陳 露,章熙鋒,王艷強(qiáng),高美榮,唐家良**

(1.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室/中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 成都 610041;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

蒸散發(fā)包括蒸發(fā)和蒸騰,是土壤-植被-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continum,SPAC)中水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一,是水量和能量平衡的主要構(gòu)成,也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分消耗的主要途徑[1-2]和水分利用效率計算中的重要基礎(chǔ)參數(shù)。同時蒸散發(fā)還是影響區(qū)域氣候的主要因素,受環(huán)境及生物多方面因素的影響[3]。隨著通量觀測技術(shù)的不斷發(fā)展,渦度相關(guān)法成為植被與大氣間物質(zhì)及能量交換最有效的測定方法。與其他方法相比,渦度相關(guān)法物理基礎(chǔ)完備,理論假設(shè)少,實現(xiàn)了對水、熱、碳的長期、連續(xù)和非破壞性的同步、定點測量[4-5]。因此,利用渦度相關(guān)系統(tǒng)測定群體CO2通量及水分通量耦合基礎(chǔ)上的水分利用效率已被廣泛采用[6]。在農(nóng)學(xué)領(lǐng)域,作物耗水與干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系用作物的水分利用效率(WUE)表示,是評價作物生長狀態(tài)的綜合生理生態(tài)重要參數(shù)之一[7]。根據(jù)研究尺度的不同,作物WUE的研究通常分為葉片、植株和生態(tài)系統(tǒng)3個水平,其中生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率可表征田間或區(qū)域的水分利用效率,能更加客觀地反映實際作物的水分利用狀況[8]。目前渦度相關(guān)法是測定生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的最有效方法[9]。

紫色土主要分布于長江中上游地區(qū),四川盆地丘陵地區(qū)分布最廣[10]。紫色土丘陵區(qū)雖然降雨量豐富,但降雨主要集中于雨季,季節(jié)性干旱發(fā)生頻率較高,為春旱、初夏旱地區(qū),季節(jié)分配不均帶來的季節(jié)性干旱或洪澇問題,導(dǎo)致農(nóng)作物的生長發(fā)育受到影響[11]。此外,該區(qū)域土壤具有“淺薄化”的特征,土壤蓄水能力相對較弱,植物可利用的有效水量較少[12-14]。紫色土為一種高生產(chǎn)力的巖性土,因此該區(qū)域是四川省玉米(Zea mays)、小麥(Triticum aestivum)、甘薯(Dioscorea esculenta)等糧食作物的主產(chǎn)區(qū)[15-16]。如何更有效地利用水資源、提高水分利用效率、利用現(xiàn)有水資源保障較高的作物產(chǎn)量是節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的核心問題。但目前關(guān)于紫色土坡地作物水分利用效率的研究極少,僅有的研究關(guān)注于作物水分利用來源與策略及隨時間變化的規(guī)律[17],如魏玲[18]利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)分析得出0～10 cm土壤水為淺薄紫色土區(qū)主要農(nóng)作物玉米、小麥各生長期的最主要水分來源;Zhao等[19]認(rèn)為紫色土區(qū)域玉米苗期主要利用表層土壤自由水,隨著生長發(fā)育玉米開始利用更深層的土壤束縛水。但少有關(guān)于SPAC水分循環(huán)過程的系統(tǒng)研究,缺乏較長時間序列下作物系統(tǒng)蒸散發(fā)與水分利用效率的動態(tài)變化及其影響因素分析。本研究采用渦度相關(guān)系統(tǒng)對四川盆地中部典型紫色土坡耕地2014—2018年蒸散發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率變化特征及其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)觀測和分析,為區(qū)域內(nèi)紫色土坡耕地應(yīng)對季節(jié)性干旱和合理利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地點(105°27′E,31°16′N)位于四川盆地中北部地區(qū)鹽亭縣大興鄉(xiāng)境內(nèi)的中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(簡稱鹽亭站)綜合觀測場,地處涪江支流彌江、湍江的分水嶺上。該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫17.3 ℃,多年平均降雨量826 mm,年內(nèi)降雨分布極不均勻,其中85%集中于夏季和秋季。研究區(qū)域土壤為蓬萊鎮(zhèn)組石灰性紫色土,質(zhì)地為中壤,飽和含水量為0.37～0.43 cm3·cm?3,田間持水量為0.31～0.36 cm3·cm?3,萎蔫系數(shù)為0.23～0.29 cm3·cm?3,有效水含量為0.06～0.09 cm3·cm?3[13],為典型旱作土壤,土層淺薄,平均土層厚度約60 cm,且土壤剖面下層泥頁巖透水較弱。該區(qū)域坡耕地農(nóng)業(yè)模式主要為夏玉米與冬小麥或油菜(Brassica chinensis)輪作。本研究中綜合觀測樣地海拔約420 m,位于流域內(nèi)二臺地上,面積約1600 m2,坡度6°,下墊面較為均一,種植方式為玉米-小麥輪作,樣地周邊均為相似的種植方式,坡地上坡為柏樹(Cupressus funebris)純林,臺地邊緣分布少量柏樹,從流域尺度上可視為典型農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 觀測儀器與數(shù)據(jù)采集

