全 文 ：膜下滴灌对新疆棉田生态系统净初级生产力、
土壤异氧呼吸和 CO2净交换通量的影响
*
李志国1,2 摇 张润花2 摇 赖冬梅1 摇 闫正跃3 摇 姜摇 黎1 摇 田长彦1**
( 1中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室 /阜康荒漠生态站, 乌鲁木齐 830011; 2中国科学院武
汉植物园,武汉 430074; 3防城港出入境检验检疫局, 广西防城港 538001)
摘摇 要摇 2009 年 4—10 月,通过田间试验,以传统无膜漫灌为对照,研究了膜下滴灌对我国新
疆棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和 CO2净交换通量的影响.结果表明: 膜下滴灌
和无膜漫灌处理下,棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸通量和 CO2净交换通量均呈
先增大后减小的变化趋势.与无膜漫灌相比,膜下滴灌显著提高了棉花地上、地下生物量和净
初级生产力,降低了土壤异氧呼吸通量.在整个生长季节,膜下滴灌处理的年土壤异氧呼吸通
量为 214 g C·m-2,低于无膜漫灌处理的 317 g C·m-2;膜下滴灌处理的棉花年净初级生产力
为 1030 g C·m-2,显著高于无膜漫灌处理的 649 g C·m-2;膜下滴灌处理比无膜漫灌处理多
固定大气 CO2 479 g C·m-2 .膜下滴灌栽培措施既提高了作物生产力,又降低了土壤 CO2排
放,是干旱地区一种重要的农业固碳减排措施.
关键词摇 农田生态系统摇 固碳摇 膜下滴灌
文章编号摇 1001-9332(2012)04-1018-07摇 中图分类号摇 S154. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of drip irrigation with plastic mulching on the net primary productivity, soil hetero鄄
trophic respiration, and net CO2 exchange flux of cotton field ecosystem in Xinjiang, North鄄
west China. LI Zhi鄄guo1,2, ZHANG Run鄄hua2, LAI Dong鄄mei1, YAN Zheng鄄yue3, JIANG Li1,
TIAN Chang鄄yan1 ( 1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology / Fukang Station of Desert
Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi
830011, China; 2Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430074, China;
3Fangchenggang Entry鄄Exit Inspection and Quarantine Bureau, Fangchenggang 538001, Guangxi,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(4): 1018-1024.
Abstract: In April-October, 2009, a field experiment was conducted to study the effects of drip
irrigation with plastic mulching (MD) on the net primary productivity (NPP), soil heterotrophic
respiration (Rh), and net CO2 exchange flux (NEFCO2) of cotton field ecosystem in Xinjiang, tak鄄
ing the traditional flood irrigation with no mulching (NF) as the control. With the increasing time,
the NPP, Rh, and NEFCO2 in treatments MD and NF all presented a trend of increasing first and
decreased then. As compared with NF, MD increased the aboveground and belowground biomass
and the NPP of cotton, and decreased the Rh . Over the whole growth period, the Rh in treatment
MD (214 g C·m-2) was smaller than that in treatment NF (317 g C·m-2), but the NEFCO2 in
treatment MD (1030 g C·m-2) was higher than that in treatment NF (649 g C·m-2). Treatment
MD could fix the atmospheric CO2 approximately 479 g C·m-2 higher than treatment NF. Drip irri鄄
gation with plastic mulching could promote crop productivity while decreasing soil CO2 emission,
being an important agricultural measure for the carbon sequestration and emission reduction of crop鄄
land ecosystems in arid area.
Key words: cropland ecosystem; carbon sequestration; drip irrigation with plastic mulching.
