全 文 ：种植夏季豆科作物对旱地氧化亚氮排放贡献的研究
熊正琴1 , 邢光熹1 , 鹤田治雄2 , 施书莲1 , 沈光裕1 , 杜丽娟1 , 钱　薇1
(1 中国科学院南京土壤研究所物质循环开放实验室 ,南京　210008;2日本国立农业环境研究所 ,日本)
摘要:就大田条件下种植夏季豆科作物对农田土壤氧化亚氮(N 2O)排放影响的研究表明 , 以 N 2O-N 的平均排
放通量表示 ,花生处理为 25.9 μg·m-2·h-1 ,显著高于大豆处理的 21.2 μg·m-2·h-1 ,以非豆科作物旱稻处理最低 ,
只有 18.4 μg·m-2·h-1;以 N2O-N 的季节排放量表示 ,大豆处理显著高于花生 , 二者又都极显著高于旱稻 , 分别为
0.77、0.70 和 0.55 kg/ ha。结果还表明 , 以 N2O 的排放量占施用氮肥的百分比表示 , 大豆 、花生和旱稻分别为
0.65%、0.33%和 0.13%。豆科作物 N 2O 的排放量显著高于非豆科作物 ,豆科作物是农田 N2O 排放的重要来源之
一。
关键词:N 2O 排放;旱地;豆科作物
The Effects of Summer Legume Crop Cult ivation on
Nitrous Oxide Emissions from Upland Farmland
XIONG Zheng-qin1 , XING Guang-xi1 , H Tsuruta2 , SHI Shu-lian1 ,
SHEN Guang-yu1 , DU Li-juan1 , QIAN Wei1
(1 Laboratory of Material Cycling in Pedosphere , Institute of Soil Science , Academia S inica , Nanjing 210008 ;
2 National Institute for Agro-Environmental Sciences , Tsukuba 305 , Japan)
Abstract:A field study w as conducted to investigate the ef fects of leguminous crop cultivation on ni trous
oxide (N2O)emissions f rom upland ag ricultural soils.Results demonstrated that N2O emission sequence was
that peanut crop> soybean>upland rice if in terms of everage emission N2O-N flux , being 25.9 , 21.2 and
18.4 μg·m-2·h-1 , respectively .While in terms of seasonal emission , the sequence w as that soybean >peanut
crop >upland rice , being 0.77 , 0.70 and 0.55 kg/ ha , respectively.Results also demonst rated that legume
crop t reatment emit ted much more N2O than non-legume of upland rice t reatment and that N fertilized treat-
ments emit ted more than unfertilized treatments , average flux being 25.8 and 17.9μg·m-2·h-1 , respectively.
Legume crop cultivation and N fertilizer , therefore , were one of the important sources of N2O emissions f rom a-
g ricultural fields.