常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)為Vaisala氣象輻射自動監(jiān)測系統(tǒng)(芬蘭,Vaisala),安裝高度為1.5 m。安裝有1個四分量凈輻射傳感器(7900-144,K&Z CNR4,Kippzonen)、1個雨量桶(TR-525USW,Texas Electronics)、2個空氣溫濕度傳感器(HMP 155A,Vaisala,Finland),另有5個土壤溫濕度傳感器(70030,Stevens),探頭安裝在10～100 cm土層深度。常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率為30 min,每30 min記錄凈輻射(Rn)、降水(P)、空氣溫度(Ta)、空氣相對濕度(RH)、飽和水汽壓差(VPD)、土壤含水量(SWC)、土壤溫度(Ts)。

本研究采用渦度協(xié)方差法(Eddy covariance,EC,也稱渦度相關(guān))測定2014—2018年紫色土坡耕地田間通量數(shù)據(jù)。開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)包括1套三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3)和1套開路式CO2/H2O氣體分析儀(LI-7500A,LI-COR,USA),安裝高度2.5 m。所有數(shù)據(jù)都使用數(shù)據(jù)采集器(Model 9210 XLITE,Sutron)以10 Hz的頻率記錄(Sutron Datalogger),在線存儲30 min的CO2通量(carbon flux,Fc)、水汽通量(water flux,Fw)、蒸散發(fā)(ET)、摩擦風(fēng)速(Ustar)、潛熱通量(latent heat flux,LE)。

2014—2018年綜合觀測場玉米與小麥生長季葉面積指數(shù)(LAI)數(shù)據(jù)、E-601B型蒸發(fā)桶測定的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)為四川鹽亭農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(http://yga.cern.ac.cn)共享數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 水分利用效率公式

水分利用效率為生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)與生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)(ET)的比值,可表示為:

式中:ET由渦度相關(guān)系統(tǒng)直接測得,GPP由生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)與生態(tài)系統(tǒng)呼吸量(Reco)計算獲得,表示為:

式中:NEE可由渦度相關(guān)系統(tǒng)直接測得。NEE負(fù)值表示該農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為碳匯,正值表示碳源。

根據(jù)Lloyd-Tayloy方程,可知土壤溫度為影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸的主要因素[20]。夜晚作物光合作用停止,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳交換量可認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)的呼吸量(Reco),因此可以利用夜間渦度相關(guān)系統(tǒng)所測碳通量與土壤溫度擬合出估算生態(tài)系統(tǒng)呼吸量,本研究所擬合的回歸方程為:

式中:Ts指10 cm深度土壤溫度,將白天土壤溫度代入公式(3),可估算出白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸量。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

通量數(shù)據(jù)采用Eddypro 6.2.1軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理,主要包括異常值剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、時間延遲修正、WPL密度修正。剔除由于惡劣天氣、湍流不充分等導(dǎo)致的不合理數(shù)據(jù)及摩擦風(fēng)速小于0.15 m·s?1所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。對于儀器故障和特殊天氣等原因而造成的相鄰時間內(nèi)的缺失數(shù)據(jù)采取如下辦法插補(bǔ):采用MDV(平均日變化法)插補(bǔ)≤2 h的數(shù)據(jù),缺失數(shù)據(jù)采用相鄰幾天相同時刻的平均值進(jìn)行插補(bǔ)[21]。

將2014—2018年的蒸散發(fā)(ET)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率(WUE)數(shù)據(jù)按月劃分,求每月同一時刻的平均值。研究區(qū)11月—翌年5月為冬小麥生長季,6—10月為夏玉米生長季,結(jié)合氣溫和作物生長季節(jié)的分布特點,本文以3—5月為春季(冬小麥生長盛期、收獲期),6—8月為夏季(夏玉米生長期),9—11月為秋季(夏玉米收獲期、休閑期及冬小麥種植期),12月—翌年2月為冬季(冬小麥生長初期)劃分紫色土坡耕地的4個季節(jié),進(jìn)而分析生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的季度差異。

使用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及篩選,IMB SPSS Statistics 20.0軟件對蒸散發(fā)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率與環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,采用OriginPro 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因子及作物葉面積指數(shù)變化特征

2.1.1 環(huán)境因子變化特征

研究區(qū)2014—2018年日凈輻射均值及飽和水汽壓差、大氣溫度、土壤溫度8:00—18:00均值均呈現(xiàn)出夏季高、冬季低的季節(jié)變化特征(圖1),曲線為單峰型。凈輻射最大值出現(xiàn)在6月,為15.74 MJ·m?2·d?1;飽和水汽壓差、氣溫、土壤溫度最大值出現(xiàn)在7月下旬,分別為4.56 kPa、29.87 ℃、28.32 ℃。

