水旱轮作土壤-小麦系统CO2 排放及其影响因素

生态环境 2004, 13(2): 182-185 Ecology and Environment E-mail: editor@
基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目（KZCX1-SW-01-01B ）；LAPC 开放基金资助 作者简介：韩广轩（1978－），男，硕士，主要从事碳循环研究。

*通讯联系人 收稿日期：2003-12-08
水旱轮作土壤-小麦系统CO 2排放及其影响因素
韩广轩1，朱波1*，张中杰1, 2，高美荣1，江长胜3，郑循华3
1. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；
2. 西南农业大学，重庆 400716；
3. 中国科学院大气物理研究所，北京 100029
摘要：利用静态箱/气相色谱法对川中丘陵区水旱轮作区的小麦进行全生长季CO 2排放观测。

结果表明，（1）土壤-小麦系统的CO 2排放通量存在着明显的日变化。

凌晨4:00～6:00排放量最低，随着温度的升高，CO 2的排放量逐渐增大，在午后1:00～3:00达到峰值。

分析表明，气温和地表温度与土壤-小麦系统CO 2排放通量之间存在显著的相关关系。

（2）土壤-小麦系统CO 2排放都有明显的季节变化。

分析表明，小麦生物量和气温与土壤-小麦系统CO 2排放季节变化之间存在显著的相关关系。

（3）在小麦各个生育期中，CO 2平均排放通量常规处理>无氮处理>空白>裸地。

水旱轮作区小麦常规处理、无氮处理、空白点和裸地的CO 2排放通量的平均值分别为574.51、362.23、239.91、129.47 mg/(m 2·h)。

在小麦的各个生育期中，RH 、RA R 和RA S 对土壤-小麦系统CO 2排放的贡献率分别为20%、20%和60%。

关键词：土壤-小麦系统；CO 2排放；水旱轮作；川中丘陵区
中图分类号：X142 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）02-0182-04
大气中CO 2等含碳温室气体浓度的上升和由此导致的增温效应是目前人类面临的最严峻的全球环境问题。

在由温
室气体引起的全球变化中，CO 2权重约为55%[1]。

监测CO 2在陆地生态系统中的吸收与排放过程和浓度变化规律，可以明确陆地生态系统在全球碳循环过程中的作用及其对气候变化的贡献[2]。

目前，关于陆地生态系统CO 2排放方面的研究大都是针对特定植被类型覆盖下的土壤CO 2排放进行研究[3~10]，已经发现土壤CO 2排放速率与地温、植物生理活动、微生物的分解、土壤水分等条件有密切的关系[11]。

但迄今对土壤-植物系统CO 2排放研究的报导尚不多见。

农田生态系统是人类活动最活跃的部分，农田生态系统CO 2排放研究对陆地生态系统碳循环研究及温室气体减排有重要意义[12]。

本试验利用静态箱/气相色谱法对川中丘陵区水旱轮作区4种不同处理的小麦进行全生长季CO 2排放对比观测，以期为我国西南地区典型生态系统碳通量及土壤-植物系统CO 2排放量的估算提供基础数据。

1 研究方法
1.1 试验地概况
试验地选择在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站，105°27' E ，31°16' N ，海拔400~600 m ，中亚热带季风气候，年均气温17.3 ℃，多年平均降雨量826 mm 。

主要的农田生态系统包括旱作生态系统、水旱轮作生态系统和冬水田等3种类型。

本研究从2002年11月开始，在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站的观测场内，对水旱轮作区麦进行了CO 2排放研究。

试验田长期以“小麦-水稻”轮作为主。

土壤为侏罗纪蓬莱镇紫色砂页岩风化物基础上发育的水稻土，基本的土壤性状：pH 值8.17，有机质19.26 g/kg ，全氮1.23 g/kg ，全磷0.74 g/kg ，全钾19.50 g/kg ，碱解氮97.772 mg/kg ，有效磷28.861 mg/kg ，有效钾147.951 mg/kg 。

