时间归一化蒸散发揭示受控环境系统中显著的夜间水分损失

《Smart Agricultural Technology》：Time-normalized evapotranspiration reveals substantial nighttime water loss in a controlled-environment system

　　

蒸散发（evapotranspiration，ET）的高效管理对可持续农业至关重要，尤其是在水资源有限且需完全回收的太空食物生产等受控环境中更为关键。本研究利用犹他可重复使用根模块（Utah Reusable Root Module，URRM）——一种专为国际空间站（International Space Station）开发的无排放植物生长系统，基于生长介质水分消耗和灌溉输入的监测数据，估算了每小时ET。研究发现，基于传感器的夜间蒸散发（ETn）在快速生长期可达日间蒸散发（ETd）的47%。时间归一化的ETn/ETd比值比累积日比值高出约1.6倍，这表明若不考虑光暗期时长差异，累积比值会低估夜间水分损失的相对强度。过渡时段（灯开关前后）表现出与稳定昼夜间截然不同的ET动态特征。情景分析预测，在更短的光周期条件下，日ET最多可降低19%。这些发现强调了在闭式植物生产系统的水分预算评估和环境控制设计中，必须将夜间ET纳入考量。

研究背景与现存问题

高效的水分管理是可持续农业的基础，而在水资源有限且需完全回收的太空闭环植物生长系统中，其重要性尤为凸显。蒸散发（evapotranspiration，ET）作为土壤蒸发（E）和植物蒸腾（T）的总和，决定了灌溉需求和大气湿度负荷，直接影响系统效率与环境控制需求。传统观点认为，光照是驱动ET的主导因素，因此日间ET（ET_d）备受关注，而夜间蒸散发（ET_n）常被假定为微不足道而被忽视。然而，越来越多的证据表明，气孔在黑暗中并未完全关闭，残留的气孔导度以及内源性昼夜节律调控可使夜间T持续发生。在受控环境下，冠层闭合后仍观测到显著的ET_n。现有文献的一个关键局限在于，ET_n通常以其占日间ET的累积总量来报告，而未考虑光暗期时长不等的因素。在光周期高度不对称（如16小时光照/8小时黑暗）的受控环境中，这种比较方式会混淆夜间水分损失的强度。为此，本研究旨在：（i）量化累积的日间和夜间ET；（ii）计算时间归一化的夜间与日间ET比值；（iii）考察不同根模块（root modules，RMs）和传感器深度间的变异；（iv）评估ET与生长介质温度及生物量之间的关系；（v）利用实验获得的每小时速率，对不同光周期情景下的日ET进行投影分析。通过区分水分损失强度与光周期时长，为闭环生产系统中的水分预算评估提供更全面的依据。

研究方法概述

研究人员采用URRM工程开发单元中的五个独立根模块（RMs），以长纤维泥炭藓为生长介质种植水菜（Brassica rapa var. nipposinica）。实验在步入式受控环境室中进行，设定16小时光照/8小时黑暗的光周期，光合光子通量密度（PPFD）为800 μmol m^-2 s^-1，气温波动于22–28°C，相对湿度（RH）维持在40%–60%，CO₂浓度约为400 ppm。通过自动地下灌溉系统维持生长介质体积含水量（θ_v）在0.52–0.55 cm³ cm^-3之间。每个RM配备两个电磁水分传感器：上部CS650传感器水平安装于表层下约3 cm处，下部TEROS ONE传感器垂直放置于根区底部附近。ET估算基于θ_v的逐时变化，并结合泵送灌溉输入数据进行校正。研究人员通过已知光周期安排、逐时ET行为及气温动态，客观识别了灯关（22:00–23:59）和灯开（06:00–07:59）后的过渡时段，并将其从稳定的白天和夜间ET计算中排除，以避免偏差。随后采用线性混合效应模型评估不同时段（夜间、日间、过渡期）对ET的影响，并通过情景分析（14/10、12/12、10/14、8/16小时光暗周期）投影不同光周期下的日ET变化。

研究结果

3.1 水分利用及总日间与夜间ET：在整个生长周期中，日用水量随冠层扩展而增加，从播种初期的约0.4 L d^-1增至周期末的6 L d^-1。对于上部CS650传感器，累积ET_n,tot/ET_d,tot比值在不同发育阶段保持相对稳定，早期出苗后（4–7天）为0.32±0.02，冠层发育期（8–11天）为0.29±0.02，快速生长期（12–16天）为0.29±0.01，整体均值为0.30±0.02。这相当于快速生长期夜间ET约占日总ET的22%。相比之下，下部TEROS ONE传感器显示出更高且更多变的早期比值，反映了深层水分再分布的影响，表明其不能直接代表冠层尺度的昼夜蒸腾动态。上部传感器则被认为更能反映冠层尺度的昼夜水分利用动态。

3.2 快速生长期的时间归一化夜间与日间ET速率：线性混合效应模型显示，时段和天数均对两种传感器的逐时ET有显著影响（p < 0.001）。日间ET最高，夜间ET最低，过渡期居中。对于CS650传感器，快速生长期的ET_n/ET_d比值平均为0.47±0.03，约为同一传感器测得的累积比值（0.29±0.01）的1.6倍。这一时间归一化比值在整个生长周期（4–16天）的平均值为0.47±0.05，较相应累积比值高约55–62%。该结果与前人在相似受控环境下对水菜和生菜的测量结果一致（比值均高于0.40），证实了绿叶蔬菜在受控环境中夜间水分损失可占日间水分损失的相当大比例。尽管各RM的表面覆盖材料不同，但所有模块在后期发育阶段均保持了较高的时间归一化夜间与日间比值。

3.3 受控环境系统中的水分管理策略：在16/8光周期下，快速生长期的ET_n平均约为ET_d的一半。过渡期对日ET总量的影响很小（仅0.36%的差异），但在定义稳态日间和夜间速率时必须将其排除。情景分析表明，若将实验所得的日间、夜间和过渡期ET速率应用于其他光周期，当日光周期缩短至14/10、12/12、10/14和8/16小时时，日ET预计将分别下降4.7%、9.3%、14.0%和18.7%。然而，这些投影应视为初步工程估算，因为实际光周期改变可能影响冠层发育、生物量积累及ET响应的形态和幅度。研究指出，鉴于夜间水分损失依然显著，仅靠调整光周期可能不足以充分降低ET，尤其是在冷凝管理是关键操作约束的封闭环境中。选择性收获或错峰种植周期等互补策略可能更有效。

讨论与结论总结

讨论部分强调，本研究的核心贡献在于区分了夜间ET对累积日ET的贡献与其相对每小时强度这两个互补指标。时间归一化分析揭示了累积比值会低估夜间水分损失的强度。所有RM均观测到显著的夜间水分损失，但表面覆盖配置间的差异因缺乏重复而只能进行描述性解读。情景分析展示了光周期时长对日需水量的潜在影响，但这些投影并非实验验证的系统响应。研究结论指出，所测得的ET模式表征了潜在大气湿度的输入量和时序，但未直接量化湿度控制需求或冷凝回收性能。因此，时间归一化的ET_n/ET_d比值应被视为未来水分预算和环境控制评估的输入参数，而非解决蒸汽负荷管理的完整方案。未来工作需在多作物种类、多生长周期、不同光周期和环境条件下验证这些发现，并通过直接测量大气湿度积累和控制性能来确定观测到的ET模式如何转化为闭环生产系统中的湿度控制需求。