葡萄园蒸发蒸腾组分、作物系数和水生产力的区域动态

《Agricultural Water Management》：Regional dynamics in evapotranspiration components, crop coefficients, and water productivity of vineyards

评估巴罗萨地区酿酒葡萄园的水平衡参数，采用FAO-56双作物系数法，发现作物系数（Kc act）和水应力系数（Ks）存在显著地域和季节差异，最大变异达97%，且灌溉水量与土壤水分、气候条件密切相关。建议基于本地化参数优化灌溉管理，以提升水分生产率（WP）达60%以上。

　　灌溉需求的水平衡成分、作物系数以及水生产力的估计对于理解区域灌溉需求动态和高效利用有限的水资源至关重要。本研究在南澳大利亚的巴罗萨地区48个地点，对灌溉的希拉葡萄园进行了为期三个连续季节（2018–19–2020–21）的水平衡参数、作物和水分胁迫系数以及水生产力的估算，采用了FAO-56双作物系数方法。研究结果显示，这些参数在不同地点和季节之间存在显著的变异性。实际蒸散发的变异系数在日和季节尺度上观察到的范围从20%到97%。平均实际蒸腾和蒸发分别占季节性实际蒸散发的大约63%和37%，表明可以利用土壤表面的水分损失来节约水资源。在作物生长的初始日（D60）到萌芽（初始）、萌芽到开花（中期1）、开花到转色（中期2）以及转色到收获（晚期）各个阶段，估计的实际单作物系数分别在0.32到0.76、0.35–0.59、0.16–0.62和0.16–0.64之间变化。葡萄藤的实际基础作物系数揭示了显著的地点特异性变化，这引发了对采用统一系数来代表不同生长阶段和亚区域及区域水平的疑问。水分胁迫逐渐增加，达到峰值的时间是从11月下旬到12月初，区域间的变异性范围从20%到64%。将水生产力与季节性实际蒸散发和蒸腾进行比较时，后者在所有地点和亚区域中表现出60%的更高值。在区域范围内进行本地化的作物系数估算有助于提高有限淡水资源的使用效率，从而实现可持续的葡萄酒葡萄生产。

水的可用性对于农业生产和生态系统至关重要。近年来，由于农业、工业和城市用水需求的快速增加，淡水资源的可用性变得不确定。这导致了消费者之间淡水资源的不匹配，加剧了水资源短缺，尤其是在农业生产中，农业用水占全球取水总量的70%。20世纪，灌溉用水的增长速度是人口增长的两倍，而在气候变化背景下，这一趋势预计将进一步加剧。温度升高和频繁干旱对灌溉用水的可用性构成了巨大压力，尤其是在干旱和半干旱地区，包括地中海气候区。因此，高效和可持续的水资源利用是实现最佳作物生产和保护环境的关键。这要求基于地点特定的作物需水量和灌溉计划进行准确的水资源估计和应用。

为了估算蒸散发（ET）成分、作物需水量以及根据作物需求进行灌溉计划，存在多种方法和技术。这些方法包括蒸渗计（Hochberg等，2023；Munitz等，2019；Sánchez等，2019）、树干流（植物蒸腾）（Ferreira等，2012；Poblete-Echeverría和Ortega-Farias，2013；Wang等，2019；Mancha等，2021）、博文比（Zhang等，2011）、地表能量平衡（Castellví和Snyder，2010；Moratiel和Martínez-cob，2012；Sánchez等，2019；Valentin等，2023）、涡度协方差（Ferreira等，2012；Poblete-Echeverría和Ortega-Farias，2013；Wang等，2019；Sánchez等，2019）、土壤水分平衡（例如Fooladmand和Sepaskhah，2009；Salazar等，2025）、遥感（包括卫星和无人驾驶飞行器）基础上的光谱（例如Almeida等，2024；Beeri等，2020；Er-Raki等，2013；Matese等，2022；Romero等，2018）和能量平衡（例如Chandel等，2021；Ramírez-Cuesta等，2023），移动平台和近感（Carella等，2024；Gutiérrez等，2021），以及方法的组合（Cancela等，2012；Poblete-Echeverría和Ortega-Farias，2013；Almeida等，2024）。这些方法在用于水平衡、土壤水分状况和土壤水分亏缺动态的估算时，各自具有内在的优缺点（Allen等，2011；Pereira等，2021c；P??as等，2020）。通常，需要大量现场测量的方法在区域尺度上难以实施，因为土壤和生长条件存在大规模的异质性。本质上，结合地点特定的现场测量和简单的建模工具可以提供有用的信息，以理解水平衡成分的内在动态，并提高稀缺水资源的使用效率。

