劉 博，汪文超，崔遠(yuǎn)來，徐 濤

基于水碳通量耦合的長江中下游稻田蒸散發(fā)組分分解

劉 博1,2，汪文超3，崔遠(yuǎn)來2，徐 濤4

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；4. 江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201）

探明稻田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）組分特征對于提高稻田水分利用效率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水具有重要意義。該研究利用渦度相關(guān)（Eddy Covariance，EC）系統(tǒng)對長江中下游典型雙季稻田水碳通量進(jìn)行了連續(xù)2 a（2017 —2018年）的觀測，使用潛在水分利用效率（Underlying Water Use Efficiency，uWUE）法將稻田ET分解為植株蒸騰（Transpiration，）和棵間蒸發(fā)（Evaporation，），揭示了稻田生態(tài)系統(tǒng)ET及其組分的季節(jié)變化特征，并使用小型蒸滲儀/渦度相關(guān)（Micro-lysimeter/Eddy Covariance, ML/EC）法觀測結(jié)果對uWUE法進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：早晚稻植株蒸騰占蒸散發(fā)的比例（/ET）均呈先增大后減少的趨勢，水稻生育期/ET在0.49～0.62之間，其中早稻季/ET明顯低于晚稻季。通過比較uWUE法和ML/EC法兩種ET組分分解方法發(fā)現(xiàn)，uWUE法與ML/EC法估算/ET差異主要在水稻生長前期和陰天；在其他時(shí)期，uWUE法和ML/EC法估算的/ET顯著線性相關(guān)（2=0.852，<0.01），表明uWUE法可以較好地模擬稻田ET組分。以上研究成果可為uWUE法在稻田生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用以及長江中下游稻田節(jié)水灌溉和水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

蒸散發(fā)；蒸騰；蒸發(fā)；渦度相關(guān)技術(shù)；水碳通量耦合；稻田生態(tài)系統(tǒng)；潛在水分利用效率

0 引 言

蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是“土壤-植物-大氣連續(xù)體”的重要組成部分，同時(shí)也是連接陸面水循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)的紐帶[1-3]。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，絕大部分農(nóng)業(yè)用水最終以ET的形式消耗[4]。農(nóng)田ET通常包括植株蒸騰（Transpiration，）和棵間蒸發(fā)（Evaporation，），前者與作物生長緊密相關(guān)，后者則屬于無效蒸發(fā)。因此，準(zhǔn)確估算農(nóng)田ET組分，對于提高農(nóng)業(yè)用水效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展具有重要意義。目前農(nóng)田ET組分分解主要通過穩(wěn)定同位素法、直接觀測法或模型法[5-8]來實(shí)現(xiàn)。然而，同位素法設(shè)備昂貴、工作量大[9]；直接觀測法通過渦度相關(guān)（Eddy Covariance，EC）系統(tǒng)、小型蒸滲儀（Micro Lysimeter，ML）或液流計(jì)等分別觀測ET及其組分，但直接觀測方法往往具有一定的局限性，如液流計(jì)的使用對作物莖稈粗細(xì)有一定的要求，在作物生長初期不能包裹液流計(jì)[10]；ML無法在灌溉或降雨期間使用[11]等。此外，不同觀測方法之間的“尺度效應(yīng)”使其分解結(jié)果飽受質(zhì)疑[12]；模型法則依賴觀測結(jié)果，計(jì)算時(shí)往往也需要輸入較多的參數(shù)[13-14]，如Shuttleworth-Wallace模型等，從而導(dǎo)致估算結(jié)果的不穩(wěn)定。

