全 文 ：中国生态农业学报 2012年 7月 第 20卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2012, 20(7): 842−849


* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100506)、中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX2-EW-N-08)和国家自然科学基
金项目(41001128)资助
** 通讯作者: 张佳宝(1957—), 男, 博士生导师, 研究员, 主要从事生态系统过程与模拟、水循环与污染物迁移、农田信息采集与水氮管
理决策系统研究。E-mail: jbzhang@issas.ac.cn
李玮(1980—), 女, 博士研究生, 主要从事土壤碳循环研究。E-mail: lw8048@126.com
收稿日期: 2011-12-21 接受日期: 2012-03-06
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00842
秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原
夏玉米土壤呼吸的影响*
李 玮1,2 张佳宝1** 张丛志1
(1. 中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 封丘农田生态系统国家试验站
南京 210008; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 为了研究黄淮海平原不同秸秆还田方式和施氮类型对夏玉米农田生态系统土壤呼吸的影响, 于 2010
年 6—10月, 采用 LI-COR-6400-09土壤气室连接红外线气体分析仪(IRGA)对玉米农田行间掩埋秸秆区的土壤
呼吸作用进行了连续测定。结果表明, 常规施肥下, 玉米生育期内秸秆行间掩埋处理(ISFR)的平均土壤呼吸速
率显著高于秸秆移除(NSFR)和秸秆覆盖(SFR)处理(P<0.05)。秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥处理中, 配施
50.4 kg(N)·hm−2处理(ISF3)的平均土壤呼吸速率为(178.85±46.60) mg(C)·m−2·h−1, 显著高于配施 33.6 kg(N)·hm−2
处理(ISF2)的(124.11±23.18) mg(C)·m−2·h−1(P<0.05)。秸秆行间掩埋配合施用鸡粪处理中, 鸡粪施用量为 33.6
kg(N)·hm−2(ISOM2)处理的平均土壤呼吸速率为(208.08±31.54) mg(C)·m−2·h−1, 施用 16.8 kg(N)·hm−2(ISOM1)和
50.4 kg(N)·hm−2(ISOM3)处理的为(135.07±21.97) mg(C)·m−2·h−1、(171.43±43.31) mg(C)·m−2·h−1, 相比 ISOM2处
理, ISOM1和 ISOM3处理的平均土壤呼吸速率降低了 35.09%和 17.61%。ISOM2处理玉米季 CO2排放累积量
为 499.39 g(C)·m−2, 显著高于 ISF2处理的 297.86 g(C)·m−2。秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥对土壤呼吸速率
的影响小于配合施用鸡粪的影响, 配合施用 16%总氮的鸡粪, 即 33.6 kg(N)·hm−2时 C/N 比最适宜土壤微生物
的代谢活动。
关键词 黄淮海平原 玉米田 秸秆还田方式 氮肥类型 土壤呼吸速率 玉米农田生态系统
中图分类号: S131 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)07-0842-08
Effects of straw incorporation and N fertilization on soil respiration during
maize (Zea mays L.) growth in Huanghuaihai Plain
LI Wei1,2, ZHANG Jia-Bao1, ZHANG Cong-Zhi1
(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture; State Experimental Station of Agro-ecology in Fengqiu; Institute of
Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China)
Abstract A field experiment was conducted in the Fengqiu State Key Agro-ecological Experimental Station in China’s Henan
Province to measure soil respiration in maize farmland ecosystems from June to October, 2010. Soil respiration was measured in the
nine-treatment experiment using LI-COR-6400-09 Soil Respiration Chamber completed with Infrared Gas Analyzer (IRGA). The
results indicated that soil respiration rates at 20 cm depth under treatments of burying straws in-between maize lines (ISFR) was
significantly higher (P < 0.05) than those under the treatments of removing (NSFR) and mulching (SFR) straw with conventional
fertilization. Average soil respiration rates of ISFR, NSFR and SFR were (209.22±75.63) mg(C)·m−2·h−1, (169.51±45.50)
mg(C)·m−2·h−1 and (161.14±26.32) mg(C)·m−2·h−1, respectively. Average soil respiration rate under buried straw plus chemical N
fertilizations of 16.8 kg(N)·hm−2 (ISF1), 33.6 kg(N)·hm−2 (ISF2) and 50.4 kg(N)·hm−2 (ISF3) were (148.67±35.07) mg(C)·m−2·h−1,
第 7期 李 玮等: 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响 843


