加州杏仁园碳-水耦合机制的多尺度解析：基于涡度协方差与遥感技术的生态系统水分利用效率评估

为解决加州高价值杏仁种植面临的水资源短缺与气候变异性挑战，研究人员通过整合涡度协方差(EC)与遥感技术(Landsat)，开展生态系统水分利用效率(WUE)的多尺度评估。研究揭示杏仁园WUE呈现独特季节性模式(0.5-5.9 g C kg?1 H2 O)，休眠期效率最高而果实发育期最低，遥感模型(VPM-pySEBAL)与地面观测一致性达R2 ≈0.87-0.88。该成果为精准灌溉管理提供生态指标，对保障干旱区农业可持续发展具有重要意义。

　　

在全球气候变化加剧水资源短缺的背景下，加州作为全球80%杏仁的产地，面临着严峻的可持续生产挑战。杏仁作为高耗水经济作物，其生产消耗占成本25%，而近年持续干旱更使问题雪上加霜。传统水分管理缺乏对碳-水耦合机制的深入认知，特别是对多年生木本作物独特的物候-环境互作规律认识不足。为此，加州大学戴维斯分校的研究团队在《Science of The Total Environment》发表重要成果，首次将涡度协方差技术与多源遥感相结合，系统揭示了杏仁园生态系统水分利用效率的动态规律。

研究采用三管齐下的技术路线：首先建立覆盖12年生商业杏仁园的涡度协方差(EC)观测系统，连续监测CO₂
和H₂
O通量；其次利用Landsat 8数据，通过植被光合模型(VPM)反演总初级生产力(GPP)，基于pySEBAL模型估算蒸散发(ET)；最后通过足迹分析实现站点-像元尺度数据融合。研究创新性地引入中子探针监测76 cm根区土壤水储量(SWS)，为机制解析提供立体数据支撑。

【环境变量动态特征】
研究量化了2019-2022年关键环境驱动因子：夏季日均温达30°C， vapor pressure deficit (VPD)峰值2.2 kPa，而年降水变幅达36-383 mm。这种地中海气候特征导致辐射与VPD成为控制通量的主导因素，其中太阳辐射对GPP和ET的解释力分别达59%和79%。

【碳-水通量季节规律】
GPP呈现典型物候驱动模式，休眠期仅0.5-3 g C m^?2
d^?1
，而夏季果实发育期达峰值11.5 g C m^?2
d^?1
。ET虽同步增长但响应更平缓，导致WUE呈现"休眠期高(6 g C kg^?1
H₂
O)-花期降-果期最低(0.5 g C kg^?1
H₂
O)"的独特曲线，反映生殖生长优先的资源配置策略。

【空间异质性规律】
30米分辨率WUE制图显示：休眠期中心园区效率较边缘高50%，而果期空间差异缩小。这种格局与土壤质地(砂质粘壤土vs粘壤土)和微喷灌均匀性密切相关，为分区灌溉提供靶向依据。

【环境控制机制】
温度非线性效应最显著(R²
=0.58)，17.5°C为GPP最适点，超过20°C后WUE急剧下降。VPD每升高1 kPa使WUE降低1.2 g C kg^?1
H₂
O，而降水则通过抑制ET提升效率。根区SWS分析表明，土壤储水与WUE在生长季呈显著负相关，揭示深层水分利用的权衡机制。

该研究首次构建了杏仁园碳-水耦合的多尺度评估框架，其核心价值在于：

1. 揭示多年生木本作物区别于一年生作物的WUE动态规律，特别是果实发育期的"效率洼地"现象；
2. 验证VPM-pySEBAL模型在果园尺度的适用性，为区域推广提供方法学基础；
3. 提出物候敏感型灌溉策略，建议在花期减少水分奢侈消耗，而在采后恢复期保障水分供给以促进碳储备。

这些发现不仅为加州杏仁产业的精准水管理提供科学依据，更为全球干旱区多年生作物应对气候变化树立了研究范式。未来研究可结合基因组学手段，探索不同品种(如Nonpareil vs Butte)的WUE差异机制，进一步优化资源利用效率。