通過鹽亭站氣象觀測場蒸發(fā)皿、雨量筒測得的2014—2018年各月平均蒸發(fā)量、降水量(圖2)可知,紫色土坡耕地冬季(12月、1月、2月)及11月蒸發(fā)量大于降水量,春季(3月、4月、5月)蒸發(fā)量稍大于降水量,夏季(6月、7月、8月)、9月及10月降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量。從月際分布特征來看,紫色土坡耕地雨季水量盈余,冬季相對缺水。但由于夏玉米生長旺盛期也在夏季,雨季月內(nèi)不均勻的降水分布特征和紫色土持水能力較弱[17]是導(dǎo)致夏玉米面臨季節(jié)性干旱威脅的主要原因。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)及水分利用過程與降水、土壤水分狀況、蒸發(fā)強(qiáng)度密切相關(guān)。以2015年為例,紫色土坡耕地全年降水量及不同深度土壤含水量的動態(tài)變化特征(圖3)顯示,全年降水主要集中在雨季,其中6月和8—9月的降水量較大。降水過程明顯影響著土壤含水量的變化,其中表層土(0.10 m深度)土壤含水量隨降雨事件而發(fā)生較大波動(0.15～0.43 cm3·cm?3之間變化),對降水過程的響應(yīng)較為敏感。而更深層土壤含水量對降雨的響應(yīng)較小,相對滯后。0.80 m深度土壤含水量明顯大于其他各層,非降雨日0.10 m深度土壤含水量最低。除5月份外,觀測樣地8月初也存在土壤含水量極低的情況,這與7月份整月降水量均較少有關(guān),說明夏玉米也可能存在干旱脅迫[16,22]。

2.1.2 作物葉面積指數(shù)變化特征

作物生長季葉面積指數(shù)LAI具有明顯的變化特征(圖4),其中11月—翌年5月為冬小麥生長季,6—10月為夏玉米生長季,5月、9月、10月因收獲期作物葉片枯黃無法準(zhǔn)確測定葉面積,故無數(shù)據(jù)。小麥生長期內(nèi),LAI隨作物生長呈先緩慢后迅速增加的趨勢,其中分蘗期(1—2月)、抽穗期(3—4月)LAI增長迅速。夏玉米LAI隨作物的生長發(fā)育呈急劇增長的趨勢。

2.2 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)平均蒸散發(fā)日變化特征

2014—2018年紫色土坡耕地蒸散發(fā)數(shù)據(jù)按月計算每天同時刻的水汽通量的平均值,反映當(dāng)月平均日變化,并按季節(jié)劃分。結(jié)果顯示紫色土坡耕地各月蒸散發(fā)均表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律(圖5),呈現(xiàn)夜晚低、白天高的“單峰型”變化趨勢,且均在14:00左右達(dá)最大值,主要是由于日出后隨著太陽輻射不斷增強(qiáng),蒸散速率不斷加快,14:00前后溫度最高,太陽輻射也相對較強(qiáng),水分蒸發(fā)和植物蒸騰相對較劇烈。之后,隨著太陽輻射減弱,蒸散速率也逐漸減弱,蒸散發(fā)在19:00—19:30降低到日出前的水平。而夜間蒸散速率較低,波動較為平緩,各月蒸散發(fā)均接近0,小于0.15 mm·h?1,其原因為夜間溫度低,無太陽輻射,蒸發(fā)和植物蒸散都很微弱。

整個觀測期間各月蒸散發(fā)存在差異,各月蒸散發(fā)峰值分別為:1月0.089 mm·h?1,2月0.198 mm·h?1,3月0.292 mm·h?1,4月0.339 mm·h?1,5月0.213 mm·h?1,6月0.279 mm·h?1,7月0.376 mm·h?1,8月0.454 mm·h?1,9月0.196 mm·h?1,10月0.158 mm·h?1,11月0.106 mm·h?1,12月0.092 mm·h?1,最大日峰值出現(xiàn)在8月,最小日峰值出現(xiàn)在1月,峰值均出現(xiàn)在13:00—14:00。從月變化來看,7月、8月蒸散發(fā)明顯高于其他月份,其次為3月、4月,11月、12月、1月蒸散發(fā)最低。

從季節(jié)變化來看,紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)夏季蒸散發(fā)最大,且日間變化幅度最大,日間峰值在0.4 mm·h?1左右;春季日變化規(guī)律與夏季相似,但峰值和變化幅度降低;冬季和秋季的蒸散發(fā)較小,日內(nèi)蒸散發(fā)曲線較為平緩,日間變化幅度較小,其中冬季日間峰值在0.1 mm·h?1左右波動。總體而言,夏季(7—8月)氣溫較高,降雨量大,且玉米生長旺盛,葉面積指數(shù)增加,因此較其他季節(jié)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散作用更強(qiáng);春季(2—4月)小麥逐漸發(fā)育成熟,進(jìn)而導(dǎo)致植物蒸騰作用增強(qiáng)。