Key words:N2O emission;Upland farmland;Legume crops
收稿日期:2002-01-07
基金项目:国家自然科学基金重大项目(39790100)
作者简介:熊正琴(1973-),女 , 重庆人 , 在读博士研究生 , 主要从事氮素循环对大气和水环境影响的研究。 Tel:025-3360874;Fax:025-
3353590;E-mail:xinggx@issas.ac.cn , zqxiong@yahoo.com
　　近年来 ,随着对全球环境和经济可持续发展的
关注 ,豆科作物由于自身能利用空气中氮气而重新
受到应有的重视 。种植豆科作物可增加土壤有机质
含量 ,缓解土地质量退化 ,减少化学氮肥施用量 ,是
实现农业与环境可持续发展的重要选择[ 1 , 2] 。我国
广泛种植夏季豆科作物大豆和花生 ,据 1999 年统
计 ,大豆播种面积为 8.2×106 ha ,仅次于美国;花生
播种面积为 4.3×106 ha ,仅次于印度[ 3] 。
然而 ,豆科作物固定的氮是 N2O 排放来源之
一[ 4] 。N2O在大气中寿命长达 166 a , 单分子增温
潜能为 CO2 的 250 倍 ,是一种十分重要的温室气
体[ 5] 。同时 ,N2O 参与平流层中破坏臭氧层的化学
中国农业科学　2002 , 35(9):1104-1108
Scientia Ag ricultura Sinica
反应 ,使到达地表的紫外辐射增加 ,威胁人类和动植
物健康[ 6] 。农业生产占整个人为活动 N2O排放量的
90%[ 7] 。由于缺乏必要的观测数据 ,在 N2O 排放量
的全球估算中 ,豆科作物固定氮的 N2O 排放量尚有
很大的不确定性[ 4 , 8] 。以往的研究很少考虑到不同作
物种类对 N2O排放的影响[ 9～ 11] ,然而 ,不同种类豆科
作物的固氮量 、固氮能力不同[ 1 , 12] ,作物的生物量及
需肥量等习性也不同 ,从而直接或间接影响土壤硝化
和反硝化作用 ,进而影响 N2O排放。
本文以种植非豆科作物旱稻土壤作为对照 ,研
究了在当地管理水平下种植夏季豆科作物大豆和花
生土壤的 N2O的排放情况 ,包括施用氮肥和不施氮
肥 2种条件 ,为种植豆科作物条件下农田 N2O排放
量的估算提供试验数据。
1　材料与方法
1.1　田间试验设置
田间试验在中国科学院红壤生态试验站(江西
鹰潭)进行 , 试验地土壤含有机碳 7.2 g/kg ,全氮
0.69 g/ kg ,pH 值(水提取法)4.83。
试验于 1999年夏作季节进行 ,包括大豆 、花生
和旱稻 3 种作物及施氮肥与不施氮肥 2种肥料水
平 ,共设 6个处理 ,各处理重复 3次 ,随机区组设计 。
不施氮肥各处理指只是不施氮肥 ,其它相同。施肥
量采用当地平均施肥水平 , KCl 150 kg/ ha ,钙 、镁 、
磷肥 1 200 kg/ ha作为基肥于各作物播种时施入各
处理中。旱稻(北旱 10号)和花生均施尿素 225 kg
/ ha ,其中 2/3 作为基肥 ,分别于 4 月 19日和 4 月
30日播种时施入;另 1/3作为追肥于 5月 27 日施
用。大豆施尿素 75 kg/ ha ,全部用作基肥于 5月 10
日施入。旱稻 、花生均于 8 月 24 日收获 ,大豆则于
10月 11日收获。
1.2　N2O采集和测定
N2O气体样品采用密闭箱法采集 ,密闭箱为 50
cm×50 cm ×50 cm 透明有机玻璃箱 ,作物高度超
过 50 cm 之后 ,则换用 50 cm×50 cm ×100 cm 透明
有机玻璃箱 。每隔 7d观测 1 次 ,施肥 3d后每天观
测1次 ,共 3次 ,冬季气温低 ,每 2周观测 1 次。采
样时 ,每隔 10 min 观测 1次气样 ,在 0 、10 、20和 30
min时采集 ,共 4次 ,同时测定箱温 、土温 、气温和土
壤含水量 。N2O 样品用带十通阀控制的反吹装置
和63Ni电子捕获器的气相色谱(HP 5890 II)测定 ,
测定条件为:进样口温度 100 ℃,炉温 85 ℃,检测器
温度 320 ℃。前置柱和分析柱分别为 1 m×0.3 cm
和 3 m ×0.3 cm 的不锈钢 Porapak Q 柱 。载气为
95%氩气+5%甲烷 ,流速为 30 m l/ min。
1.3　数据分析
N2O排放通量根据黄国宏等提供的公式进行
计算[ 13] ,用测定时室温进行校正。N2O 通量结果用
每次观测 3 个重复的平均值及标准偏差表示 ,N2O
累积排放量以每次观测时 N2O排放通量平均值与
相邻 2次观测间隔时间相乘后再相加而得 ,季节排