(124.11±23.18) mg(C)·m−2·h−1 and (178.85±46.60) mg(C)·m−2·h−1, respectively. The difference between ISF3 and ISF2 treatments was
significant at P < 0.05. Under treatments of buried straw with chicken manure applications of 16.8 kg(N)·hm−2 (ISOM1), 33.6
kg(N)·hm−2 (ISOM2) and 50.4 kg(N)·hm−2 (ISOM3), average soil respiration rates were (135.07±21.97) mg(C)·m−2·h−1,
(208.08±31.54) mg(C)·m−2·h−1 and (171.43±43.31) mg(C)·m−2·h−1, respectively. Compared with ISOM2, ISOM1 and ISOM3
significantly decreased soil respiration rates by 35.09% and 17.61%. The cumulative CO2 emissions under ISOM1, ISOM2 and
ISOM3 during maize growth were 324.16 g(C)·m−2, 499.39 g(C)·m−2 and 411.43 g(C)·m−2, with significant differences in both
cumulative CO2 emissions and average soil respiration rates among the treatments at P < 0.05. Cumulative CO2 emission under
ISOM2 treatment during maize season was significantly higher than that under ISF2 treatment. It was therefore concluded that the
effect of burying straws in-between maize lines combined with chicken manure on soil respiration rate was significantly greater
than that with chemical N fertilizer. At chicken manure application rate of 33.6 kg(N)·hm−2, the conditions of C/N ratio were
optimum for soil microbial metabolism and population.
Key words Huanghuaihai Plain, Maize field, Straw incorporation pattern, Type of N fertilizer, Soil respiration rate, Maize
farmland ecosystem
(Received Dec. 21, 2011; accepted Mar. 6, 2012)
温室气体浓度的升高强烈地影响着气候变化 ,
并导致人类生存环境的恶化。全球土壤呼吸年碳排
放量为 80.4 Pg, 是化石燃料燃烧 CO2排放量的 10
倍多[1−2]。土壤呼吸是碳库中最活跃的部分, 在全球
陆地生态系统碳库中, 碳储量约为 140~170 Pg, 占
全球陆地碳储量的 10%[3]。在自然因素和农业管理
(耕作、施肥和灌溉等)的双重作用下, 农田生态系统
受到强烈的人为干扰后, 能在较短的时间尺度上进
行碳库的调节, 进而影响全球的碳循环 [4−5]。可见,
研究农业生态系统中土壤 CO2 的排放, 对于减缓大
气 CO2浓度的增加有重要意义。
秸秆直接还田是当今秸秆资源利用的主渠道[6]。
秸秆的施入对农田土壤 CO2排放通量动态具有显著
影响 [7], 同时通过改善土壤含水量、有机碳水平、
水稳性团聚体等土壤性质可提高土壤质量和作物产
量 [8−10]。施肥作为农业土壤的一个主要干扰因素 ,
不仅是提高作物产量的关键措施之一 , 而且影响
土壤的理化性质和生物活性 , 进而影响土壤的碳
循环 [11]。但已有研究主要单一集中于秸秆[12]或者是
肥料的施用量[13−15]对 CO2排放的影响, 关于秸秆施
入方式对土壤 CO2 排放影响的研究则很少见报道,
而有关不同秸秆还田方式配施不同类型氮肥(有机
氮和无机氮)对 CO2 排放影响的研究则更少。因此,
以生态系统理论与方法对秸秆还田问题进行系统的
研究具有重要意义。
黄淮海平原是我国主要的粮食产区, 肥料的应
用为粮食增产做出了巨大贡献, 通过秸秆还田、施
用有机肥来改善土壤结构、增加土壤碳库水平也越
来越受到关注, 但是关于秸秆还田对农业生态土壤
原位 CO2 排放的试验资料还相对较少, 且研究秸秆
还田方式的影响对预测未来土壤 CO2排放规律和农
业减排措施也非常重要。因此, 开展田间试验以评
价不同秸秆还田方式对 CO2 排放过程的影响, 探讨
黄淮海平原秸秆还田方式、氮肥类型以及施氮量与
夏玉米土壤呼吸的关系, 可为综合评价秸秆不同还
田方式和施肥的农田生态效应提供理论依据, 并为
该地区秸秆还田方式和施肥措施提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点位于河南省封丘县中国科学院封丘农
业生态国家试验站(北纬 35°01′, 东经 114°32′)。该地
区属半干旱半湿润的暖温带季风气候, 年平均降水
615 mm, 67%的降水集中在 6—9 月; 平均气温为
13.9 , ℃ 最低月均气温出现在 1月, 为−1.0 , ℃ 最高
月均气温 27.2 , ℃ 出现在 7月。该区域土壤发育为
黄河冲积物潮土 , 农田耕作为冬小麦−夏玉米轮作
制度。
1.2 试验设计
试验于 2010年 6—10月进行, 试验设计见表 1。
通过处理 NSFR、SFR、ISFR的比较, 可以得到常规
施肥条件下小麦不同秸秆还田方式对玉米土壤呼吸
速率的影响; 通过处理 ISOM1、ISOM2、ISOM3之
间的比较, 可以得到小麦秸秆行间掩埋还田的情况
下, 配合施用有机氮肥(鸡粪)对土壤呼吸速率的影
响; 通过处理 ISF1、ISF2、ISF3 比较, 可以得到小
麦秸秆行间掩埋还田的情况下, 配合施用无机氮肥
(尿素)对土壤呼吸速率的影响。
各处理在整个玉米生育期总施氮量均为 210
kg(N)·hm−2, 施磷量 157 kg(P2O5)·hm−2, 施钾量 105
kg(K2O)·hm−2, 各处理 N、P和 K施用量见表 2。每
处理设 4 个重复, 共有 36 个小区, 每个小区均设为
5 m×8 m。还田秸秆为上一季晒干的小麦整秆, 其养
分和含水量见表 3。秸秆施用量 7 500 kg·hm−2。播种
前, 在玉米行间开沟 20 cm 深, 均匀放入小麦秸秆,
并在秸秆上施用鸡粪(或化肥)后进行掩埋, 鸡粪的
844 中国生态农业学报 2012 第 20卷