2.3 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)水分利用效率日變化特征

從圖6可知,紫色土坡耕地各季節(jié)CO2通量在9:00—17:00均為負(fù)值,且均呈“早晚高、中午低”的變化趨勢,表明CO2通量方向是由大氣向紫色土坡耕地生態(tài)系統(tǒng)輸送,呈現(xiàn)出“碳匯效應(yīng)”。夏季(玉米生長期)CO2通量變化幅度高于其他季節(jié)。與此相關(guān),GPP日變化規(guī)律總體呈現(xiàn)出“早晚低,中午高”的趨勢,日出后隨著太陽輻射的增強(qiáng),光合作用逐漸增強(qiáng),GPP逐漸升高,正午后隨著太陽輻射的逐漸減弱,GPP有所下降。整體而言,夏季與冬季GPP高于秋季與春季。

水分利用效率是農(nóng)田碳循環(huán)與水循環(huán)的重要組成部分,能反映作物對水分的利用能力。不同季節(jié)紫色土坡耕地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率平均日變化規(guī)律(9:00—17:00)總體呈逐漸下降趨勢(圖7)。日出后隨太陽輻射不斷增強(qiáng),光合速率和蒸騰速率不斷增強(qiáng),光合作用增加速率高于蒸騰作用,水分利用效率達(dá)最大值。隨著太陽輻射不斷增強(qiáng),蒸騰速率增大,水分利用效率逐漸減弱。各季度均在15:00之后出現(xiàn)水分利用效率加速降低的趨勢,可能與該時段光合作用強(qiáng)度急劇降低有關(guān)[23]。春季水分利用效率日變化趨勢略有不同,可能與春季積溫不高,早晨和傍晚蒸騰作用強(qiáng)度明顯偏低有關(guān)。

整體而言,冬季與秋季水分利用效率要高于春季與夏季,其中冬季水分利用效率最高,春季水分利用效率最低。全年最大日峰值出現(xiàn)在2月(小麥生長旺盛期),為19.7 mg·g?1;最小日峰值出現(xiàn)在5月(小麥?zhǔn)斋@期),為3.13 mg·g?1。

2.4 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)GPP、ET、TR和WUE的協(xié)同變化特征

從圖8可知,觀測期間總初級生產(chǎn)力(GPP)日均值呈現(xiàn)出冬夏高、春秋低的變化規(guī)律。冬季(1—2月)、夏季(7—8月)為作物的生長茂盛期,GPP維持在較高的水平;而作物進(jìn)成熟期,下茬作物播種期(5—6月和10—11月),GPP維持在較低的水平。全年GPP平均值春季為0.239 mg·m?2·s?1,夏季為0.501 mg·m?2·s?1,秋季為0.357 mg··m?2·s?1,冬季為0.426 mg·m?2·s?1。

蒸散發(fā)ET日均值呈現(xiàn)出夏秋季高、冬春季低的單峰型變化規(guī)律,與凈輻射、大氣溫度的變化趨勢一致。此外,雨季7—9月ET維持在較高的水平。全年日平均最大ET為0.177 g·m?2·s?1,最小為0.013 g·m?2·s?1。生態(tài)系統(tǒng)呼吸量與土壤溫度和蒸散發(fā)變化趨勢較為一致,為夏秋季高、冬春季低的單峰型變化規(guī)律。與此同時,生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUE呈冬季高、春季低的變化趨勢,日平均水分利用效率春季為2.86 mg·g?1,夏季為5.53 mg·g?1,秋季為6.00 mg·g?1,冬季為12.3 mg·g?1。

2.5 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)對蒸散發(fā)和水分利用效率的影響

研究區(qū)小麥生長季蒸散發(fā)與葉面積指數(shù)呈指數(shù)型曲線關(guān)系(圖9)。玉米生長季蒸散發(fā)與葉面積指數(shù)呈二次曲線關(guān)系:當(dāng)LAI＜2.5,隨LAI增加蒸散發(fā)也增加;當(dāng)LAI＞2.5時,隨LAI增加蒸散發(fā)基本保持不變,略微下降(圖9)。小麥季水分利用效率與LAI均呈二次曲線關(guān)系:當(dāng)LAI＜2.3時,隨著LAI的增大,WUE增大,超過閾值后隨著LAI的增大,WUE減小(圖9)。玉米季W(wǎng)UE與LAI均呈先增大后減小的二次曲線關(guān)系,LAI閾值為1.7(圖9)。

2.6 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)與環(huán)境因子的關(guān)系

環(huán)境因子是影響紫色土坡耕地蒸散強(qiáng)度的重要因素。從圖10可知,紫色土坡耕地蒸散發(fā)隨凈輻射、飽和水汽壓差的增大呈線性增長趨勢,隨空氣溫度、土壤溫度的增大呈指數(shù)型增長的趨勢,隨空氣相對濕度的增大呈減小的趨勢,隨風(fēng)速的增大呈先增大后減小的二次曲線趨勢(圖10)。坡耕地蒸散發(fā)隨土壤含水量的增大無明顯變化趨勢。