隨著EC系統(tǒng)的推廣使用，一些學(xué)者開始從水碳通量耦合的角度嘗試對ET進(jìn)行組分分解。Scanlon等[15]基于通量方差相似理論，提出了水碳相關(guān)法，但該方法需要高頻通量數(shù)據(jù)，對于大多數(shù)研究者難以獲得。Zhou等[16]在潛在水分利用效率（Underlying Water Use Efficiency，uWUE）[17]的基礎(chǔ)上提出了uWUE法。該方法僅需要30 min水碳通量和氣象數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)ET組分的分解，具有簡單易用、ET組分在同一源區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。Zhou等[11]使用uWUE法獲取了黑河流域草地、玉米田和胡楊林ET組分，并與穩(wěn)定同位素法、小型蒸滲儀和液流計(jì)觀測結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明uWUE法相比其他方法可以更加有效地捕捉灌溉和葉面積指數(shù)對T/ET的影響。隨后，岳寧[10]和Ma等[18]先后評估了uWUE法在中國黃土高原玉米田和美國加州橡樹大草原的表現(xiàn)，表明uWUE法可以較好地模擬研究區(qū)ET組分。可見，uWUE法已經(jīng)成為估算T/ET的有效方法，然而受限于有限的觀測數(shù)據(jù)，uWUE法在稻田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用和評估較少。

長江中下游是中國主要水稻產(chǎn)區(qū)，對于維持國家糧食安全至關(guān)重要[19]。然而稻田會(huì)消耗大量水分，每生產(chǎn)1 kg水稻所消耗的灌溉水量是其他糧食作物的2～3倍[20]，其中大部分灌溉水最終以ET的形式消耗。探明長江中下游稻田ET組分可為稻田節(jié)水灌溉和區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供指導(dǎo)。鄱陽湖流域是長江中下游主要的糧食產(chǎn)區(qū)，以雙季稻種植為主，水稻種植面積占所有糧食作物的86%[21]，在長江中下游稻作區(qū)具有很高的代表性。本研究使用EC系統(tǒng)對鄱陽湖流域雙季稻田水碳通量進(jìn)行了為期2 a（2017—2018）的連續(xù)觀測，使用uWUE法將稻田ET分解為和，并與小型蒸滲儀/渦度相關(guān)（ML/EC）法進(jìn)行比較，進(jìn)而評估uWUE法在長江中下游稻田的適用性，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2018年在江西省灌溉試驗(yàn)中心站（116o00′01″E、28o26′26″N，海拔22 m）水稻試驗(yàn)田開展。試驗(yàn)站位于江西省贛撫平原灌區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，水熱條件充足，年均日照時(shí)數(shù)為1 720 h，年均氣溫在17～18 ℃之間，年平均降雨為1 663 mm，降雨在年內(nèi)分布不均，早稻生長季降雨豐富，晚稻季則存在缺水風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)土壤屬于典型南方紅壤水稻土，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏土，容重為1.34 g/cm3，飽和體積含水率為49%。試驗(yàn)區(qū)為典型早稻-晚稻種植模式。早稻（陸兩優(yōu)996）于4月下旬移栽，7月中旬收割，本田生育期在80 d左右；晚稻（天優(yōu)華占）于7月下旬移栽，10月底收割，本田生育期在100 d左右。稻田水分管理采用間歇灌溉模式，返青期保持淺水層，分蘗后期曬田，黃熟期自然落干，其他生育期允許田間落干3～5 d[22]。

1.2 觀測項(xiàng)目

1.2.1 水碳通量觀測

使用EC系統(tǒng)對2017—2018年稻田水碳通量進(jìn)行連續(xù)觀測。EC系統(tǒng)位于試驗(yàn)田偏西南處（圖1），主要由開路式紅外CO2/H2O分析儀（LI-7500A，LI-COR公司，美國）、三維超聲風(fēng)速儀（R3-50，Gill公司，英國）和數(shù)據(jù)采集器（LI-7550，LI-COR公司，美國）等設(shè)備組成。紅外CO2/H2O分析儀和三維超聲風(fēng)速儀安裝高度為地面以上2.5 m，采樣頻率為10 Hz，每30 min一組儲(chǔ)存在LI-7550中。

試驗(yàn)區(qū)配套了環(huán)境因素觀測儀器，空氣溫濕度傳感器、凈輻射傳感器、光合有效輻射傳感器和雨量筒安裝在地面以上3 m；土壤溫濕度傳感器和土壤熱通量板安裝在地面以下5 cm。所有設(shè)備每隔30 min計(jì)算1組均值，通過數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell公司，美國）進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2.2 棵間蒸發(fā)觀測

