紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发与水分利用效率及其影响因素*

陈 露,章熙锋,王艳强,高美荣,唐家良**

(1.中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 成都 610041;2.中国科学院大学 北京 100049)

蒸散发包括蒸发和蒸腾,是土壤-植被-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continum,SPAC)中水循环的重要环节之一,是水量和能量平衡的主要构成,也是农田生态系统水分消耗的主要途径[1-2]和水分利用效率计算中的重要基础参数。同时蒸散发还是影响区域气候的主要因素,受环境及生物多方面因素的影响[3]。随着通量观测技术的不断发展,涡度相关法成为植被与大气间物质及能量交换最有效的测定方法。与其他方法相比,涡度相关法物理基础完备,理论假设少,实现了对水、热、碳的长期、连续和非破坏性的同步、定点测量[4-5]。因此,利用涡度相关系统测定群体CO2通量及水分通量耦合基础上的水分利用效率已被广泛采用[6]。在农学领域,作物耗水与干物质生产之间的关系用作物的水分利用效率(WUE)表示,是评价作物生长状态的综合生理生态重要参数之一[7]。根据研究尺度的不同,作物WUE的研究通常分为叶片、植株和生态系统3个水平,其中生态系统水分利用效率可表征田间或区域的水分利用效率,能更加客观地反映实际作物的水分利用状况[8]。目前涡度相关法是测定生态系统水分利用效率的最有效方法[9]。

紫色土主要分布于长江中上游地区,四川盆地丘陵地区分布最广[10]。紫色土丘陵区虽然降雨量丰富,但降雨主要集中于雨季,季节性干旱发生频率较高,为春旱、初夏旱地区,季节分配不均带来的季节性干旱或洪涝问题,导致农作物的生长发育受到影响[11]。此外,该区域土壤具有“浅薄化”的特征,土壤蓄水能力相对较弱,植物可利用的有效水量较少[12-14]。紫色土为一种高生产力的岩性土,因此该区域是四川省玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)、甘薯(Dioscorea esculenta)等粮食作物的主产区[15-16]。如何更有效地利用水资源、提高水分利用效率、利用现有水资源保障较高的作物产量是节水高效农业的核心问题。但目前关于紫色土坡地作物水分利用效率的研究极少,仅有的研究关注于作物水分利用来源与策略及随时间变化的规律[17],如魏玲[18]利用稳定氢氧同位素技术分析得出0～10 cm土壤水为浅薄紫色土区主要农作物玉米、小麦各生长期的最主要水分来源;Zhao等[19]认为紫色土区域玉米苗期主要利用表层土壤自由水,随着生长发育玉米开始利用更深层的土壤束缚水。但少有关于SPAC水分循环过程的系统研究,缺乏较长时间序列下作物系统蒸散发与水分利用效率的动态变化及其影响因素分析。本研究采用涡度相关系统对四川盆地中部典型紫色土坡耕地2014—2018年蒸散发与生态系统水分利用效率变化特征及其影响因素进行系统观测和分析,为区域内紫色土坡耕地应对季节性干旱和合理利用水资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地点(105°27′E,31°16′N)位于四川盆地中北部地区盐亭县大兴乡境内的中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站(简称盐亭站)综合观测场,地处涪江支流弥江、湍江的分水岭上。该地区属中亚热带湿润季风气候区,年均气温17.3 ℃,多年平均降雨量826 mm,年内降雨分布极不均匀,其中85%集中于夏季和秋季。研究区域土壤为蓬莱镇组石灰性紫色土,质地为中壤,饱和含水量为0.37～0.43 cm3·cm−3,田间持水量为0.31～0.36 cm3·cm−3,萎蔫系数为0.23～0.29 cm3·cm−3,有效水含量为0.06～0.09 cm3·cm−3[13],为典型旱作土壤,土层浅薄,平均土层厚度约60 cm,且土壤剖面下层泥页岩透水较弱。该区域坡耕地农业模式主要为夏玉米与冬小麦或油菜(Brassica chinensis)轮作。本研究中综合观测样地海拔约420 m,位于流域内二台地上,面积约1600 m2,坡度6°,下垫面较为均一,种植方式为玉米-小麦轮作,样地周边均为相似的种植方式,坡地上坡为柏树(Cupressus funebris)纯林,台地边缘分布少量柏树,从流域尺度上可视为典型农林复合生态系统。

