全 文 ：中国生态农业学报 2012年 4月 第 20卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Apr. 2012, 20(4): 395−401


* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB134509, 2011CB100506)和国家自然科学基金项目(40971152)资助
** 通讯作者: 韩晓增(1957—), 男, 研究员, 主要研究方向为土壤生态学。E-mail: xzhan@cern.ac.cn
梁尧(1984—), 女, 博士研究生, 主要从事农田土壤碳循环方面的研究。E-mail: liangyaosmart@163.com
收稿日期: 2011-07-14 接受日期: 2011-11-30
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00395
小麦−玉米−大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡*
梁 尧1,2 韩晓增1** 乔云发1 李禄军1 尤孟阳1
(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 中国科学院黑土区农业生态重点实验室 哈尔滨 150081;
2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分, 探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评
价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试
验, 对不同施肥处理下黑土小麦−玉米−大豆轮作体系 2005—2007年的作物固碳量与土壤 CO2排放通量进行了
观测, 并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明: 在小麦−玉米−大豆轮作体系
中, 作物固碳量的高低表现为: 玉米>大豆>小麦, 平均值分别为 6 513 kg(C)·hm−2、4 025 kg(C)·hm−2和 3 655
kg(C)·hm−2。从作物生长季土壤 CO2排放总量来看, 3种作物以大豆农田生态系统的土壤 CO2排放总量最高, 平
均值达 4 062 kg(C)·hm−2; 其次为玉米, 为 3 813 kg(C)·hm−2; 而小麦最低, 为 2 326 kg(C)·hm−2。3种作物轮作
下 NEP(净生态系统生产力)均为正值, 表明黑土农田土壤−作物系统为大气 CO2的“汇”, 不同作物系统的碳汇
强度表现为玉米>小麦>大豆, 三者的平均值分别为 3 215 kg(C)·hm−2、1 643 kg(C)·hm−2和 512 kg(C)·hm−2。长
期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后, 小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土
壤 CO2排放总量均明显增加, 并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤−
植物系统作为大气 CO2“汇”的程度, 总体表现为化肥均衡施用下 NEP 值较高, 而化肥与有机肥配施下农田生
态系统的 NEP值较低。
关键词 黑土 小麦−玉米−大豆轮作 土壤−作物系统 土壤呼吸 固碳量 碳平衡 净生态系统生产力
中图分类号: S154.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)04-0395-07
Soil respiration and carbon budget in black soils of wheat-
maize-soybean rotation system
LIANG Yao1,2, HAN Xiao-Zeng1, QIAO Yun-Fa1, LI Lu-Jun1, YOU Meng-Yang1
(1. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences; Key Laboratory of Mollisols Agroecology, Chinese
Academy of Sciences, Harbin 150081, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract Farmlands are important terrestrial ecosystems with characteristic soil respiration and carbon budget processes. Data
from the long-term experiment at Hailun Agricultural Ecology Station of Chinese Academy of Sciences for 2005—2007 were ana-
lyzed for the characteristics of crop carbon fixation, soil cumulative CO2 flux and carbon budget in the black soils of
wheat-maize-soybean rotation systems. Results showed that in wheat-maize-soybean rotation system, the amount of carbon fixed by
crops decreased in the order of cultivated maize in 2006 > cultivated soybean in 2007 > cultivated wheat in 2005. The averages of
fixed carbon by maize, soybean and wheat were 6 513 kg(C)·hm−2, 4 025 kg(C)·hm−2 and 3 655 kg(C)·hm−2, respectively. Soil cumu-
lative CO2 flux during crop growth seasons was highest for soybean ecosystem [average of 4 062 kg(C)·hm−2], followed by maize
ecosystem [average of 3 813 kg(C)·hm−2 ] and then lowest for wheat ecosystem [average of 2 326 kg(C)·hm−2]. Rhizosphere derived
CO2 flux accounted for about 69%~73%, 66%~80% and 46%~63% of soil cumulative CO2 flux for soybean, maize and wheat eco-
systems respectively. This indicated that CO2 flux derived from crop rhizosphere was crucial for soil CO2 emission. NEP (net eco-
system productivity) was positive in black soil/crop systems of wheat-maize-soybean rotation, where farmlands served as CO2 sink
from the atmosphere. NEP in different crop systems decreased in the order of maize > wheat > soybean and with averages of 3 215
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kg(C)·hm−2, 1 643 kg(C)·hm−2 and 512 kg(C)·hm−2, respectively. Compared with plots without sufficient nutrients, long-term applica-
tions of chemical fertilizers (NPK) or organic manure amended chemical fertilizers (NPKOM) increased crop carbon fixation and soil
cumulative CO2 flux in all cropping systems. They were highest for plots with organic manure amended chemical fertilizers
(NPKOM). NEP in each cropping system was significantly affected by different fertilization treatments. NEP was highest in plots
with NPK fertilizers and lowest in plots with organic manure amended chemical fertilizer (NPKOM). The findings of this study were
significant for the proper management of black soils as potential carbon pools in Northeast China.
