基于稳定碳同位素模拟东北黑土区土壤-植物-大气连续体水碳耦合效率的模型

《Agricultural Water Management》：A stable carbon isotope-based model for simulating water-carbon coupling efficiency in the soil-plant-atmosphere continuum of Northeast China’s black soil region

　　

在气候变化加剧与干旱频率增加的背景下，水资源短缺及供需失衡已成为制约中国农业可持续发展的主要因素。农业生产中土壤蒸发与深层渗漏等非生产性水分损失普遍存在，造成农田水分大量流失并使作物水分利用效率（WUE）相对偏低。土壤-植物-大气连续体（SPAC）为理解水分传输与植物用水提供了基础框架，SPAC系统内的水碳耦合已成为农业研究的重要议题。常规WUE估算主要基于瞬时叶片尺度气体交换测定或季节产量与用水量之比，仅反映特定时间点或生育期的作物生理响应，不足以揭示调控长期WUE动态及生态系统尺度环境响应的综合机制。气孔是植物与大气之间调节水汽与CO2交换的关键界面，影响光合与蒸腾，基于气孔调节的WUE模型因而被广泛应用，其中基于CO2同化与气孔导度关系的Ball-Berry模型及其改进形式提供了重要理论基础。已有研究通过引入土壤水势、大气CO2浓度与土壤水分变量等改进了模型表现，但多数基于同位素的WUE模型依赖简化的δ13C分馏框架，常忽略叶肉导度与光合后分馏，可能给WUE估算带来较大不确定性；以往研究主要集中于叶片或单株尺度的光合-蒸腾耦合，土壤水分变化与碳同位素分馏对群体尺度水碳耦合过程的联合影响尚认识不足。稳定碳同位素组成（δ13C）依据Farquhar等提出的碳同位素分馏理论，与Ci/Catm比值定量相关，可评估长期WUE，且能整合整个生育期的光合与蒸腾过程，具有稳定、可重复和可扩展的优势。农田生态系统中水碳耦合过程不仅受气孔机制调控，还受气候变化、土壤水分状况、蒸散强度与灌溉管理等多重环境因子影响；适度亏缺灌溉可在特定生育期降低季节耗水并提高WUE，并改变地上部组织、根系与微生物库之间的碳分配。因此，在田间尺度构建整合δ13C、土壤水分响应函数与核心WUE理论的环境驱动水碳耦合模型，对评估寒区黑土农田SPAC系统水碳耦合过程具有重要意义。本研究将稳定碳同位素技术与SPAC水碳耦合框架相结合，构建考虑环境约束的改进WUE模型，为寒区黑土农田高效农业用水提供理论依据。研究拟回答：（1）土壤水分变化如何影响寒区黑土大豆光合-蒸腾耦合与WUE形成；（2）土壤水分变化如何影响SPAC内碳同位素分馏与碳分配，进而调控δ13C与用水的关系；（3）所建模型能否有效解释和表征不同水分条件下的水碳耦合机制。

研究背景方面，气候变化加剧与干旱频发使水资源短缺成为制约中国农业可持续发展的主要因素，农业用水占全国总用水量约62%，2024年全国灌溉水利用系数为0.580，与发达农业国家相比整体农业用水效率仍偏低。土壤蒸发与深层渗漏等非生产性损失普遍，导致农田水分流失与作物水分利用效率（WUE）偏低。土壤-植物-大气连续体（SPAC）为理解水分传输与植物用水提供了基础框架，其内部水碳耦合已成为农业研究的重要议题。常规WUE估算多基于瞬时叶片气体交换或季节产量与用水量之比，只能反映特定时间或生育期的生理响应，难以揭示长期WUE动态与生态系统尺度环境响应的综合机制。气孔作为植物与大气间水汽与CO₂交换的关键界面，使基于气孔调节的WUE模型得到广泛应用，Ball-Berry模型及其改进形式提供了重要理论基础；已有研究通过引入土壤水势、大气CO₂浓度和土壤水分变量改进了模型表现，但多数基于同位素的WUE模型依赖简化的δ¹³C分馏框架，常忽略叶肉导度与光合后分馏，可能引入较大不确定性；以往工作多集中于叶片或单株尺度的光合-蒸腾耦合，土壤水分变化与碳同位素分馏对群体尺度水碳耦合的联合影响认识不足。稳定碳同位素组成（δ¹³C）依据Farquhar等的碳同位素分馏理论，与C_i/C_atm比值定量相关，可评估长期WUE，并整合整个生育期的光合与蒸腾过程，具有稳定、可重复、可扩展的优势；同时，农田水碳耦合还受气候变化、土壤水分、蒸散强度与灌溉管理等多因子调控，适度亏缺灌溉可在特定生育期降低季节耗水并提高WUE，并改变地上部、根系与微生物库间的碳分配。因此，在田间尺度构建整合δ¹³C、土壤水分响应函数与核心WUE理论的环境驱动水碳耦合模型，对评估寒区黑土农田SPAC水碳耦合过程至关重要。为此，研究人员将稳定碳同位素技术与SPAC水碳耦合框架结合，构建考虑环境约束的改进WUE模型，以回答土壤水分变化如何影响大豆光合-蒸腾耦合与WUE形成、如何影响碳同位素分馏与碳分配进而调控δ¹³C与用水的关系，以及模型能否有效表征不同水分条件下的水碳耦合机制等问题，为寒区黑土农田高效用水提供理论依据。

