冬性谷类作物在干旱期通过跨土壤深度的灵活水分吸收缓冲蒸腾作用

《Agricultural and Forest Meteorology》：Flexible water uptake across soil depths buffers transpiration in winter cereals during dry spells

　　

摘要专业翻译 在温带气候下，雨养作物的生产力日益受到频繁干旱期的威胁，而作物能否维持蒸腾作用（transpiration）取决于它们从不同土壤深度获取水分的能力。本研究结合了涡度协方差（eddy covariance, EC）通量塔测量、高分辨率土壤水分监测和稳定水同位素（stable water isotopes）示踪技术，研究了德国哥廷根Reinshof试验农场（属于湿润温带气候）冬小麦（2024年）和冬大麦（2025年）在整个生长季中根系吸水深度（root water uptake depth）的动态变化及其与蒸散（evapotranspiration, ET）的联系。研究发现，两种作物均表现出吸水深度的动态调整，这种调整与作物发育阶段、表土干燥和再湿润过程的相互作用密切相关。在2024年冬小麦生长季，表土干燥促使吸水深度显著增加；而在2025年冬大麦生长季则未观察到这一现象。吸水深度与干旱期的持续时间和发生时间、物候期以及叶面积指数（leaf area index, LAI）的关联性强于与大气需求（atmospheric demand）的关联。将涡度协方差测量、土壤水分测量和同位素采样相结合，使得研究人员能够将吸水深度模式与生态系统生产力和水分利用效率（water use efficiency）联系起来。研究结果表明，灵活的根系吸水策略对于雨养谷物在干旱期维持蒸腾作用至关重要，但这种策略的有效性因作物种类、生长季水文条件和物候期而异。

论文解读文章

1. 研究背景

在温带气候区，农业生产主要依赖雨养，历史上太阳辐射是限制生态系统生产力的主要因素。然而，随着连续干旱和复合干旱（即土壤缺水与高水汽压亏缺同时发生）的频率不断增加，这些农业系统面临的水分限制风险日益加剧。降水模式的改变直接影响地表-大气交换过程，进而影响蒸散（ET）、蒸腾作用（transpiration）、碳同化（carbon assimilation）乃至最终产量。因此，雨养作物能否在干旱期维持这些通量，很大程度上取决于它们如何利用整个土壤剖面以及不同生长阶段的水分。尽管灌溉可以在一定程度上维持生产力，但在淡水资源压力不断增加的背景下，这并非可持续的长期解决方案。理解作物对变化的降雨模式、热浪和土壤水分有效性的响应机制至关重要。

2. 现有问题与研究目的

以往研究表明，草本和作物物种在水分胁迫下可以改变浅层和深层土壤水源的相对贡献，但这种响应并不一致。某些谷物，特别是单一栽培的作物，在干旱期间甚至可能维持或增加对表土的吸水量。这种水分吸收的可塑性被认为是作物在多变降雨条件下维持蒸腾和生产力的关键，但关于作物何时以及是否会转变吸水深度，以及这对水分通量有何影响，仍取决于作物类型、生长阶段、降雨模式、土壤水分有效性和土壤性质之间的交互作用。此外，现有的研究方法存在局限：基于稳定同位素的吸水溯源通常采样频率低，难以捕捉两次采样之间的吸水动态；基于土壤水分传感器的水量平衡法受限于空间和无雨时段；而涡度协方差等生态系统尺度技术虽然能整合蒸散，却无法分辨具体是哪个土层提供了水源。因此，将上述方法结合起来，才能实现跨尺度的水分通量和源汇整合，从而揭示自然干湿循环中根系吸水动态与蒸散之间的联系。

本研究旨在填补这一空白，通过结合连续涡度协方差测量、土壤水分监测和高分辨率稳定水同位素采样，在湿润温带气候下的开放农田中，监测冬小麦（2024年）和冬大麦（2025年）的生长过程，探究以下问题：