养分含量见表 3。试用玉米品种为“郑单 958”, 种植
密度 68 034 株·hm−2, 玉米行距和株距分别为 60 cm
和 30 cm。2010年 6月 23日翻地、埋秸秆、施基肥,
2010 年 6 月 24 日播种, 7 月 15 日—8 月 15 日玉米
从拔节进入灌浆期, 8月 16日—9月 5日为灌浆期, 9
月 6日—10月 5日为逐渐成熟阶段, 10月 5日收获。
追肥时间为 2010 年 8 月 1 日和 8 月 17 日, 分别为
玉米拔节期和灌浆期 , 追肥方式为行间挖穴点播 ,
基肥和追肥的施用量见表 2所示。
1.3 土壤呼吸作用的测定
土壤呼吸测定采用动态气室法, 通过密闭交换
式的采集气体系统(LI-COR-6400-09 土壤气室)连接
红外线气体分析仪(IRGA)对气室中产生的 CO2进行
连续测定, 系统同时测定 10 cm 深土壤的温度。测
量气室放置在事先已经放入土壤中的 PVC环上进行
测量, 为减少安置 PVC 环对土壤系统的破坏, 第 1
次测定在安置 24 h后再进行, 以避免由于安置 PVC
环对土壤扰动而造成的短期呼吸速率的波动 [16]。
PVC环直径 11 cm、高 10 cm, 在 2010年 6月 24日
玉米播种后立即安置在两行玉米的中间, 即掩埋秸
秆区, PVC环埋入土壤后 2 cm露出地表以保证测量
气室的密闭性, 同时去除环内的一切活体, 每个小区

表 1 秸秆还田试验各处理秸秆还田和施肥方式
Table 1 Straw incorporation and fertilization methods of different treatments in the straw incorporation experiment
处理
Treatment
秸秆还田方式
Straw application method
施肥
Fertilization application
NSFR 秸秆移除(NS) Straw removed 常规施肥 Conventional fertilization
SFR 秸秆覆盖(S) Straw mulching 常规施肥 Conventional fertilization
ISFR 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines 常规施肥 Conventional fertilization
ISOM1 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 8%总氮的鸡粪, 即 16.8 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of fowl dung with 8% total N, that is 16.8 kg(N)·hm−2
ISOM2 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 16%总氮的鸡粪, 即 33.6 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of fowl dung with 16% total N, that is 33.6 kg(N)·hm−2
ISOM3 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 24%总氮的鸡粪, 即 50.4 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of fowl dung with 24% total N, that is 50.4 kg(N)·hm−2
ISF1 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 8%总氮的化学氮肥(尿素), 即 16.8 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of urea with 8% total N, that is 16.8 kg(N)·hm−2
ISF2 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 16%总氮的化学氮肥(尿素), 即 33.6 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of urea with 16% total N, that is 33.6 kg(N)·hm−2
ISF3 秸秆行间掩埋(IS) Straw buried between the lines
基肥配施 24%总氮的化学氮肥(尿素), 即 50.4 kg(N)·hm−2
Basal fertilization of urea with 24% total N, that is 50.4 kg(N)·hm−2
常规施肥: 氮肥播种时不施, 40%拔节期追施, 60%灌浆期追施; 磷、钾肥拔节期一次性施入。The conventional fertilization was that N
fertilization was applied 40% and 60% of the total N at the jointing stage and filling stage of the maize growth, and P, K fertilization were one-time
applied at jointing stage.

表 2 秸秆还田试验各处理氮磷钾肥施用量
Table 2 Application amount of N, P, K fertilizers of different treatments in the straw incorporation experiment g·40m−2
播种期 Sowing stage 拔节期 Jointing stage 灌浆期 Filling stage 处理
Treatment N P2O5 K2O N P2O5 K2O N P2O5 K2O
NSFR 0 0 0 336.00 630.00 420.00 504.00 0 0
SFR 0 0 0 336.00 630.00 420.00 504.00 0 0
ISFR 0 0 0 336.00 630.00 420.00 504.00 0 0
ISOM1 67.2 0 0 309.12 569.26 391.01 463.68 0 0
ISOM2 134.4 0 0 282.12 508.52 362.02 423.36 0 0
ISOM3 201.6 0 0 255.36 447.78 333.03 383.04 0 0
ISF1 67.2 0 0 309.12 630.00 420.00 463.68 0 0
ISF2 134.4 0 0 282.12 630.00 420.00 423.36 0 0
ISF3 201.6 0 0 255.36 630.00 420.00 383.04 0 0

