葡萄园行方向对基于卫星的双源能量平衡模型估算的蒸散量影响

《Agricultural Water Management》：Influence of vineyard row orientation on evapotranspiration estimates from a satellite-based two-source energy balance model

葡萄园SWNE与NWSE行向对蒸散发（ET）的影响分析。基于TSEB模型模拟和地面观测数据，发现SWNE行向ET日均高1.2-1.5 mm，主要因冠层辐射截获和阴影效应差异，LST和albedo的卫星反演参数贡献显著（r2分别为0.88和0.86）。

　　本研究聚焦于行向（row orientation）对葡萄园作物蒸散发（ET）的影响，旨在提升对田间结构和灌溉策略设计的科学依据，尤其是针对加州等水资源有限地区的高价值作物种植。随着农业水资源日益紧张，科学评估不同行向对作物水分消耗的影响变得尤为重要。行向通常指种植行与太阳方位之间的相对方向，常见的包括南北向（NS）和东西向（EW），而西南-东北（SWNE）和西北-东南（NWSE）方向的研究相对较少。因此，本研究通过TSEB（Two-Source Energy Balance）模型对SWNE和NWSE方向的葡萄园块进行模拟，以量化卫星遥感数据所反映的ET差异，并探索这些差异背后的机制。

在实际农业生产中，行向的选择不仅影响作物的光照条件，还可能对微气候、土壤水分利用效率以及整体水管理策略产生深远影响。葡萄种植尤其受到行向选择的制约，因为葡萄园的微气候条件对果实质量和产量具有显著影响。在加州，许多葡萄园位于非平坦地形上，行向的选择常需考虑地形对采摘和土壤管理的影响。因此，研究不同行向对ET的影响，有助于优化农业水资源的利用效率，并为可持续农业实践提供科学支持。

TSEB模型是一种基于地表能量平衡的方法，它通过将地表温度和能量分配到植被和土壤两个组成部分来估算总蒸散发。该模型依赖于热红外（TIR）遥感数据，包括地表温度（LST）、反照率（albedo）和叶面积指数（LAI）。研究发现，SWNE方向的葡萄园块在生长季节（一般从四月到九月）表现出较高的ET值，与NWSE方向的葡萄园相比，其平均日ET差异在2021年为1.2±0.36 mm，2022年为1.5±0.55 mm。这种差异在生长季节尤为显著，但在休眠期（如1月至4月）则相对较小，且未出现系统性偏差。

研究进一步探讨了TSEB模型对行向差异的响应机制，发现模型对LST和albedo的敏感度较高，其与ET差异之间的相关性分别达到0.88和0.86。这表明，卫星遥感数据中的LST和albedo变化可能是行向对ET影响的重要驱动因素。通过敏感性分析，研究者发现，当使用统一的LST和albedo输入时，SWNE与NWSE之间的ET差异显著减小，而使用统一的LAI输入反而加剧了这种差异。这表明，LAI可能不是行向影响ET的主要因素，而是作为其他因素（如辐射拦截）的间接反映。

此外，研究还采用了两种辐射传输模型（Binomial和Helios 3D）来模拟不同行向下葡萄园的辐射拦截和阴影效应。结果表明，SWNE方向的葡萄园在生长季节表现出更高的辐射拦截率，从而形成更广泛的阴影区域。这进一步支持了行向对ET的影响，因为更多的太阳辐射被植被吸收，导致更高的蒸散发。相比之下，NWSE方向的葡萄园由于较少的辐射拦截，其地表温度较高，反照率较低，从而降低了ET值。

研究还对比了TSEB模型与地表通量（eddy covariance）观测数据，发现虽然两者在生长季节都显示出SWNE与NWSE之间的ET差异，但TSEB的每日差异更大。这可能与模型对地表能量平衡的估算方法有关，特别是TSEB对瞬时数据进行插值以估算每日ET的过程，可能放大了某些偏差。此外，地表通量数据通过平均原始和校正后的ET值，可能在一定程度上缓解了这种偏差。因此，研究结果表明，TSEB模型在估算行向差异对ET的影响时，存在一定的不确定性，特别是在地形不平坦的区域。

研究进一步指出，行向对作物水分消耗的影响不仅体现在直接的辐射拦截上，还可能通过改变地表微气候间接影响。例如，SWNE方向的葡萄园由于更高的辐射拦截，可能在白天吸收更多热量，导致地表温度升高，而NWSE方向的葡萄园则可能因为较少的阴影覆盖，使地表温度相对较低。这种温度差异可能影响植物的蒸腾作用，从而影响整体ET值。此外，行向还可能影响土壤的水分蒸发，因为阴影覆盖减少了太阳辐射到达土壤的量，从而降低了土壤的蒸发速率。

研究结果对于农业水资源管理具有重要意义。SWNE方向的葡萄园在生长季节表现出更高的ET值，意味着其水分需求更大，而NWSE方向的葡萄园则相对节水。这种差异可能对灌溉策略的设计产生影响，例如在水资源有限的地区，选择NWSE方向的行向可能有助于减少灌溉用水量，从而提高水资源利用效率。然而，这种行向选择也需要权衡，因为它可能对作物产量和品质产生影响。已有研究表明，行向可能影响葡萄的成熟度和产量，因此，在优化灌溉策略的同时，还需考虑对作物产量和质量的影响。

为了进一步验证行向对ET的影响，研究还探讨了行向对其他农业参数的影响，如反照率、地表净辐射（Rn）和叶面积指数（LAI）。研究发现，SWNE方向的葡萄园在生长季节的LST和albedo均低于NWSE方向，这可能与更多的太阳辐射被植被吸收有关。此外，LAI的差异也反映了行向对作物生长状态的影响，但其对ET的影响程度不如LST和albedo显著。因此，研究建议，在未来的研究中，应更关注LST和albedo的变化，以更准确地评估行向对ET的影响。

本研究还指出了TSEB模型在农业应用中的局限性。尽管TSEB模型在加州葡萄园中已被证明是有效的，但其在处理不同行向的输入参数时，可能未能完全捕捉到行向效应。因此，研究建议未来的工作应集中在开发和应用能够显式考虑行向效应的参数化方法，以提高模型的准确性。此外，研究还强调了使用更复杂的辐射传输模型（如Helios 3D）的必要性，因为它们能够更精确地模拟辐射的散射效应，从而提供更全面的ET估算。

综上所述，本研究揭示了行向对葡萄园蒸散发的影响，并表明SWNE方向的葡萄园在生长季节的ET值显著高于NWSE方向的葡萄园。这些发现不仅有助于优化农业水资源管理，还为改进ET模型的精度提供了科学依据。未来的研究应进一步探讨行向对作物产量和质量的影响，并开发更精确的模型参数化方法，以更好地适应不同行向的农业实践。