1.2 观测仪器与数据采集

常规气象观测系统为Vaisala气象辐射自动监测系统(芬兰,Vaisala),安装高度为1.5 m。安装有1个四分量净辐射传感器(7900-144,K&Z CNR4,Kippzonen)、1个雨量桶(TR-525USW,Texas Electronics)、2个空气温湿度传感器(HMP 155A,Vaisala,Finland),另有5个土壤温湿度传感器(70030,Stevens),探头安装在10～100 cm土层深度。常规气象观测系统的数据采样频率为30 min,每30 min记录净辐射(Rn)、降水(P)、空气温度(Ta)、空气相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)、土壤温度(Ts)。

本研究采用涡度协方差法(Eddy covariance,EC,也称涡度相关)测定2014—2018年紫色土坡耕地田间通量数据。开路式涡度相关系统包括1套三维超声风速仪(CSAT3)和1套开路式CO2/H2O气体分析仪(LI-7500A,LI-COR,USA),安装高度2.5 m。所有数据都使用数据采集器(Model 9210 XLITE,Sutron)以10 Hz的频率记录(Sutron Datalogger),在线存储30 min的CO2通量(carbon flux,Fc)、水汽通量(water flux,Fw)、蒸散发(ET)、摩擦风速(Ustar)、潜热通量(latent heat flux,LE)。

2014—2018年综合观测场玉米与小麦生长季叶面积指数(LAI)数据、E-601B型蒸发桶测定的蒸发量数据为四川盐亭农业生态系统国家野外科学观测站科学数据平台(http://yga.cern.ac.cn)共享数据。

1.3 研究方法

1.3.1 水分利用效率公式

水分利用效率为生态系统总初级生产力(GPP)与生态系统蒸散发(ET)的比值,可表示为:

式中:ET由涡度相关系统直接测得,GPP由生态系统碳交换量(NEE)与生态系统呼吸量(Reco)计算获得,表示为:

式中:NEE可由涡度相关系统直接测得。NEE负值表示该农田生态系统为碳汇,正值表示碳源。

根据Lloyd-Tayloy方程,可知土壤温度为影响生态系统呼吸的主要因素[20]。夜晚作物光合作用停止,农田生态系统碳交换量可认为是生态系统的呼吸量(Reco),因此可以利用夜间涡度相关系统所测碳通量与土壤温度拟合出估算生态系统呼吸量,本研究所拟合的回归方程为:

式中:Ts指10 cm深度土壤温度,将白天土壤温度代入公式(3),可估算出白天生态系统呼吸量。

1.3.2 数据处理与分析

通量数据采用Eddypro 6.2.1软件进行标准预处理,主要包括异常值剔除、坐标旋转、时间延迟修正、WPL密度修正。剔除由于恶劣天气、湍流不充分等导致的不合理数据及摩擦风速小于0.15 m·s−1所对应的数据。对于仪器故障和特殊天气等原因而造成的相邻时间内的缺失数据采取如下办法插补:采用MDV(平均日变化法)插补≤2 h的数据,缺失数据采用相邻几天相同时刻的平均值进行插补[21]。

将2014—2018年的蒸散发(ET)和农田生态系统水分利用效率(WUE)数据按月划分,求每月同一时刻的平均值。研究区11月—翌年5月为冬小麦生长季,6—10月为夏玉米生长季,结合气温和作物生长季节的分布特点,本文以3—5月为春季(冬小麦生长盛期、收获期),6—8月为夏季(夏玉米生长期),9—11月为秋季(夏玉米收获期、休闲期及冬小麦种植期),12月—翌年2月为冬季(冬小麦生长初期)划分紫色土坡耕地的4个季节,进而分析生态系统水分利用效率的季度差异。

使用Microsoft Excel 2013对数据进行整理及筛选,IMB SPSS Statistics 20.0软件对蒸散发、农田生态系统水分利用效率与环境因子进行Pearson相关性分析,采用OriginPro 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 紫色土坡耕地农田生态系统环境因子及作物叶面积指数变化特征

2.1.1 环境因子变化特征

研究区2014—2018年日净辐射均值及饱和水汽压差、大气温度、土壤温度8:00—18:00均值均呈现出夏季高、冬季低的季节变化特征(图1),曲线为单峰型。净辐射最大值出现在6月,为15.74 MJ·m−2·d−1;饱和水汽压差、气温、土壤温度最大值出现在7月下旬,分别为4.56 kPa、29.87 ℃、28.32 ℃。