1.2 田间处理
共设置了4个处理（见表1），分别为常规施肥处理、无氮处理、空白处理（常规施肥无作物）和裸地处理（无氮肥无作物）。

土壤-植物系统CO 2排放主要来源于三条途径：土壤微生物对有机质的分解（即抑氧呼吸，RH ），植物根系呼吸（自氧呼吸，RA R ）和地上植物部分的呼吸作用（RA S ）。

常规施肥处理和无氮处理的CO 2排放来自于以上三种途径，裸地的CO 2排放主要来自土壤微生物对有机质的分解（RH ），空白地的CO 2排放不仅来自于土壤微生物对有机质的分解，还来自于箱外植物的部分根系呼吸（RA R ）。

无氮处理除了不施用氮肥，其他处理与常规处理完全相同。

空白处理保证箱内无作物与杂草，箱外照常种植作物。

裸地不施用任何肥料，并保证无作物及杂草。

小麦品种为雅农117，10月29日播种，第2年5月6日收割。

1.3 观测指标与频率
在各测点同步观测CO 2净排放通量，每周2次观测，时间为上午9～11点，昼夜连续的日变化观测只在常规施肥处理进行。

在CO 2通量测定的同时进行土壤水分、气温、土壤温度等环境要素的同期观测。

其中，气温、地表温度、箱内温度和5cm 地温由JM 便携式测温表测定。

每20天一次性采集完整的小麦植株地上和地下部分鲜样，并记录植株数，使用通风高温烘炉在105 ℃下杀青，70 ℃下烘干至恒
表1 试验小区田间处理 处理 施肥处理/(kg·hm )
作物处理
氮肥 (NH 4HCO 3)
钾肥 (KCl) 磷肥 (P 2O 5) 常规处理
133 48 72 有 空白地 133 48 72 无 无氮处理 － 48 72 有 裸地
－
－
－
无
韩广轩等：水旱轮作土壤-小麦系统CO2排放及其影响因素183
重，在采样日同时测定植株密度。

计算出小麦的生物量。

1.4 气体样品采集和分析
采样箱由顶箱、中段箱和地箱组成。

采样箱用1 mm厚304K薄不锈钢板制成，中段箱和顶箱容积相同，几何尺寸为500 mm×500 mm×500 mm，根据作物生长需要可适时加中段箱。

地箱四面体，方管形500 mm×500 mm，深度200 mm，上端有密封水槽。

地箱侧板靠近下半部分开有2排圆孔，箱外植物的根系可以穿过。

采样时地箱或中段箱水槽内加水密封，顶箱和中段箱外包有保温被，防止在太阳辐射下箱内温度升高。

顶箱上端装有2个空气搅拌小风扇、取气体样品接口。

扣箱后立刻用100 ml注射器采集第1次样品，每隔10 min取100 ml气体保存，扣箱30 min，共取4次。

采样后立即将样品带回实验室分析。

样品采用CA-5气体样品进样仪进样，利用HP5890Ⅱ型气相色谱仪进行分析。

CO2检测器为氢火焰离子化检测器（FID），检测器温度为200 ℃，炉温为55 ℃。

1.5 通量计算
气体的通量表示单位时间面积观测箱内该气体质量的变化。

CO2通量利用下式求得[12]：
F=60/100ρh×p/1013×273/(273+T)×d C t/d t F是被测气体排放通量[mg/(m2·h)]；ρ为标准状态下被测气体的密度（g/L）；h为箱高（cm）；p为采样点的气压（100 kPa）；T为采样时箱内平均气温（℃）；t是采样时间（min）；d C t/d t为采集箱内被测气体体积分数的变化率[µL/(L·min)]。

2 结果与分析
2.1 土壤-小麦系统的CO2排放日变化
2.1.1 CO2排放的日变化规律
分别在小麦的拔节期（11月30日）、抽穗开花期（2月16日）进行CO2排放的昼夜日变化观测，结果见图1。

小
麦两个生育期的CO2排放都存在着明显的日变化，变化曲线为单峰单谷型，且两条变化曲线趋势基本一致。

11月30日和2月16日均为晴朗天气。

11月30日最高气温为16.6 ℃，最低气温4.3 ℃；2月16日最高气温11.6℃，最低气温-0.4 ℃。

11月30日土壤-小麦系统CO2排放速率最大值为414.0 mg/(m2·h)，出现在13:00左右；最小值为204.2 mg/(m2·h)，出现在凌晨4:00左右。

