两个系统。
农田转变为农林(草)复合系统、林地和草地导致
土壤有机碳、土壤含水量、土壤微生物生物量碳和
土壤氮素净矿化率差异, 从而间接地影响土壤 CO2
和 N2O 排放; 夏玉米生育期内, 土壤氮素净矿化率
是 N2O 排放的主要影响因子, 土壤有机碳和微生物
生物量碳是 CO2 排放的重要影响因子, 土壤含水量
对土壤 CO2排放的影响强于对 N2O排放的影响。
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