吳友杰，杜太生

基于氧同位素的玉米農(nóng)田蒸散發(fā)估算和區(qū)分

吳友杰1,2，杜太生2※

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083）

農(nóng)田蒸散發(fā)（evapotranspiration，ET）的估算和區(qū)分是土壤-植物-大氣連續(xù)體中的重要研究?jī)?nèi)容，是農(nóng)業(yè)水資源高效利用的重要基礎(chǔ)。該研究分析了土壤水、蒸發(fā)水汽、蒸騰水汽和大氣背景混合水汽氧同位素組成分布特征，并采用2種同位素的方法對(duì)玉米農(nóng)田蒸散發(fā)進(jìn)行估算和區(qū)分：1）結(jié)合Keeling plot和Craig-Gordon模型的同位素方法（Iso-CG）；2）基于土壤水同位素守恒和水量平衡的方法（Iso-WB）。結(jié)果表明，在玉米生育期內(nèi)Iso-WB方法與Iso-CG方法所計(jì)算的玉米蒸騰比例分別為0.64～0.91和0.52～0.91，平均值分別為0.80和0.78。玉米蒸散發(fā)總量在前期、中期和后期均值分別為3.95、5.30和4.98 mm/d。通過(guò)比較參數(shù)并與前人研究結(jié)果對(duì)比分析，表明采用Iso-CG方法估算區(qū)分ET相對(duì)精確，采用Iso-WB方法計(jì)算蒸散發(fā)要求的測(cè)量精度相對(duì)較高，計(jì)算誤差較大。該研究成果不僅為玉米農(nóng)田制定灌溉制度及提高用水效率提供了理論依據(jù)，而且對(duì)深入探索氧同位素水文學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。

農(nóng)田；蒸騰；蒸發(fā)；氧同位素；玉米

0 引 言

植物蒸散發(fā)（evapotranspiration，ET）在土壤-植物-大氣連續(xù)體中扮演著十分重要的角色，它能反映系統(tǒng)中水分及熱量傳遞等重要信息，它不僅在生態(tài)水文學(xué)中水量平衡計(jì)算方面起重要的意義，而且在植物水動(dòng)力學(xué)和生物化學(xué)循環(huán)方面具有重要的信息反饋?zhàn)饔肹1-5]。

目前，關(guān)于ET估算和區(qū)分的技術(shù)和方法已有大量研究，傳統(tǒng)的方法通常是結(jié)合水文測(cè)定法（如莖流計(jì)法）估算植株蒸騰量和其他方法（如蒸滲儀法）測(cè)量蒸發(fā)量，或者結(jié)合渦度相關(guān)測(cè)量ET和模型模擬、空氣動(dòng)力學(xué)法等估算蒸發(fā)（）和蒸騰（），從而達(dá)到對(duì)ET進(jìn)行分割[6-7]。但這些研究都有其缺點(diǎn)及局限性。如，使用儀器的方法往往在尺度問(wèn)題上表現(xiàn)出空間局限性，模型的方法雖然在氣候年際變化中估算ET有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但估算過(guò)程中需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修訂和實(shí)測(cè)驗(yàn)證[8]。

利用氫氧穩(wěn)定性同位素方法研究水分耗散結(jié)構(gòu)是一種較為先進(jìn)的手段[9-15]。近年來(lái)，由于同位素測(cè)量技術(shù)的高精度性和不易受外界因素干擾等特點(diǎn)，使其在水文水資源、水循環(huán)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定氫氧同位素貫穿于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的全過(guò)程，能夠在時(shí)空尺度上反映植物水分吸收利用和散失過(guò)程對(duì)外界環(huán)境條件變化的響應(yīng)，相比傳統(tǒng)的水文研究方法，如水量平衡、空氣動(dòng)力學(xué)和模型估算等方法，穩(wěn)定同位素方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其精量、精細(xì)、精準(zhǔn)性及其可控性。可見(jiàn)，利用穩(wěn)定氫氧同位素方法估算和區(qū)分植被蒸散量是一個(gè)重要的研究方向[13,16-17]。這將為研究植物耗水機(jī)理、節(jié)水調(diào)控機(jī)制及作物高效安全生產(chǎn)提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