通过盐亭站气象观测场蒸发皿、雨量筒测得的2014—2018年各月平均蒸发量、降水量(图2)可知,紫色土坡耕地冬季(12月、1月、2月)及11月蒸发量大于降水量,春季(3月、4月、5月)蒸发量稍大于降水量,夏季(6月、7月、8月)、9月及10月降水量远远大于蒸发量。从月际分布特征来看,紫色土坡耕地雨季水量盈余,冬季相对缺水。但由于夏玉米生长旺盛期也在夏季,雨季月内不均匀的降水分布特征和紫色土持水能力较弱[17]是导致夏玉米面临季节性干旱威胁的主要原因。

农田生态系统蒸散发及水分利用过程与降水、土壤水分状况、蒸发强度密切相关。以2015年为例,紫色土坡耕地全年降水量及不同深度土壤含水量的动态变化特征(图3)显示,全年降水主要集中在雨季,其中6月和8—9月的降水量较大。降水过程明显影响着土壤含水量的变化,其中表层土(0.10 m深度)土壤含水量随降雨事件而发生较大波动(0.15～0.43 cm3·cm−3之间变化),对降水过程的响应较为敏感。而更深层土壤含水量对降雨的响应较小,相对滞后。0.80 m深度土壤含水量明显大于其他各层,非降雨日0.10 m深度土壤含水量最低。除5月份外,观测样地8月初也存在土壤含水量极低的情况,这与7月份整月降水量均较少有关,说明夏玉米也可能存在干旱胁迫[16,22]。

2.1.2 作物叶面积指数变化特征

作物生长季叶面积指数LAI具有明显的变化特征(图4),其中11月—翌年5月为冬小麦生长季,6—10月为夏玉米生长季,5月、9月、10月因收获期作物叶片枯黄无法准确测定叶面积,故无数据。小麦生长期内,LAI随作物生长呈先缓慢后迅速增加的趋势,其中分蘖期(1—2月)、抽穗期(3—4月)LAI增长迅速。夏玉米LAI随作物的生长发育呈急剧增长的趋势。

2.2 紫色土坡耕地农田生态系统不同季节平均蒸散发日变化特征

2014—2018年紫色土坡耕地蒸散发数据按月计算每天同时刻的水汽通量的平均值,反映当月平均日变化,并按季节划分。结果显示紫色土坡耕地各月蒸散发均表现出明显的日变化规律(图5),呈现夜晚低、白天高的“单峰型”变化趋势,且均在14:00左右达最大值,主要是由于日出后随着太阳辐射不断增强,蒸散速率不断加快,14:00前后温度最高,太阳辐射也相对较强,水分蒸发和植物蒸腾相对较剧烈。之后,随着太阳辐射减弱,蒸散速率也逐渐减弱,蒸散发在19:00—19:30降低到日出前的水平。而夜间蒸散速率较低,波动较为平缓,各月蒸散发均接近0,小于0.15 mm·h−1,其原因为夜间温度低,无太阳辐射,蒸发和植物蒸散都很微弱。

整个观测期间各月蒸散发存在差异,各月蒸散发峰值分别为: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,最大日峰值出现在8月,最小日峰值出现在1月,峰值均出现在13:00—14:00。从月变化来看,7月、8月蒸散发明显高于其他月份,其次为3月、4月,11月、12月、1月蒸散发最低。

从季节变化来看,紫色土坡耕地农田生态系统夏季蒸散发最大,且日间变化幅度最大,日间峰值在0.4 mm·h−1左右;春季日变化规律与夏季相似,但峰值和变化幅度降低;冬季和秋季的蒸散发较小,日内蒸散发曲线较为平缓,日间变化幅度较小,其中冬季日间峰值在0.1 mm·h−1左右波动。总体而言,夏季(7—8月)气温较高,降雨量大,且玉米生长旺盛,叶面积指数增加,因此较其他季节农田生态系统蒸散作用更强;春季(2—4月)小麦逐渐发育成熟,进而导致植物蒸腾作用增强。