Key words Black soil, Wheat-maize-soybean rotation system, Soil/crop system, Soil respiration, Carbon fixation, Carbon
budget, Net ecosystem productivity
(Received Jul. 14, 2011; accepted Nov. 30, 2011)
全球变暖已成为当今人们关注的焦点问题, 而
陆地生态系统碳循环是全球变化研究的核心。农田
生态系统是陆地生态系统的重要组成部分, 在全球
碳收支中占有重要地位。据统计, 大气中 30%的 CO2
来源于农业活动和土地利用方式的转变等过程[1]。
农田生态系统中, 一方面, 绿色植物(农作物)通过光
合作用固定大气中的 CO2, 表现为“汇”; 另一方面,
农田通过土壤呼吸向大气释放 CO2, 表现为“源”。受
自然因素和人类活动优劣的影响, 农田生态系统向
“源”或“汇”的方向发展。因此, 深入探讨农田生态系
统的碳平衡对于科学评价陆地生态系统的源汇效应
具有重要意义。
土壤呼吸是农田碳平衡研究的基础。IPCC(2006)
报告 [2−3]提出农田土壤是当前具有很大碳排放缓解
能力和碳减排潜力的陆地生态系统, 全球农业减排
的自然总潜力高达每年 5 500~6 000 Mt CO2当量,
其中 93%来自减少农田土壤 CO2释放。土壤呼吸主
要包括 3个生物学过程(植物根呼吸、土壤微生物呼
吸和土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(少量土壤
有机物质的化学氧化过程), 其中最重要的部分是根
系呼吸和土壤微生物异氧呼吸。土壤呼吸不仅与温
度、水分等自然因素密切相关, 同时受到作物生长
和耕作施肥等人类活动的强烈影响[4−6]。
东北黑土区是我国开垦较晚的土壤类型, 百年
间土地利用方式经历了从自然植被到农田覆盖的演
变过程 [7], 农田生态系统的源汇效应也发生着深刻
改变。黑土区主要农作物包括玉米、大豆和小麦, 并
采用小麦−玉米−大豆轮作的种植方式。目前有关黑
土区农田土壤呼吸特征已开展大量研究 [8−11], 但大
多针对不同施肥和耕作措施影响下某一种作物覆盖
下土壤呼吸的变化特征, 而缺乏对不同作物覆盖下
土壤呼吸的比较, 同时有关小麦−玉米−大豆轮作方
式下黑土区农田生态系统碳平衡状况的研究也鲜见
报道。因此, 本研究基于海伦农田生态系统国家野
外科学观测站的观测资料, 探讨和分析了不同施肥
方式影响下小麦−玉米−大豆轮作系统中作物的固碳
能力与土壤呼吸特征, 并对农田生态系统碳平衡值
进行了估算, 为正确评估农业固碳减排潜力提供理
论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
本文以海伦农田生态系统国家野外科学观测研
究站(以下简称海伦站)为平台, 海伦站地处我国东
北黑土区的中心, 地理位置为 N47°6′, E126°8′, 海
拔 240 m, 属于温带大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥,
夏季高温多雨, 雨热同季, 年均气温为 0.5~4 , ℃ 年
均降雨量为 500~600 mm, 68%集中在 5—9月, 无霜
期为 125~135 d, 作物生长期为 120 d。土壤为黄土
母质发育的典型黑土, 土壤质地为粉壤质或粉黏质,
黏粒含量约 40%[12]。
1.2 试验材料与试验设计
试验开始于 1991年, 种植方式采用小麦−玉米−
大豆轮作, 一年一熟制。试验共设 5个处理: 不施肥
对照(CK)、施化肥 NP(NP)、施化肥 NK(NK)、施化
肥 NPK(NPK)和化肥 NPK 与有机肥配施(NPKOM),
每个处理 4次重复, 各小区面积为 63 m2, 随机区组
