干旱区浅层地下水对玉米水分利用效率的阶段特异性响应

《Agricultural Water Management》：Stage-specific responses of maize water use efficiency to shallow groundwater in an arid region

　　

在干旱和半干旱地区，水资源短缺对农业灌溉和粮食生产构成严重威胁。提高水分利用效率（water use efficiency, WUE）对于缓解农业水资源压力和实现农业可持续发展至关重要。WUE定义为单位耗水量所同化的碳量，连接了农业生态系统的水循环和碳循环。在具有浅层地下水的农业区，地下水毛细上升对作物耗水有贡献，并可能影响蒸散（evapotranspiration, ET）、作物产量和WUE。除农田外，浅层地下水还维系着依赖地下水的木本和河岸生态系统中树木的水分利用。这些研究强调了浅层地下水在调控植被水分利用中的重要作用。理解地下水埋深（groundwater table depth, WTD）如何影响WUE，对于优化水资源管理和促进干旱区农业可持续发展至关重要。 以往田间和模型研究表明，浅层地下水可支持作物水分利用和生产力，但这些效益取决于深度范围及根系层供水条件。对玉米而言，地下水深度与产量相关，并与土壤质地和生长季天气相互作用；近期证据进一步证实地下水对产量的影响随深度范围而变化。河套灌区的研究表明，WTD影响地下水对作物ET的贡献、土壤水分和盐分状况以及玉米生长。这些研究共同确立了地下水深度不能脱离土壤和地表水条件而独立考虑。 生态系统尺度的WUE通常定义为总初级生产力（gross primary productivity, GPP）或净生态系统生产力（net ecosystem productivity, NEP）与ET之比。其变异性归因于气象因素（如净辐射、饱和水汽压差和气温）和生物特征（如叶面积指数）。然而，ET包含作物蒸腾（transpiration, T）和土壤蒸发（evaporation, E）。由于E不直接贡献作物碳吸收，常被视为非生产性水分损失。E的变化也会使WUE与WTD关系的解释复杂化。对ET进行拆分，可以考察冠层水分利用效率（canopy water use efficiency, WUEc），本文定义为NEP/T，并更直接地评估净碳吸收与作物水分损失之间的关系。一些研究已将土壤含水量（soil water content, SWC）确定为WUEc的关键控制因子。然而，WTD对WUEc的影响受到的关注要少得多，尤其是在大量灌溉导致作物生长季浅层地下水季节性变化的旱地系统中。此外，以往多数研究集中于季节尺度的WUEc，未区分不同生长阶段光合作用和蒸腾作用的响应。WTD变化如何在玉米生长季影响冠层碳吸收与蒸腾之间的平衡仍不清楚。 为弥补上述知识空白，研究人员将河套灌区灌溉玉米田三个生长季的涡度协方差（eddy covariance, EC）观测与ET拆分相结合。本研究的具体目标为：（1）表征三年玉米生长季的ET拆分和WUEc；（2）评估WUEc与环境及冠层条件（特别是变化的WTD）的关系；（3）比较归一化NEP和T与WTD的阶段特异性关系，以探究WTD如何影响WUEc。研究结果有望加深对水碳耦合过程的理解，并为干旱区浅层地下水条件下的灌溉调度和水资源管理提供指导。

一、研究背景与科学问题

在干旱和半干旱地区，水资源短缺严重威胁农业灌溉和粮食安全，提高水分利用效率（WUE）是缓解农业用水压力、实现可持续发展的关键。WUE作为连接农业生态系统水碳循环的核心指标，其调控机制一直是生态水文学研究的热点。在具有浅层地下水的灌区，地下水通过毛细上升作用补给作物根系层，对蒸散（ET）、产量和WUE均产生重要影响。然而，以往研究多集中于季节尺度WUE的整体响应，对ET中蒸腾（T）与土壤蒸发（E）的区分不足，导致难以直接评估作物碳吸收与耗水的关系。特别是，地下水埋深（WTD）对冠层水分利用效率（WUE_c，定义为净生态系统生产力NEP与T之比）的阶段特异性影响，在大量灌溉引起生长季浅层地下水季节性波动的旱地系统中仍缺乏系统认识。因此，亟需结合长期通量观测与ET拆分手段，厘清WTD变化如何影响玉米不同生长阶段光合碳吸收与蒸腾耗水的平衡关系。

二、研究内容与主要结论

研究人员以内蒙古河套灌区畛子实验站（41°09′N，107°39′E，海拔1032 m）的灌溉玉米田为研究对象，利用2017—2019年三个生长季的涡度协方差（EC）系统、茎流计、土壤水分探头和地下水监测井的连续观测数据，系统开展了ET拆分和WUE_c的时空动态分析。主要结论包括：三个生长季中，蒸腾占玉米蒸散总量的85.7%，表明T是农田耗水的主导组分；在相对较低的地表水输入条件下，浅层地下水显著调控冠层水分利用效率；当WTD超过约2.0 m时，WUE_c出现明显下降；归一化后的玉米净碳吸收（NEP）对WTD增深的敏感性高于蒸腾（T）。这些发现揭示了浅层地下水对玉米水碳耦合过程的深度依赖性，为干旱灌区水资源优化配置提供了定量依据。

