开发一种结合 PRI 和土壤水分的新水分胁迫指数，用于评估摩洛哥橄榄树的水分状况

《Remote Sensing of Environment》：Development of a new water stress index combining PRI and soil moisture for assessing olive tree water status in Morocco

　　

摘要

橄榄园是地中海农业的核心部门，但在反复发生的干旱和灌溉限制的威胁下日益脆弱。迫切需要可靠且可扩展的作物水分胁迫指标，以支持精准灌溉和长期监测。光化学反射指数（PRI）被提出作为光合作用活性和水分胁迫的代理指标，但其在半干旱条件下多年生深根系物种中的稳健性仍不确定。本研究利用摩洛哥豪兹平原一处在滴灌橄榄园中连续四个生长季（2020–2023年）的数据，评估PRI作为水分胁迫指标的有效性。测量内容包括冠层PRI、茎流、土壤水分含量（SWC）剖面，以及橄榄关键期（4月至9月）期间不同的微气候和气象变量。水分胁迫利用基于蒸散的参考指数（ITP = 1 ? T/Tp）进行量化，其中T为通过茎流获取的实际蒸散量，Tp为利用Penman–Monteith公式估算的潜在蒸散量。基于观测到的ITP–VPD响应关系，我们进一步开发了两个无需茎流测量的代理胁迫指数以估算水分胁迫：WSI-PRI（基于PRI和VPD）和WSI-SWC（基于SWC和VPD）。在4月至9月的各生长季中，我们观察到中度胁迫年份（2020–2021年）与重度胁迫年份（2022–2023年）之间存在显著的年际差异。在干旱年份，持续的土壤水分耗竭与升高的PRI、降低的茎流和持续偏高的ITP（>0.8）相伴随。在水分亏缺条件下，PRI与SWC之间出现了近乎线性的低噪声反向关系，同时茎流降低和蒸散受限加剧，这支持PRI可作为干旱驱动冠层调控的敏感指标。WSI-PRI和WSI-SWC均成功再现了季节性和年际胁迫动态，与基于茎流的ITP进行验证的结果确认了它们在不同水文年份中的可靠性。这些发现表明，PRI可以作为橄榄园系统中稳健且非侵入性的水分胁迫指标。通过将该证据从温带一年生作物扩展到半干旱地中海橄榄园，本研究突出了基于PRI的指数在精准灌溉和干旱监测遥感应用中的潜力。

引言

橄榄园是半干旱地中海地区经济的重要农业系统，该地区拥有全球98%以上的橄榄储量。在摩洛哥，橄榄种植是农业格局的基石，覆盖面积超过120万公顷（占全国果树面积的55%以上），沿超过700公里的梯度线分布，跨越不同的生态和气候条件（Boukhriss et al., 2025）。这种广泛的分布支撑了两种主要生产体系：雨养橄榄园约占橄榄种植面积的63%，灌溉园约占37%，但由于产量较高——特别是滴灌条件下——灌溉园贡献了全国约50–60%的产量（Olio Officina Editorial Team, 2023）。尽管雨养园极易受气候变率和反复干旱的影响，灌溉系统则日益受到水资源减少和灌溉资源竞争的限制，使得水分胁迫成为两种体系下生产力的主要制约因素。在豪兹平原这一重要的橄榄种植区，自2000年代初期以来干旱频率增加，加之灌溉需求上升，导致地下水耗竭，且近年已记录到橄榄蒸散和产量的下降（Jarlan et al., 2015; Barguache et al., 2024; Khabba et al., 2024）。这些趋势凸显了对改进水分胁迫监测和管理策略的需求，以在保障有限水资源的同时维持橄榄生产。

在摩洛哥半干旱橄榄种植区，检测与监测水分胁迫至关重要，因为水资源短缺对灌溉农业构成了强烈约束。在这些条件下确保橄榄生产的可持续性，需要在节约水资源和维持产量之间进行权衡——通过预防胁迫来实现。然而，即使是中度亏缺，往往在后期阶段之前不可察觉，也会显著降低生产力（Hsiao and Bradford, 2015; Ibba et al., 2024）。这使得水分胁迫的早期检测成为一项关键管理优先事项，因为它允许针对性灌溉，同时保障作物表现和水资源利用效率。