2.3 紫色土坡耕地农田生态系统不同季节水分利用效率日变化特征

从图6可知,紫色土坡耕地各季节CO2通量在9:00—17:00均为负值,且均呈“早晚高、中午低”的变化趋势,表明CO2通量方向是由大气向紫色土坡耕地生态系统输送,呈现出“碳汇效应”。夏季(玉米生长期)CO2通量变化幅度高于其他季节。与此相关,GPP日变化规律总体呈现出“早晚低,中午高”的趋势,日出后随着太阳辐射的增强,光合作用逐渐增强,GPP逐渐升高,正午后随着太阳辐射的逐渐减弱,GPP有所下降。整体而言,夏季与冬季GPP高于秋季与春季。

水分利用效率是农田碳循环与水循环的重要组成部分,能反映作物对水分的利用能力。不同季节紫色土坡耕地生态系统水分利用效率平均日变化规律(9:00—17:00)总体呈逐渐下降趋势(图7)。日出后随太阳辐射不断增强,光合速率和蒸腾速率不断增强,光合作用增加速率高于蒸腾作用,水分利用效率达最大值。随着太阳辐射不断增强,蒸腾速率增大,水分利用效率逐渐减弱。各季度均在15:00之后出现水分利用效率加速降低的趋势,可能与该时段光合作用强度急剧降低有关[23]。春季水分利用效率日变化趋势略有不同,可能与春季积温不高,早晨和傍晚蒸腾作用强度明显偏低有关。

整体而言,冬季与秋季水分利用效率要高于春季与夏季,其中冬季水分利用效率最高,春季水分利用效率最低。全年最大日峰值出现在2月(小麦生长旺盛期),为19.7 mg·g−1;最小日峰值出现在5月(小麦收获期),为3.13 mg·g−1。

2.4 紫色土坡耕地农田生态系统GPP、ET、TR和WUE的协同变化特征

从图8可知,观测期间总初级生产力(GPP)日均值呈现出冬夏高、春秋低的变化规律。冬季(1—2月)、夏季(7—8月)为作物的生长茂盛期,GPP维持在较高的水平;而作物进成熟期,下茬作物播种期(5—6月和10—11月),GPP维持在较低的水平。全年GPP平均值春季为0.239 mg·m−2·s−1,夏季为0.501 mg·m−2·s−1,秋季为0.357 mg··m−2·s−1,冬季为0.426 mg·m−2·s−1。

蒸散发ET日均值呈现出夏秋季高、冬春季低的单峰型变化规律,与净辐射、大气温度的变化趋势一致。此外,雨季7—9月ET维持在较高的水平。全年日平均最大ET为0.177 g·m−2·s−1,最小为0.013 g·m−2·s−1。生态系统呼吸量与土壤温度和蒸散发变化趋势较为一致,为夏秋季高、冬春季低的单峰型变化规律。与此同时,生态系统水分利用效率WUE呈冬季高、春季低的变化趋势,日平均水分利用效率春季为2.86 mg·g−1,夏季为5.53 mg·g−1,秋季为6.00 mg·g−1,冬季为12.3 mg·g−1。

2.5 紫色土坡耕地农田生态系统叶面积指数对蒸散发和水分利用效率的影响

研究区小麦生长季蒸散发与叶面积指数呈指数型曲线关系(图9)。玉米生长季蒸散发与叶面积指数呈二次曲线关系:当LAI＜2.5,随LAI增加蒸散发也增加;当LAI＞2.5时,随LAI增加蒸散发基本保持不变,略微下降(图9)。小麦季水分利用效率与LAI均呈二次曲线关系:当LAI＜2.3时,随着LAI的增大,WUE增大,超过阈值后随着LAI的增大,WUE减小(图9)。玉米季WUE与LAI均呈先增大后减小的二次曲线关系,LAI阈值为1.7(图9)。

2.6 紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发与环境因子的关系

环境因子是影响紫色土坡耕地蒸散强度的重要因素。从图10可知,紫色土坡耕地蒸散发随净辐射、饱和水汽压差的增大呈线性增长趋势,随空气温度、土壤温度的增大呈指数型增长的趋势,随空气相对湿度的增大呈减小的趋势,随风速的增大呈先增大后减小的二次曲线趋势(图10)。坡耕地蒸散发随土壤含水量的增大无明显变化趋势。