使用自制ML觀測水稻田棵間蒸發(fā)（）。ML由PVC材料制成，包含內(nèi)筒和外筒；內(nèi)筒內(nèi)徑為6 cm，高12 cm，外筒比內(nèi)筒略大，內(nèi)徑為7 cm，外筒外壁均勻打孔。內(nèi)外桶在使用前均不封底，內(nèi)筒嵌入土壤8 cm深，取出原狀土后封底，然后放入嵌入田間的外筒；內(nèi)筒土面與田間土面保持在相同水平面，隨后內(nèi)桶加水，每次觀測第3～4天進(jìn)行換水，保持內(nèi)部水層深度與田間水層一致。由于早稻生育期間降雨頻繁，僅對2017—2018年晚稻生育期進(jìn)行觀測，共計(jì)4個(gè)重復(fù)，ML位于測坑試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)生育期連續(xù)測量7 d左右，每天08:00測量內(nèi)筒質(zhì)量，測量前應(yīng)將內(nèi)筒表面水分用紙巾擦拭干凈。根據(jù)內(nèi)筒面積推算可知，內(nèi)筒質(zhì)量每降低1 g代表蒸發(fā)0.354 mm水。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

1.3.1 通量數(shù)據(jù)計(jì)算與校正

利用EddyPro通量數(shù)據(jù)處理軟件（LI-COR公司，美國）對高頻通量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和校正，校正方法包括傾斜校正、空氣密度校正、頻率響應(yīng)校正、質(zhì)量控制[23-24]等，最終輸出30 min顯熱通量（Sensible heat flux，）、潛熱通量（Latent heat flux，LE）和凈生態(tài)系統(tǒng)交換量（Net Ecosystem Exchange，NEE）。使用Kljun模型[25]分析水稻生育期通量貢獻(xiàn)區(qū)，結(jié)果表明白天主風(fēng)向90%通量來自76～109 m的范圍（圖1）。2017—2018年早晚稻生育期能量閉合度在0.74～0.98之間，屬于正常范圍[25]。剔除降雨前后數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制[26]指標(biāo)為7～9時(shí)數(shù)據(jù)、摩擦風(fēng)速（Friction wind speed，*）小于0.15 m/s時(shí)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過以上數(shù)據(jù)篩選后，共計(jì)27.0%的數(shù)據(jù)被剔除。采用目前主流插補(bǔ)方法對空缺數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。對于缺失的和LE數(shù)據(jù)，短時(shí)間窗口（≤2 h）采用線性回歸法插值，長時(shí)間窗口（> 2 h）采用平均日變化法[27]（Mean Diurnal Variation，MDV）插補(bǔ)，夜間缺失LE通過建立夜間LE與飽和水汽壓差和風(fēng)速的線性關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)[28]。為避免能量不閉合對ET組分的影響，采用“波文比法”[29]對LE和進(jìn)行能量閉合處理。使用非線性回歸法對NEE進(jìn)行插補(bǔ)并將NEE分解為總初級生產(chǎn)力（Gross Primary Production，GPP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Ecosystem Respiration，eco）。首先使用Lloyd &Taylor呼吸模型[30]對夜間NEE（即生態(tài)系統(tǒng)呼吸，eco）進(jìn)行插補(bǔ)：

式中和為擬合參數(shù)，T為空氣溫度，℃。

同時(shí)使用該模型估算白天eco，白天有效GPP可由有效NEE與白天eco的差值得到，根據(jù)Monteith的輻射使用效率理論，缺失的GPP可由非矩形雙曲模型[31]模擬得到，公式如下：

式中為光響應(yīng)曲線曲率參數(shù)；為表觀量子效率；PAR為光合有效輻射，mol/(m2·s)；max為生態(tài)系統(tǒng)最大凈光合速率，mol/(m2·s)。

1.3.2 基于水碳通量耦合的ET組分分解

本文采用uWUE法[16]對研究區(qū)ET進(jìn)行組分分解。該方法首先定義潛在uWUE（Potential uWUE，uWUEp）和表觀uWUE（Apparent uWUE，uWUEa）

式中VPD為飽和水汽壓差，hPa。

/ET可以通過uWUEa和uWUEp的比值估算。

uWUEp和uWUEa可分別由全生育期GPP·VPD0.5和ET的95%分位回歸線的斜率和短時(shí)期GPP·VPD0.5和ET的線性回歸斜率得到（詳見文獻(xiàn)[16]）。本文分別使用R語言“quantreg”程序包和Excel 2016計(jì)算以上兩個(gè)參數(shù)。