关键技术方法方面，研究在东北农业大学阿城试验基地开展田间试验与¹³C脉冲标记试验，设置80%田间持水量（FC，充分灌溉）、65% FC（轻度亏缺）和50% FC（重度亏缺）三个灌溉梯度；采用高速冷冻离心机测定土壤水分特征参数并以van Genuchten（VG）模型拟合土壤水分特征曲线，用烘干法测定土壤含水量，用便携式光合测定系统获取蒸腾速率、净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度并计算瞬时WUE；在密封有机玻璃箱内以Ba¹³CO₃生成¹³CO₂进行脉冲标记，于苗期、分枝期、开花结荚期和鼓粒期四个关键生育期标记并追踪21天，采集气体、植物（叶、茎、根）与根际土壤样品，用元素分析仪-同位素比率质谱仪测定δ¹³C，样品分为模型校准集与验证集。

研究结果方面，2.1 试验站点描述：试验位于松嫩平原中东部、寒温带大陆性季风气候区，2025年大豆生长季降水400.4 mm，约51.12%集中于7—8月，最高与最低气温分别为33.4 °C和1.0 °C；土壤为典型黑土，砂粒38.29%、粉粒40.42%、黏粒21.29%，平均田间持水量32.28 ± 1.67%，容重1.421 g·cm^?3，pH 6.67。2.2 试验设计：田间试验设W1（80% FC）、W2（65% FC）、W3（50% FC）三处理各三次重复共9个小区，¹³C标记试验在密封箱内设对应MW1、MW2、MW3处理，每处理3个独立箱体、每箱12株大豆，安装微型风扇保证¹³CO₂混匀，采用法兰与橡胶垫圈密封并以单向阀减少漏气；标记于09:00—15:00持续6 h，通过气泵3次补入¹³CO₂维持箱内浓度高于500 ppm，降至约350 ppm时补至500 ppm；以土壤水分传感器连续监测体积含水率并结合烘干法确定灌水，田间与标记箱均设防雨棚以排除自然降水，标记期间田间小区覆盖相同遮蔽材料以减小箱体效应。2.3 测定与采样：2.3.1 土壤水分特征参数测定，用高速冷冻离心机对原状土芯设置12个基质吸力梯度（0至15000 cm），以5 min内质量差小于0.01 g判定平衡，确定各梯度最短平衡时间，将h=330 cm对应含水率定义为田间持水量、h=15000 cm对应永久萎蔫点，二者之差为植物有效水，并用RETC程序拟合VG模型参数；2.3.2 土壤含水量测定，田间分0—10、10—20、20—40、40—60 cm四层采样，标记试验分0—10与10—20 cm两层，烘干法测定，测定间隔一般7—10天；2.3.3 光合参数测定，于晴天09:00—11:00用便携式光合系统测定完全展开叶的T_r、P_n、g_s与C_i，参考CO₂浓度维持400 μmol·mol^?1，WUE_i=P_n/T_r；2.3.4 同位素样品制备，以NaOH溶液吸收CO₂并加过量BaCl₂沉淀为Ba¹³CO₃，加H₂SO₄释放CO₂存入气袋，每处理每期校准集与验证集各3个独立观测；植物样品于各追踪期末破坏性采集叶、茎、根，105 °C杀青30 min后60 °C烘干至恒重、粉碎过60目筛，每数据集含36个植株水平观测；根际土壤风干研磨过100目筛，用6 mol·L^?1 HCl去除无机碳至无气泡，冲洗至近中性后50 °C烘干，δ¹³C由元素分析仪联用同位素比率质谱仪测定，所有样品三次重复。2.4 基于稳定碳同位素的水碳耦合利用效率方程：2.4.1 系统水碳利用效率的构建，叶片尺度WUE_i定义为碳同化速率与蒸腾速率之比，可依Farquhar模型描述，基于气体扩散原理与Fick定律整合式（2）至（4）推导式（5），其中P_n=g_c(C_atm?C_i)。

讨论与结论部分，研究指出所构建的基于稳定碳同位素的水碳耦合效率模型能够刻画不同水分条件下SPAC系统内的水碳耦合机制，土壤水分函数降低了模型在较高土壤水分水平下的高估，δ¹³C分馏可定量表征水碳耦合过程的响应；适度亏缺灌溉提高了大豆水分利用效率，水分亏缺重塑了SPAC系统内的碳分配格局。该研究为寒区黑土农田水分高效利用与节水固碳协同管理提供了理论依据与模型工具。