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  干旱期的发生时间和持续时间，相对于作物物候期，如何改变冬小麦和冬大麦的水分吸收模式和平均吸水深度？
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  在干旱期，吸水深度的变化如何与蒸散需求、土壤水分有效性和水分利用效率相关联？大气需求和土壤-植物相互作用在多大程度上可以解释平均吸水深度的季节性变化？

3. 关键技术与方法

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  涡度协方差（EC）通量塔：连续测量CO₂、动量、潜热和感热通量，用于计算蒸散速率（ET_flux-tower）和总初级生产力（GPP）。
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  高分辨率土壤水分监测：在通量塔足迹内安装三个剖面，每个剖面在5至100 cm深度设置十个土壤体积含水量和温度传感器（SMT100），以5分钟为时间分辨率记录数据。
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  稳定水同位素示踪：每周采集降水、地下水、土壤和植物叶片样品，采用低温真空抽提法提取水分，并使用光腔衰荡光谱仪测定δ2H和δ1?O比值，以识别蒸腾作用的水分来源。
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  Craig-Gordon模型反演木质部水同位素组成：假设正午时段蒸腾处于稳态，利用叶片同位素测量值和微气象数据参数化模型，估算木质部水（即根系吸收的水分）的同位素特征。

4. 研究结果

4.1 生长季水文条件差异

2024年冬小麦生长季经历了更长的干旱期，特别是在拔节期和孕穗期，导致表土（0-20 cm）水分含量显著下降。2025年冬大麦生长季降水分布相对均匀，干旱期较短且不连续。

4.2 吸水深度动态变化

通过同位素混合模型分析，发现冬小麦在2024年生长季中，随着表土逐渐干燥，其平均吸水深度显著增加，从表层（约10 cm）转移至更深层（约40-60 cm）。而冬大麦在2025年生长季中，尽管也经历了短期干旱，但其平均吸水深度并未发生显著变化，始终维持在较浅的土层。这表明吸水深度的可塑性在不同作物和不同水文年份间存在差异。

4.3 吸水深度与蒸散及水分利用效率的关系

在冬小麦中，吸水深度的加深与蒸散速率的维持呈正相关，即在表土干旱期间，转向深层吸水有助于保持较高的蒸散水平。同时，这一时期的水分利用效率（WUE = GPP / ET）也得以维持。相反，在冬大麦中，由于未能有效转向深层吸水，其蒸散速率在干旱期出现下降，水分利用效率也随之降低。

4.4 驱动因子分析

统计分析表明，吸水深度的变化与干旱期持续时间、作物物候阶段和叶面积指数（LAI）的相关性最强，而与大气蒸发需求（如饱和水汽压差VPD）的相关性较弱。这说明土壤水分有效性和作物自身的生长发育状态是驱动吸水深度调整的主要因素，而非单纯的大气干旱。

5. 讨论与结论

讨论部分总结：

研究人员的讨论指出，灵活的根系吸水策略是雨养谷物应对干旱的关键适应机制。冬小麦表现出的深层吸水能力使其在2024年的严重干旱中保持了较高的蒸散和生产力，而冬大麦在2025年相对温和的干旱条件下未能展现这种可塑性，这可能与其较浅的根系分布或不同的遗传特性有关。研究强调，将涡度协方差通量测量、土壤水分监测和稳定同位素方法相结合，能够有效地将根系吸水深度模式与生态系统尺度的水碳通量联系起来，克服了单一方法的局限性。这种多方法综合观测设计对于准确评估气候变化情景下农业生态系统的脆弱性和恢复力至关重要。

研究结论部分翻译：

本研究表明，在湿润温带气候下，雨养冬性谷类作物能够动态调整其根系吸水深度以应对干旱期，但这种灵活性并非普遍存在，而是取决于作物种类、生长季的具体水文条件和物候阶段。当作物能够成功转向深层土壤吸水时，其蒸腾作用和总初级生产力得以维持，从而保证了较高的水分利用效率。相比之下，未能实现吸水深度转移的作物则表现出蒸散和产量的下降。因此，培育或选择具有更强根系吸水可塑性的品种，可能是增强未来气候变化下雨养农业系统韧性的重要途径。