CO2浓度升高对新疆干旱区棉花-土壤系统的影响机制及其与氮素的耦合作用

目前人为控制CO2浓度效应的研究主要基于OTC和FACE等控制试验，或是保护地非控制试验，大田试验较少。研究对象以水稻、小麦、黄瓜、西红柿等作物居多，也有一些特色林、果，而对CO2浓度升高最为敏感的C3植物、重要经济作物棉花的研究较少。在实验设计上缺乏水、碳和氮的交互作用研究。本项目拟在新疆棉田生态环境下，针对大气CO2浓度上升、光照强等特点，依据人工气候室模拟和大田小区实验相结合的技术路线，利用膜下滴灌的管网设施，采取随水滴施CO2肥和通过滴灌毛管注入CO2气体等措施，增加棉田CO2浓度，结合不同氮肥水平，揭示新疆"棉花-土壤"系统水、碳、氮素变化及其交互作用效应；明确CO2、氮素互作对棉花生长发育、产量及纤维品质的影响；为建立与完善相关生理生态模型和棉花产量预测模型，预测未来大气CO2浓度变化背景下新疆棉花生产和生态系统碳循环的可能变化奠定数据基础，也为棉花优质高产栽培提供理论指导。

国内外学者基于OTC、FACE等野外控制措施模拟大气中CO2浓度增高对农田生态系统影响开展了较多研究。本研究首次在大田开放条件下，基于新疆棉花膜下滴灌的管网设施，通过滴灌毛管注入CO2气体措施，增加棉田冠层CO2浓度，室内模拟（单株水平）和大田小区试验（群体水平）相结合，研究了不同CO2浓度水平下以及不同氮素施入水平下的棉花光合速率、产量构成因素，土壤微生物活性，土壤呼吸与有机碳、矿质氮含量的可能变化。首次发现：.(1)随水滴施高水溶性碳素肥料（水不溶物＜0.5%）能有效提高棉田冠层CO2浓度。.(2)北疆棉田通入CO2的最佳时期为盛花期至花铃期；实现冠层CO2浓度540µmol/mol和720 µmol/mol（倍增），分别需通入CO2气体120000 m3/ha和165000m3/ha。.(3)水分充足条件下，冠层CO2浓度达540 µmol/mol时，花铃期棉株光合速率、气孔导度、叶绿素含量随氮素水平的升高而增大；但CO2浓度倍增处理对光合速率和气孔导度有抑制作用。.(4)CO2浓度倍增，随施氮量增加，叶片及整株氮含量升高，有机碳含量降低，C/N比降低。 .(5)棉花冠根比对CO2浓度升高及土壤氮素水平有不同响应。.(6)CO2浓度升高降低了棉花衣分，棉纤维断裂比强度增大。 (7)CO2浓度升高，膜下滴灌棉田土壤呼吸降低。.(8)在各氮素水平，CO2浓度升高，0-20cm土层NH4+-N、NO3--N含量均明显增高。.(9)CO2浓度升高时，0-40cm 土壤中细菌和0-20cm 土壤中放线菌增多，20-40cm 土壤中真菌减少，土壤微生物的区系组成发生改变。. 上述结果揭示了CO2浓度升高对新疆“棉花—土壤”系统的影响及氮素交互效应，对棉花优质高产栽培措施制定具有理论指导意义。