排列。化学氮肥为尿素、磷肥为(NH4)2HPO4、钾肥
为 K2SO4。大豆和小麦春季播种时全部化肥作基肥;
玉米 1/3 氮肥、全部磷肥、钾肥在春季播种时作基
肥, 剩余 2/3氮肥在拔节期作为追肥。有机肥为腐熟
猪粪, 含碳量为 15.5%, 有机肥在每年 10 月份秋季
整地时一次性施入。各作物的施肥量如表 1。
1.3 气体样品的采集与计算
1.3.1 CO2的采集与测定
气体样品采集于 2005—2007年作物生长季, 种
植作物分别为 2005年小麦、2006年玉米和 2007年
大豆。CO2 气体采集方法参照参考文献[9], 采用静
态箱法采集, 采气箱体积为 70 cm×20 cm×9 cm, 并
配有 2 个混合器。采样箱底座分 2 种: 一种用于测
定土壤呼吸(Rp), 作物根系可以自由进入采样箱底
座内 ; 另一种用于测定土体呼吸(Rb), 即土壤微生
第 4期 梁 尧等: 小麦−玉米−大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡 397


物呼吸, 阻止作物根系进入采样箱底座。从作物出
苗后的第 2 d开始采样, 每周采样 2次, 采集时间为
每周一和周四上午 10:00—12:00 之间, 直至作物成
熟。采用岛津气相色谱分析仪(Shimadzu GC 2010)
测定 CO2浓度。通过标准气体和待测气体的峰面积
计算待测气体浓度。
1.3.2 计算方法
气体排放通量的计算:
FCO2=ρ×(dc/dt)×V/A×273/(273+T) (1)
式中, FCO2为 CO2排放通量[mg(C)·m−2 ·h−1], ρ为标准
状态下 CO2的密度, dc/dt 为气体浓度随时间的变化
率, V为采样箱的有效空间体积(16.8 dm3), A为采样
箱所覆盖的土壤面积(0.14 m2), T为采样时采样箱内
的气体温度。
土壤累积呼吸量的计算:
M =Σ(Fi+1+Fi)/2×(ti+1−ti)×24 (2)
式中, M为土壤累积呼吸量[kg(C)·hm−2], F为 CO2排
放通量, i为采样次数, t为采样时间即播种后天数。
根际呼吸的计算: 根际呼吸(Rr)为土壤呼吸(Rp)
减去同条件下的土体呼吸(Rb), 即 Rr=Rp−Pb。
1.4 植物样品的采集与分析
植物样品分别于 2005—2007 年作物成熟后采
集。各小区采集完整的玉米植株 5 株, 大豆和小麦
植株 10 株, 将植株的籽粒、秸秆和根分开, 在鼓风
干燥箱内烘干, 测定植株各部分的生物量。随后将
植株各部分粉碎研磨, 过 0.25 mm 筛, 采用元素分
析仪(Elementar, Germany)测定植物样品各部分的碳
含量。
1.5 数据处理
数据采用 Excel 2003 和 SPSS 11.0 软件分析。
2 结果与分析
2.1 黑土农田不同作物固碳特征
2005年小麦总固碳量在 2 648~4 400 kg(C)·hm−2
之间, 平均值为 3 655 kg(C)·hm−2。籽粒、秸秆和根
系各部分碳含量的平均值分别为 1 513 kg(C)·hm−2、
2 035 kg(C)·hm−2和 106 kg(C)·hm−2, 占植株总固碳
量的 41%、56%和 3%(表 2)。不同施肥处理下, 小麦
总固碳量的高低表现为 NPKOM>NPK>NP>NK>
CK。NPKOM处理下小麦的总固碳量比 NPK处理高
6%; NPK处理比 NP和 NK分别高 6%和 30%; 而不
施肥处理(CK)下, 小麦总固碳量分别为 NP、NK、
NPK以及 NPKOM处理的 68%、83%、64%和 60%。
可见 , 均衡施用化肥与有机−无机肥配施能提高小

表 1 试验田不同轮作作物肥料用量
Table 1 Fertilizer application rates of different rotation crops in the experiment kg·hm−2·a−1
