膜下滴灌对玉米水碳传输及生长过程的调控机制与模拟

The technology of drip irrigation under film mulch is the key technoloy promoted by Chinese government in arid regions. Studing the effect of the technology on water, carbon transfer and crop gwoth processes plays an important role in inheriting and developing the tradisional SPAC theory. The programme which focued on this subject, mainly investigates that (1) the variation patterns and controlling mechanism of the soil water and heat, the canopy transpiration, photosynthesis and conductance, and the latent, sensiable, avaiable energy and carbon fluxes; (2) the variation patterns of the growth variables, such as mazie root lenghth, leaf area, height, leaf angle and biamass of different organs; (3) the constuction of the combined SPAC model simulating water, carbon fluxes and crop growth processes under the condition of drip irrgation under film mulchusing the photosynthetic apparatus, eddy covariance system and etc, in order to provide scientific basis for agricutural water management in the arid region.

膜下滴灌技术是当前干旱区农业节水推广的重点，开展膜下滴灌对土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水碳和作物生长的调控机制研究，是对传统农田SPAC研究的继承与发展。本项目以此为内容，以西北旱区玉米地为对象，立足于长期连续的野外定位观测，运用光合测定仪和涡度相关仪等设备对水碳通量实施多尺度的定点连续监测，主要研究在地膜覆盖与滴灌局部湿润的双重调控下，土壤水热的时空分布特征及土壤蒸发呼吸的变化规律，冠层蒸腾、光合与气孔导度的变化特征及耦合关系，大气潜热、感热、碳通量的时空变化及控制机制，以及多尺度水分固碳效率的调控机制；探讨双重调控下作物根系的时空分布特征，叶面积、株高、叶倾角等形态指标的发育特点，根、茎、叶、果等器官的生物量累积规律；依此对已有的HYDRUS模块、冠层水碳模块和作物生长模块优化与改进，建立膜下滴灌条件下的SPAC水碳与生长耦合模拟新方法，为农业水资源高效利用提供科学依据

膜下滴灌在我国干旱地区已开始大量推广，但该技术对农田水热碳循环的影响机理，还不甚明确，而该问题是科学推广的基础。为研究该问题，本项目从2014年至2017年，在中国农业大学实验站，以玉米田为对象，针对膜下滴灌和传统的覆膜畦灌两种灌溉方式，基于涡度相关等先进设备，对两种灌溉方式下的玉米田水量平衡、能量平衡、水汽质量守恒、辐射平衡、碳循环及作物生长过程进行了精细的同步对比观测研究，主要进展如下：.(1) 发现在充分满足作物需水的情形下，膜下滴灌较传统畦灌仅节水10%左右。膜下滴灌玉米与畦灌玉米每日消耗水量非常接近，但膜下滴灌因减少灌溉定额，提升了地表温度，加速作物生长发育，可缩短作物生育期7-15天，从而减小总耗水。这一研究颠覆了传统的认识，成果已发表在AWG（2016，177:128-137）上，引起了同行广泛关注，已被引10余次。.(2) 发现地膜覆盖的节水效应主要体现在白天，而夜间反而增加了土壤蒸发。本研究通过微型蒸渗仪，同时监测了膜孔蒸发与裸土蒸发，发现白天裸土蒸发通常高于膜孔蒸发，而在夜间，由于地膜覆盖导致的覆盖层温度和湿度均高于裸土，使膜孔蒸发反而高于裸土蒸发。结合蒸发模型估算，也证明了该现象。成果已投稿AFM。 .(3) 发现玉米田呼吸在碳循环中起到了举足轻重的作用。观测表明，2014年全生育期玉米田总初级生产GPP为1099 gC m-2，生态系统呼吸Reco为485gC m-2，占GPP的44.16%。2015年占59.53%，2016年为45.30%，2017年62.07%。然而，如何精确估算农田呼吸量，以及量化灌溉措施的影响，还需深入研究。 .(4) 初步揭示了膜下滴灌对地下地上生物量累计过程的影响机理。研究发现，膜下滴灌有利于干物质向地上部分生物量转换。而传统畦灌由于灌溉湿润峰较深，作物为吸收水分，根系大量繁殖，消耗了较多的水分养分，使营养成分向地上部分生物量输送的比例降低。膜下滴灌较传统畦灌可提高水分利用效率近1倍。.(5) 应用HYDRUS和WHCNS模型模拟了畦灌与滴灌条件下的土壤水热传输过程及作物生长过程，表明HYDRUS和WHCNS可适用于土壤水量平衡过程的模拟，但如何针对滴灌和覆膜的特点改进模块，仍需深入研究。.本研究在观测领域填补了国内外相关空白，揭示了膜下滴灌对水碳循环的影响机理，为我国科学推广膜下滴灌提供了科学基础。