为了细致揭示作物不同阶段的蒸散发特点,本文针对不同季节不同环境因子的影响程度进行了深入分析(表1)。春季蒸散发与净辐射、空气温度、风速、相对湿度、饱和水汽压差极显著相关(P＜0.01),与土壤含水量、土壤温度相关性不显著;夏季、秋季及冬季蒸散发与净辐射、空气温度、相对湿度、饱和水汽压差、土壤温度均呈显著相关关系(P＜0.01),此外夏季、冬季土壤含水量与蒸散发呈极显著负相关关系(P＜0.01),秋季土壤含水量与蒸散发呈极显著正相关关系(P＜0.01)。各季节净辐射、空气温度、相对湿度、饱和水汽压差均与蒸散发呈显著相关关系,说明净辐射、空气温度、相对湿度、饱和水汽压差为紫色土坡耕地蒸散发主要的环境影响因子。

表1 紫色土坡耕地农田生态系统不同季节蒸散发与环境因子的相关分析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 紫色土坡耕地农田生态系统水分利用效率与环境因子的关系

从图11可知,紫色土坡耕地农田生态系统水分利用效率与净辐射和土壤温度呈极显著指数型负相关关系(P＜0.01),与空气温度呈极显著线性负相关关系(P＜0.01);饱和水汽压差与水分利用效率呈极显著负相关关系(P＜0.01),空气相对湿度与水分利用效率呈极显著正相关关系(P＜0.01)。水分利用效率随土壤含水量和风速的增大呈先降低后增加的二次项趋势(P＜0.01)。

具体而言,不同季节水分利用效率的主要驱动因子不同。春季除净辐射外其他环境因子对水分利用效率的影响均达显著水平(表2)。各个季节中CO2通量与水分利用效率的相关系数较高,均呈极显著负相关关系(P＜0.01);净辐射与各季水分利用效率的相关性均不显著,土壤温度与各季水分利用效率呈极显著负相关(P＜0.01)。春季与夏季,水分利用效率与空气温度的负相关性极显著(P＜0.01),冬季空气温度与水分利用效率呈显著正相关关系(P＜0.05)。冬季土壤含水量与水分利用效率呈极显著负相关关系(P＜0.01),其他季节土壤含水量与水分利用效率呈极显著正相关关系(P＜0.01)。

表2 紫色土坡耕地农田生态系统不同季节水分利用效率与环境因子的相关分析Table 2 Correlation analysis of seasonal water use efficiency and environmental factors of agro-ecosystem of slopy farmland in purple soil area

3 讨论

3.1 紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发动态变化特征及其环境因子

研究区11月—翌年5月为冬小麦生长季,6—10月为夏玉米生长季,结合气温和作物生长季节的分布特点,本文以3—5月为春季(冬小麦生长盛期、收获期),6—8月为夏季(夏玉米生长期),9—11月为秋季(夏玉米收获期、休闲期及冬小麦种植期),12月—翌年2月为冬季(冬小麦生长初期)。本研究对不同季节蒸散发研究发现,紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发具有明显的日变化规律,不同季节蒸散发日动态均呈单峰型曲线,且各月份蒸散发具有差异,这与研究区下垫面环境条件变化紧密相关。本研究中涡度相关系统下垫面的农业种植模式为冬小麦-夏玉米轮作,其中5—10月为夏玉米种植期,11月到次年4月为冬小麦种植期。赵丽雯等[24]通过研究黑河中游农田生态系统蒸散发认为,玉米在生长初期到发育阶段,土壤蒸发量大于蒸腾量,从发育阶段开始由作物蒸腾占主导,到后期蒸腾量减小,土壤蒸发增加。本研究夏玉米生长季蒸散发随LAI的增大呈先增大后减小的趋势:在夏玉米播种—出苗期(5—6月)蒸散发日变化曲线相对平缓,随着夏玉米的生长(7—8月),蒸腾速率加快,农田蒸散发增大,夏玉米生长后期(9—10月)叶片衰黄枯老,蒸散发降低。本研究与位于东南季风区的其他农田生态系统研究结果较为一致。如阳伏林等[25]指出黄土高原半干旱区春小麦农田生态系统蒸散发呈早晚低、中午高的日变化特征。王宇等[26]研究发现,玉米农田生态系统蒸散发波动较大,总体上夏季较大,冬季较小。但与其他季风区农田生态系统蒸散发研究结果相比,本研究日蒸散发峰值出现在8月(0.454 mm·h−1),与锦州农田生态系统野外观测站的研究结果相近(0.45 mm·h−1),明显高于黄土高原春玉米农田日蒸散发峰值(0.22 mm·h−1),这可能与本研究区雨季降雨相对较丰富有关。