2月16日土壤-小麦系统CO2排放速率最大值为697.1 mg/(m2·h)，出现在15：00左右；最小值为299.3 mg/(m2·h)，出现在凌晨4:00左右。

图1可见，土壤-小麦系统CO2总的排放规律是白天高，夜间低。

凌晨4:00~6:00排放量最低，随着温度的升高，CO2的排放量逐渐增大，在午后1:00~3:00达到峰值。

凌晨时植物和土壤呼吸作用最弱[3]，排放CO2最少，两方面的共同作用使得小麦地在凌晨时出现了CO2排放最低值。

午后气温最高，植物和土壤呼吸强烈，CO2排放出现日变化中最高值。

2.1.2 CO2排放速率与气温、地表温度的关系
从表2还可以看出，土壤-小麦系统CO2排放速率与地表温度及气温之间有极显著（P<0.01）的指数函数相关关系，CO2排放速率随温度上升呈指数函数上升。

CO2排放与气温和地表温度存在的显著相关关系说明温度是影响土壤-小麦系统CO2排放的主要因素。

出现这种情况是由两方面的原因造成的：一是温度影响植物根系呼吸及土壤中微生物的活动（一定温度范围内温度越高，土壤呼吸强度越大[8]），间接影响土壤中CO2的排放[9]；另一方面，温度影响植物的呼吸作用，白天随着温度的升高，植物的光合作用增强，与其密切相关的呼吸作用也增强，释放出较多的CO2。

2.2 土壤-小麦系统的CO2排放的季节变化
2.2.1 CO2排放的季节变化规律
在观测期（2002年11月至2003年5月）内，除裸地外，常规处理、无氮处理和空白地的CO2排放随时间的变化十分显著，峰值波动较大（图2）。

2002年11月1日至2003年1月10日，CO2排放量变化不大，这是由于这段时间气温较低，小麦处于越冬期，生长缓慢甚至停止生长，植物呼吸作用减弱，呼吸作用排放的CO2较低且变化不大；同时，较低的气温、地温抑制了土壤微生物的活性，减少了土壤中CO2的排放量。

1月18日后，随着气温回升，小麦开始返青，植物生长旺盛，植株和植物根系呼吸作用强度逐渐增大；同时，由于气温升高和降水量的增加，土壤微生物的活性增强。

这两方面的共同作用使得小麦地的CO2排放量迅速增大，分别在2月9日、2月25日和3月28日达到峰值。

在小麦成熟期，小麦叶子逐渐枯黄，光合作用能力下降，呼吸作用也随之减弱，小麦地的CO2排放量减小。

裸地的CO2排放的季节性变化不明显。

农业土壤CO2排放随着作物生长发育的加速有逐渐增加的趋势[15],在小麦生育期中常规处理和无氮处理小麦土壤CO2排放通量抽穗扬花期>成熟期>拔节期>苗期>分蘖期（表4）。

小麦苗期土壤CO2排放通量大于分蘖期是因为小麦苗期时虽然植株较小，但此时气温较高，土壤微生物活动强烈，土壤呼吸旺盛，土壤CO2排放通量较大；而在小麦分蘖期虽然小麦植株增大，但是此时为12月下旬，气温较低，抑制了土壤微生物的活动，减少了土壤中CO2的排放量。

表2 CO2排放通量与气温和地表温度之间的相关关系
回归方程R2样品个数P 标准差Y1=163.5e0.553t10.95 n=10 3.87×10-50.09
Y2=296.23e0.072t10.93 n=10 3.9×10-40.12
Y1=142.9e0.551t20.97 n=10 4.62×10-70.05
Y2=191.37e0.113t20.88 n=10 1.6×10-40.11 式中Y1、Y2分别为小麦拔节期和抽穗扬花期CO2排放通量[mg/(m2·h)]；t1、t2分别为气温（℃）和地表温度（℃）
▲2002-11-30日变化■2003-2-16日变化
图1 土壤-小麦系统CO2排放通量日变化曲线
184 生态环境 第13卷第2期（2004年5月）
2.2.2 小麦生长对土壤-小麦系统CO 2排放季节变化的影响 从图3可以看出，土壤-小麦系统CO 2排放通量与小麦生物量之间有极显著（P <0.01）的幂函数相关关系。