1.3.3 基于小型蒸滲儀/渦度相關(guān)的ET組分分解

使用ML觀測的可由式（6）計(jì)算得到。

基于渦度相關(guān)法觀測的ET可由式（7）得到。

可由ET與的差值得到，即

式中w1和w分別為第+1日和第日內(nèi)筒質(zhì)量，g；0.354為轉(zhuǎn)換系數(shù)，mm/g，LE為潛熱通量，W/m2；為汽化潛熱，MJ/kg；ρ為水的密度，kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素季節(jié)變化特征

2017—2018年水稻生長季主要?dú)庀笠?，包括氣溫?i>T）、凈輻射（Net Radiation，R）和飽和水汽壓差（VPD）季節(jié)變化特征見圖2。兩年各氣象因素季節(jié)變化差異不大。R在早稻生育期（4月下旬到7月中旬）總體呈增長趨勢，由于該時(shí)期陰雨天較多，R呈現(xiàn)頻繁的波動(dòng)；晚稻生育期（7月下旬到10月下旬）干旱少雨，R波動(dòng)較少且呈逐漸下降趨勢。T和R變化趨勢一致，2017和2018年早稻季平均溫度分別為24.6和26.5 ℃，晚稻季平均溫度分別為25.4和25.2 ℃。VPD總體處于較低水平，VPD高值出現(xiàn)在7月份，該時(shí)期炎熱少雨，因而VPD較高。2018年5月15—17日VPD出現(xiàn)極值（1.46～1.90 kPa），此時(shí)出現(xiàn)極端高溫天氣，最高溫度達(dá)到36 ℃左右，導(dǎo)致該時(shí)期VPD出現(xiàn)極值。

2.2 ET、GPP季節(jié)變化特征

ET、GPP是基于水碳通量耦合估算/ET的重要中間變量，其季節(jié)變化特征見圖3。

由圖3可知，水稻移栽后，GPP隨水稻的生長呈顯著的增長趨勢，早晚稻GPP分別在6月中旬和9月中旬達(dá)到峰值，2017和2018年早稻GPP峰值分別為11.0和14.8 g/(m2·d)，晚稻GPP峰值分別為16.0和15.6 g/(m2·d)，由于晚稻期間光熱條件更加充足，晚稻GPP明顯大于早稻。隨著水稻的成熟，葉片開始逐漸變黃，葉面積和葉綠素含量逐漸降低，早晚稻GPP逐漸下降。早晚稻ET季節(jié)變化趨勢與GPP存在顯著差異，早稻ET總體呈逐漸增大的趨勢，而晚稻ET則呈逐漸減少的趨勢，這與T和R的季節(jié)變化趨勢較為一致，表明該區(qū)域ET主要受氣象因素影響。7月為早稻黃熟期和晚稻返青期，盡管該時(shí)期葉面積較小，但較高的T、R使得ET保持在較高水平。早稻ET受陰雨天氣的影響呈現(xiàn)頻繁的波動(dòng)，2017年6月中下旬出現(xiàn)連續(xù)陰雨天，導(dǎo)致該時(shí)期ET較小，而晚稻期間炎熱少雨，ET波動(dòng)也較小。隨著晚稻成熟，此時(shí)T和R均處于較低水平，日平均ET在3 mm左右。

2.3 基于水碳通量耦合的ET組分變化特征

選取2017—2018年早晚稻生育期30 min的GPP、ET和VPD數(shù)據(jù)，采用95%分位回歸計(jì)算uWUEp結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，GPP·VPD0.5與ET有明顯的上邊界，95%分位回歸可以有效代表生長旺盛期時(shí)GPP·VPD0.5與ET的變化情況。本研究得到的稻田uWUEp為9.89 g·hPa0.5/kg，高于美國加州稻田（8.94 g·hPa0.5/kg）和日本稻田（7.06 g·hPa0.5/kg）[32]，這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)光熱條件更加充足，使得研究區(qū)水稻生長和光合作用更強(qiáng)；然而，研究區(qū)稻田uWUEp低于冬小麥和大豆（10.52～12.47 g·hPa0.5/kg），遠(yuǎn)小于玉米（16.90～19.12 g·hPa0.5/kg）[32]，這是因?yàn)橛衩诪镃4作物，其光合效率遠(yuǎn)大于C3作物（水稻、小麥、大豆等）。