作物 Crop 氮肥 N fertilizer 磷肥 P fertilizer 钾肥 K fertilizer 有机肥 Organic manure
小麦 Wheat 112.50 45.00 30.00 22 500
玉米 Maize 112.50 45.00 30.00 22 500
大豆 Soybean 20.25 51.75 18.75 22 500

表 2 小麦−玉米−大豆轮作系统中各作物的固碳量
Table 2 Amount of carbon fixed by each crop in wheat-maize-soybean rotation farmland kg(C)·hm−2
固碳量 Amount of fixed carbon 作物(年份)
Crop (year)
处理
Treatment 籽粒 Grain 秸秆 Straw 根系 Root system 总量 Total
CK 1 059±52c 1 500±75c 89±6d 2 648±76d
NP 1 618±109a 2 162±147a 102±5bc 3 882±125b
NK 1 308±82b 1 789±196 b 97±5cd 3 194±261c
NPK 1 737±60a 2 305±133a 108±6b 4 150±188ab
小麦(2005)
Wheat (2005)
NPKOM 1 842±115a 2 421±145a 137±4a 4 400±143a
CK 2 135±244c 2 527±353c 233±17c 4 894±329c
NP 3 058±437ab 3 394±456b 468±67ab 6 920±489ab
NK 2 690±324b 3 428±365b 321±87c 6 439±355b
NPK 2 980±249ab 3 406±562b 344±69b 6 729±583ab
玉米(2006)
Maize (2006)
NPKOM 3 341±390a 3 715±538a 525±65a 7 582±521a
CK 1 004±35e 2 200±71c 205±7d 3 409±66d
NP 1 316±48c 2 510±84b 244±10c 4 070±60c
NK 1 120±18d 2 195±80c 211±4d 3 526±79d
NPK 1 450±65b 2 558±69b 272±13b 4 280±95b
大豆(2007)
Soybean (2007)
NPKOM 1 580±18a 2 970±43a 290±5a 4 840±43a
数据为平均值±标准差, 表中不同小写字母表示不同处理在 5%水平上差异显著 Values are given as mean±Std. (n=4), different small letters
indicate significant difference among treatments at 5% level. CK、NP、NK、NPK和 NPKOM分别表示无肥、施氮磷化肥、施氮钾化肥、施氮磷
钾化肥与氮磷钾化肥和有机肥配施处理 CK, NP, NK, NPK, NPKOM represent no fertilizer application; N and P chemical fertilizers application; N
and K chemical fertilizers application; N, P and K chemical fertilizers application; N, P, K chemical fertilizers combined with organic manure appli-
cation, respectively.下同 The same below.