放量从当季作物整地播种开始至收获时为止的累积
排放量 。季节平均值是将各个重复的每次观测值按
间隔时间加权平均后再平均 ,处理间比较以 3个重
复的平均值进行方差分析及多重比较 ,作物种类与
化肥的效应则按照 2因子试验进行双因素方差分析
及多重比较 ,相关性的分析用全部观测值进行直线
回归相关分析。
2　结果与分析
2.1　N2O排放通量的时间变化
从图 1 ～ 3 可见 ,不同作物处理间 N2O-N 排放
的时间变化差异大 。旱稻处理只在追肥后出现排放
峰值 ,其它大部分时间则变化在 5.0 ～ 29 μg·m-2·
h-1之间。花生处理在基肥 、追肥后均出现排放峰
值 ,表明夏季温度高 ,土壤矿质态氮已能满足豆科作
物早期生长对氮的需要 ,随后其本身固氮已能满足
豆科作物生长发育的需要 ,从而使基肥与追肥均导
致土壤中过量氮的存在。大豆处理于基肥后也出现
排放峰值 ,同样表明土壤矿质态氮已能满足豆科作物
早期生长对氮的需要。而且大豆处理虽未追肥 ,其整
个生长期间 N2O 排放量均维持在较高水平 ,这可以
表明其生物固氮活性较高 ,随后的 N2O排放也就较
高。在 3种作物处理中 ,施肥处理 N2O排放通量均
明显高于未施肥处理 ,并在施肥后就出现排放峰值。
图 1　旱稻生长季节 N2O的排放通量
Fig.1　N2O flux during upland rice g rowing season
11059 期　　　　　　　　　　　　　　　熊正琴等:种植夏季豆科作物对旱地氧化亚氮排放贡献的研究　　　　　　　　
图 2　花生生长季节 N2O的排放通量
F ig.2　N 2O flux during peanut g rowing season
图 3　大豆生长季节 N2O的排放通量
F ig.3　N 2O flux during soybean g rowing season
2.2　N2O季节排放量
在未施氮处理中 ,旱稻 、花生及大豆各处理的
N2O-N 季节累积排放量分别为 0.49 、0.53和 0.66
kg/ ha ,大豆处理明显高于花生和旱稻处理 ,但三者
的季节平均排放通量间并无明显差异 ,分别为16.1 、
19.4和 18.0μg·m -2·h-1;施氮后 ,各处理 N2O-N
季节累积排放量分别增至 0.62 、0.88 和0.88 kg/
ha;施肥处理 N2O 排放通量均明显高于未施肥处
理 ,分别增加 N2O 排放 27%、65%和 34%。非豆科
作物旱稻处理其 N2O 排放量占化肥氮的比例只有
0.13%,豆科作物花生 、大豆处理则分别增为0.33%
和0.65%。表明种植豆科作物后 ,土壤 N2O 的排放
量明显增高(表 1)。
豆科作物与氮肥双因素分析结果表明 ,如以季
节平均排放通量表示 , 花生处理平均排放通量达
25.9μg·m-2·h-1 ,极显著高于大豆处理的 21.2 μg
·m-2·h-1 ,大豆处理又极显著高于旱稻处理的18.4
μg·m-2·h-1;若以季节累积排放量表示 ,大豆处理
显著高于花生处理 ,但二者都极显著高于旱稻处理。
无论是季节平均排放通量 ,还是季节累积排放量 ,施
氮肥处理均极显著高于未施氮处理。施氮处理平均
表 1　旱地土壤 N2O季节排放量及其多重比较结果1)
Table 1　Seasonal emissions of N 2O from upland farmland and multiple comparison results
作物
Crop
施氮量
N rate(kg/ ha)
生长期
Grow th days(d)
平均通量
N 2O-N flux(μg·m-2·h-1)
季节排放量2)
Seasonal N 2O-N
emission(kg/ ha)
施氮后增加率3)
Increase by
N fert ilizer(%)
占施氮量的比例4)
Percentage in
applied N(%)
旱稻　Upland rice 0 125 16.1 C d 0.49 C c
旱稻　Upland rice 103.5 125 20.7 BC cd 0.62 B b 27 0.13
花生　Peanut 0 113 19.4 C cd 0.53 BC c
花生　Peanut 103.5 113 32.5 A a 0.88 A a 65 0.33
大豆　S oybean 0 151 18.0 C d 0.66 B b
大豆　S oybean 34.5 151 24.3 B b 0.88 A a 34 0.65
1)　同一列中标有相同大 、小写字母表示进行Duncan s测验 ,在α=0.01 和 0.05水平上差异不显著;2)季节排放量指各作物生长季节内累积排