本研究利用氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，結(jié)合水量平衡和同位素守恒的方法，對(duì)西北旱區(qū)玉米農(nóng)田蒸散發(fā)進(jìn)行估算并區(qū)分，以期為作物綠色高效用水和提高水分生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年3—10月甘肅省武威市石羊河實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行（37°52' N，102°51' E），該站地處海拔1 581 m，常年干旱少雨，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，年均日照時(shí)數(shù)在3 000 h以上，無(wú)霜期150 d以上，水面蒸發(fā)量大于2 000 mm，多年平均降雨量?jī)H164.4 mm，屬典型溫帶大陸性干旱氣候。年平均氣溫為8 ℃，大于0 ℃的積溫為3 550 ℃以上，地下水埋深30～40 m。試驗(yàn)區(qū)耕作層土壤主要為壤土和沙壤土，土壤特性參數(shù)詳見(jiàn)表1。

試驗(yàn)以當(dāng)?shù)刂饕魑镉衩诪檠芯繉?duì)象，采用ECH2O（5TE，Decagon Devices Inc.，Pullman，USA）系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤含水率并用烘干法進(jìn)行校正，測(cè)量深度為5、10、30、60、90 cm。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤特性

試驗(yàn)過(guò)程中主要采集的樣品為水分氫氧同位素樣品，主要包括土壤水、植株木質(zhì)部水和大氣水汽，各水分樣品具體采集方法如下：用土鉆取土，取樣深度分別為0～5、>5～10、>10～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～110 cm，將土樣分別裝入自封袋密封保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室用植物土壤水分真空抽提系統(tǒng)（LI-2000，LICA，China）抽取土壤水樣。取植株木質(zhì)部水樣時(shí)，為了避免因植物蒸騰引發(fā)的同位素分餾作用的影響，采集玉米莖基部不含葉綠素的部分，剪取地表以下5 cm深度的玉米莖部，在玉米各生育期晴天12:00—14:00時(shí)段采樣；分別裝入自封袋密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室采用植物土壤水真空抽提系統(tǒng)提取植株莖水樣。大氣水汽樣品包括土壤蒸發(fā)水汽、植株蒸騰水汽和大氣背景混合水汽，采用便攜式多通道大氣水汽冷阱（AWVCT04，LICA，China）系統(tǒng)收集[13]，如圖1所示。將各水汽樣品用液氮冷凝法凝結(jié)成液態(tài)水后收集入樣品瓶中，收集過(guò)程由流量計(jì)控制氣體流速。各類樣品采樣時(shí)間集中在5月中旬—8月下旬，每周1～2次，由于需要擬合Keeling曲線，大氣水汽樣品收集較為頻繁，每周4～6次采樣。選擇玉米各生育期階段的3～5個(gè)晴天進(jìn)行采集，日變化采集時(shí)間為：07:00、09:00、11:00、13:00、15:00、17:00、21:00。本試驗(yàn)研究共計(jì)采集同位素樣品424個(gè)，其中土壤水樣品112個(gè)，植株水、蒸騰水汽和蒸發(fā)水汽各64個(gè)，大氣背景混合水汽樣品120個(gè)。

1.背景大氣水汽 2.植株蒸騰水汽 3.土壤蒸發(fā)水汽 4.輸氣管 5.塑料薄膜 6.大氣水汽冷阱（AWVCT04）

以上采集的各水分樣品密封后并保存于冰箱內(nèi)，溫度控制約4℃，以防蒸發(fā)和同位素分餾，用液態(tài)水同位素分析儀（PICARRO L2130-i，Picarro，USA）測(cè)定樣品水中的穩(wěn)定氫氧同位素組成(‰)，同位素組成計(jì)算公式如下：

式中sample和standard分別代表樣品和標(biāo)樣的氫和氧同位素間的摩爾質(zhì)量比（18O/16O 或者D/H），測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差分別為18O <0.1‰ 和D < 2.0‰。

1.2 模型計(jì)算方法

1.2.1 基于大氣水分的Keeling Plot方法

1958年Keeling對(duì)太平洋沿岸森林和草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[18]，發(fā)現(xiàn) O元素的同位素各自的組成18O與大氣中CO2和H2O的摩爾濃度倒數(shù)間存在顯著的線性變化趨勢(shì)，并最終得出了 Keeling Plot 曲線原理，構(gòu)建了二者之間的響應(yīng)方程：