表 3 试验用鸡粪和秸秆的养分及含水量
Table 3 Nutrient and moisture contents of fowl dung and wheat straw used in the straw incorporation experiment %
有机物料 Organic material 全氮 Total N 全磷 Total P 全钾 Total K 有机碳 Organic C 含水量 Water content
鸡粪 Chicken manure 1.54 1.83 1.60 8.08 20.00
小麦秸秆 Wheat straw 0.51 0.13 9.19 39.40 47.13

第 7期 李 玮等: 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响 845


安置 1 个环, 每次测定 3次重复, 仪器自动记录。在
整个玉米生长季的测定过程中一直把 PVC 环保留在
土壤中, 于早晨 09:00—12:00 定期测定土壤呼吸[17],
从玉米拔节初期, 即 7 月 24 日开始测定, 之后间隔
5 d测定 1次至 9月 18日。
测定时密闭 PVC环的土壤呼吸通量计算公式为:
Q(μmol·m−2·s−1)=(∆C/∆t)×V/A=(∆C/∆t)×h (1)
式中, ∆C为时间间隔∆t(s)的密闭 PVC环内 CO2的浓
度差(μmol·m−3), h为环高(m)。在测定土壤呼吸速率
的同时 , 使用便携式土壤水分测定仪 (Hydrosense,
Campbell, 美国)测定 5 cm土层的土壤湿度, 表示为
容积含水量 , 通过计算换算成土壤孔隙含水量
(WFPS), 计算公式为:
WFPS(%)=[含水量(%)×土壤容重(g·cm−3)/
土壤总孔隙度(m3·m−3)]×100 (2)
式中 , 土壤总孔隙度(m3·m−3)=1−土壤容重(g·cm−3)/
2.65(g·cm−3), 本研究中, 土壤容重按 1.48 g·cm−3计算。
降雨量和大气温度通过试验区内的气象站自动
采集。试验期降水和大气温度见图 1。
1.4 数据分析
数据采用 SPSS 16.0和 Excel 2003软件处理。
2 结果与分析
2.1 玉米生长季土壤温度和水分的变化
玉米整个生长季, 土壤湿度和土壤温度的变化如
图 2 所示。土壤孔隙含水量(WFPS)变化范围为 34%~
82%, 平均为 66%。方差分析表明, 9个处理之间, 玉米
生育期平均WFPS没有显著差异(P>0.05)。土壤温度最
高 29.52 ℃, 最低 20.84 ℃, 平均 24.91 ℃, 方差分析
表明, 各处理间平均温度亦没有显著差异(P>0.05)。
2.2 秸秆还田方式对土壤呼吸的影响
就玉米整个生长季看(图 3), 不同秸秆还田方式


图 1 试验期间日平均气温与降水量
Fig. 1 Daily rainfall and average temperature during the
experimental period

下平均土壤呼吸速率依次表现为秸秆行间掩埋
(ISFR)>秸秆移除(NSFR)>秸秆覆盖(SFR)。ISFR处理的
平均土壤呼吸速率为(209.22±75.63) mg(C)·m−2·h−1, 显
著高于NSFR处理的(169.51±45.50) mg(C)·m−2·h−1和
SFR 处理的(161.14±26.32) mg(C)·m−2·h−1。NSFR、
SFR、ISFR 处理在整个玉米生长季的土壤呼吸速率波
动范围分别为 : 91.30~302.26 mg(C)·m−2·h−1、78.84~
242.78 mg(C)·m−2·h−1和 72.38~416.23 mg(C)·m−2·h−1。由
以上可知, 玉米整个生育期秸秆行间掩埋措施对土
壤呼吸有显著影响, 大幅度增加了土壤呼吸。具体
到玉米生长的某一阶段来看, 玉米拔节期(7月 15日
— 8月 15日), ISFR处理的平均土壤呼吸也总是显著
高于 NSFR和 SFR处理(图 3), 灌浆后期到成熟期(8
月 24日至收获), 随着气温的降低, 土壤微生物活动
减弱, 土壤呼吸逐渐减小, 3个处理间没有显著差异
(P>0.05)。



图 2 试验期内不同处理的土壤温度和土壤湿度
Fig. 2 Soil temperature and water content under different treatments during the maize growth season
846 中国生态农业学报 2012 第 20卷





图 3 玉米生育期不同秸秆还田方式下土壤呼吸
速率的变化
Fig. 3 Change in soil respiration rate under different ways of
straw incorporation during the maize growth season