放量;3)施氮后增加率=(施氮处理 N 2O 排放量-同种作物未施氮处理 N 2O 排放量)/该作物未施氮处理 N 2O 排放量×100%;4)占施氮量
的比例=(施氮处理 N 2O 排放量-同种作物未施氮处理 N 2O 排放量)/施氮量×100%
1)　Values followed by the same capitals/ low er case let ters did not di ffer significantly atα=0.01/ 0.05 level according to Duncan s new mult iple range
test s;2)Seasonal emission indicates accumulated emission during the crop-grow ing season;3)increase by N fert ili zer=(emission rate of N fertilization
plot-emission rate of unfert ilization plot of the same crop)/ emission rate of unfertilization plot of the same crop×100%;4)N-induced emission =(e-
mission rate of N fertilization plot-emission rate of unfert ilization plot of the same crop)/ added N rate×100%
排放通量为 25.8 μg·m-2·h-1 ,未施氮处理只有
17.9 μg·m-2·h-1 。但豆科作物与化学氮肥间无明
显交互效应(表 2 ,表 3)。
2.3　土壤温度和湿度对 N2O排放的影响
旱稻处理 N2O 排放集中在追肥之后 ,其它时间
排放量均很低 ,加上旱稻播种初期为促进发芽土壤
湿度很高 ,之后则迅速降低 ,因而整个生长期内土壤
温度和湿度对土壤 N2O 排放没有明显的影响。各
豆科作物处理 N2O 排放均与土壤温度的变化呈显
著负相关 ,温度越高 , N2O 排放越低 ,这也许与豆科
作物固氮活性变化有关 。各豆科作物处理 N2O 排
放与土壤湿度则均呈极显著正相关 ,湿度越大 ,
1106　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　农　业　科　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　35 卷
表 2　氮肥和作物种类对 N2O排放通量影响的双因素分析
结果1)
Table 2　Effects of N fertilizer and crop species on seasonal av-
erage N2O flux from upland farmland
处理
Treatment
旱稻
Upland rice
花生
Peanut
大豆
S oybean
平均
Average
未施氮 16.1 a 19.4 a 18.0 a 17.9 B b
Without N
施氮 20.7 a 32.5 a 24.3 a 25.8 A a
With N
平均 18.4 C c 25.9 A a 21.2 B b
Average
1)　双因素分析在平均一栏为一因素在另一因素所有水平下的平均 ,
其后的大 、小写字母表示双因素在各水平下的平均值显著性比较
结果。表内其它值及其后大 、小写字母则为各处理平均值及其交
互效应比较结果
　Values followed by the same capitals/ low er case let ters did not diff er
significant ly atα=0.01/ 0.05 level according to Duncan s new mult i-
ple range tests.The average value was averaged across all of the level
and the other values in the table w ere means indicating the interaction
betw een two factors
表 3　氮肥和作物种类对 N2O季节排放量影响的双因素分
析结果1)
Table 3　Effects of N fertilizer and crop species on seasonal ac-