在各种建模方法中，FAO-56方法被广泛用于估算不同作物的潜在作物蒸散发（ETc）、作物蒸腾（Tc）、土壤蒸发（Es）和灌溉需求（Allen，1998）。Pereira等（2021b）和Pereira等（2021c）以及Rallo等（2021）的研究报告了FAO-56与基于现场测量的其他方法之间良好的一致性。在FAO-56方法中，潜在作物蒸散发（ETc）是在最优条件下通过乘以草地参考蒸散发（ETo）来估算的，其作物系数（Kc）或基础作物系数（Kcb）和蒸发系数（Ke）之和。Kc和Kcb的值对气候、作物管理、土壤类型、水文和环境因素敏感（例如Pereira等，2021b；Rallo等，2021）。这些差异通常被整合到FAO-56的单作物系数方法中，或者被分解为基础（Kcb）代表蒸腾，以及土壤蒸发（Ke）系数的双作物系数方法。双作物系数方法适用于土壤表面湿度变化对ETc有显著影响的作物，例如部分地面覆盖或高频率灌溉的作物（Allen等，2005a）。这种方法还估算水通过土壤表面蒸发的损失（Es），特别是在稀疏种植的葡萄园和果园中，这些地方土壤表面暴露在大气影响下。

使用FAO-56提出的通用（标准/表格）Kc和Kcb值来估算ETc和灌溉需求可能会在作物需水量的估算中引入显著的不确定性（Taylor等，2014；Widmoser，2009；Yang等，2016）。标准作物系数已被多次修订，以纳入多个作物的现场研究生成的信息（例如Allen和Pereira，2009；Rallo等，2021；Pereira等，2024）。即使在修正了本地条件后，显著的季节性变化仍然存在（Zanotelli等，2019）。本地土壤（总蒸发水量，TEW；易蒸发水量，REW；根区深度）和气候参数（蒸气压亏缺，净辐射，风速，温度和地表粗糙度）对作物系数有显著影响（Ohana-Levi等，2022）。此外，地点特定的水分关系、修剪和训练系统调节冠层动态（叶面积指数，LAI）和蒸腾面积，影响作物系数和季节性胁迫图谱（Girona等，2005；Pereira等，2024）。Hochberg等（2023）表明，通过蒸渗计测量的LAI和作物系数可以解释92%的实际ET差异，支持了葡萄作物系数可以通过LAI估算的观点（Netzer等，2009；Williams等，2022）。另一方面，Laluet等（2024）对FAO-56 DCC方法在37个不同的农业季节中的分析表明，蒸散发的主要敏感性取决于水分胁迫和Kcb及根区深度（Zr_max）的调整。许多研究人员建议根据特定的大气条件使用可变的作物系数，以提高作物蒸散发成分的建模精度（Dragoni等，2005；Testi等，2004；Zanotelli等，2019）。这意味着，基于本地条件进行适当的作物系数调整是实现高效作物需水的关键。

除了Kc和Kcb，对地点特定水分胁迫系数（Ks）的可靠理解对于在非最优土壤水分状况或盐胁迫下减少Kcb至关重要（Allen等，2005a；Zanotelli等，2019）。水分胁迫在FL-V生长阶段达到峰值，时间从11月下旬到12月初，区域间的变异性范围从20%到64%。将水生产力与季节性实际蒸散发和蒸腾进行比较时，后者在所有地点和子区域中表现出60%的更高值。本地估算的作物系数将有助于在巴罗萨地区及全球类似生长条件下，提高有限淡水资源的使用效率。

研究结果表明，采用统一的作物系数在区域范围内进行灌溉计划可能会导致作物需水估算的显著误差。因此，基于地点特定的作物系数方法（可能结合测量的冠层大小、生长阶段、土壤类型和气候信息）比在子区域或区域水平上采用通用指南更能准确反映高效用水。本研究中估算的作物系数对于不同地点的灌溉计划和根据生长阶段调节水分胁迫的时机具有重要意义。FAO-56方法可以成功应用，并可推广用于类似地区特定水资源需求的评估。

在滴灌葡萄园中，大量的水分通过蒸发损失或用于覆盖作物，占总ETc的35%。其中约有一半（44%）发生在初始和发育阶段（萌芽到开花）。这为通过采用管理措施（如覆盖）减少这些损失提供了机会。估算的水生产力对于果实产量进一步揭示了水资源消耗的生产回报程度，而水生产力相对于实际蒸腾的较高值表明了管理蒸发损失的重要性。水生产力的差异不仅反映了ETc和Tc的估算，还突显了修剪、训练和果实产量受到当地条件（尤其是土壤水分可用性）的影响程度。

本研究的结果表明，实际蒸散发、蒸腾和蒸发的预测变异性不仅与气候和土壤水分状况有关，还取决于个别种植者为实现更好的品质特性而实施的关键管理决策（如调节性水分胁迫）。因此，不同地点在不同生长阶段（如转色前和转色后）施加的水分胁迫程度存在显著差异，这些决策更多是地点特定的，而不是在整个区域中统一实施的。这些结果强调了在灌溉计划中采用本地化作物系数估算的重要性，以确保水资源的高效利用。