式中bg為背景混合水汽的同位素組成，‰；δ為冠層某一測(cè)量高度的水汽同位素組成，‰；ET為植被蒸散量水汽同位素組成，‰。Q和bg分別是冠層指定測(cè)量高度（如1～3 m）的水汽濃度和背景環(huán)境水汽濃度，10-6。水汽濃度由水同位素分析儀（PICARRO L2130-i系統(tǒng)）直接測(cè)定獲取，相關(guān)氣象因子數(shù)據(jù)由試驗(yàn)區(qū)氣象站獲得。Keeling plot直線在軸上的截距即為農(nóng)田地表蒸散水汽同位素組成ET。

Craig和Gordon 于1965年創(chuàng)建的模型用于計(jì)算土壤蒸發(fā)水汽的同位素組成δ[19]，是基于蒸發(fā)使土壤水相變過(guò)程中，水和蒸汽混合邊界層所發(fā)生的氫氧同位素平衡分餾和動(dòng)力分餾原理，具體方程如下：

式中SL是指土壤蒸發(fā)前緣液態(tài)水的同位素組成（本研究中取0～5和>5～10 cm土壤水），‰；是指液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水過(guò)程的平衡分餾系數(shù)，具體受土壤溫度控制和影響，計(jì)算如方程（4）[20-21]；其中，*=1 000(1-1/)；δ是指定的測(cè)量高度的水汽同位素組成，‰；為相對(duì)濕度，%；ε為動(dòng)力分餾系數(shù)，具體可由方程（5）計(jì)算獲得[6,20]。

式中D/是指干燥空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)比，取值為0.984；是用于衡量蒸發(fā)使表層土壤富集重同位素程度的指標(biāo)，一般也是常數(shù)，其值為50.67[6,22]；0為溫度，℃。

根據(jù)同位素質(zhì)量守恒應(yīng)用二源混合模型，將蒸發(fā)水汽、蒸騰水汽和蒸散發(fā)混合水汽的同位素組成（δ，δ和ET）進(jìn)行運(yùn)算即可求得蒸騰比例（F）或蒸發(fā)比例（F）。具體方程如下[8,23]：

或

式中、和ET分別為蒸騰、蒸發(fā)和蒸散量，mm。

綜合，ET可由Keeling plot確定，δ由Craig-Gordon模型計(jì)算獲取和利用本研究所改進(jìn)的箱式系統(tǒng)方法直接測(cè)量，筆者前期的研究發(fā)現(xiàn)箱式系統(tǒng)測(cè)定的δ有所偏大，因此，本研究主要采用Craig-Gordon模型計(jì)算結(jié)果，而箱式系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果可作為對(duì)比參考；而蒸騰水汽同位素組成δ可由箱式系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量得到。因此，基于同位素守恒原理，蒸騰比例F或蒸發(fā)比例F可由方程（6）求得。為方便表達(dá)此方法標(biāo)記為“K-CG”法。

1.2.2 基于土壤水的同位素質(zhì)量守恒及水量平衡法

Hsieh等[24]在不考慮深層入滲的情況下，計(jì)算了土壤蒸發(fā)量和植株蒸騰量。假設(shè)了以下條件：忽略土壤水的側(cè)向運(yùn)動(dòng)；雨水和灌溉水的同位素值與剛進(jìn)入土壤的水同位素值相同；土壤水為活塞式入滲。采用土壤水同位素守恒和水量平衡原理可建立方程求蒸發(fā)量和蒸騰量。具體方程如下：

式中表示含量水，mm；為18O值，‰；x=m/總，=、、、、分別表示土壤水的初狀態(tài)、土壤水末狀態(tài)、蒸發(fā)水、蒸騰水、降水（或灌溉）。系統(tǒng)土壤水的總量視為土壤水初量加降水量。土壤水和降水的氧同位素組成均可以收集水樣直接測(cè)定，假設(shè)蒸發(fā)在氣?液態(tài)18O平衡條件下進(jìn)行，蒸騰水汽的18O值視為植株莖基部液態(tài)水同位素值，可以直接測(cè)定獲得。蒸發(fā)水汽的同位素組成（18O）為