不同环境因子影响蒸散作用的机制不同,紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发的变化受各种环境因子共同的作用。净辐射为蒸散发提供了能量来源,驱动着温度的变化及热量的交换[27],其拟合方程符合线性关系式的决定系数(R2=0.25,P＜0.01)低于黄土高原春小麦农田生态系统(R2=0.99)[25]和海南岛橡胶(Hevea brasiliensis)林生态系统(R2=0.59)[28];略低于安吉毛竹(Phyllostachys edulis)林的春季拟合方程(R2=0.26),高于其冬季拟合方程(R2=0.05)[29]。本研究中秋季净辐射与蒸散发相关性最强,春季最低,可能由于春季气候变化相对复杂,故蒸散发与净辐射的相关性较低,与刘玉莉等[29]的研究结果相符。在各季节空气温度与蒸散发相关性最好,说明大气温度是影响紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发最主要的环境驱动因子。空气温度对蒸散发的影响与净辐射相类似,随着太阳辐射增加,空气温度升高,水分子运动更加剧烈,水分蒸散强度增大[30]。此外,温度的升高常伴随着水汽饱和压差的增大,土壤、作物与大气间的水汽浓度差异为系统蒸散发提供了动力,饱和水汽压差为表征水汽密度差异的重要指标可用来表示蒸散发的驱动力[31]。本研究中各季节空气饱和水汽压差均与蒸散发呈极显著正相关关系(P＜0.01),春季与冬季蒸散发与饱和水汽压差的相关性系数低于夏季与秋季,主要原因为紫色土丘陵区降雨主要集中在雨季(夏、秋季),而春季、冬季降雨少,土壤田间持水量较低,当饱和水汽压差增大到一定程度时,作物为保持自身水量平衡而关闭气孔,从而降低蒸腾作用,故削弱了蒸散发与饱和水汽压差的正相关关系[29]。除此之外,空气相对湿度为影响研究区蒸散发的另一个重要环境因子。研究表明,空气中存在水汽有利于蒸散的发生,但当空气相对湿度超过一定范围时,植物叶表面和临近空气的相对压差会降低,不利于蒸散的发生[32]。紫色土地区全年空气相对湿度较大(年平均值为61.5%±16.9%),全年各季节空气相对湿度与蒸散发呈极显著负相关关系(P＜0.01),二者拟合曲线呈二次项关系(R2=0.46),与刘国水等[33]对北京大兴区农田的拟合结果一致,略低于其涡度相关所测值的拟合结果(R2=0.59)。风速通过减小空气动力学阻力加快蒸散[31],本研究区夏季与秋季风速较小且变化幅度不大,因此风速与蒸散发相关关系不强(表1)。研究表明,植物为维持体内水分平衡会降低气孔导度来减少水分的蒸腾散失,随着风速进一步增大蒸散发反而趋于降低,这种变化特点可能是由于作物气孔的自我防护机制导致的[34]。干旱及半干旱地区,土壤水分条件是影响蒸散发的重要环境因子[35-36],而在土壤水分充足的条件下,净辐射为蒸散发的主要控制因素[37]。此外研究表明,植物蒸腾量与土壤含水量呈正相关关系,且不同深度土壤水分对蒸散发的贡献不同[38],张晓娟等[28]认为5 cm土壤含水量为影响海南岛橡胶林蒸散发的主要环境因子之一。本研究中紫色土坡耕地秋季为夏玉米收获期和休闲期,蒸散发基本来自土壤蒸发,因此土壤含水量与蒸散发呈极显著正相关关系(P＜0.01)。冬季土壤含水量与蒸散发呈极显著负相关关系(P＜0.01),与前人研究结果[28,25]不同,可能由于温度升高伴随着表层土壤含水量降低和蒸散发增大,同时意味着大气温度是影响紫色土坡耕地的主要环境因子。