土壤-小麦系统CO 2排放通量与小麦生物量的关系为：y =15.92x 0.426，R 2=0.91；式中y 为CO 2排放通量 [mg/(m 2·h )]，x 为小麦生物量（kg/hm 2）。

温度、土壤湿度和植物的生长是影响土壤-植物系统呼吸速率的主要因素，这些因素的变化导致土壤-植物呼吸速率的季节性变化[12]。

其中，小麦生长是影响土壤-小麦系统CO 2排放季节变化的最关键因素。

因为在小麦的生育期中，植物根系呼吸（自氧呼吸，RA R ）和地上植物部分的呼吸作用（RA S ）对土壤-小麦系统CO 2排放的贡献率约为70%~80%（图4）。

图3 小麦生物量与CO 2排放通量间的相关关系
2.2.3 气温对土壤-小麦系统CO 2排放季节变化的影响 对小麦常规处理、空白地和裸地3种处理区CO 2排放
通量与气温进行回归分析，得出CO 2排放通量与气温的回归方程（表3）。

回归系数的t 检验结果，P =＜0.01，说明回
归方程有统计学意义，CO 2排放通量与气温之间存在着显著的线性正相关关系。

同时分析了土壤湿度对土壤-小麦系统CO 2排放季节变化的影响。

小麦生育期土壤湿度在30.6%~43.8%之间，平均土壤湿度为36.1%。

与气温相比，土壤湿度的变化幅度不大。

土壤湿度与温度共同作用影响土壤-小麦系统CO 2排放，但是单独分析土壤湿度对土壤-小麦系统CO 2排放的影响时，CO 2排放通量与土壤湿度的相关性
却不太明显。

2.3 土壤-小麦系统CO 2排放的来源
2.3.1 4种不同处理区CO 2排放通量的对比
从表4可以看出，在小麦的整个生长季中，4种处理区C02的排放通量有明显差异。

除了苗期外，在各个生育期中，
CO 2平均排放通量常规处理>无氮处理>空白>裸地。

水旱轮
作区小麦常规处理、无氮处理、空白点和裸地的CO 2排放通量平均值分别为574.51、362.23、239.91、129.47 mg/(m 2·h)。

表3 小麦生长季CO 2排放通量与温度之间的相关关系 处理 回归方程
1)
R 2 样品个数 P 常规处理 y =0.016x +1.686 0.58 n =30 0.000 空白地 y =0.023x +5.746 0.63 n =30 0.009 裸地
y =0.079x +3.248
0.59
n =31
0.000
1) 式中y 为CO 2排放通量[mg/(m 2
·h)]，x 分别为气温（℃）
20040060080010001200
1400
3
10
24
31
38
52
59
74
10
3
11
11
9
12
6
13
4
14
14
7
15
4
16
2
17
3
17
918
6
播种后天数 Day after planting C O 2排放通量 C O 2 e m i s s i o n
f l u x (m
g /m 2
.h )
图2 土壤-小麦系统CO 2排放的季节变化
20 40 60 80 100分蘖期
拔节期
抽穗扬花期 成熟期 平均排放量
小麦生育期 H
R A R
R A S
C O
2
排放比例/%
图4 土壤-小麦系统CO 2排放不同来源的比例
表4 4种处理区CO 2排放量的对比
小麦生育期 CO 2平均排放量/(mg·m -2·h -1) 裸地(RH)
空白(RH+RA R ) 常规处理(RH+RA R +RA S ) 无氮处理(RH+RA R +RA S ) 苗期
145.13
119.92 204.14 199.33 分蘖期 33.54 52.31 147.47 122.42 拔节期 40.73 86.83 284.55 169.81 抽穗扬花期 214.52 536.21 1340.61 791.37 成熟期 111.66 262.33 684.28 404.70 平均排放量 129.47
239.91
574.51
362.23
500 1000 1500 0
5000 10000 15000
小麦生物量/(kg·hm -2)
C O 2排放通量/(m g ·m -2·h -1)
韩广轩等：水旱轮作土壤-小麦系统CO2排放及其影响因素185
在苗期出现了裸地的CO2排放通量大于空白的CO2排放通量，这可能是两方面的因素造成的：一是空白地中化肥的施用抑制了土壤微生物的活性，从而降低了土壤微生物对有机质的分解；二是苗期小麦根系短小，箱外小麦的根系不能延伸到箱内，空白地中植物的根系呼吸很弱。