式中α-V為常數(shù)，20 ℃時(shí)α-V取值1.009 5，當(dāng)分餾系數(shù)變化0.05時(shí)，蒸發(fā)的比例只改變0.1，所以盡管α-V隨溫度有所變化，其對(duì)最終計(jì)算比例影響很小[24-27]。

土壤初末含水率（m、m）采用ECH2O（5TE，Decagon Devices Inc.，Pullman，USA）系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)獲得并用取土烘干法進(jìn)行校正，降水量(m)通過(guò)試驗(yàn)區(qū)氣象站獲得。因此，通過(guò)該方法可求得ET、m和m，為便于表達(dá)，該方法記為“Iso-WB”法。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧同位素分布特征

圖2圖為玉米生育期內(nèi)計(jì)算和測(cè)定的土壤蒸發(fā)水汽（δ）、玉米蒸騰水汽（δ）及背景混合水汽同位素組成（δ）季節(jié)變化情況。由圖可知，三者的分布規(guī)律均不明顯，季節(jié)變化不顯著。土壤蒸發(fā)過(guò)程水汽中氫氧同位素發(fā)生分餾的強(qiáng)度大于植株蒸騰過(guò)程水汽同位素分餾的強(qiáng)度，即蒸發(fā)過(guò)程更易貧化重同位素，使水汽中18O變少。背景混合水汽同位素組成（δ）值介于兩者之間，這是因?yàn)榛旌纤兄饕烧舭l(fā)和蒸騰水汽組成，外來(lái)的水汽成份所占比例較小，其不穩(wěn)定性主要是因?yàn)樘?yáng)輻射變化對(duì)蒸發(fā)的影響較大，而蒸發(fā)過(guò)程分餾強(qiáng)度較大。在7月中下旬，土壤蒸發(fā)水汽（δ）出現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化使大氣水汽濃度變化所引起的[13,27]。但三者相對(duì)呈現(xiàn)層狀分布，表現(xiàn)為：δ>δ>δ。表明高強(qiáng)度的蒸發(fā)和蒸騰使重同位素（18O）富集于葉片表層和表層土壤中，而貧化于蒸騰水汽和蒸發(fā)水汽中，影響水汽同位素組成的主要因素是氣象因子，如空氣濕度、輻射強(qiáng)度等[16,28-29]。

注：E，土壤蒸發(fā)水汽同位素；T，玉米蒸騰水汽同位素組成；V，背景水汽同位素組成。下同。

圖3為玉米生育期內(nèi)大氣水汽同位素組成與水汽濃度的變化情況，中后期水汽濃度較高，主要是因?yàn)橹衅谥笥衩字旮咻^高（約2 m），玉米蒸騰水汽對(duì)觀測(cè)高度的大氣水汽影響較大，其水汽主要來(lái)源于葉片蒸騰水汽，因此背景大氣水汽濃度升高。

圖3 大氣水汽氧同位素組成與水汽濃度的季節(jié)變化

圖4為玉米不同生育期采用Keeling plot確定玉米冠層蒸散發(fā)水汽同位素組成（ET）。由Keeling plot原理可知，大氣中水汽氧同位素組成18O與大氣水汽摩爾濃度倒數(shù)之間存在較好的線性關(guān)系，兩者的線性方程與軸的截距即為植被蒸散發(fā)水汽的同位素組成ET[18]。各生育期階段的氧同位素組成和水汽濃度倒數(shù)的線性關(guān)系見(jiàn)圖4，各方程的截距分別為-16.65、-13.26和-14.30，因此玉米3個(gè)生育期階段內(nèi)的蒸散發(fā)水汽同位素組成ET分別為-16.65‰±0.21‰、-13.26‰±0.18‰和-14.30‰±0.17‰。

注(Note)：*，P<0.05

Craig-Gordon模型已被廣泛應(yīng)用于估算土壤蒸發(fā)水汽同位素組成[27,29-33]。本研究采用該模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證箱式系統(tǒng)測(cè)定的蒸發(fā)水汽同位素組成。表2為Craig-Gordon模型計(jì)算生育期尺度內(nèi)土壤蒸發(fā)同位素組成δE的相關(guān)參數(shù)及結(jié)果。玉米生育期內(nèi)由模型計(jì)算的土壤蒸發(fā)同位素組成的季節(jié)變化?？傮w上呈現(xiàn)δ前期較小中后期較大。如6月13日δ為-30.16‰，而7月10日和7月26日，δ值分別為-23.88‰和-23.78‰。

