西北旱区葡萄园水碳耦合运动的机理与模拟研究

水分-产量关系是传统农田水利学的重点研究内容，作物获得产量的关键源于光合作用，以光合-蒸腾为基础的水碳耦合运动研究是对传统研究的继承与发展。本项目以此为内容，以西北旱区葡萄园为例，立足于精细的野外观测，运用光合测定仪、土壤呼吸测定仪和涡度相关仪等设备，对水碳通量实施多尺度的连续监测，主要研究气孔调控水汽与CO2的生理学机制，量化环境生理因子对蒸腾-气孔-光合耦合关系的影响作用，建立葡萄叶片蒸腾-气孔-光合的耦合方程，探索典型单篱架栽培条件下葡萄树的液流、光合变化规律及控制机理，分析二者的耦合关系，研究葡萄园的水碳通量变化规律及影响因子，评价葡萄园的固碳能力、生产力和水分生产效率等，探讨沟灌条件下土壤排放CO2的规律与控制因子，尝试应用统计学法构建叶片、冠层和农田尺度下水碳通量的转换函数，开发以光合-蒸腾耦合关系为基础的预测模型，为葡萄园水碳资源高效管理提供参考依据。

水碳耦合是全球变化等国际学术前沿关注的热点，相关研究是对土壤-植物-大气连续体水热传输理论等传统水利学研究的继承与发展。本项目以此为题，以西北干旱区典型葡萄园为例，立足于精细的野外观测，运用涡度相关仪等先进设备，对水碳通量实施了长期连续定位监测，重点研究日、季和年际尺度上葡萄园蒸发蒸腾、碳通量传输、水碳耦合、群体尺度水分利用效率规律，以及水碳通量模拟模型等。经过三年的研究，获得的主要成果有：(1) 获取了葡萄园2008～2013年的水热碳通量、地表风温光湿CO2浓度等气象资料，叶面积指数、气孔导度、光合蒸腾速率、产量、土壤温湿度等作物和土壤资料，为研究农田生态水文过程提供了重要数据支撑。(2) 多年研究表明葡萄园耗水平均日变化呈典型的钟型曲线，中午高、早晚低、夜间基本为0；季节变化呈开口向下的抛物线，生育中期高、初期末期低，浆果生长期为耗水高峰期；全生育期耗水300mm～400mm，多年日平均耗水2.0～3.0mm不等，土壤蒸发占总耗水量的50%左右。对比玉米、小麦等大田粮食作物，葡萄经济价值高、耗水总量低、单方水效益高。这为我国西北地区调整种植结构、特别是武威市建设“中国葡萄城”提供了重要理论依据。(3) 发现葡萄园NEE晴天日变化呈“W”型曲线，阴天呈“U”形。灌水和剪枝对碳汇能力有一定影响。葡萄园NEE生育初期为正值，中期为较高负值，末期碳汇能力下降。影响NEE变化的主要因素为光照和温度等。(4) 发现葡萄园生态系统水分利用效率WUE（即净碳吸收量与耗水量比值）日变化在不同生育期差异较大，季节变化呈双曲线，即随植被生长，WUE不断增加，至作物生育中后期，WUE稳定在2~6 mg g-1，全生育期最大10 mg g-1，平均3.25 mg g-1。还发现其对光照和气温非常敏感，植被与土壤介质的显著异质性以及呼吸作用对碳收支的重要影响，是造成该现象的主要原因。(5) 提出了一种计算农田表面阻抗的公式，对比经典的Jarvis和KP模型，明显提高了稀疏植被耗水估算精度，解决了Penman-Monteith公式估算稀疏植被耗水精度低的难题。相关成果发表在《Journal of Hydrology》上。(6) 建立了考虑土壤和植被差异的双源碳通量模型SMPT-SW。将其与通用的SMPT-SB大叶模型、Crop-C模型对比，表明SMPT-SW估算葡萄园NEE精度最优。