*国家自然科学基金面上项目(40971148)和中国科学院“百人计划(2009)冶项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: Tianchy@ ms. xjb. ac. cn
2011鄄08鄄10 收稿,2012鄄02鄄08 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 4 月摇 第 23 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2012,23(4): 1018-1024
摇 摇 农田土地利用是导致陆地生态系统碳损失的重
要途径[1-2] .由于过去不合理的农业管理,农业累计
CO2排放量占人类活动释放到大气中 CO2总量的
1 / 4[3-4] .有研究表明,通过良好的农田管理措施,农
田可固定大气 CO2 30 ~ 60 Pg C[5] .因此,制定合理
的农田管理措施是实现大气碳固定的有效途径之
一.膜下滴灌是干旱区近十年来推出的一种栽培模
式[6],能够节水、保墒,提高作物的光合速率和产
量[7],在我国新疆的应用面积已达 100伊104 hm2 [8],
逐步取代了传统的无膜漫灌栽培.然而,在大气 CO2
浓度增高的背景下,膜下滴灌模式对农田碳排放的
影响研究尚未见报道. 因此,本研究通过田间试验,
采用生物量收割法和静态暗箱鄄气相色谱法,以传统
无膜漫灌为对照,研究了膜下滴灌对我国新疆棉田
生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和 CO2净交
换通量的影响,为我国农田生态系统碳排放的准确
估算以及今后温室气体减排的农业管理措施的制定
提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验于 2009 年 4—10 月在中国科学院新疆阜
康荒漠生态站开垦 15 年的棉田进行.该站地处天山
北麓、古尔班通古特沙漠南缘,位于中纬度欧亚大陆
腹地,属典型的温带大陆性气候,夏季炎热、冬季寒
冷.最高气温 42郾 6 益,最低气温- 41郾 6 益,年均气
温 6郾 2 益,逸10 益年积温 3606郾 5 益,无霜期 174 d;
年降水量 160 mm,年蒸发量 2000 mm,春夏降水约
占全年降水量的 2 / 3,年均相对湿度 58% ,年均日照
时数 2562郾 5 h. 土壤为灰漠土[9],0 ~ 20 cm 表层土
壤容重 1郾 56 g · cm-3, pH 8郾 42, 电导率 2郾 08
mS·cm-1,有机碳 5郾 64 mg·g-1 .
1郾 2摇 试验设计
供试棉花品种为‘新陆早 6 号爷.试验设 2 个处
理:膜下滴灌 (MD)和无膜漫灌 (NF);小区面积
60 m2,3 个重复,随机排列. MD 处理的地膜采用聚
乙烯薄透明膜,膜宽 125 cm,厚 0郾 01 ~ 0郾 02 mm,播
种时先将滴灌带铺好,覆盖地膜,然后在地膜上每隔
10 cm挖洞播种(图 1).在试验过程中,测定气体通
量时需保证地膜的完整性,若有破损及时更换. MD
和 NF处理的灌溉时间和频率与当地常规田间操作
相同,灌水量通过水表读出(表 1).两处理的棉花种
图 1摇 膜下滴灌(a)和无膜漫灌(b)试验设计示意图
Fig. 1摇 Experimental layout of the cotton fields for plastic film
mulching with drip irrigation ( a) and flood鄄irrigation with no
mulching (b)郾
植密度均为 2郾 67伊105株·hm-2,施肥量相同,氮和
磷肥量分别为 100 kg N·hm-2和 72 kg P2O5·hm-2,
田间管理措施保持一致.
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 生物量和净初级生产力的测定摇 2009 年 4 月
20 日—10 月 21 日,即出苗期到收获期,每月在每个
处理小区内选择具有代表性的 3 个 1 m伊1 m 样方,
测定棉花植株的地上、地下生物量. 其中,地上生物
量采用齐地面刈割法测定,并收集地面凋落物,清
洗,65 益烘干至恒量后,称干质量;地下生物量采用
分层挖掘法获取,按照 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~
50 和 50 ~ 70 cm土层采样,过 60 目筛在水中冲洗,
65 益烘干至恒量后,称干质量. 净初级生产力根据
前、后两次植株生物量的测定计算,公式如下:
NPP i = (Bbi-Bbi -1)Cb+(Bai-Bai -1)Ca
式中: i 为测定生物量的时间;Ba 为地上生物量
(g·m-2);Ca为地上生物量的含碳量( g C·g-1);
Bb为地下生物量(g·m-2);Cb 为地下生物量的含
碳量(g C·g-1).地上、地下生物量的有机碳含量采
用重铬酸钾氧化滴定法测定[10] .
