新疆棉花绿洲生态系统滴灌覆盖对水分利用效率的影响

© 2013由Elsevier B.V.发布。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 5（2013）14 - 202013年农业与自然资源工程滴灌覆盖对西北地区J Wanga，b， J Baic*，S M Wanga新疆生产建设兵团，石河子大学绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子，832003b中国石河子市乌兰乌苏农业气象局，邮编832003c中国科学院新疆生态与地理研究所，中国乌鲁木齐，830011。摘要棉花（Gossypium hirsutumL.）中国西北部的农田。在干旱区有效水减少的情况下，定量研究棉花的碳、水通量对维持棉花的可持续生产具有重要意义。研究了2009-2010年新疆北部乌兰乌苏地区棉花生态系统交换量和蒸散量。叶面积指数在定植后80- 90d达到最大值，分别为7.3m2m-2和8.8m2m-2虽然总降水量占总蒸散量的25-26%，但滴灌弥补了水分不足，覆盖抑制了土壤蒸发。因此，月蒸散总量对灌溉的贡献大于对降水的贡献，说明水分的补充对绿洲棉花的生长更为重要。2009-2010年棉花净生产率在454.23 ~ 526.31 gCm-2 y-1覆盖使水分利用效率（WUE）分别为0.89kgCm-3 y-1和1.11kgCm-3 y-1，与我国北方半湿润地区作物的WUE相近。结果表明，在干旱区非充分灌溉条件下，膜下滴灌能保持较高的水分利用效率，具有节水的作用。© 2013作者。由爱思唯尔公司出版 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：棉花;覆盖;净生态系统交换;蒸散量;*通讯作者电话：13669967925电子邮件地址：baijie@ms.xjb.ac.cn2212-6678 © 2013作者由爱思唯尔公司出版 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.064J. Wang等人/ IERI Procedia 5（2013）14151. 介绍尽管年潜在蒸发量是降雨量的近15-37.5倍，但在中国西北部一些缺水地区，覆盖有助于抑制土壤蒸发，提高作物和蔬菜的水分利用效率（Xie et al.，2005; Li等人，2008年）。随着覆盖物对土壤温度和土壤含水量的增加的影响，田间试验表明，覆盖物还可以影响幼苗发育、植物生长和害虫的过程（Ramakrishna等人，2006; Chakraborty等人，2008年）。中国西北干旱区的农田被称为绿洲农田，仅占总面积的4%，但集中了区域总人口，经济和食物的95%以上（Deng，2009）。新疆96%以上的水用于农业灌溉（Deng，2009年）。20世纪90年代以来，新疆成为棉花主产区，地膜覆盖面积扩大到100 ×104hm2。在该研究区，一些关于膜下滴灌棉花碳和水平衡的最新研究集中在土壤碳通量上（Li et al.，2011）、生物量分配、谷物产量和水消耗（Zhou等人，2012年）。而基于绿洲农田棉花覆盖下高时间分辨率的水碳通量研究较少。本研究的主要目的是：（1）用涡度相关方法定量计算碳通量和水通量;（2）分析碳通量和水通量的季节交换。2. 方法和材料2.1. 现场描述乌兰乌苏位于石河子绿洲（44° 17 ′ N，85° 49 ′ E，469 m），它位于中国新疆的北天山。40年的气象资料表明，平均气温为7 年平均蒸发量达1000 ~ 10000 m3，年平均蒸发量达1000 m3，年平均蒸发量达210 mm 1600 mm，是降水量的7倍土壤平均容重为1.30 g cm-3，质地为砂壤土。棉花作为主要经济作物，4月中旬播种在棉花种植时，0.08 mm厚的覆盖物占土地表面的80%，因此被称为“滴灌覆盖”（Zhou et al.，2012年）。2.2. 通量和气象测量它使用涡度协方差连续监测碳通量（FC）和能量（潜热，LE;感热，H）。该系统由三维声波风速计（CSAT 3，美国）和开路红外气体分析仪（LI-7500，美国）组成。净辐射由NR-lite（Kipp Zonen，NL）获得，入射和反射短波和长波辐射由CNR 1（Kipp Zonen，NL）测量。使用维萨拉探头（芬兰HMP 45 D）记录空气温度和相对湿度，使用直径20 cm的雨量计记录降雨量，使用中国上海制造的EL15 -1A和EL 15 -2D传感器记录风速和风向。3. 结果和讨论3.1. 气候、土壤和作物图1.以气温（Ta）、净辐射（Rn）、16J. Wang等人/ IERI Procedia 5（2013）14土壤含水量（0- 50 cm处的平均SWC）和2009-2010年4 - 10月的总降水量。这些时期的平均气温在18.5- 19.0之间，约为石河子气象站40年正常气温的±0.5（图1A）。2009年和2010年的周平均Rn从4月中旬的不足90 Wm-2上升到 6 - 7月的120 Wm-2以上，然后在10月底下降到30 Wm-2以下（图1B）。最大月降水量均出现在5月份（2009年54 mm，2010年46 mm）（图1）。1C）。浸渍灌溉将补充降雨的不均匀和缺乏，以及覆盖将保持土壤水分（Dong等人，2009年）。因此，2009年和2010年这一时期的平均SWC为0.22 mm。2009年4月12日和2010年4月28日播种，15天和10天出苗，天后叶面积指数（LAI）在现蕾期前小于1m2m-2，现蕾期后达到峰值7.3 2009-2010年盛花期（7月中旬）的平均持水量分别为8.8m2m-2和8.8m2m-2最大值分别为2.84kg m-2和2.96kg m-2，出现在9月中旬。