2.3 氮肥施用对土壤呼吸变化的影响
2.3.1 配施有机氮肥下土壤呼吸速率的变化
随季节变化 , 秸秆行间掩埋配合基肥施用鸡
粪的不同处理间土壤呼吸速率高低变化基本一致
(图 4a)。对整个玉米季土壤呼吸的监测发现, 鸡粪对
土壤呼吸的影响十分显著。秸秆行间掩埋配合施用
33.6 kg(N)·hm−2 鸡粪处理(ISOM2)平均土壤呼吸速
率最高, 为(208.08±31.54) mg(C)·m−2·h−1, 波动范围
为 41.37~415.30 mg(C)·m−2·h−1; 配 合 施 用 16.8
kg(N)·hm−2 和 50.4 kg(N)·hm−2 鸡粪处理(ISOM1 和
ISOM3)平均土壤呼吸速率分别为 (135.07±21.97)
mg(C)·m−2·h−1、(171.43±43.31) mg(C)·m−2·h−1, 显著
低于 ISOM2 处理 , 其波动范围为 70.49~395.78
mg(C)·m−2·h−1和 50.66~349.42 mg(C)·m−2·h−1。秸秆行
间掩埋配合施用鸡粪的氮高于和低于 33.6 kg(N)·hm−2
时, 土壤呼吸减弱, 说明配合施用 33.6 kg(N)·hm−2
鸡粪的 C/N 比最适宜微生物代谢活动。玉米拔节期
(7月 15—8月 15日), 3个处理的土壤呼吸速率先增
加后逐渐减小, 灌浆前期(8 月 16 日—8 月 27 日)降
到最低, 之后又升高, 说明秸秆行间掩埋配施鸡粪
时, 秸秆和鸡粪中大部分易分解的物质在施入土壤
后 1~2 个月左右大量分解, 并且追施化学氮肥可以
促进土壤呼吸作用。
2.3.2 配施化学氮肥下土壤呼吸速率的变化
秸秆行间掩埋基肥配合施用化学氮肥的各处理
间土壤呼吸高低变化基本一致(图 4b)。玉米整个生
育期 , 平均土壤呼吸速率秸秆行间掩埋配合施用
16.8 kg(N)·hm−2化学氮肥处理(ISF1)为(148.67±35.07)
mg(C)·m−2·h−1, 配合施用 33.6 kg(N)·hm−2 化学氮肥
处理(ISF2)为(124.11±23.18) mg(C)·m−2·h−1, 配合施
用 50.4 kg(N)·hm−2 化学氮肥处理(ISF3)为(178.85±
46.60) mg(C)·m−2·h−1, 其波动范围分别为 55.89~363.82
mg(C)·m−2·h−1、47.45~384.91 mg(C)·m−2·h−1和 43.62~
452.52 mg(C)·m−2·h−1。ISF3处理的平均土壤呼吸速
率显著高于 ISF2 处理(P<0.05), 峰值显著高于 ISF1
和 ISF2处理(P<0.05)。玉米不同生育阶段, 3个处理
土壤呼吸速率 7月 27日均出现峰值, 之后逐渐减小,
灌浆期(8 月 16 日—9 月 5 日)呈升高−下降−升高的
趋势, 成熟期下降。追施氮肥之前, 即在玉米拔节初
期(7 月 27 日之前), ISF3 处理的土壤呼吸速率最高,
ISF1处理土壤呼吸速率最低; 3个处理的土壤呼吸速
率峰值均出现在第 1次追肥之前; 第 2次追肥后, 各
处理土壤呼吸速率均略有上升 ; 灌浆后到成熟期 ,
由于降水较多、气温较低(图 1), 各处理土壤呼吸速
率下降, 但差异不显著。表明秸秆行间掩埋配合施
用化学氮肥, 其施用量显著影响土壤呼吸。



图 4 玉米生育期秸秆行间掩埋配施不同量有机肥(a)和化学氮肥(b)土壤呼吸速率的变化
Fig. 4 Change in soil respiration rate under straw buried between lines combined with different application amounts of organic N
fertilizer (a) and chemical N fertilizer (b) during the maize growth season
第 7期 李 玮等: 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响 847



2.3.3 秸秆行间掩埋配施氮肥对夏玉米碳累积排放
量的影响
从玉米整个生长期看, ISFR处理 CO2排放累积
量最高, 达 502.14 g(C)·m−2, 比 SFR和NSFR高 115.41
g(C)·m−2和 95.31 g(C)·m−2, 差异达显著水平(P<0.05),
SFR和NSFR处理之间没有显著差异(P>0.05)。ISF1、
ISF2、 ISF3 处理的土壤 CO2 排放累积量分别为
356.80 g(C)·m−2、297.86 g(C)·m−2和 429.25 g(C)·m−2,
ISF3 处理比 ISF1、ISF2 高 16.88%和 30.61%, ISF3
与 ISF2处理差异达显著水平(P<0.05), ISF1与 ISF2、
ISF3处理之间无显著差异(图 5)。ISOM1、ISOM2、
ISOM3 处理 CO2排放累积量分别为 324.16 g(C)·m−2、
499.39 g(C)·m−2 和 411.43 g(C)·m−2, ISOM2 处理比
ISOM1 和 ISOM3 高 35.09%、17.61%, 差异达显著
水平(P<0.05)(图 5)。ISOM2处理的 CO2累积排放量
显著高于 ISF2处理。



图5 玉米生育期不同处理秸秆掩埋区土壤CO2累积排放量
Fig. 5 Cumulative CO2 emission in straw buried area under
different treatments during the maize growth season