398 中国生态农业学报 2012 第 20卷


麦固碳量。
2006年玉米总固碳量在 4 894~7 582 kg(C)·hm−2
之间, 平均值为 6 513 kg(C)·hm−2, 是小麦固碳量的
1.8倍。玉米籽粒、秸秆和根系各部分碳量的平均值
分别为 2 841 kg(C)·hm−2、3 294 kg(C)·hm−2和 378
kg(C)·hm−2, 占总固碳量的 44%、51%和 5.8%(表 2)。
不同施肥处理中, 玉米固碳量以 NPKOM 处理最高,
比 NPK处理高 13%。NPK和 NP处理玉米固碳量之
间的差异不显著, 说明黑土钾含量较高, 土壤本身
能够满足玉米生长的需要, 钾肥对玉米生长的促进
作用并不明显。NK 处理下玉米固碳量要低于 NPK
和 NP处理, 分别比二者低 4%和 7%。而 CK处理下,
玉米固碳量显著低于化肥处理和有机−无机肥配施
处理。施肥对玉米籽粒和秸秆碳量在植株总固碳量
中所占比例的影响不明显, 但对玉米根部碳量的相
对比例有较大影响, 以 NPKOM和 NP处理最高, 为
69%和 68%, 而 NPK、NK 和 CK 处理下, 分别为
50%、51%和 48%。
2007年大豆总固碳量在 3 409~4 840 kg(C)·hm−2,
平均值为 4 025 kg(C)·hm−2(表 2), 这一数值比小麦
的固碳量高出 10%, 但比玉米的固碳量低 38%。大
豆籽粒、秸秆和根系碳量的平均值分别为 1 294
kg(C)·hm−2、2 487 kg(C)·hm−2和 244 kg(C)·hm−2, 占
植株总固碳量的 32%、62%和 6%。不同施肥处理下,
大豆固碳量在处理之间的差异显著, 以 NPKOM 处
理最高。NK 处理下大豆固碳量低于 NPK 和 NP 处
理, 分别比二者低 18%和 13%。由于缺乏磷素, NK
处理下大豆生长缓慢, 其固碳量与 CK 之间差异不
显著。各施肥处理下大豆籽粒和根部的固碳量占总
量的比例未表现出明显差异; 而秸秆碳量的相对比
例以 CK最高, 达 65%, 其他处理的差异不明显, 约
为 60%~62%。
2.2 黑土农田不同作物生长季土壤 CO2排放总量
2.2.1 小麦生长季土壤 CO2排放总量
小麦生长季土壤 CO2排放总量在 1 721~3 206
kg(C)·hm−2之间(图 1a), 平均值为 2 326 kg(C)·hm−2。
土体呼吸 CO2排放量在 881~1 190 kg(C)·hm−2之间,
而根际呼吸 CO2排放量在 786~2 016 kg(C)·hm−2之
间，占土壤 CO2排放总量的比例较大, 为 46%~63%,
说明在小麦生长季 , 根际呼吸是土壤呼吸的主体 ,
这与黄土旱塬区冬小麦的结果一致[13]。
施肥是影响土壤 CO2排放的重要因素。小麦生
长季, 土壤 CO2 排放总量的高低表现为 NPKOM>
NPK>NP>NK>CK, 这一趋势与小麦固碳量(生物量)
一致。NPKOM 处理下土壤 CO2排放总量约是 NPK
处理的 1.3 倍, 原因一方面在于土壤呼吸作用与作
物生物量和净生产力密切相关[14], NPK 配施有机肥
更有利于小麦生长, 使得小麦根系发达, 根际呼吸
强度增加; 另一方面, 施用有机肥产生的激发效应
提高了土壤中潜在矿化分解的有机碳含量。氮、磷、
钾养分均衡施用下土壤 CO2排放总量高于 NP和 NK
处理, 分别高出 8.5%和 2.4%, 主要原因可能是充足
的养分供给可促进作物根系生长 , 根际呼吸旺盛 ,
土壤 CO2排放总量较高。
2.2.2 玉米生长季土壤 CO2排放总量
玉米整个生育期内 , 土壤 CO2 排放总量在
2 850~5 305 kg(C)·hm−2 之间 , 平均值为 3 813
kg(C)·hm−2(图 1b), 其中土体呼吸 CO2排放量占排放
总量的比例较小 , 为 20%~34%, 根际呼吸量为