2017和2018年不同稻季ET組分季節(jié)變化見圖5和表 1。隨著作物的生長，早稻E呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，則正好相反。早稻移栽后，由于水稻冠層覆蓋度最小，此時(shí)是ET的主要組成部分，2017年和2018年返青期早稻/ET分別為0.13和0.18。隨著水稻的生長，裸露水面面積減少，/ET逐漸升高，在拔節(jié)孕穗和抽穗開花期達(dá)到最大，此時(shí)為水稻營養(yǎng)生長旺盛期，ET主要由構(gòu)成，日日棵間蒸發(fā)大多保持在1 mm/d以下。2017年和2018年拔節(jié)孕穗期/ET分別為0.64和0.70，抽穗開花期/ET分別為0.65和0.70。隨著早稻逐漸成熟，葉片開始變黃脫落，占比逐漸降低。晚稻ET組分季節(jié)變化規(guī)律與早稻相似。由于晚稻育秧時(shí)光熱條件更充足，秧苗相比早稻更健壯，移栽后/ET比早稻更大，2017年和2018年晚稻返青期/ET分別為0.35和0.34。此外，由于晚稻黃熟落干持續(xù)時(shí)間較長，收割前/ET更低。不同年份早晚稻全生育期ET組分情況見表1。對于早稻，2017年全生育期和分別為162.1和156.3 mm，分別占ET的51%和49%；2018年ET組分構(gòu)成與2017年相近，E和分別占ET的48%和52%。對于晚稻，2017年全生育期和分別為170.3和281.6 mm，分別占ET的38%和62%，2018年晚稻/ET比2017年略低，為0.56。

表1 2017—2018年不同稻季各生育期ET組分

3 討 論

uWUE法是近年來基于水碳通量耦合的ET組分方法之一，該方法通過對水碳通量和氣象數(shù)據(jù)的簡單推算即可獲取生態(tài)系統(tǒng)尺度ET組分。需要注意的是，由于不同ET組分分解方法具有不同的理論基礎(chǔ)、適用范圍、觀測尺度等，難以判別哪種方法是絕對準(zhǔn)確的，但可以通過不同方法之間的對比，分析不同方法的特點(diǎn)。uWUE法相比其他觀測方法簡單易用，可以獲取同一空間尺度連續(xù)的ET組分，F(xiàn)LUXNET等數(shù)據(jù)共享網(wǎng)也為該方法的廣泛使用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[33-34]。然而，該方法也存在一定的局限性，首先該方法假設(shè)在作物生長旺盛期近似等于ET；其次，該方法不適用于多植被覆蓋的生態(tài)系統(tǒng)[16-17]。由于uWUE法提出時(shí)間較短，目前僅在少量站點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，Ma等[18]指出常規(guī)線性回歸方法可能會(huì)低估橡樹草原的uWUEa，并發(fā)現(xiàn)使用80%分位回歸計(jì)算uWUEa時(shí)得到的/ET與實(shí)際觀測結(jié)果較為一致。

本研究使用ML/EC法對稻田ET組分進(jìn)行了同步觀測，并與uWUE方法估算結(jié)果進(jìn)行了比較，圖6顯示了2017和2018年晚稻季ML/EC法和uWUE法估算逐日/ET的變化情況。從圖中可以看出，兩種方法估算的/ET總體變化趨勢保持一致。但在水稻生育前期，ML/EC法估算的/ET明顯小于uWUE法，這可能與ML的小尺度觀測有關(guān)。ML一般置于水稻行間，在生育初期，由于水稻植株矮小，其對ML的遮蔽作用相比田間尺度更弱，此時(shí)觀測的E更接近于無遮蔽的水面蒸發(fā)，從而導(dǎo)致ML/EC法估算的/ET變小。Zhou等[11]也發(fā)現(xiàn)uWUE法與穩(wěn)定同位素、ML/EC法的差異主要集中在生長前期和后期，而在作物生長中期，uWUE法與其他方法估算的ET非常接近。