表2 玉米生育期內(nèi)Craig-Gordon模型參數(shù)及土壤蒸發(fā)同位素組成

注：，平衡分餾系數(shù)；ε*，分餾系數(shù)；，相對(duì)濕度；ε，動(dòng)力分餾系數(shù)；δ，土壤水同位素組成；δ，大氣同位素組成；δ，蒸發(fā)同位素組成。

Note:, equilibrium fractionation factor; ε*, fractionation factor;, relative humidity;ε, kinetic fractionation factor;δ, soil water isotope composition；δ, vapor isotope composition；δ, evaporating vapor isotope composition.

2.2 應(yīng)用穩(wěn)定同位素方法估算和區(qū)分玉米農(nóng)田蒸散發(fā)

2.2.1 基于大氣水分的Keeling Plot方法區(qū)分ET

采用基于Keeling Plot和Craig-Gordon模型的同位素方法（Iso-CG）對(duì)玉米生育期內(nèi)蒸散發(fā)進(jìn)行估算和區(qū)分。圖5顯示，在玉米生育期尺度和日尺度，Iso-CG方法估算F分布范圍為52%～91%，平均值為78%，F隨玉米生育期先增后減的趨勢(shì)，在生育中期達(dá)到峰值。在7月5日之前和8月10日之后F值分布偏小，形成這一結(jié)果有以下2個(gè)可能因素：1）玉米的葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）在這2個(gè)時(shí)期都較?。↙AI=0.8～1.7），植株蒸騰量小而土壤蒸發(fā)量較大（≈1.2 mm/d）；2）這2個(gè)時(shí)期內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)大風(fēng)天氣頻繁（平均風(fēng)速≈0.78 m/s）導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部和外部氣流差異大。這2個(gè)因素可能很大程度上引起測(cè)量系統(tǒng)的局部熱流效應(yīng)從而使測(cè)量值δ偏大[13,34]。

圖5 玉米蒸騰比例（FT）隨生育期的變化

2.2.2基于土壤水的同位素守恒和水量平衡方法估算和區(qū)分ET

由于試驗(yàn)區(qū)為干旱區(qū)，其多年平均降雨量約164 mm，地下水埋藏深度在30～40 m，且每次的降雨和灌溉量均較小，因此，地下水補(bǔ)給量和深層滲漏量可忽略不計(jì)。可采用式（7）～式（10）對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米農(nóng)田蒸散發(fā)進(jìn)行計(jì)算。以玉米根系主要活動(dòng)所在的土層深度（0～100 cm）為研究對(duì)象，以下為不同時(shí)期采用此方法計(jì)算的結(jié)果。

表3顯示了采用同位素守恒和水量平衡法（Iso-WB）計(jì)算試驗(yàn)區(qū)玉米蒸散發(fā)的相關(guān)參數(shù)。選擇2次灌溉（6月16日和8月3日）和1次降雨（7月22日）以及7個(gè)晴天進(jìn)行運(yùn)算，基中灌溉量（m）分別為56和58 mm，降雨量為18 mm。在運(yùn)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)始末狀態(tài)的土壤水同位素組成（δ和δ）參數(shù)較為敏感，尤其是末狀態(tài)值（δ）對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，因此在取樣時(shí)需要大量的重復(fù)。此外，盡管是受灌溉和降雨的影響初始和末尾狀態(tài)各層土壤同位素組成的混合平均值變化較小，其絕對(duì)值一般小于0.2‰，如7月22日和8月3日始末土壤水同位素組成分別為-7.43‰、-7.45‰和-7.12‰、-7.17‰，差值分別為0.02‰和0.05‰。這意味著，采用同位素守恒和水量平衡方法計(jì)算蒸散發(fā)要求的測(cè)量精度相對(duì)較高，否則計(jì)算誤差較大。

從表3計(jì)算結(jié)果中可知，蒸騰比例（F）隨玉米生育期的進(jìn)行變化較大，表現(xiàn)為生育前期蒸騰比例較小，中期較大，到后期緩慢下降的趨勢(shì)，這一結(jié)果與Iso-CG方法的所計(jì)算的F趨勢(shì)較為一致（圖5），可判斷影響蒸騰比例的主要因素是葉面積指數(shù)和太陽(yáng)輻射。

表3 基于同位素守恒和水量平衡計(jì)算蒸散發(fā)的參數(shù)

注：F為蒸騰比例。=、、、、分別表示土壤水的初狀態(tài)、土壤水末狀態(tài)、蒸發(fā)水、蒸騰水、降水（或灌溉）。

Note:Fis transpiration fraction.=,,,andare initial soil water, final soil moisture, evaporation, transpiration, rainfall (or irrigation), respectively.