cumulative N 2O emissions from upland farmland
处理
Treatment
旱稻
Upland rice
花生
Peanut
大豆
S oybean
平均
Average
未施氮 0.49 a 0.53 a 0.66 a 0.56 B b
Without N
施氮 0.62 a 0.88 a 0.88 a 0.79 A a
With N
平均 0.55 B c 0.70 A b 0.77 A a
Average
1)　双因素分析在平均一栏为一因素在另一因素所有水平下的平均 ,
其后的大 、小写字母表示双因素在各水平下的平均值显著性比较
结果。表内其它值及其后大 、小写字母则为各处理平均值及其交
互效应比较结果
　Values followed by the same capitals/ low er case let ters did not diff er
significant ly atα=0.01/ 0.05 level according to Duncan s new mult i-
ple range tests.The average value was averaged across all of the level
and the other values in the table w ere means indicating the interaction
betw een two factors
N2O排放越多(表 4)。这与旱地土壤中水分状况是
制约 N2O 排放的因子一致 ,表明在旱地土壤含水量
低的条件下 ,土壤含水量越高 ,越有利于土壤反硝化
作用进行 ,N2O排放量越高。
3　讨论
本研究表明 ,种植豆科作物的土壤 N2O 排放量
高于种植非豆科作物的土壤 ,其 N2O排放量占施入
化肥氮的比例也明显高于种植非豆科作物的土壤 ,
种植豆科作物是农田 N2O 排放的重要来源之一。
这与前人研究结果一致 ,认为种植豆科作物能直接
(内生或外生根瘤菌参与下的硝化 、反硝化)或间接
(增加 N量)促进 N2O 的排放[ 14 ～ 17] 。 IPCC 方法将
豆科作物生物固氮的 N2O 排放因子缺省值定为 1.
25%[ 4 ,18] ,与化学氮肥的排放因子相同 。本文得到
的排放因子均低于 IPCC 提供的排放因子 。这主要
是由于试验地区土壤的 pH 值较低(pH =4.83),低
pH 条件不利于反硝化作用进行[ 19] ,同样也不利于
根瘤菌固氮[ 12] ,而且化学氮肥的施用也在一定程度
上抑制其固氮活性 ,从而降低了 N2O排放 。
本研究还表明 ,种植不同豆科作物后土壤 N2O
排放量不同(表 2 ,表 3);花生处理排放通量高于大
豆处理 , 因而不宜用相同的排放因子对豆科作物
N2O排放量进行比较准确的估算。虽然在未施氮
肥时 ,大豆与花生无明显差异(表 1),但种植这些作
物时 ,普遍施用少量氮肥。因此 ,关于豆科作物的生
物固氮量 、豆科作物氮肥的施用水平以及豆科作物
种植对下茬作物季节土壤 N2O排放的影响尚需深
入研究 ,以达到既不增加温室气体 N2O 的排放 ,同
时也不减少作物产量的双重目标 。
表 4　N2O与土壤温度和湿度的相关系数1)
Table 4　Correlation coefficients between N 2O flux and soil temperature(T)or soil moisture
相关项目
Item
旱稻
Upland rice
施氮旱稻2)
Upland rice+SN
花生
Peanut
施氮花生
Peanut+SN 大豆Soybean 施氮大豆Soybean+SN
通量与土温　Flux-T 0.013 -0.114 -0.826＊＊ -0.634＊＊ -0.298＊＊ -0.214＊
通量与土壤湿度 -0.006 -0.119 　0.481＊＊ 　0.638＊＊ 　0.360＊＊ 　0.328＊＊
Flux-moisture n=96 n=96 　n=87 　n=87 　n=93 　n=93
1)　＊和＊＊分别表示在 a=0.05和 a=0.01水平上的显著相关性;2)SN 表示化学氮肥
　＊ and ＊＊ indicate correlated signif icant ly atα=0.05 andα=0.01 respectively;2)SN indicates synthesized N fert ili zer
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