3.2 紫色土坡耕地水分利用效率动态变化特征及其环境因子分析

水分利用效率为陆地生态系统碳循环和水循环的重要研究内容,也可以用于评估作物对水分的利用能力。本研究中紫色土坡耕地农田生态系统水分利用效率在各季节均具有明显的日变化规律,水分利用效率日峰值主要出现在清晨,这与之前的大多数研究结果一致[39-41]。在测定方法相同的条件下,本研究区年平均水分利用效率(6.82 mg·g−1)远大于华北平原灌溉麦田温暖湿润年(1.52 g·kg−1)和温暖干旱年(1.22 g·kg−1)[42],高于美洲通量网的3个农田通量站(3.0～3.5 g·kg−1)[43],略大于黄土高原半干旱区玉米农田生态系统(5.23 g·kg−1)[44];但日峰值(2.76～19.9 mg·g−1)小于科尔沁沙地玉米群体的日峰值(0.025～0.191 g·g−1)[40]。此外,紫色土坡耕地冬季与秋季水分利用效率高于春季与夏季。其主要原因为该区域雨季暴雨较多,但降水分布不均匀,使得水分利用效率较低,而冬季土壤含水量相对较低,作物可利用水分总量相对较少,且小麦叶面积指数较低,蒸散发损失较少,故冬季紫色土坡耕地小麦水分利用效率为全年最高。其后随着春季小麦生长,固定相同质量的CO2所需要的水分减少,部分叶片衰老,光合能力下降,水分利用效率降低。此外秋季相较于夏季,温度和降水都大幅降低,蒸散作用低于春夏季节,因此水分利用效率相对较高。李辉东等[40]对科尔沁草甸生态系统的研究表明,植物生长中期水分利用效率高于生长初期和末期。美尔汗·黑扎特等[45]的研究发现,塔里木河下游胡杨(Populus euphratica)水分利用效率在开花期最高,展叶期和果熟期最低。战领等[43]认为水分利用效率随作物生长期的变化而变化,玉米生长初期较低,在生长旺盛期达最大,随着玉米成熟降低。总体而言,紫色土坡耕地生态系统研究结果同其他生态系统相似,无论夏玉米还是冬小麦生长盛期水分利用效率均高于其他生长期,水分利用效率随叶面积指数的增大呈先增大后减小的二次曲线趋势。因此从维持生态系统最大生产价值角度出发,保证作物生长盛期的水分供应是紫色土坡耕地土壤水分管理的重要策略。

生态系统水分利用效率受植被类型[46-47]、生物因素[40,48]及外界环境因素[49,42]的影响,且不同环境因素对水分利用效率的影响程度不同。如张桂玲等[50]研究表明,不同树种水分利用效率与空气温度、空气相对湿度、饱和水汽压差的相关性不同;黄健强等[51]认为空气温度、饱和水汽压差对干季的水分利用效率影响显著,有效光合辐射对湿季的影响显著。气孔作为植物与外界物质交换的通道,是调控植物光合作用和蒸腾作用的关键[52]。研究表明植物气孔导度和温度呈正相关关系[53],作物为适应大气温度进行气孔调节,来控制CO2的吸收和水分蒸腾,对作物光合作用和蒸腾作用产生影响,从而影响农田生态系统水分利用效率,净辐射与大气温度对作物水分利用效率的影响机制类似[54]。空气温度主要通过影响作物光合作用和蒸腾作用来影响作物水分利用效率。本研究区全年空气温度与水分利用效率呈线性负相关关系,与Yu等[55]对森林生态系统的研究结果一致;但吴方涛等[41]对高寒湿地生态系统水分利用效率的研究表明,气温与水分利用效率呈指数型正相关关系,可能是因为本研究区温度升高所导致的作物蒸腾速率高于GPP的增加速率,进而水分利用效率降低。冬季大气温度与水分利用效率呈显著正相关关系,可能由于冬季相对干旱,大气温度的升高提高了小麦光合速率,而造成的蒸散发较少。土壤含水量对水分利用效率的影响不仅体现在对蒸散发的影响,还可以通过影响植物生理特性进而影响生态系统GPP与水分利用效率[56]。研究表明,在相对土壤含水量较小时,环境因子对水分利用效率的影响较小,当相对土壤含水量较高时,气象因子是影响碳固定和水分损耗的主要原因[57]。相关研究表明,空气相对湿度的增加会抑制蒸散发,对植物水分利用效率有促进作用;饱和水汽压差为影响蒸散发的驱动力,使得蒸散速率高于光合速率,对植物水分利用效率有抑制作用[58],因此本研究当空气相对湿度较高、饱和水汽压差较低时,蒸散过程受到抑制,水分利用效率增大,这与多数研究相类似[42,59]。土壤含水量在不同季节影响紫色土坡耕地水分利用效率的方式和程度均不同。本研究区冬季土壤含水量与蒸散发、水分利用效率均呈极显著负相关关系,影响水分利用效率的主要原因可能是本研究区冬季降水较少,土壤含水量曲线相对平缓有关,干季土壤含水量的减小主要由于温度和净辐射的增大,这些条件有利于提高作物光合作用,因此冬季土壤含水量与水分利用效率呈极显著负相关关系。同时其他季节土壤水分含量对水分利用效率具有促进作用,这与张传伟等[42]的研究结果一致。本研究结果显示CO2通量为影响紫色土坡耕地水分利用效率的主要因素之一,这是因为CO2浓度直接影响作物的光合作用,与贺伟等[60]、美尔汗·黑扎特等[45]的研究结果类似。本研究(2014—2018年)期间出现的夏旱事件较少,因此对于夏季作物水分利用效率变化机理的认识还不够,需要继续关注未来的长期观测数据。