圖6顯示了采用土壤水同位素守恒和水量平衡法估算的蒸散發(fā)隨季節(jié)變化情況，可見(jiàn)，土壤蒸發(fā)量在玉米生育前期較大，平均值約1.03 mm/d（±0.11mm/d），中后期隨玉米葉面積指數(shù)的增加有所下降，平均值分別為0.83和0.81 mm/d。相反，玉米蒸騰量在前期較小，均值為2.92 mm/d，中、后期較大，平均為4.47 和4.17 mm/d。玉米前期、中期和后期蒸散總量平均值分別為3.95、5.30和4.98 mm/d（±0.15 mm/d）。

圖6 基于同位素守恒和水量平衡計(jì)算的玉米蒸散發(fā)

圖7為2種區(qū)分ET方法的對(duì)比。由圖可知，Iso-WB相比基于Iso-CG所計(jì)算的蒸騰比例偏大，2種方法計(jì)算的蒸騰比例F分別為0.64～0.91和0.52～0.91，平均值分別為0.80和0.78（±0.01）。尤其在玉米生育前期和后期Iso-WB方法計(jì)算結(jié)果偏大更為突出。如6月8日，玉米處于拔節(jié)初期，Iso-WB計(jì)算的蒸騰比例F=0.64，而Iso-CG計(jì)算的結(jié)果F=0.56；8月23日，玉米處于灌漿后期，Iso-WB計(jì)算的蒸騰比例F=0.80，而Iso-CG計(jì)算的結(jié)果F=0.73。

注：Iso-CG，穩(wěn)定同位素結(jié)合Craig-Gordon模型的方法；Iso-WB，基于同位素質(zhì)量守恒和水量平衡的方法

大量研究結(jié)果表明，直接測(cè)量的土壤蒸發(fā)水汽同位素組成比Craig-Gordon模型計(jì)算的值偏大[13,30-31,34-35]，Braud等[30]采用一種密閉控制性實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量非穩(wěn)定狀態(tài)下的裸土蒸發(fā)水汽同位素組成，測(cè)量結(jié)果較Craig-Gordon模型計(jì)算結(jié)果偏大，并指出無(wú)論選取怎樣的動(dòng)力分餾系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算的結(jié)果均比直接測(cè)量的小。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因可能是土壤蒸發(fā)水汽主要由表層土壤液態(tài)水轉(zhuǎn)化而來(lái)，其同位素組成受液態(tài)水同位素主導(dǎo)，而這一液態(tài)水處于土壤表面很薄的土層，其同位素組成波動(dòng)較大[30-31]。另一個(gè)可能的原因是，表層土的18O值和土壤溫度進(jìn)行估算可能會(huì)導(dǎo)致δ結(jié)果超出合理范圍，因?yàn)檎舭l(fā)水汽同位素組成極大程度上受表層土壤溫度和土壤液態(tài)水同位素組成18O的影響，而這2個(gè)因素都較為敏感，此外，有關(guān)研究表明土壤表層2 cm處的水分高度富集重同位素[34]，這會(huì)導(dǎo)致同位素動(dòng)力分餾發(fā)生紊亂。此外，通過(guò)水量平衡方法計(jì)算玉米農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰總量，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Iso-WB方法估算的ET值有所偏大。前人在該試驗(yàn)區(qū)采用不同方法，如渦度相關(guān)法和莖流計(jì)法等估算玉米農(nóng)田ET，結(jié)果與本研究的Iso-CG方法相接近[13,36]。穩(wěn)定同位素方法相比傳統(tǒng)的水文研究方法，如水量平衡結(jié)合莖流計(jì)和微型蒸滲儀等方法，穩(wěn)定同位素方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其精度高及其可控性。如本研究采用2種同位素方法的計(jì)算精度約為±0.15 mm/d。