為了細(xì)致揭示作物不同階段的蒸散發(fā)特點,本文針對不同季節(jié)不同環(huán)境因子的影響程度進(jìn)行了深入分析(表1)。春季蒸散發(fā)與凈輻射、空氣溫度、風(fēng)速、相對濕度、飽和水汽壓差極顯著相關(guān)(P＜0.01),與土壤含水量、土壤溫度相關(guān)性不顯著;夏季、秋季及冬季蒸散發(fā)與凈輻射、空氣溫度、相對濕度、飽和水汽壓差、土壤溫度均呈顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),此外夏季、冬季土壤含水量與蒸散發(fā)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),秋季土壤含水量與蒸散發(fā)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。各季節(jié)凈輻射、空氣溫度、相對濕度、飽和水汽壓差均與蒸散發(fā)呈顯著相關(guān)關(guān)系,說明凈輻射、空氣溫度、相對濕度、飽和水汽壓差為紫色土坡耕地蒸散發(fā)主要的環(huán)境影響因子。

表1 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)蒸散發(fā)與環(huán)境因子的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis of seasonal evapotranspiration and environmental factors of agro-ecosystem of slopy farmland in purple soil area in different seasons

2.7 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率與環(huán)境因子的關(guān)系

從圖11可知,紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率與凈輻射和土壤溫度呈極顯著指數(shù)型負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與空氣溫度呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01);飽和水汽壓差與水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),空氣相對濕度與水分利用效率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。水分利用效率隨土壤含水量和風(fēng)速的增大呈先降低后增加的二次項趨勢(P＜0.01)。

具體而言,不同季節(jié)水分利用效率的主要驅(qū)動因子不同。春季除凈輻射外其他環(huán)境因子對水分利用效率的影響均達(dá)顯著水平(表2)。各個季節(jié)中CO2通量與水分利用效率的相關(guān)系數(shù)較高,均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01);凈輻射與各季水分利用效率的相關(guān)性均不顯著,土壤溫度與各季水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。春季與夏季,水分利用效率與空氣溫度的負(fù)相關(guān)性極顯著(P＜0.01),冬季空氣溫度與水分利用效率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。冬季土壤含水量與水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),其他季節(jié)土壤含水量與水分利用效率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。

表2 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)水分利用效率與環(huán)境因子的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of seasonal water use efficiency and environmental factors of agro-ecosystem of slopy farmland in purple soil area

3 討論

3.1 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)動態(tài)變化特征及其環(huán)境因子

研究區(qū)11月—翌年5月為冬小麥生長季,6—10月為夏玉米生長季,結(jié)合氣溫和作物生長季節(jié)的分布特點,本文以3—5月為春季(冬小麥生長盛期、收獲期),6—8月為夏季(夏玉米生長期),9—11月為秋季(夏玉米收獲期、休閑期及冬小麥種植期),12月—翌年2月為冬季(冬小麥生長初期)。本研究對不同季節(jié)蒸散發(fā)研究發(fā)現(xiàn),紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)具有明顯的日變化規(guī)律,不同季節(jié)蒸散發(fā)日動態(tài)均呈單峰型曲線,且各月份蒸散發(fā)具有差異,這與研究區(qū)下墊面環(huán)境條件變化緊密相關(guān)。本研究中渦度相關(guān)系統(tǒng)下墊面的農(nóng)業(yè)種植模式為冬小麥-夏玉米輪作,其中5—10月為夏玉米種植期,11月到次年4月為冬小麥種植期。趙麗雯等[24]通過研究黑河中游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)認(rèn)為,玉米在生長初期到發(fā)育階段,土壤蒸發(fā)量大于蒸騰量,從發(fā)育階段開始由作物蒸騰占主導(dǎo),到后期蒸騰量減小,土壤蒸發(fā)增加。本研究夏玉米生長季蒸散發(fā)隨LAI的增大呈先增大后減小的趨勢:在夏玉米播種—出苗期(5—6月)蒸散發(fā)日變化曲線相對平緩,隨著夏玉米的生長(7—8月),蒸騰速率加快,農(nóng)田蒸散發(fā)增大,夏玉米生長后期(9—10月)葉片衰黃枯老,蒸散發(fā)降低。本研究與位于東南季風(fēng)區(qū)的其他農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究結(jié)果較為一致。如陽伏林等[25]指出黃土高原半干旱區(qū)春小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)呈早晚低、中午高的日變化特征。王宇等[26]研究發(fā)現(xiàn),玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)波動較大,總體上夏季較大,冬季較小。但與其他季風(fēng)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究結(jié)果相比,本研究日蒸散發(fā)峰值出現(xiàn)在8月(0.454 mm·h?1),與錦州農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站的研究結(jié)果相近(0.45 mm·h?1),明顯高于黃土高原春玉米農(nóng)田日蒸散發(fā)峰值(0.22 mm·h?1),這可能與本研究區(qū)雨季降雨相對較豐富有關(guān)。