地上总生物量也与叶面积指数的变化趋势一致。从现蕾期到开花初期，地上部生物量主要分配给叶和茎;从开花期到生长末期，光合产物迅速从叶和茎向果实分配。图1 2009年和2010年乌兰乌苏站5 - 10月周平均气候因子：气温（Ta）（A）、净辐射（Rn）（B）、土壤湿度（SWC：0- 50cm平均）（D）、周总降水量（C）。J. Wang等人/ IERI Procedia 5（2013）1417图2 2009年和2010年叶面积指数和生物量的变化。3.2. 碳通量和水通量图3显示了2009年和2010年4 - 10月东北偏东和东北偏东的季节变化。NEE是GPP和Re的决定因素，指示了生态系统的碳源或碳汇。NEE的正值表示碳的释放，负值表示碳的储存。2010年棉花的碳汇能力强于2009年（表1）。NEE值在叶面积指数（LAI）小于1 m2m-2的播种期为负值，现蕾期（6月中旬）至开花期（9月中旬）为正值，表明在主要生长季为碳汇。NEE绝对值最大值分别为11.4gCm- 2d-1和11.7gCm- 2d-1，出现在花期初期（2009-2010年7月中旬）。当植株开始衰老时，GPP降低，Re保持较高水平，NEE降低，表现为开花至生长末期的碳排放。2009-2010年开花前期累积NEE最高，分别为348gCm-2 y-1和455 gCm-2 y-1。在生长季，蒸散量的季节变化规律与NEE和LAI的季节变化规律接近。在小叶面积指数（小于1 m2m-2）的播种期和播种期，蒸散量相对稳定。随着气温、净辐射和叶面积指数的增加，蒸散量从6月上旬或7月上旬（现蕾期）开始迅速增加，并在2009年7月中旬和2010年8月上旬达到峰值，分别为6.3mm和5.9mm此后ET逐渐下降，直至收获期棉花开始衰老。由于2010年7月22日至2010年7月22日的75 mm灌溉量充足，2010年7月底ET值不稳定。18J. Wang等人/ IERI Procedia 5（2013）14图3 2009年和2010年4 - 10月NEE和LE日平均值。表1 2009年和2010年四个发展阶段NEE和ET累计值。项目年播种平方开花吐絮NEE（gC m-2）2009-401413481.52010-57.3100455.35.4ET（mm）2009142.662.727135.92010128.858.327550.13.3. 年碳和水平衡表2显示了研究过程中的年度NEE和ET。2009-2010年的季节性净生态系统生产力（NEP）分别为454.23gCm-2 y-1和526.31gCm-2 y-1说明棉花在4 - 10月是2009年的净产值比2010年低14%，主要是由于管理和气候变化的差异。2009年4 - 10月和2010年4 - 10月的累积ET值分别为510.5mm和472.3mm。由于2009年和2010年生长季较长（分别为187和159天），累积蒸散量较2010年平均增加了30.24 mm。由于总降水量小于J. Wang等人/ IERI Procedia 5（2013）1419ET时，棉花生长期进行2.5倍和3.5倍降雨量的大量灌溉4 ~ 10月水分利用效率（WUE）的季节平均值分别为0.89kgCm-3 y-1和1.11kgCm-3 y-1。2003-2006年，华北平原漫灌玉米的平均WUE约为1.10 kgC m-3 y-1（Tong et al.，2009），与北疆绿洲农田棉花的水分利用效率相似表2.2009年和2010年棉花生长季（播种-生长末期）的净生产率、蒸散量、灌溉量和降水量项目20092010NEP（gC m-2 y-1）454.23526.31ET（mm）510.57472.33冲洗（mm）330.00409.00降雨量（mm）134.20118.00净排放量/排放量（千克C m-3 y-1）0.891.114. 结论2009-2010年，利用EC技术对新疆乌兰乌苏农业气象试验站地膜棉的碳、水通量进行了定量研究。在日尺度和季节尺度上估算了碳通量和水通量的时间交换。尽管4 - 10月年降水量不低于140 mm，但由于覆盖抑制了土壤蒸发，滴灌减轻了土壤水分胁迫，土壤含水量稳定在0.2-0.22 mm。灌水量为330-409 mm，占总蒸散量的65%~ 87%。2009-2010年，地膜棉的季节净生产率为454.23 ~ 526.31 gCm-2 y-12009-2010年该干旱区棉花的WUE分别为0.89kgCm-3 y-1和1.11kgCm-3 y-1。说明干旱区地膜覆盖能促进作物增产、节水，并能显著保持较高的水分利用效率。确认本课题得到了中国科学院西光基金（批准号：Y234171）、国家自然科学基金（批准号：41101101）和国家基础研究计划（批准号：2009CB825101）的资助。引用[1] Chakraborty D，Nagarajan S，Aggarwal P，Gupta VK，Tomar RK，Garg RN，Sahoo RN，SarkarA，Chopra UK，Sundara Sarma KS，Kalra N.研究了地膜覆盖对土壤水分状况、小麦生长发育及产量的影响。在半干旱的环境中。同意水管理。2008; 95：1323-1334.[2] 董海忠，李文建，唐伟，张德民.早覆膜提高了盐碱地棉花的成林率和皮棉产量。田间作物研究。2009; 111：269-275.[3] 李松，康松，李芳，张玲.基于涡度相关法的西北地膜春玉米蒸散量和作物系数研究。同意水管理。2008：95（11）：1214-1222.[4] 李志国，张荣华，王晓娟，王建萍，张春平，田春英。中国西北地区棉田二氧化碳通量和浓度：地膜覆盖和滴灌的影响。土壤圈2011; 21（2）：178-185.20J. 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