3 讨论与结论
3.1 秸秆还田对土壤呼吸速率的影响
秸秆还田可以调节土壤物理环境、促进环境微
生物的代谢活动, 有利于土壤养分的转化 [18], 提高
土壤有机质的数量和质量[19], 增加土壤总孔隙度[20],
以促进土壤中 CO2 向空气中扩散 , 从而增加土壤
CO2的释放速率。雷宏军等[19]对黄淮海平原 7 个独
立施肥长期定位点的土壤有机碳动态进行模拟, 发
现有机物料还田量是决定耕层土壤 CO2年排放通量
大小的直接原因。众多研究结果认为, 秸秆还田对
农田土壤呼吸有显著影响。本研究中, 玉米季秸秆
行间掩埋区平均土壤呼吸速率高于秸秆覆盖和秸秆
移除的措施, 可能是因为秸秆行间掩埋于表层 20 cm
土壤, 导致土壤中 C/N 比变大, 增强了微生物活性,
翻埋入土的秸秆在 7、8月高温下, 一方面促进了被
掩埋秸秆和土壤有机质的分解, 另一方面增强了土
壤微生物的呼吸。
3.2 秸秆行间掩埋配施有机肥对土壤呼吸速率的
影响
施用有机肥可以提高土壤中潜在矿化分解的有
机碳含量, 增大土壤有机碳的矿化速率常数, 而且
能增强土壤呼吸的强度, 使土壤有机质中的无机养
分循环加快, 显著提高土壤养分的有效性, 改善土
壤肥力状况, 提高土壤质量[21]。有机肥自身可以为
微生物提供能源, 从而为微生物提供更多的降解底
物 , 显著提高微生物活性 [22], 特别是刚施入后 , 施
有机肥的处理土壤呼吸显著高于没有施用有机肥的
处理[23]。
本研究中, 玉米整个生长期, ISOM2 处理的平
均土壤呼吸速率和累积碳排放量显著高于 ISOM1和
ISOM3处理, 表明 ISOM2处理的 C/N比最适宜微生
物的代谢活动。秸秆行间掩埋配合施用鸡粪土壤呼
吸速率峰值均出现在第 1 次追施化学氮肥之前(7 月
28 日), 表明施用有机肥能促进微生物的活性, 与上
述研究结果一致。施用有机肥的 3个处理中, ISOM2
处理的土壤呼吸速率峰值最高, 表明秸秆行间掩埋
配合施用有机肥, 微生物活性提高的程度受有机肥施
用量的影响, 配合施用量高于和低于 33.6 kg(N)·hm−2
时土壤呼吸速率下降; 第 2 次追施化学氮肥 10 d(8
月 27 日)后, 3 个处理土壤呼吸速率有所上升, 一方
面可能是因为气温回升所致[24−25], 另一方面有研究
者认为, 施氮肥的时间影响土壤呼吸, 在玉米地的
施肥试验表明, 晚施肥比早施肥土壤呼吸要高[26]。
化肥对土壤呼吸过程的影响主要依赖于土壤有机质
的水平, 在施用有机物料的情况下, 土壤有机质的含
量高, 对土壤呼吸的影响明显; 而在不施有机物料的
处理中, 土壤有机质含量低, 且新鲜的土壤有机物质
数量少, 土壤有机质稳定, 化肥对土壤呼吸速率过程
的影响不明显。配合施用有机肥的土壤呼吸速率高于
不施有机肥的处理, 这主要是由于施入有机物料提
高了农田土壤有机碳含量, 同时改善了土壤理化和
生物学性质, 使土壤具有良好的通透性和保水性能,
从而土壤微生物呼吸强度高, 也为作物根系生长创
造了良好的环境条件, 增加了根系的生长量和活力,
进而增加 CO2的排放量[27−28]。
3.3 秸秆行间掩埋配施化学氮肥对土壤呼吸速率
的影响
土壤呼吸作用的氮肥施用效应较为复杂。有研
究认为, 化学氮肥能促进土壤中容易降解的有机碳
的分解[29], 随着施氮量的增加, 土壤呼吸作用增加,
848 中国生态农业学报 2012 第 20卷