不同環(huán)境因子影響蒸散作用的機(jī)制不同,紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的變化受各種環(huán)境因子共同的作用。凈輻射為蒸散發(fā)提供了能量來源,驅(qū)動著溫度的變化及熱量的交換[27],其擬合方程符合線性關(guān)系式的決定系數(shù)(R2=0.25,P＜0.01)低于黃土高原春小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(R2=0.99)[25]和海南島橡膠(Hevea brasiliensis)林生態(tài)系統(tǒng)(R2=0.59)[28];略低于安吉毛竹(Phyllostachys edulis)林的春季擬合方程(R2=0.26),高于其冬季擬合方程(R2=0.05)[29]。本研究中秋季凈輻射與蒸散發(fā)相關(guān)性最強(qiáng),春季最低,可能由于春季氣候變化相對復(fù)雜,故蒸散發(fā)與凈輻射的相關(guān)性較低,與劉玉莉等[29]的研究結(jié)果相符。在各季節(jié)空氣溫度與蒸散發(fā)相關(guān)性最好,說明大氣溫度是影響紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)最主要的環(huán)境驅(qū)動因子?？諝鉁囟葘φ羯l(fā)的影響與凈輻射相類似,隨著太陽輻射增加,空氣溫度升高,水分子運(yùn)動更加劇烈,水分蒸散強(qiáng)度增大[30]。此外,溫度的升高常伴隨著水汽飽和壓差的增大,土壤、作物與大氣間的水汽濃度差異為系統(tǒng)蒸散發(fā)提供了動力,飽和水汽壓差為表征水汽密度差異的重要指標(biāo)可用來表示蒸散發(fā)的驅(qū)動力[31]。本研究中各季節(jié)空氣飽和水汽壓差均與蒸散發(fā)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),春季與冬季蒸散發(fā)與飽和水汽壓差的相關(guān)性系數(shù)低于夏季與秋季,主要原因為紫色土丘陵區(qū)降雨主要集中在雨季(夏、秋季),而春季、冬季降雨少,土壤田間持水量較低,當(dāng)飽和水汽壓差增大到一定程度時,作物為保持自身水量平衡而關(guān)閉氣孔,從而降低蒸騰作用,故削弱了蒸散發(fā)與飽和水汽壓差的正相關(guān)關(guān)系[29]。除此之外,空氣相對濕度為影響研究區(qū)蒸散發(fā)的另一個重要環(huán)境因子。研究表明,空氣中存在水汽有利于蒸散的發(fā)生,但當(dāng)空氣相對濕度超過一定范圍時,植物葉表面和臨近空氣的相對壓差會降低,不利于蒸散的發(fā)生[32]。紫色土地區(qū)全年空氣相對濕度較大(年平均值為61.5%±16.9%),全年各季節(jié)空氣相對濕度與蒸散發(fā)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),二者擬合曲線呈二次項關(guān)系(R2=0.46),與劉國水等[33]對北京大興區(qū)農(nóng)田的擬合結(jié)果一致,略低于其渦度相關(guān)所測值的擬合結(jié)果(R2=0.59)。風(fēng)速通過減小空氣動力學(xué)阻力加快蒸散[31],本研究區(qū)夏季與秋季風(fēng)速較小且變化幅度不大,因此風(fēng)速與蒸散發(fā)相關(guān)關(guān)系不強(qiáng)(表1)。研究表明,植物為維持體內(nèi)水分平衡會降低氣孔導(dǎo)度來減少水分的蒸騰散失,隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大蒸散發(fā)反而趨于降低,這種變化特點可能是由于作物氣孔的自我防護(hù)機(jī)制導(dǎo)致的[34]。干旱及半干旱地區(qū),土壤水分條件是影響蒸散發(fā)的重要環(huán)境因子[35-36],而在土壤水分充足的條件下,凈輻射為蒸散發(fā)的主要控制因素[37]。此外研究表明,植物蒸騰量與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系,且不同深度土壤水分對蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)不同[38],張曉娟等[28]認(rèn)為5 cm土壤含水量為影響海南島橡膠林蒸散發(fā)的主要環(huán)境因子之一。本研究中紫色土坡耕地秋季為夏玉米收獲期和休閑期,蒸散發(fā)基本來自土壤蒸發(fā),因此土壤含水量與蒸散發(fā)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。冬季土壤含水量與蒸散發(fā)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與前人研究結(jié)果[28,25]不同,可能由于溫度升高伴隨著表層土壤含水量降低和蒸散發(fā)增大,同時意味著大氣溫度是影響紫色土坡耕地的主要環(huán)境因子。

