东北寒地黑土区水-热-碳通量多尺度变化特征及其驱动机制研究

针对气候变化下寒地黑土区农田生态系统水热碳耦合机制不清的问题，本研究通过改进Lloyd-Taylor模型，结合涡度相关系统观测数据，揭示了玉米生育期与冻融期NEE(净生态系统碳交换)的碳汇/源转换特征（-1.46 vs 0.23 μmol/m2 /s），发现Rn(净辐射)对GPP(总初级生产力)的正向调控规律，为寒区农田碳中和策略提供理论支撑。

　　

全球气候变化正深刻改变着陆地生态系统的水-热-碳循环过程，而作为中国最重要商品粮基地的东北寒地黑土区，其农田生态系统既是粮食安全的"压舱石"，又是潜在的碳汇热点区域。然而，该地区长期面临两个关键科学问题：一是传统Lloyd-Taylor模型在漫长冻融期的适用性不足，二是环境因子对水热碳通量的多尺度驱动机制不明。这些认知空白严重制约着该区域应对气候变化的精准农业管理决策。

针对这些问题，东北农业大学寒区黑土数据融合与分析平台的研究团队，在哈尔滨阿城黑土保护综合试验站开展了为期两年的原位观测研究。通过引入温度系数改进Lloyd-Taylor模型（拟合优度提升11%），结合涡度相关系统（LI-7500+CSAT-3）和气象要素监测系统（TRM-ZS1/2），构建了包含14个环境因子的PLS-SEM（偏最小二乘结构方程模型）。相关成果发表在《Agricultural Water Management》上，为寒地农田水热碳协同管理提供了新见解。

关键技术方法包括：1）基于Penman公式计算ET（蒸散发）；2）改进的Lloyd-Taylor模型估算Reco（0℃阈值+0.7调整系数）；3）30分钟分辨率涡度通量数据质控（剔除u*<0.10 m/s夜间数据）；4）多时间尺度（小时/日/月）数据分析；5）SmartPLS4软件构建驱动耦合模型。

3.1 环境因子多尺度变化特征
小时尺度显示Ta（气温）与Ts（土壤温度）存在相位差：生育期Ta峰值滞后Ts约2小时，而冻融期因积雪保温作用使Ts始终高于Ta。日尺度上VPD（饱和水汽压差）呈单峰曲线，7-8月达3.66 kPa峰值，与降雨集中期吻合。月尺度Rn呈现倒"S"型，1月出现-34.1 W/m²
的负值，反映冬季地表能量亏损。

3.2 水热碳通量动态规律
碳通量表现出显著时间异质性：生育期NEE日均值-1.46 μmol/m²
/s（强碳汇），冻融期转为0.23 μmol/m²
/s（弱碳源），年净碳汇达242.2 gC/m²
。水热通量存在能量分配转换：5-6月H（显热通量）占主导（51.99 W/m²
），7-8月LE（潜热通量）跃升至97.6 W/m²
，能量闭合率达74%。

3.3 多尺度驱动机制
PLS-SEM揭示关键路径：1）Ts、Ta、VPD通过Reco正效应间接促进NEE（路径系数0.32-0.45）；2）Rn对GPP的直接正效应贯穿所有时间尺度（β=0.71-0.89）；3）小时尺度环境因子通过H→LE→ET链式传导影响碳循环；4）V（风速）对GPP的抑制效应在月尺度最显著（β=-0.53）。

这项研究首次系统阐明了寒地黑土区水热碳通量的多尺度耦合机制。创新性发现包括：冻融期土壤微生物呼吸的低温抑制系数（0.7）、生育期"光合午休"现象对NEE的动态影响、以及VPD通过气孔调控产生的双面效应（促进ET但抑制GPP）。这些结论不仅为改进区域碳循环模型提供了关键参数，更重要的是揭示了在气候变化背景下，通过调节农田管理措施（如积雪保持、生育期灌溉）来协同提升粮食产量和碳汇潜力的可行路径。未来研究需重点关注冻融交替过程对土壤微生物群落的长期影响，以及极端气候事件对水热碳耦合关系的干扰机制。