除生育初期以外，uWUE法估算的陰天/ET明顯高于ML/EC法。圖7顯示了2017和2018晚稻期間陰天/ET的平均情況。對于ML/EC法，/ET為（0.40±0.19），而uWUE法則為（0.61±0.20），這可能與太陽輻射對ET和GPP的非一致線性影響相關(guān)。本研究區(qū)域水分條件充足，ET主要受太陽輻射控制[2]，因此陰天輻射的降低會(huì)使ET顯著降低；對于稻田光合強(qiáng)度，盡管被太陽直射的部分葉片光合強(qiáng)度降低，但陰天散射輻射占太陽輻射比例較高[35]，散射輻射可以滲透到植被中下層的葉片，使得背陰處的葉片可以接收更多的散射輻射，從而對整體光合作用強(qiáng)度起到了一定的補(bǔ)償作用，因此uWUE反而升高。許多研究[35-37]也發(fā)現(xiàn)WUE或uWUE在與晴空指數(shù)（Clearness Index, CI）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，uWUE模型是建立在葉片尺度上理想的氣體擴(kuò)散理論上的，即假設(shè)輻射對GPP和ET的影響可以相互抵消，因此在濕潤區(qū)陰天，由于太陽輻射對GPP和ET的影響程度不同，uWUE法會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。剔除掉陰天和生育初期數(shù)據(jù)以后，兩種方法估算/ET呈顯著線性關(guān)系，線性回歸斜率為0.958，決定系數(shù)2為0.852（圖8），表明uWUE法可以較好地模擬研究區(qū)稻田/ET。

基于uWUE法，本研究得到的長江中下游稻田全生育期/ET在0.49～0.62之間，由于晚稻生育期間光熱條件明顯好于早稻，晚稻作物生長較早稻更為旺盛，其/ET也高于早稻。研究區(qū)稻田/ET與東北三江平原、菲律賓、巴西、日本等地稻田/ET結(jié)果相近[38-40,32]，但略小于太湖流域控制灌溉稻田（0.62～0.65）和孟加拉稻田（0.64～0.70）[41-42]，這可能與不同的ET組分分解方法、水稻種植密度、品種等因素有關(guān)。稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤大部分時(shí)間處于淹水或者近飽和狀態(tài)，與小麥、玉米等旱作物田間水分狀態(tài)存在差異，因而稻田/ET一般小于旱作物。馮禹等[4]使用雙作物系數(shù)法得到黃土高原春玉米/ET在0.64～0.68之間；Ma等[43]分別觀測了小麥和玉米田ET及其組分，發(fā)現(xiàn)2015和2016年單作小麥/ET分別為0.68～0.73，而單作玉米/ET均為0.70；Lei等[44]得到的華北平原冬小麥/ET為0.69～0.76。Jiang等[32]基于四種典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)11個(gè)通量站點(diǎn)，共計(jì)32 a水碳通量數(shù)據(jù)，使用uWUE法將ET分解為和，發(fā)現(xiàn)夏玉米/ET最高（0.67±0.04），其次為冬小麥（0.65±0.07）和大豆（0.60±0.05），最后為水稻（0.57±0.02）。

4 結(jié) 論

本文基于水碳耦合關(guān)系，采用潛在水分利用效率（Underlying Water Use Efficiency, uWUE）法對長江中下游典型雙季稻田蒸散發(fā)（Evapotranspiration, ET）進(jìn)行了組分分解，并與小型蒸滲儀/渦度相關(guān)（Micro Lysimeter/ Eddy Covariance, ML/EC）法觀測結(jié)果進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下：

1）早晚稻植株蒸騰占蒸散發(fā)比例（Transpiration/Evapotranspiration,/ET）均呈先增加后減小的趨勢；水稻移栽后，稻田ET以棵間蒸發(fā)（Evaporation,）為主，返青期/ET在0.13～0.35之間；隨水稻的生長，占ET比例逐漸增大，到拔節(jié)孕穗-抽穗開花期達(dá)到最大，該時(shí)期/ET在0.62～0.79之間；隨著水稻逐漸成熟，/ET逐漸降低。