可見(jiàn)，結(jié)合Craig-Gordon模型的方法（Iso-CG）對(duì)作物ET進(jìn)行區(qū)分相比基于土壤水同位素守恒和水量平衡的方法（Iso-WB）估算結(jié)果較為準(zhǔn)確，Iso-WB計(jì)算結(jié)果有所偏大，其主要原因可能是：1）試驗(yàn)區(qū)土壤的空間變異性和土壤各深度含水率測(cè)定的誤差，導(dǎo)致采用水量平衡法計(jì)算過(guò)程存在一定偏差；2）研究0～100 cm深度的土層，可能存在一定的“深層”（大于100 cm）滲漏量，而Iso-WB方法忽略了該滲漏量導(dǎo)致結(jié)果偏大；3）計(jì)算過(guò)程選取的土壤末狀態(tài)同位素組成參數(shù)較為敏感，其對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大；4）Iso-WB方法主要基于土壤水進(jìn)行研究，各參數(shù)對(duì)大氣環(huán)境因子，如大氣溫度和太陽(yáng)輻射等的影響考慮較小，因此估算結(jié)果隨季節(jié)變化波動(dòng)較小。

3 結(jié) 論

估算農(nóng)田蒸散量（evapotranspiration，ET）并將其分割為土壤蒸發(fā)（evaporation，）和植株蒸騰（transpiration，）具有重要的意義，但在理論和技術(shù)上仍是很大的挑戰(zhàn)。本文主要通過(guò)結(jié)合穩(wěn)定同位素和微氣象的方法，利用測(cè)量系統(tǒng)直接連續(xù)地測(cè)量土壤蒸發(fā)水汽、植物蒸騰水汽和大氣背景水汽（vapor，）的同位素組成，進(jìn)而對(duì)ET進(jìn)行估算和區(qū)分。具體運(yùn)用了基于大氣水汽的Keeling polt 方法和基于土壤水的同位素守質(zhì)量恒法2種方法：Iso-CG法，即穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合Craig-Gordon模型的方法；和Iso-WB法，即基于土壤水同位素守恒和水量平衡的方法。量化了生育期尺度的玉米蒸騰比例F，具體結(jié)論如下：

1）3種不同水汽（、和）中18O季節(jié)變化規(guī)律不明顯，但相對(duì)呈現(xiàn)現(xiàn)層狀分布，表現(xiàn)為δ>δ>δ。表明高強(qiáng)度的蒸發(fā)和蒸騰使重同位素（18O）富集于葉片表層和表層土壤中，而貧化于蒸騰水汽和蒸發(fā)水汽中，土壤蒸發(fā)過(guò)程水汽中氫氧同位素發(fā)生分餾的強(qiáng)度大于植株蒸騰過(guò)程水汽同位素分餾的強(qiáng)度。采用Keeling polt原理估算玉米3個(gè)生育期階段內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰水汽同位素組成ET分別為-16.65‰±0.21‰、-13.26‰±0.18‰和-14.30‰±0.17‰。

2）在玉米生育期內(nèi)Iso-WB方法與Iso-CG方法所計(jì)算的玉米蒸騰比例（F，蒸騰量占總蒸散發(fā)的比例）分別為0.64～0.91和0.52～0.91，平均值分別為0.80和0.78(±0.01)。Iso-WB方法估算結(jié)果偏大，玉米蒸散發(fā)總量在前期、中期和后期均值分別為3.95、5.30和4.98 mm/d（±0.15 mm/d）。ET區(qū)分結(jié)果顯示，玉米蒸騰比例隨季節(jié)變化較大，表現(xiàn)為生育前期蒸騰比例較小，中期較大，到后期緩慢下降的趨勢(shì)。通過(guò)比較參數(shù)分析，并與前人研究結(jié)果對(duì)比討論，證明采用同位素Keeling plot和Criag-Gordon結(jié)合箱式系統(tǒng)方法（Iso-CG）估算區(qū)分ET相對(duì)較為準(zhǔn)確，采用同位素守恒和水量平衡方法（Iso-WB）計(jì)算蒸散發(fā)要求的測(cè)量精度相對(duì)較高，計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。