3.2 紫色土坡耕地水分利用效率動態(tài)變化特征及其環(huán)境因子分析

水分利用效率為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)的重要研究內(nèi)容,也可以用于評估作物對水分的利用能力。本研究中紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率在各季節(jié)均具有明顯的日變化規(guī)律,水分利用效率日峰值主要出現(xiàn)在清晨,這與之前的大多數(shù)研究結(jié)果一致[39-41]。在測定方法相同的條件下,本研究區(qū)年平均水分利用效率(6.82 mg·g?1)遠(yuǎn)大于華北平原灌溉麥田溫暖濕潤年(1.52 g·kg?1)和溫暖干旱年(1.22 g·kg?1)[42],高于美洲通量網(wǎng)的3個農(nóng)田通量站(3.0～3.5 g·kg?1)[43],略大于黃土高原半干旱區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(5.23 g·kg?1)[44];但日峰值(2.76～19.9 mg·g?1)小于科爾沁沙地玉米群體的日峰值(0.025～0.191 g·g?1)[40]。此外,紫色土坡耕地冬季與秋季水分利用效率高于春季與夏季。其主要原因為該區(qū)域雨季暴雨較多,但降水分布不均勻,使得水分利用效率較低,而冬季土壤含水量相對較低,作物可利用水分總量相對較少,且小麥葉面積指數(shù)較低,蒸散發(fā)損失較少,故冬季紫色土坡耕地小麥水分利用效率為全年最高。其后隨著春季小麥生長,固定相同質(zhì)量的CO2所需要的水分減少,部分葉片衰老,光合能力下降,水分利用效率降低。此外秋季相較于夏季,溫度和降水都大幅降低,蒸散作用低于春夏季節(jié),因此水分利用效率相對較高。李輝東等[40]對科爾沁草甸生態(tài)系統(tǒng)的研究表明,植物生長中期水分利用效率高于生長初期和末期。美爾汗·黑扎特等[45]的研究發(fā)現(xiàn),塔里木河下游胡楊(Populus euphratica)水分利用效率在開花期最高,展葉期和果熟期最低。戰(zhàn)領(lǐng)等[43]認(rèn)為水分利用效率隨作物生長期的變化而變化,玉米生長初期較低,在生長旺盛期達(dá)最大,隨著玉米成熟降低?？傮w而言,紫色土坡耕地生態(tài)系統(tǒng)研究結(jié)果同其他生態(tài)系統(tǒng)相似,無論夏玉米還是冬小麥生長盛期水分利用效率均高于其他生長期,水分利用效率隨葉面積指數(shù)的增大呈先增大后減小的二次曲線趨勢。因此從維持生態(tài)系統(tǒng)最大生產(chǎn)價值角度出發(fā),保證作物生長盛期的水分供應(yīng)是紫色土坡耕地土壤水分管理的重要策略。

生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率受植被類型[46-47]、生物因素[40,48]及外界環(huán)境因素[49,42]的影響,且不同環(huán)境因素對水分利用效率的影響程度不同。如張桂玲等[50]研究表明,不同樹種水分利用效率與空氣溫度、空氣相對濕度、飽和水汽壓差的相關(guān)性不同;黃健強(qiáng)等[51]認(rèn)為空氣溫度、飽和水汽壓差對干季的水分利用效率影響顯著,有效光合輻射對濕季的影響顯著。氣孔作為植物與外界物質(zhì)交換的通道,是調(diào)控植物光合作用和蒸騰作用的關(guān)鍵[52]。研究表明植物氣孔導(dǎo)度和溫度呈正相關(guān)關(guān)系[53],作物為適應(yīng)大氣溫度進(jìn)行氣孔調(diào)節(jié),來控制CO2的吸收和水分蒸騰,對作物光合作用和蒸騰作用產(chǎn)生影響,從而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率,凈輻射與大氣溫度對作物水分利用效率的影響機(jī)制類似[54]?？諝鉁囟戎饕ㄟ^影響作物光合作用和蒸騰作用來影響作物水分利用效率。本研究區(qū)全年空氣溫度與水分利用效率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,與Yu等[55]對森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致;但吳方濤等[41]對高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的研究表明,氣溫與水分利用效率呈指數(shù)型正相關(guān)關(guān)系,可能是因為本研究區(qū)溫度升高所導(dǎo)致的作物蒸騰速率高于GPP的增加速率,進(jìn)而水分利用效率降低。冬季大氣溫度與水分利用效率呈顯著正相關(guān)關(guān)系,可能由于冬季相對干旱,大氣溫度的升高提高了小麥光合速率,而造成的蒸散發(fā)較少。土壤含水量對水分利用效率的影響不僅體現(xiàn)在對蒸散發(fā)的影響,還可以通過影響植物生理特性進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)GPP與水分利用效率[56]。研究表明,在相對土壤含水量較小時,環(huán)境因子對水分利用效率的影響較小,當(dāng)相對土壤含水量較高時,氣象因子是影響碳固定和水分損耗的主要原因[57]。相關(guān)研究表明,空氣相對濕度的增加會抑制蒸散發(fā),對植物水分利用效率有促進(jìn)作用;飽和水汽壓差為影響蒸散發(fā)的驅(qū)動力,使得蒸散速率高于光合速率,對植物水分利用效率有抑制作用[58],因此本研究當(dāng)空氣相對濕度較高、飽和水汽壓差較低時,蒸散過程受到抑制,水分利用效率增大,這與多數(shù)研究相類似[42,59]。土壤含水量在不同季節(jié)影響紫色土坡耕地水分利用效率的方式和程度均不同。本研究區(qū)冬季土壤含水量與蒸散發(fā)、水分利用效率均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,影響水分利用效率的主要原因可能是本研究區(qū)冬季降水較少,土壤含水量曲線相對平緩有關(guān),干季土壤含水量的減小主要由于溫度和凈輻射的增大,這些條件有利于提高作物光合作用,因此冬季土壤含水量與水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時其他季節(jié)土壤水分含量對水分利用效率具有促進(jìn)作用,這與張傳偉等[42]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示CO2通量為影響紫色土坡耕地水分利用效率的主要因素之一,這是因為CO2濃度直接影響作物的光合作用,與賀偉等[60]、美爾汗·黑扎特等[45]的研究結(jié)果類似。本研究(2014—2018年)期間出現(xiàn)的夏旱事件較少,因此對于夏季作物水分利用效率變化機(jī)理的認(rèn)識還不夠,需要繼續(xù)關(guān)注未來的長期觀測數(shù)據(jù)。