1 870~4 255 kg(C)·hm−2, 占土壤 CO2 排放总量的
66%~80%, 因此，玉米根系对土壤呼吸起着主导作
用。玉米生育期内土壤 CO2 排放总量高于小麦, 约
为小麦的 1.6 倍, 主要原因可能是小麦的生育期较
短, 根际呼吸量较低, 与黄斌等 [15]对华北地区冬小
麦和夏玉米的试验结果相一致。
不同施肥处理下 , 土壤 C O 2 排放总量以
NPKOM处理为最高, 比 NPK 处理高 29%。由于黑
土钾含量非常高, 使得土壤 CO2排放总量在 NPK与
NP处理之间差异较小。另外, NK与 CK处理间土壤
呼吸量差异也不明显, 分别为 2 850 kg(C)·hm−2 和



图 1 小麦−玉米−大豆轮作系统小麦(a)、玉米(b)、大豆(c)全生育期土壤 CO2排放总量
Fig. 1 Cumulative soil CO2 flux during the growth seasons of wheat (a), maize (b), soybean (c) in wheat-maize-soybean rotation farmland

第 4期 梁 尧等: 小麦−玉米−大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡 399


2 916 kg(C)·hm−2, 可能由于长期施用氮钾肥, 加速
了土壤中磷素的消耗, 磷素成为玉米生长的限制因
素; 而不施肥处理 , 土壤速效养分较低 , 但速效磷
含量高于 NK处理, 因而 NK和 CK处理玉米生长缓
慢, 根系呼吸量较低, 且差异不明显。本结果与孟磊
等[16]对不同施肥方式下潮土玉米生长季土壤 CO2累
积排放量的研究结果相一致。
2.2.3 大豆生长季土壤 CO2排放总量
大豆生长季土壤 CO2排放总量在 3 378~5 250
kg(C)·hm−2之间(图 1c), 平均值为 4 062 kg(C)·hm−2,
其中土体呼吸约为 1 056~1 415 kg(C)·hm−2, 占土壤
CO2排放总量的 25%~31%。与小麦和玉米相比, 大
豆生长季土体呼吸略高于前两者, 可能由于前茬作
物玉米的生物量较大, 凋落物较多, 促进了土壤微
生物活动, 提高了土体呼吸强度。根际呼吸仍是土
壤 CO2排放的主体, 为 2 322~3 835 kg(C)·hm−2, 占
土壤 CO2 排放总量的 69%~73%。大豆生长季土壤
CO2 排放总量的平均值是 3 种作物中最高的, 主要
原因在于大豆是固氮作物, 所形成的根瘤具有较强
的固氮能力, 促使大豆根际活动旺盛, 根系呼吸强
度较高。另外, Fu等[17]研究表明, 大豆对土壤有机质
分解的激发效应为正效应, 可达 69.9%。丁洪等[18]
研究也指出黑土区大豆生长季土壤 CO2的排放总量
高于玉米。
不同施肥处理下, 大豆农田系统土壤 CO2 排放
总量与玉米田的变化趋势一致 ,表现为 NPKOM>
NPK>NP>NK>CK, 该结果与 Qiao 等[19]对黑土进行
大豆盆栽试验测定土壤呼吸量时的研究结果相一致。
2.3 黑土农田生态系统碳平衡的计算
科学家提出了净生态系统生产力(NEP)的概念
以研究陆地生态系统的源汇关系问题, NEP 代表大
气 CO2 进入生态系统的净光合产量, 等于净初级生
产力(NPP)与土壤微生物异养呼吸碳释放量(Rm)的
差值。即 NEP=NPP−Rm。本研究中以作物地上部与
根部的总固碳量作为 NPP[15,20], 作物生长季土壤碳
释放总量为 RS, 根据相关研究结果 [21], 本研究取
Rm=Rs×0.865进行碳平衡计算。
计算结果如表 3, 小麦、玉米和大豆生长季农田
生态系统的 NEP 值均为正值, 表明黑土土壤−作物
系统为大气 CO2的“汇”。各作物生长季, 3种作物系
统 NEP值的高低表现为玉米>小麦>大豆, 平均值分