1郾 3郾 2 土壤异氧呼吸通量的测定 摇 采用静态箱鄄气
象色谱法测定土壤异氧呼吸通量[11] .静态箱由箱体
(地上部分)和箱底座(地下部分)组成,其中箱体由
不锈钢板做成,为长方体(75 cm伊50 cm伊50 cm),箱
体外粘贴一层 3 cm的泡沫隔热板,外覆白色防雨布
以防止太阳辐射造成箱内温度升高从而影响观测结
果,顶部内侧安装温度计和 2 个由 12VDC供电的风
91014 期摇 摇 摇 摇 李志国等: 膜下滴灌对新疆棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和 CO2净交换通量的影响摇
表 1摇 膜下滴灌和无膜漫灌处理下棉田的灌溉量
Table 1摇 Volume of irrigation in the cotton fields under plastic film mulching with drip irrigation and flood鄄irrigation with no
mulching treatments (m3·hm-2)
处理
Treatment
日 期 Date
05鄄12 06鄄05 06鄄19 07鄄06 07鄄23 08鄄10 08鄄15 08鄄30
合计
Total
MD 190 255 255 375 375 375 - 375 2200
NF 700 1400 - - 1400 - 1400 - 4900
MD:膜下滴灌 Plastic film mulching with drip irrigation; NF:无膜漫灌 Flood鄄irrigation with no mulching郾 下同 The same below郾
扇,风扇风速 12 m·s-1,箱体底部开口,与箱底座吻
合扣于底面之上.棉花播种后,每个处理小区中各安
装 3 个静态箱作为 3 个重复. 静态箱安装位置见图
1.取样时,先将箱内顶部风扇打开,再将静态箱垂直
安放在底座凹槽内并用水密封,盖箱后第 0、10、20
和 30 min 用 100 mL 注射器从箱中抽取气体置于
0郾 5 L气体采样袋.
采用改装后的 HP4890N 型色谱仪[11-12]测定气
体成分.测定 CO2的检测器为 FID,测定温度200 益,
柱型为 PorpakQ ( 60 / 80 ), 载气为 N2, 流速为
30 mL·min-1,燃气为 H2,流速 30 mL·min-1,柱温
55 益 .从 2009 年 4 月 20 日开始,每隔 15 d 测定 1
次,共 13 次,每次均在 9:00—11:00 进行.土壤异氧
呼吸通量(F,mg·m-2·h-1)由箱中气体浓度随时
间的变化率计算得出:
F = 驻mA驻t =
籽V驻c
A驻t = 籽H
驻c
驻t
式中:籽为试验室温度下气体密度(g·cm-3);驻m和
驻c分别为 驻t时间内采样箱中气体质量(g)和混合
比浓度;H、A、V 分别为箱高( cm)、底面积( cm2)和
体积(cm3).每次采样时,用 JM624 型便携式数字温
度计测定采样箱中气温、地表温度、地下 5 cm 土壤
温度.
1郾 3郾 3 农田净 CO2交换通量的计算摇 农田净 CO2交
换通量(NEFCO2)根据土壤异氧呼吸通量(Rh)和净
初级生产力(NPP)的差值得到[12],计算公式为:
NEFCO2 =Rh-NPP
1郾 3郾 4 环境因子的测定摇 气压、风速、降雨量等气象
数据由中国科学院阜康野外监测站气象站提供.
1郾 4摇 数据处理
采用 SPSS 16郾 0 软件进行数据统计分析,采用
Origin 7郾 5 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤温度和土壤水分的季节动态
在整个生长季,土壤温度呈明显的季节变化,膜
下滴灌(MD)和无膜漫灌(NF)处理的土壤温度均呈
先升高后下降的趋势(图 2). 从播种到 8 月初,MD
处理下土壤温度高于 NF 处理;随着时间的推移,二
者差异不显著. MD与 NF处理的土壤含水量随时间
的推移均呈先下降后上升再下降的趋势. 其中,与
NF相比,MD 处理下土壤含水量的变化幅度较小;
而且,6 月至 8 月中旬以及 9 月以后,MD 处理下土
壤含水量显著高于 NF 处理,其原因可能是 MD 处
理的灌溉频率较高,并且地面有薄膜覆盖,减少了土
壤水分的蒸发,增大了土壤含水量.
2郾 2摇 棉花生物量的季节动态
从图 3 可以看出,在整个生长季,MD 和 NF 处
理下棉花地上、地下生物量均呈 Logistic 曲线增长,
在苗期(5—6 月),棉花生长缓慢,7 月进入快速生
长阶段,9 月以后植株生长减缓. 在不同生长阶段,
MD处理的棉花地上、地下生物量均显著高于 NF处
理,两处理间的差异随着时间的推移逐渐增大.
图 2摇 膜下滴灌和无膜漫灌处理下土壤温度和土壤含水量
的季节变化
Fig. 2摇 Seasonal variation of soil temperature and soil water con鄄
tent under plastic film mulching with drip irrigation and flood鄄ir鄄
rigation with no mulching treatments郾
MD:膜下滴灌 Plastic film mulching with drip irrigation; NF:无膜漫灌
Flood鄄irrigation with no mulching郾 下同 The same below郾
0201 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 膜下滴灌和无膜漫灌处理下棉花地上、地下生物量的
季节变化
Fig. 3摇 Seasonal variation of above鄄 and belowground biomasses
of cotton under plastic film mulching with drip irrigation and
flood鄄irrigation with no mulching treatments (mean依SE).