3.3 紫色土坡耕地农田生态系统年际蒸散发与水分利用效率的差异性

以2015年与2018年为例,2015年4—12月整体日蒸散发稍大于2018年,生态系统水分利用效率小于2018年(图12)。2015年6—9月降水量分别为286.0 mm、44.7 mm、215.0 mm、221.3 mm,2018年6—9月降水量分别为65.0 mm、149.0 mm、64.5 mm和74.0 mm,降水量的不同可能是导致两年间紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发与水分利用效率差异的原因[61]。此外有研究指出,生态系统水分利用效率也可能会受到降雨变异性的影响[41]。本研究中2015年雨季降水分布不均可能是导致生态系统水分利用效率低于2018年的原因之一,夏季农田生态系统蒸散发及水分利用效率更容易受到季节性干旱的影响。紫色土坡耕地2015年年均气温为17.01 ℃,2018年年均气温为16.52 ℃,两年间气温差异性不大,因此作为影响蒸散发与水分利用效率季节变化的主要原因,气温可能不是影响蒸散发与水分利用效率年际变化的主要环境因素。总体而言,年际差异分析结果表明紫色土坡耕地夏季玉米生长盛期的水分利用效率对降雨响应更为敏感。

4 结论

利用涡度相关观测系统对2014—2018年紫色土坡耕地农田生态系统蒸散发与水分利用效率动态特征及其影响因素进行了研究,结果表明:各月平均蒸散发均表现出明显的日变化规律,呈夜晚低、白天高的 “单峰型”变化趋势,6:00—8:00开始逐渐升高,14:00左右达最大值后逐渐降低,19:00—19:30降低到日出前水平。各月蒸散发存在差异,8月为全年最高,1月为全年最低。季节尺度上,夏季日变化幅度最大,春季次之,冬季和秋季的曲线较为平缓;叶面积指数、净辐射、空气温度、饱和水汽压差是影响紫色土坡耕地蒸散发的最主要环境因子,其次为饱和水汽压差。蒸散发与净辐射、空气温度、土壤温度、饱和水汽压差呈显著正相关关系,与空气相对湿度呈显著负相关关系;蒸散发与风速、土壤含水量的相关关系不明显。水分利用效率总体呈现出逐渐下降的趋势日变化规律。季节尺度上,冬季水分利用效率为全年最大,冬季与秋季水分利用效率高于春季与夏季;总体而言,夏玉米与冬小麦生长盛期水分利用效率高于其他生长期。叶面积指数、CO2通量为影响紫色土坡耕地水分利用效率的主要因素,其次为温度、相对湿度、饱和水汽压差等条件也显著影响了水分利用效率。紫色土坡耕地夏季玉米生长盛期的水分利用效率对降雨响应更为敏感,同时土壤含水量是影响冬季蒸散发和水分利用效率的重要因子。由于本研究期间数据序列存在一定的缺失,未来更长时间序列的观测结果有助于更进一步地识别区域内典型坡耕地农田生态系统蒸散发与水分利用效率的动态变化机理,从而为进一步优化紫色土坡耕地农田生态系统的水分管理措施提供科学依据。