别为 3 215 kg(C)·hm−2、1 643 kg(C)·hm−2 和 512
kg(C)·hm−2, 可见, 玉米生长季农田碳汇强度高于小
麦和大豆。
不同施肥方式是影响作物生长季农田生态系统
碳汇强度的重要因素。如前所述, 3种作物生长季土
壤 CO2 排放总量的高低均表现为 NPKOM>NPK>
NP>NK>CK, 但 3 种作物碳平衡的结果有所不同。
小麦生长季, 农田生态系统 NEP 表现为 NPK>NP>
NPKOM>NK>CK, 均衡养分处理提高了作物的固
碳能力 , 从而增加了农田生态系统的碳汇强度 ;
而NPKOM处理中, 由于大量有机肥的施入所产生
的“激发效应”, 促使土壤呼吸速率增强 [22], 降低
了农田生态系统的碳汇强度。大豆生长季农田生
态系统 NEP 值的变化趋势表现为 NPK>NP>NK≈
CK>NPKOM。玉米生长季农田生态系统的 NEP
值以 NK处理为最高 , 其次为 NP和 NPK, 主要原
因在于 NK处理与 NP和 NPK处理的 NPP值差异
不大 , 但后两者的土壤 CO2 排放总量远高于 NK
处理。

表 3 小麦−玉米−大豆轮作系统中各作物生长季农田生态系统碳平衡
Table 3 Carbon budget in farmland during growth seasons of each crop in wheat-maize-soybean rotation farmland kg(C)·hm−2
2005年小麦 Wheat in 2005 2006年玉米 Maize in 2006 2007年大豆 Soybean in 2007 处理
Treatment Rm NEP Rm NEP Rm NEP
CK 1 489 1 159 2 522 2 372 2 922 487
NP 1 959 1 923 3 380 3 540 3 508 562
NK 1 714 1 480 2 465 3 974 3 040 486
NPK 2 125 2 025 3 534 3 195 3 556 724
NPKOM 2 774 1 626 4 589 2 993 4 541 299
NEP和 Rm分别代表净生态系统生产力和土壤微生物异养呼吸碳释放量 NEP and Rm represent net ecosystem productivity and microbial
heterotrophic respiration respectively.

3 讨论
作物的光合作用是农田生态系统有机碳输入的
源头 , 增加农田生产力 , 维持较高的作物碳储量 ,
对于提高农田生态系统的碳汇能力具有重要作用。
华北平原高产粮区农田土壤 CO2累积排放量大约在
5 650~7 060 kg(C)·hm−2之间, 土壤呼吸排放的碳大
约是总净生物量碳的 48%~59%[23], 与华北平原等一
年两熟地区相比, 东北地区采用一年一熟制, 其农
田作物的固碳能力和土壤呼吸也相对较低。在东北
400 中国生态农业学报 2012 第 20卷


地区, 主要农作物有大豆、玉米和小麦, 大豆和小麦
同属于典型的C3作物, 其碳同化能力小于C4作物玉
米。从土壤呼吸的角度来看, 作物生长季根际呼吸
是土壤 CO2排放的主体, 因此, 土壤 CO2排放总量
与作物的根际呼吸密切相关。Kuzyakov等[22]利用示
踪法研究植物−土壤系统中碳的转化 , 指出小麦输
送大约 20%~30%的同化碳到地下, 其中 1/2 作用于
根系生长, 1/3 作用于根际呼吸; 而玉米在整个生育
期中根际呼吸的 CO2 达作物净光合产物的
18%~25%[24]。大豆具有旺盛的根际呼吸, 同时其土
体呼吸也高于其他 2 种作物, 故而土壤 CO2排放量
高低表现为大豆>玉米>小麦。综上所述, 3种作物中,
玉米生长季农田生态系统的 NEP 值最大, 具有较高