2郾 3摇 净初级生产力的季节动态
MD和 NF 处理下,棉花地上、地下净初级生产
力(NPP)均呈明显的季节变化(图 4),在 5—6 月的
累积速率较小,7—8月达到最大,之后逐渐减小. MD
图 4摇 膜下滴灌和无膜漫灌处理下棉花地上、地下净初级生
产力的季节变化
Fig. 4摇 Seasonal variation of net primary productivity of cotton
under plastic film mulching with drip irrigation and flood鄄irriga鄄
tion with no mulching treatments (mean依SE).
图 5摇 膜下滴灌和无膜漫灌处理下土壤异氧呼吸通量和 CO2
净交换通量的季节变化
Fig. 5 摇 Seasonal variation of soil heterotrophic respiration and
net ecosystem CO2 exchange under plastic film mulching with
drip irrigation and flood鄄irrigation with no mulching treatments
(mean依SE).
处理下,棉花地上、地下净初级生产力均显著高于
NF处理.在整个生长季,MD 处理下,棉花植株的年
净初级生产力为 1030 g C·m-2,显著高于 NF 处理
(649 g C·m-2).
2郾 4摇 土壤异氧呼吸通量的季节动态
在整个生长季,MD 和 NF 处理下,土壤异氧呼
吸通量均呈先增大后减小的趋势(图 5),而且 MD
处理下土壤异氧呼吸通量显著低于 NF处理. MD处
理的年土壤异氧呼吸通量为 214 g C·m-2,低于 NF
处理(317 g C·m-2).
2郾 5摇 棉田生态系统 CO2净交换通量的季节变化
在整个生长季,MD 和 NF 处理下,棉田生态系
统 CO2净交换通量均呈先增大后减小的趋势(图
5), 均在 8 月达最大值, 分别为 439 和 233
g C·m-2;MD处理下棉田生态系统 CO2净交换通量
在 5 月为-28 g C·m-2,表明该生态系统向大气释
放 CO2;NF处理下棉田生态系统 CO2净交换通量在
5 和 6 月向大气释放 CO2 41 和 15 g C·m-2 .在整个
生长季,MD 和 NF 处理下,棉田生态系统总 CO2净
交换通量分别为 818 和 339 g C·m-2,MD 处理比
NF多固定大气 CO2 479 g C·m-2 .
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 膜下滴灌对棉花生物量的影响
与 NF 相比,MD 明显提高了棉花地上、地下生
12014 期摇 摇 摇 摇 李志国等: 膜下滴灌对新疆棉田生态系统净初级生产力、土壤异氧呼吸和 CO2净交换通量的影响摇
物量,这与地膜覆盖种植棉花[13]、小麦[14]和番茄[15]
的结果一致. MD处理下棉花植株生物量的增加,可
能与土壤温度的升高有关(图 2),尤其在早春播种
时,可以避免倒春寒对植株的冻害. 而且,由于膜下
滴灌促进了土壤温度的升高,可以提前播种,这在一
定程度上延长了植物的生长发育时间,有利于植物
固定碳水化合物[16-17],尤其有利于根系生长[18] .
MD处理下棉花植株生物量的增加,还可能与土壤
水分含量的提高有关,特别是在降雨和灌溉水缺乏
的干旱、半干旱地区,这种效果尤为明显[14,18] . Li
等[18]报道,地膜能够降低土壤水分蒸发,延长水分
在土壤中的滞留时间,从而使植物能更有效地利用
土壤水分,有利于植物生物量的积累[16-17] .另外,地
膜的保水性还可以使植物避免因水分胁迫而降低光
合效率[14] .
3郾 2摇 膜下滴灌对棉花净初级生产力的影响
净初级生产力是单位时间内植物生物量的累
积,是植物叶片或光合器官光合吸收的大气 CO2含
量与根系或植株地上部呼吸释放的 CO2含量的差
值[19] .通过测定生物量的累积速度可以判断某一生
态系统植物体对大气 CO2的固定量. 本研究表明,
MD和 NF处理下棉花净初级生产力为 649 ~ 1030
g C·m-2(图 4),与 Huang等[20]对农田生态系统净
初级生产力(126 ~ 1109 g C·m-2 )的研究结果一
致,但显著高于王彧等[21] 对棉田净初级生产力
(222 ~ 325 g C·m-2)的结果.这种差异可能与不同
气候有关,新疆光照充足,棉花又是强喜光植物,这
在一定程度上显著提高了其光合效率,从而促进了
净初级生产力的提高.另外,棉田生产力的差异还可
能与土壤肥力、施肥及棉花品种等因素有关[22] .