但对土壤呼吸的影响不敏感[15,23,30]。玉米生育期长
期施用高量氮 [540 kg(N)·hm−2·a−1]、磷肥 [135
kg(N)·hm−2·a−1]明显影响到土壤释放 CO2的量[31]。也
有研究表明, 施氮与未施氮处理下大麦田具有相似
的土壤呼吸速度[32]。化学氮肥能抑制土壤有机质中
一些高分子化合物的分解[33], 因此对土壤呼吸作用
影响的大小并不显著[34], 甚至可能抑制土壤呼吸作
用[30]。杨兰芳等[35]盆栽试验表明, 施氮对裸地土壤呼
吸影响不显著, 有作物条件下, 施氮 300 kg·hm−2 处
理的土壤呼吸速率显著高于施氮150 kg·hm−2的处理。
以尿素形式施入的氮在短期培养试验中表现出增强
微生物呼吸作用[36], 而在长期培养试验中发现抑制
微生物呼吸[37]。氮的供应不足有可能会限制在提高大
气 CO2浓度条件下植物光合作用的反应[38−39]。Poorter
等 [40]研究发现, 营养状况低时, 很大程度上降低了
由于 CO2浓度升高对植物生长的促进。
本研究中 , 秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥 ,
玉米整个生长季平均和累积的土壤 CO2排放量配合施
用 16.8 kg(N)·hm−2时高于配合施用 33.6 kg(N)·hm−2,
但二者对土壤呼吸的影响不显著 ; 配施量增加到
50.4 kg(N)·hm−2, 平均土壤呼吸速率和累积 CO2 排
放量显著升高, 这表明秸秆行间掩埋配合施用高量
氮肥促进了土壤呼吸。播种时秸秆行间掩埋配合施
用化学氮肥, 虽然小麦秸秆的 C/N 值较大, 难于分
解, 但微生物可利用施肥土壤中的有效态氮以掩埋
的秸秆为碳源维持自身生长, 增强土壤中的微生物
数量和活性来分解有机物质。因此, 3个处理在第 1
次追肥前土壤呼吸就出现了峰值(7 月 28 日); 第 2
个峰值均出现在第 2 次追施氮肥之后(8 月 28 日)。
宋文质等[25]观测中国冬小麦田施用氮肥前后 CO2通
量变化的结果也表明, 施肥后农田CO2排放量增大。
本试验中, 掩埋秸秆区土壤呼吸属无根呼吸, 该区
土壤 CO2排放主要包括土壤微生物呼吸、掩埋秸秆
和土壤有机碳的分解, 基施配合施用不同水平的化
学氮肥对 CO2排放的影响与土壤中有机质的数量和
质量密切相关[41]。因此, 秸秆还田基施化学氮肥施
用量至关重要, 应同时满足作物和土壤微生物的吸
收利用。
参考文献
[1] Li X D, Fu H, Guo D, et al. Partitioning soil respiration and
assessing the carbon balance in a Setaria italica (L.) Beauv.
cropland on the Loess Plateau, Northern China[J]. Soil
Biology and Biochemistry, 2010, 42(2): 337–346
[2] Yang J Y, Wang C K. Partitioning soil respiration of temperate
forest ecosystems in northeastern China[J]. Acta Ecologica
Sinica, 2006, 26(6): 1640–1646
[3] 杨景成, 韩兴国, 黄建辉, 等. 土壤有机质对农田管理措施
的动态响应[J]. 生态学报, 2003, 23(4): 787–796
[4] 李德文, 孟凡祥, 史奕, 等. 农业管理措施对土壤有机碳固
存潜力影响的研究进展 [J]. 农业系统科学与综合研究 ,
2005, 21(4): 260–263
[5] 潘根兴 . 中国土壤有机碳库及其演变与应对气候变化[J].
气候变化研究进展, 2008, 4(5): 282–289
[6] 李文革 , 李倩 , 贺小香 . 秸秆还田研究进展[J]. 湖南农业
科学, 2006(1): 46–48
[7] Jacinthe P A, Lal R, Kimble J M. Carbon budget and seasonal
carbon dioxide emission from a central Ohio Luvisol as
influenced by wheat residue amendment[J]. Soil and Tillage
Research, 2002, 67(2): 147–157
[8] Rasmussen P E, Allmaras R R, Rohde C R, et al. Crop residue
influences on soil carbon and nitrogen in a wheat-fallow
system[J]. Soil Sci Soc Am J, 1980, 44(3): 596–600
[9] Neely C L, Beare M H, Hargrove W L, et al. Relationships
between fungal and bacterial substrate-induced respiration,
biomass and plant residue decomposition[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 1991, 23(10): 947–954
[10] Powlson D S, Jenkinson D S, Pruden G, et al. The effect of
straw incorporation on the uptake of nitrogen by winter
wheat[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,
1985, 36(1): 26–30
[11] 芦思佳 , 韩晓增 . 施肥对土壤呼吸的影响[J]. 农业系统科
学与综合研究, 2011, 27(3): 366–370
[12] Wang H, Curtin D, Jame Y W, et al. Simulation of soil carbon
dioxide flux during plant residue decomposition[J]. Soil Sci
Soc Am J, 2002, 66(4): 1304–1310
[13] 高会议, 郭胜利, 刘文兆, 等. 施氮水平对黄土旱塬区麦田
土壤呼吸变化的影响[J]. 环境科学, 2010, 31(2): 390–396
[14] 乔云发, 苗淑杰, 王树起, 等. 不同施肥处理对黑土土壤呼
吸的影响[J]. 土壤学报, 2007, 44(6): 1028–1035
[15] 王立刚 , 邱建军 , 李维炯 . 黄淮海平原地区夏玉米农田土
壤呼吸的动态研究[J]. 土壤肥料, 2002(6): 13–17
[16] 张丽华, 陈亚宁, 李卫红, 等. 干旱区荒漠生态系统的土壤
呼吸[J]. 生态学报, 2008, 28(5): 1911–1922
[17] 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
[18] 强学彩, 袁红丽, 高旺盛. 秸秆还田量对土壤 CO2 释放和
土壤微生物量的影响 [J]. 应用生态学报 , 2004, 15(3):
469–472
[19] 雷宏军, 李保国, 白由路, 等. 黄淮海平原区不同农作措施
下耕层土壤有机质矿化与 CO2排放估算[J]. 中国农业科学,
2005, 38(10): 2035–2042
[20] 吴崇海 , 李振金 , 顾士领 . 高留麦茬的整体效应与配套技
第 7期 李 玮等: 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响 849