的碳汇强度; 而大豆生长季农田生态系统的 NEP 值
最低, 其碳汇强度相对较弱。许多研究指出玉米和
小麦农田生态系统是碳“汇”, 但由于耕作制度、田间
管理及碳收支估算方法不同, 这些碳收支的结果并
不一致[25−26]。
不同施肥管理措施影响着作物固定大气 CO2的
能力和数量。研究表明, 均衡氮、磷、钾养分的施
用以及有机−无机肥配施能够提升作物的生物量 ,
进而提高作物的固碳量[27]。本研究中, 小麦、玉米
和大豆 3 种作物对不同施肥管理方式表现出相似的
响应规律, 不施肥和施氮钾化肥处理下, 由于养分
供应不足, 作物的生物量较低, 相应固碳量也较低;
提供均衡的氮、磷、钾养分后, 促进了作物生长, 作
物固碳量也有所提高; 有机−无机肥配施, 不仅为作
物生长提供了充足的养分, 也改善了土壤理化性质
和微生物活性, 作物生长的土壤环境得以改善, 因
此, 作物的生物量达到最高。作物生长季土壤 CO2
排放总量与施肥方式密切相关, 均衡施用营养物质
不仅可提高作物固碳量, 也提高作物根际呼吸强度,
作物根际呼吸量与其生物量变化相一致。与本试验
中黑土的变化趋势相似 , 淋溶土 [28]和潮土 [29]等土
壤类型中土壤呼吸量的高低也表现为化肥配施有机
肥>化肥>无肥。从土壤−作物系统 NEP 值来看, 均
衡施用化肥处理下农田生态系统固碳量的增加幅度
远高于土壤 CO2 排放量的增加幅度, 所以均衡施用
化肥有利于增强农田生态系统碳汇强度[30−31]。有机
肥施用后, 由于有机物质的“激发效应”使土壤 CO2
累积排放量高于作物固碳量, 进而使其 NEP值较低,
这与李海波[20]的结果一致。
联合国气候变化框约 (UNFCCC)把温室气体
“汇”定义为从大气中清除温室气体的过程、活动和
机制。从碳固定与排放的角度来衡量黑土农田生态
系统的碳平衡状况来看, 黑土农田小麦−玉米−大豆
轮作系统中 NEP 值为正值, 表明黑土农田生态系统
是大气 CO2 的“汇”。然而, 如果考虑籽粒的收获和
作物秸秆的大量移出, 毋庸置疑, 农田生态系统的
NEP 值将呈负值 , 黑土农田的源汇效应将发生改
变。李俊等[32]对华北冬小麦−夏玉米轮作农田进行生
态系统净碳交换量(NEE)估算时 , 表明华北农田是
大气 CO2 的“汇”, 但考虑收获籽粒中的碳后, 农田
由碳“汇”变成碳“源”, 年度的碳亏损量约为 1 075~
3 405 kg(C)·hm−2。因此, 在农业生产中可以通过加
大作物秸秆和根的投入, 使更多的碳积累于农田土
壤碳库中, 从而实现农田固碳增“汇”的目的。
4 结论
(1)在东北黑土区小麦−玉米−大豆轮作系统中 ,
主要农作物固碳量的高低表现为: 玉米>大豆>小麦,
平均值分别为 6 513 kg(C)·hm−2、4 025 kg(C)·hm−2
和 3 655 kg(C)·hm−2。从作物生长季土壤 CO2排放总
量来看, 3种作物中以大豆农田生态系统的CO2排放总
量最高, 达 4 062 kg(C)·hm−2, 其次是玉米, 为 3 813
kg(C)·hm−2, 而小麦田最低, 为 2 326 kg(C)·hm−2。通
过对小麦−玉米−大豆轮作体系下农田净生态系统生
产力(NEP)的估算表明, 黑土农田土壤−作物系统在
通常情况下为大气 CO2 的“汇”, 以玉米生态系统的
碳汇强度最高, 其次为小麦, 大豆最低。
(2)长期均衡施用化肥或有机−无机肥配施后 ,
小麦、玉米和大豆 3种作物系统的固碳量和土壤 CO2
排放总量均明显增加 , 在有机−无机肥配施处理下
达到最高。不同施肥管理措施将改变黑土土壤−作物
系统作为大气 CO2 汇的程度, 总体趋势表现为均衡
施用化肥下碳汇强度较高 , 而有机−无机肥配施处
理的碳汇强度较低。
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