2）uWUE法和ML/EC法估算/ET主要差異在生長初期和陰天，ML/EC法可能低估生育初期/ET，而uWUE法則可能高估陰天/ET。未來有必要考慮濕潤區(qū)稻田水分利用效率影響機(jī)制，改進(jìn)基于水碳通量耦合的ET組分分解方法。

3）2017年和2018年研究區(qū)早稻全生育期/ET分別為0.49和0.52，略低于晚稻全生育期/ET（0.62和0.56）?；趗WUE法得到的長江中下游稻田/ET與東北三江平原、菲律賓、巴西、日本等地稻田/ET結(jié)果相近，普遍低于小麥、玉米等旱作生態(tài)系統(tǒng)。

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Partitioning evapotranspiration using the water-carbon flux coupling in a paddy field in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River in China

Liu Bo1,2, Wang Wenchao3, Cui Yuanlai2, Xu Tao4

(1.,,225009,;2.,,430072,;3.,,.,.,430010,;4.,330201,)

Partitioning Evapotranspiration (ET) over an agricultural ecosystem has been one of the most important strategies to improve the water use efficiency of the rice-producing areas in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China. However, the traditional ET partitioning presents labor intensive, scales mismatches, and low applicability. The new ET partitioning has been widely expected to consider the water-carbon fluxes coupling in recent years. In the present study, a two-year (2017-2018) water-carbon flux was evaluated using the eddy covariance measurement over a paddy field in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China. An Underlying Water Use Efficiency (uWUE) model was also applied to partition the ET into the transpiration () and evaporation (), in order to investigate the seasonal variation of ET and the/components. Moreover, the uWUE model was verified by the/ET observation using the micro-lysimeter and eddy covariance measurement. The results showed that the ET were 318.4 and 335.6 mm for the early rice, and 451.9 and 469.0 mm for the late rice in 2017 and 2018, respectively. The seasonal variation of T/ET was also closely related to the plant phenology. Specifically, the E was the main component of ET with the/ET ranging from 0.13-0.35 at the regreening stage after the early and late rice were transplanted. The/ET gradually increased with the growth of the rice plant, when reaching the peak values of 0.62-0.79 at the jointing, booting-heading, and flowering stages. Then, the/ET decreased with the senescence of the paddy rice. In season, the/ET values of the early rice were 0.49 and 0.52, respectively, which were lower than those of the late rice (0.62 and 0.55) in 2017 and 2018, respectively, because the light and thermal conditions were much better during the late rice season. Furthermore, the/ET variations over the paddy fields in the study area were close to those in the Sanjiang Plain, Philippines, Brazil, and Japan, but lower than the dryland ecosystems, such as wheat and maize. In addition, there were great differences in/ET in the initial period and cloudy days using the uWUE and micro-lysimeter/eddy covariance measurements. The micro-lysimeter/eddy covariance measurement underestimated the T/ET in the early stage, whereas, the uWUE simulation overestimated in cloudy days. However, the daily/ET presented a significant linear correlation (2=0.852,<0.01), indicating that the uWUE model can be used to partition ET over paddy fields. Future work needs to be done to investigate the water use efficiency over paddy fields in humid areas for better ET partitioning. The findings can also provide a strong reference for the application of uWUE model over rice ecosystems, as well as water-saving irrigation and allocation in the middle and lower reaches of the Yangtze River.

evapotranspiration; transpiration; evaporation; eddy covariance technology; water-carbon fluxes coupling; rice ecosystem; underlying water use efficiency

2021-05-17

2021-10-10

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中華人民共和國水利部-中國長江三峽集團(tuán)有限公司長江水科學(xué)研究聯(lián)合基金項(xiàng)目（U2040213）；江西省水利廳一般科技項(xiàng)目（202123YBKT09）

劉博，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)水文與節(jié)水灌溉。Email：boliu@yzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.011

S271；S161.4

A

1002-6819(2021)-24-0094-08

劉博，汪文超，崔遠(yuǎn)來，等. 基于水碳通量耦合的長江中下游稻田蒸散發(fā)組分分解[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(24)：94-101. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.011 http://www.tcsae.org

Liu Bo, Wang Wenchao, Cui Yuanlai, et al. Partitioning evapotranspiration using the water-carbon flux coupling in a paddy field in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 94-101. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.011 http://www.tcsae.org