不施用氮肥，使得无氮处理区的小麦营养失衡，发育不良，植株矮小瘦弱，从而降低了植物的根系呼吸和地上植物部分的呼吸作用，使得无氮处理区小麦的CO2排放通量小于常规处理区小麦的CO2排放通量。

2.3.2 土壤-小麦系统CO2排放的来源
由表4中裸地、空白和常规处理3种处理区CO2的平均排放量，可以计算出在小麦的各个生育期中，RH、RA R 和RA S对土壤-小麦系统CO2排放的贡献率分别为20%、20%和60%。

这可以近似地反映土壤-小麦系统CO2排放的来源途径（图4）。

但是需要说明的是，在本试验的田间处理中，裸地没有植被覆盖，加之土壤中没有植物根系，使得裸地中RH值比常规施肥处理的小麦地中RH值要小[5]；同样空白地中的植物根系呼吸只是来源于地箱周围的植物，这也使得空白地中的RA R值小于常规施肥处理的小麦地中的RA R值。

3 结论
（1）土壤-小麦系统CO2排放通量存在着明显的日变化。

凌晨4:00～6:00排放量最低，随着温度的升高，CO2的排放量逐渐增大，在午后1:00～3:00达到峰值。

分析表明，气温和地表温度与小麦CO2排放通量之间存在显著的相关关系。

（2）土壤-小麦系统CO2排放都有明显的季节变化。

在小麦苗期和分蘖期，CO2排放通量变化不大，随着气温回升，小麦生长旺盛，CO2排放量迅速增大，分别在拔节期、抽穗期和扬花期达到峰值。

分析表明，小麦生物量与土壤-小麦系统CO2排放通量之间存在显著的相关关系。

（3）水旱轮作区小麦常规处理、无氮处理、空白点和裸地的CO2排放通量的平均值分别为574.51、362.23、239.91、129.47 mg/(m2·h)；在小麦各个生育期中，CO2平均排放通量常规处理>无氮处理>空白>裸地。

在小麦的各个生育期中，RH、RA R和RA S对土壤-小麦系统CO2排放的贡献率分别为20%、20%和60%。

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CO2 emission from soil-wheat system in a paddy-dryland rotation area
in purple soil and its influence factors
HAN Guang-xuan1, ZHU Bo1, ZHANG Zhong-jie1, 2, GAO Mei-rong1,
1. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;
2. Southwest Agricultural University, Chongqing 500635, China;
3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: CO2 emission from soil-wheat system in a paddy field-dryland rotation area in purple soil were measured by static cham-ber-gas chromatographic techniques in the central Sichuan Basin. Results showed: (1) daily CO2 emission from soil-wheat system varified remarkably. The emission of CO2 was at the lowest stage between 4:00 and 6:00 before dawn, and it was crescent and reached peak value between 1:00 and 3:00 in the afternoon with the rising of temperature. Analyses showed that there were signifi-cant relation between CO2 emission flux and the air temperature, surface ground temperature. (2) CO2 emission from soil-wheat sys-tem varified remarkably seasonaly. Analyses showed that there were significant relation between CO2 emission flux and wheat bio-mass and air temperature. (3) CO2 emitted at follow sequence treatment in wheat bearing stage: ordinary planting treatment > no nitrogen fertilizer> no plant>bare land. Average flux of CO2 emission from ordinary planting treatment, no nitrogen fertilizer, no plant and bare land treatment were 574.51, 362.23, 239.91 and 129.47 mg/(m2·h) , respectively. Contribution ratio of RH, RA R and RA S to CO2 emission from soil-wheat system were 20%, 20% and 60%, respectively.
Key words: soil-wheat system; CO2 emission; daily variation; seasonal variation; purple soil。