目前采用直接測(cè)量的方法確定穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下的植株蒸騰水汽同位素組成和土壤蒸發(fā)水汽的同位素組成的研究少有報(bào)道，希望將來(lái)的研究能夠更精確地量化這2個(gè)參數(shù)。針對(duì)測(cè)量蒸發(fā)水汽同位素組成（δ）的偏差，建議在以后的研究中更多地考慮試驗(yàn)取樣過(guò)程中的不確定性和精度，比如蒸發(fā)前緣水汽同位素組成及所對(duì)應(yīng)的土壤深度和溫度。

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Estimating and partitioning evapotranspiration of maize farmland based on stable oxygen isotope

Wu Youjie1,2，Du Taisheng2※

(1.&,,410128,; 2.,,100083,)

Evapotranspiration (ET) and its estimation and partition are important research contents in the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC), as it provides abundant information about water and heat transfer and plays an important role in the efficient water use in agriculture. The isotopic technique is considered to be an effective method to study it. Here, the isotopic compositions of soil water, evaporated vapor, transpiration vapor and atmospheric background vapor were measured and 2 isotope-based methods (Iso-CG method, isotope combined with the Keeling plot and Craig-Gordon model; and Iso-WB method, combining isotope conservation and water balance) were applied to estimate and partition ET. The study was conducted in 2015 at Shiyanghe Experimental Station of China Agricultural University, Wuwei City, Gansu Province, China (37°52′ N, 102°51′ E). The results showed the transpiration fraction varied from 0.64 to 0.91 by Iso-WB method and 0.52 to 0.91 by Iso-CG method, with a mean of 0.80 and 0.78 (±0.01), respectively, during the entire growing season of maize. However, the results calculated by Iso-WB were overestimated. The mean ET of maize were 3.95, 5.30 and 4.98 mm/d (±0.15 mm/d) during the earlier stage, middle stage and later stage. The results of ET showed that the transpiration rate of maize changed greatly with the seasons, showing a small transpiration rate at the early growth stage, and a slow decline in the later period. The ET determined by Iso-CG method was robust, but there could be some deviation in Iso-WB due to its measurement accuracy was relatively high and the calculation error was large. It indicated that it was relatively accurate to estimate and distinguish ET by using the Keeling plot and Criag-Gordon combined chamber system method. Compared with conventional methods, such as combining hydrometric measurements (e.g., sap flow) to estimate transpiration with other methods (e.g., weighing lysimeter measurements) to measure evaporation, the stable isotope based method had the advantages of high accuracy and controllability. For example, the calculation accuracy of the 2 isotope methods used in this study was about ± 0.15 mm/d. The study results not only provide valuable information for determining irrigation scheduling of maize farmland and improving water-use efficiency, but also have important significance for exploring deeply the field of oxygen isotope hydrology. Meanwhile, the isotope-based method has its limitations compared to other methods of scaling up from leaf level to canopy scale. The sources of error in this isotopic based methods study may come from the variability of isotopic signatures, weather conditions and sample size and time. Therefore, it is still a great challenge in ET estimation and partition. There are very few direct methods to measure isotopic composition of plant transpiration and soil evaporation. We expect that future refinement of methods will allow for accurate and continuous measurement of transpiration and evaporation isotopic composition. For some limitations of determining evaporation isotopic composition, we recommend that field experiments pay particular attention to sampling precision at the evaporation front in the surface soil and temperature.

farmland; transpiration; evaporation; stable oxygen isotope; maize

吳友杰，杜太生. 基于氧同位素的玉米農(nóng)田蒸散發(fā)估算和區(qū)分[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(4)：127－134. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.015 http://www.tcsae.org

Wu Youjie, Du Taisheng. Estimating and partitioning evapotranspiration of maize farmland based on stable oxygen isotope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 127－134. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.015 http://www.tcsae.org

2019-07-10

2019-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51725904、51809092）；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)自然科學(xué)基金（18QN20）

吳友杰，講師，博士，主要從事作物高效用水及SPAC水分傳輸過(guò)程研究。Email：wuyoujie@hunau.edu.cn

杜太生，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源高效利用研究。Email：dutaisheng@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.015

S124+.2

A

1002-6819(2020)-04-0127-08