本研究中,MD 处理下棉花净初级生产力显著
高于 NF,这与 Dong 等[13]和罗宏海等[23]的研究结
果一致.随着时间的推移,棉花净初级生产力在 7—
8 月达到高峰后逐渐降低,并且 MD 处理的下降速
度大于 NF处理,这可能与地膜覆盖下棉花生长后
期的早衰有关. 姜益娟等[24]及徐邦发和杨培言[25]
研究发现,在地膜覆盖栽培条件下,棉花的前期快速
生长可能导致后期养分(N 和 K)供应不足,使棉花
早衰,叶片光合能力下降.另外,有研究表明,在覆膜
条件下,土壤水分充足,棉花生长较快,叶面积指数
较高,叶片倾斜角度变小,从而引起冠层内光照恶
化,植株中下部的叶片由于光照不足,呼吸消耗上
升,最终造成群体生产力的快速降低[23] .因此,除了
为作物提供良好的土壤水热环境外,保证合理的冠
层结构也是提高作物产量和固定大气 CO2有效的农
田固碳减排管理措施之一.
3郾 3摇 膜下滴灌对棉田土壤异氧呼吸的影响
MD和 NF是不同的栽培管理措施,完全改变了
土壤环境条件,从而影响了土壤碳循环过程,导致土
壤 CO2气体排放的不同[26] . 本研究中,MD 处理下,
棉田年土壤异氧呼吸通量为 214 g C·m-2,明显小
于 NF处理的 310 g C·m-2,这与 Li 等[18]对地膜覆
盖栽培冬小麦土壤 CO2排放的研究结果不一致,与
Okuda等[27]对覆膜栽培果树园土壤排放量的研究
结果相似.
MD处理下棉田土壤异氧呼吸通量显著低于
NF处理的原因很多.其中,地膜对土壤气体向大气
扩散的阻隔作用可能是降低土壤异氧呼吸通量的一
个重要原因.在 MD处理下,绝大部分土壤被地膜覆
盖,膜下土壤气体不能直接排放到大气中,只能从裸
地和膜孔排放,从而降低了土壤气体的扩散性[2],
还可能降低了风速、湍流引起的大气压和气压对土
壤气体的吸力.有研究表明,阵风或湍流造成的大气
压和气压的波动越大,土壤气体交换通量越大[28],
大气压波动造成的土壤气体扩散通量的增加至少为
25% [29] .
土壤灌溉制度可能是导致膜下滴灌土壤 CO2释
放量较少的另一个重要原因. MD 处理下,灌溉水量
小但频率大,加上地膜的保水功能,土壤含水量高于
NF处理(图 2).较高的土壤含水量在一定程度上降
低了土壤的孔隙度和气体扩散力[30],导致 MD 处理
的 CO2通量降低.另外,较高的土壤含水量在一定程
度上降低了土壤干湿交替现象的发生.有研究表明,
干土重新湿润后短期内会产生强烈的激发效应,释
放出大量 CO2 [30-31],存在干湿交替的农田土壤 CO2
释放量远高于一直处于湿润状态下的土壤[32] .本研
究中,棉花生长季的气温较高,地表蒸发量大,土壤
极易干燥,而无膜漫灌的时间间隔较长,土壤干湿交
替现象严重,导致土壤释放的 CO2较多.
土壤碳酸盐或硅酸盐可以与 CO2发生反应从而
消耗土壤 CO2 [33] . 有研究表明,土壤 CO2浓度和土
壤水分的升高有助于提高次生碳酸盐或次生硅酸盐
的形成[33-34] . 本研究中,与 NF 相比,MD 处理下棉
田较高的土壤含水量可能导致更多的 CO2被消耗,
从而降低了土壤表面 CO2的排放.
3郾 4摇 膜下滴灌对棉田 CO2净交换通量的影响
在整个生长季,MD 处理下棉田年固定大气
CO2 818 g C·m-2,明显高于 NF(339 g C·m-2),这
2201 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
主要与 MD处理下棉田较高的净初级生产力和较低
的土壤呼吸排放有关,其中,MD 的净初级生产力比
NF增加了 391 g C·m-2,而土壤呼吸仅增加 96
g C·m-2 .膜下滴灌栽培措施既提高了作物的生产
力,又降低了土壤的 CO2排放,是干旱地区一种重要
的农业固碳减排措施.
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作者简介摇 李志国,男,1982 年生,博士研究生.主要从事陆
地生态系统碳氮循环研究. E鄄mail: Lzg250@ 126. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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