热红外（TIR）观测被广泛用于干旱和水分胁迫检测，因为气孔关闭迅速降低蒸散冷却并增加冠层温度，使地表/冠层温度（LST/Tc）成为植物水分状况的敏感代理指标（Idso et al., 1978; Sepulcre-Cantó et al., 2007; Sepulcre-Cantó et al., 2006; Wanjura et al., 2004）。因此，LST已被广泛整合到能量平衡方法和水分胁迫指数中（Rodriguez-Dominguez et al., 2012; Stefan et al., 2015; Amani et al., 2017; Amani et al., 2016），其在胁迫监测中的相关性在文献中得到了广泛支持（Anderson et al., 2007; Kalma et al., 2008; Li et al., 2009; Amazirh et al., 2017; Olivera-Guerra et al., 2018; Amazirh et al., 2022）。除卫星产品外，TIR还可以更精细的空间尺度获取（飞机、无人机或近感传感器），这对科学研究尤为有价值。然而，在橄榄等部分覆盖果园中，将温度转化为植物胁迫仍然具有挑战性，因为热信号常常混合了受阳光照射的土壤、遮蔽土壤和叶片的贡献，并受到视角、冠层结构、行距结构和阴影效应的强烈影响。这些因素使"真实冠层温度"与背景效应的分离变得复杂，并可能增加胁迫指数的不确定性，除非采用精细的掩膜处理、足迹控制和基线参数化（Chen et al., 2024; Karnieli et al., 2010; Peddinti and Kisekka, 2022）。在将LST与植被指数或土壤水分在水分受限期间关联时，也报告了类似的约束（Rahimzadeh-Bajgiran et al., 2012; Lambin and Ehrlich, 1996; Moran et al., 1994; Nemani et al., 1993; Smith and Choudhury, 1991）。

除基于热量的指标外，另一种检测植物水分胁迫的方法于20世纪90年代提出，基于类胡萝卜素循环（与光合作用过程密切相关），涉及 violaxanthin、antheraxanthin 和 zeaxanthin（VAZ）。该循环在光保护中发挥关键作用，使植物能够适应各种环境胁迫，包括高温、强光和水分亏缺。研究阐明了VAZ循环的调控机制及其在光保护中的重要性（Fernández-Marín et al., 2017; Jaghdani et al., 2021; Jahns and Holzwarth, 2012）。Niyogi（1999）探讨了控制VAZ循环的分子机制及其对植物光保护的影响，而Muller等人（2001）研究了该循环如何对不同光照强度做出响应并调节过剩光能的热耗散。这种光保护机制也可由其他胁迫因素触发，如高温（Demmig-Adams and Adams, 1992）或养分缺乏（Morales et al., 1990; Ruban et al., 1993）。光化学反射指数（PRI）作为可见光谱范围内一项有价值的胁迫指标应运而生（Rafi et al., 2024; Suárez et al., 2008; Thenot et al., 2002）。PRI已显示出与健康和受胁迫叶片中叶绿素与类胡萝卜素比值之间的强相关性，尽管在衰老叶片中未观察到这种关系，此时叶绿素与类胡萝卜素比值降至一以下（Sims and Gamon, 2002）。此外，PRI在区分干旱胁迫植物与其他因素（如氮素缺乏）影响的植物方面也显示出潜力。PRI的计算方法为531 nm处（黄化素类色素吸收发生的位置）反射率与570 nm参考波段之间的归一化差异。PRI受一组复杂机制的影响，包括光照条件、温度和CO?浓度（Evain et al., 2004; Gamon et al., 1992; Sukhov et al., 2021）。这种对类胡萝卜素循环变化的响应性，使PRI成为光合作用胁迫的有价值指标，而光合作用胁迫通常与水分胁迫密切相关。多项研究表明PRI在检测水、氮和热胁迫对植物的影响方面非常有效（Kohzuma et al., 2021; Lyubov et al., 2020; Mulero et al., 2023; Shrestha et al., 2012; Suárez et al., 2009; Suárez et al., 2008）。PRI既可提供关于植物结构状况的信息，也可反映其功能状态。众多研究已证实PRI能够远程识别绿色植物对过量光照暴露的保护性响应（Chebbi et al., 2018; Gamon and Surfus, 1999）。PRI还被证明能够区分不同的水分管理方式，并对干旱相关的生理调控做出响应（Rafi et al., 2024; Thenot et al., 2002）。然而，由于PRI受植物水分状况和大气强迫的双重影响，面向灌溉应用的关键挑战在于通过明确考虑蒸散需求（VPD），将PRI转化为具有需求感知能力的水分胁迫度量指标。