三、关键技术与方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：一是涡度协方差（EC）技术，通过三维超声风速仪与开路红外气体分析仪同步测量高频风速、水汽和CO₂浓度波动，经EddyPro软件进行去尖峰、频率响应校正、坐标旋转和WPL密度校正等处理，计算显热、潜热和CO₂通量，并采用波文比调整保证能量平衡闭合；二是ET拆分方法，结合茎流计实测的作物蒸腾数据与EC系统测得的ET总量，分离出土壤蒸发组分，进而计算冠层水分利用效率（WUE_c = NEP/T）；三是环境要素连续监测，包括净辐射（R_n）、气温（T_a）、相对湿度（RH）、土壤热通量（G）、风速、降水和灌溉量，并基于FAO56 Penman-Monteith公式计算参考蒸散（ET_o），同时利用地下水监测井逐日记录WTD动态；四是统计分析方法，通过回归分析和归一化处理，比较不同生长阶段NEP和T对WTD变化的响应差异。样本数据来源于河套灌区畛子实验站2017—2019年连续三个玉米生长季的田间观测。

四、研究结果

4.1 ET拆分与WUE_c的季节动态

基于三个生长季的EC观测与茎流计数据，研究人员发现蒸腾（T）占玉米蒸散（ET）的85.7%，而土壤蒸发（E）仅占14.3%。这一结果表明，在充分灌溉的农田系统中，作物蒸腾是水分消耗的主导途径。进一步计算冠层水分利用效率（WUE_c = NEP/T）发现，其季节变化呈现先升后降的趋势，与玉米冠层发育和生理活动强度密切相关。在营养生长阶段，随着叶面积扩展和光合能力增强，WUE_c逐步升高；进入生殖生长阶段后，尽管蒸腾仍维持较高水平，但净碳吸收速率相对放缓，导致WUE_c有所回落。

4.2 WUE_c对环境因子和WTD的响应

通过分析WUE_c与气象因子（净辐射R_n、饱和水汽压差VPD、气温T_a）、土壤含水量（SWC）及地下水埋深（WTD）的关系，研究人员发现WUE_c受多种因素共同调控。其中，SWC是影响WUE_c的关键土壤因子，而WTD对WUE_c的调控作用在地表水输入相对较低的时段尤为显著。当WTD较浅时，地下水通过毛细上升补充根系层水分，维持较高的冠层碳同化效率；随着WTD增大，地下水补给能力减弱，WUE_c呈现下降趋势。回归分析表明，当WTD超过约2.0 m时，WUE_c出现显著降低，提示该深度可能是地下水对玉米水分利用效率发挥正效应的临界阈值。

4.3 归一化NEP和T对WTD的阶段特异性响应

为深入解析WTD影响WUE_c的机制，研究人员将NEP和T分别进行归一化处理，并比较二者在不同生长阶段对WTD变化的敏感性。结果显示，归一化NEP对WTD增深的响应比归一化T更为敏感，即随着WTD增大，净碳吸收的下降幅度大于蒸腾耗水的下降幅度。这一不对称响应导致WUE_c随WTD增大而降低。分阶段来看，在玉米生长前期和中期，地下水对碳同化的支撑作用更为明显；生长后期，随着根系深扎和土壤储水消耗，WTD的影响相对减弱。该结果从水碳耦合的角度解释了浅层地下水深度变化如何通过改变碳吸收与蒸腾的相对平衡来调控WUE_c。

五、讨论与结论

讨论部分指出，浅层地下水对玉米WUE_c的调控并非恒定不变，而是依赖于WTD所处的深度区间和地表水输入条件。在WTD较浅（约小于2.0 m）时，地下水可有效缓冲土壤水分亏缺，维持较高的冠层碳同化效率；一旦WTD超过约2.0 m，地下水补给能力显著下降，碳吸收受到的抑制强于蒸腾，导致WUE_c下降。这一发现强调了在干旱灌区水资源管理中，将地下水埋深纳入灌溉调度决策的重要性。研究结论可概括为：蒸腾主导了玉米农田的蒸散过程；浅层地下水在地表水输入相对较低时显著调控冠层水分利用效率；WUE_c在WTD超过约2.0 m时下降；归一化净碳吸收对WTD增深的敏感性高于蒸腾。研究结果深化了对干旱区浅层地下水条件下农田水碳耦合过程的理解，可为河套灌区及其他类似区域的灌溉制度优化和水资源可持续管理提供科学依据。