术研究[J]. 干旱地区农业研究, 1996, 14(1): 43–48
[21] 戴万宏, 王益权, 黄耀, 等. 农田生态系统土壤 CO2释放研
究[J]. 西北农林科技大学学报: 自然科学版, 2004, 32(12):
1–7
[22] 赵光影, 刘景双, 王洋, 等. CO2 浓度升高对三江平原典型
湿地土壤活性有机碳的影响[J]. 农业系统科学与综合研究,
2009, 25(1): 84–86, 90
[23] 张庆忠, 吴文良, 王明新, 等. 秸秆还田和施氮对农田土壤
呼吸的影响[J]. 生态学报, 2005, 25(11): 2883–2887
[24] 陈素英 , 胡春胜 . 太行山前平原农田生态系统土壤呼吸速
率的研究[J]. 生态农业研究, 1997, 5(2): 42–46
[25] 宋文质, 王少彬, 苏维瀚, 等. 我国农田土壤的主要温室气
体 CO2、CH4和 N2O 排放研究[J]. 环境科学, 1996, 17(1):
85–88
[26] Phillips R L, Tannka D L, Archer D W, et al. Fertilizer
application timing influences greenhouse gas fluxes over a
growing season[J]. Journal of Environment Quality, 2009,
38(4): 1569–1579
[27] 许绣云, 姚贤良, 刘克樱, 等. 长期施用有机物料对红壤性
水稻土的物理性质的影响[J]. 土壤, 1996(2): 57–61
[28] Gansert D. Root respiration and its importance for the carbon
balance of beech saplings (Fagus sylvatica L.) in a montane
beech forest[J]. Plant and Soil, 1994, 167(1): 109–119
[29] 黄不凡 . 绿肥 , 麦秸还田培养地力的研究—— 对土壤有机
质和团聚体性状的影响[J]. 土壤学报, 1984, 21(2): 113–122
[30] 陈述悦 , 李俊 , 陆佩玲 , 等 . 华北平原麦田土壤呼吸特征
[J]. 应用生态学报, 2004, 15(9): 1552–1560
[31] 牛灵安, 郝晋珉, 张宝忠, 等. 长期施肥对华北平原农田土
壤呼吸及碳平衡的影响 [J]. 生态环境学报 , 2009, 18(3):
1054–1060
[32] Paustian K, Andren O, Clarholm M, et al. Carbon and nitro-
gen budgets of four agro-ecosystems with annual and peren-
nial crops, with and without N fertilization[J]. Journal of Ap-
plied Ecology, 1990, 27(1): 60–84
[33] Frey S D, Knorr M, Parrent J L, et al. Chronic nitrogen
enrichment affects the structure and function of the soil
microbial community in temperate hardwood and pine
forests[J]. Forest Ecology and Management, 2004, 196(1):
159–171
[34] 孟凡乔, 关桂红, 张庆忠, 等. 华北高产农田长期不同耕作
方式下土壤呼吸及其季节变化规律 [J]. 环境科学学报 ,
2006, 26(6): 992–999
[35] 杨兰芳 , 蔡祖聪 . 玉米生长中的土壤呼吸及其受氮肥施用
的影响[J]. 土壤学报, 2005, 42(1): 9–15
[36] Roberge M R. Respiration rates for determining the effects of
urea on the soil-surface organic horizon of a black spruce
stand[J]. Can J Microbial, 1976, 22(9): 1328–1335
[37] Martikainen P J, Aarnio T, Taavistainen V M, et al.
Mineralization of carbon and nitrogen in soil samples taken
from three fertilized pine stands: Long-term effects[J]. Plant
and Soil, 1989, 114(1): 99–106
[38] Oren R, Ellsworth D S, Johnsen K H, et al. Soil fertility limits
carbon sequestration by forest ecosystems in a CO2-enriched
atmosphere[J]. Nature, 2001, 411(6836): 469–472
[39] McGuire A D, Melillo J M, Joyce L A, et al. Interactions
between carbon and nitrogen dynamics in estimating net
primary productivity for potential vegetation in North
America[J]. Global Biogeochem Cycles, 1992, 6(2): 101–124
[40] Poorter H, Pérez-Soba M. The growth response of plants to
elevated CO2 under non-optimal environmental conditions[J].
Oecologia, 2001, 129(1): 1–20
[41] Sikora L J, McCoy J L. Attempts to determine available
carbon in soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 1990, 9(1):
19–24