在此背景下，本研究调查了光化学反射指数（PRI）作为摩洛哥奇查瓦地区半干旱条件下滴灌橄榄园水分胁迫检测代理指标的有效性。我们采用代理检测方法，将高分辨率冠层光谱测量与气象变量相结合，以估算水分胁迫而不依赖直接蒸散测量。基于蒸散的水分胁迫指数（ITP）（Chebbi et al., 2018），通过实际蒸散量（T，来源于茎流）与潜在蒸散量（Tp，Penman–Monteith公式）的比值来量化胁迫，我们提出两个新的经验公式：WSI-PRI，基于PRI和蒸气压差（VPD）；以及WSI-SWC，基于土壤水分含量（SWC）和VPD。在该框架中，ITP作为基于蒸散的参考目标，而WSI-PRI和WSI-SWC则是无需茎流测量即可再现相同胁迫信号的代理指数。因此，目标并非重新建立蒸散受限对SWC和VPD的预期依赖关系，而是评估PRI与VPD结合时是否能够提供具有需求感知能力的冠层水分胁迫估计，且其性能与基于SWC的公式相当。这种双重方法使得可以直接比较基于PRI和基于SWC的胁迫估计，从而检验PRI在SWC测量不可用的情境（如大规模遥感应用）中运营使用的适用性。两种公式均旨在作为具有生理学依据的运营性代理指标，而非机制性气孔导度或土壤-植物-大气连续体（SPAC）模型：其目的是从冠层或遥感尺度可获取的变量中重建基于蒸散的水胁迫信号。

研究场地

本研究在摩洛哥中部豪兹平原奇查瓦地区（31°25′36.4″N, 8°39′05.9″O）一处在2.4公顷橄榄园进行，位于马拉喀什以西约70公里处（图1）。该地区具有典型的半干旱地中海气候，季节温差显著（1月冬季最低温约5°C至8月夏季最高温约35°C），降水稀少且不规律（<250 mm）（Barguache et al., 2025）。高大气需求体现在

结果

在本研究中，根据在同一地点、相同土壤和相同树木条件下多个变量的汇合行为，将2020–2021年和2022–2023年分别指定为中度胁迫年份和重度胁迫年份。这些变量包括：降雨量及季节分布、灌溉可用性、根区SWC动态、茎流、基于蒸散的胁迫指数ITP以及冠层PRI。当所有这些变量均一致地向更强烈水分方向转变时，年份被归类为重度胁迫。

干旱诱发的橄榄生理调控：PRI、茎流和ITP的耦合

在重度胁迫日观察到的75–80%茎流减少（第3.2节）以及中度与重度胁迫年份之间平均正午茎流约50%的季节性减少（图6）不能归因于大气强迫：两种状况下正午VPD均达到5–6 kPa，Rg均超过900 W m?2。相等的蒸散需求产生了截然不同的蒸散响应，这明确指向由土壤水分驱动的、由植物介导的调控。与此同时，SF

结论与展望

本研究旨在开发两种新型水分胁迫指数（WSI-PRI和WSI-SWC），能够在无需直接蒸散测量的情况下估算植物水分状况。对四年茎流、PRI、SWC和气象数据的分析揭示了VPD与参考水分胁迫指数（ITP）之间一致的非线性关系，其特征为在低VPD下快速上升，随后在高蒸散需求下达到平台。这种饱和可能反映了气孔调控作为一种适应性

CRediT作者贡献声明

Hamza Barguache：撰写——初稿、方法论、形式分析、数据整理。Jamal Ezzahar：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。Said Khabba：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。Jamal Elfarkh：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论。Salah Er-Raki：验证、监督、方法论。Adnane Chakir：数据整理。Lionel Jarlan：撰写——审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究在由Cadi Ayyad大学（UCA，摩洛哥）和法国发展研究学院资助的TREMA国际联合实验室（https://www.lmi-trema.ma/）框架内开展。

作者们感谢以下项目的资金支持：PRIMA-BIOMEnext、PRIMA-IRRIWELL、PRIMA-AQUEDUCT、CNES-TOSCA SECTEL、PEPR Faircarbon RIFT (ANR-22-PEXF-0004) 和 RISE-H2020-ACCWA。我们也感谢摩洛哥高等教育部、科学 哈姆扎·巴瓜切|贾迈勒·埃扎哈尔|赛义德·哈巴|贾迈勒·埃尔法赫|萨拉赫·埃尔拉基|阿德南·沙基尔|利奥内尔·贾兰|祖比尔·拉菲|帕斯卡尔·法尼斯|瓦莱丽·勒丹泰克