3.3 紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年際蒸散發(fā)與水分利用效率的差異性

以2015年與2018年為例,2015年4—12月整體日蒸散發(fā)稍大于2018年,生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率小于2018年(圖12)。2015年6—9月降水量分別為286.0 mm、44.7 mm、215.0 mm、221.3 mm,2018年6—9月降水量分別為65.0 mm、149.0 mm、64.5 mm和74.0 mm,降水量的不同可能是導(dǎo)致兩年間紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)與水分利用效率差異的原因[61]。此外有研究指出,生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率也可能會受到降雨變異性的影響[41]。本研究中2015年雨季降水分布不均可能是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率低于2018年的原因之一,夏季農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)及水分利用效率更容易受到季節(jié)性干旱的影響。紫色土坡耕地2015年年均氣溫為17.01 ℃,2018年年均氣溫為16.52 ℃,兩年間氣溫差異性不大,因此作為影響蒸散發(fā)與水分利用效率季節(jié)變化的主要原因,氣溫可能不是影響蒸散發(fā)與水分利用效率年際變化的主要環(huán)境因素?？傮w而言,年際差異分析結(jié)果表明紫色土坡耕地夏季玉米生長盛期的水分利用效率對降雨響應(yīng)更為敏感。

4 結(jié)論

利用渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)對2014—2018年紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)與水分利用效率動態(tài)特征及其影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:各月平均蒸散發(fā)均表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律,呈夜晚低、白天高的 “單峰型”變化趨勢,6:00—8:00開始逐漸升高,14:00左右達(dá)最大值后逐漸降低,19:00—19:30降低到日出前水平。各月蒸散發(fā)存在差異,8月為全年最高,1月為全年最低。季節(jié)尺度上,夏季日變化幅度最大,春季次之,冬季和秋季的曲線較為平緩;葉面積指數(shù)、凈輻射、空氣溫度、飽和水汽壓差是影響紫色土坡耕地蒸散發(fā)的最主要環(huán)境因子,其次為飽和水汽壓差。蒸散發(fā)與凈輻射、空氣溫度、土壤溫度、飽和水汽壓差呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與空氣相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;蒸散發(fā)與風(fēng)速、土壤含水量的相關(guān)關(guān)系不明顯。水分利用效率總體呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢日變化規(guī)律。季節(jié)尺度上,冬季水分利用效率為全年最大,冬季與秋季水分利用效率高于春季與夏季;總體而言,夏玉米與冬小麥生長盛期水分利用效率高于其他生長期。葉面積指數(shù)、CO2通量為影響紫色土坡耕地水分利用效率的主要因素,其次為溫度、相對濕度、飽和水汽壓差等條件也顯著影響了水分利用效率。紫色土坡耕地夏季玉米生長盛期的水分利用效率對降雨響應(yīng)更為敏感,同時土壤含水量是影響冬季蒸散發(fā)和水分利用效率的重要因子。由于本研究期間數(shù)據(jù)序列存在一定的缺失,未來更長時間序列的觀測結(jié)果有助于更進(jìn)一步地識別區(qū)域內(nèi)典型坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)與水分利用效率的動態(tài)變化機(jī)理,從而為進(jìn)一步優(yōu)化紫色土坡耕地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分管理措施提供科學(xué)依據(jù)。