华北平原典型农田生态系统用水有效性与调控机制的多尺度研究

Groundwater over-exploitation is serious in the North China Plain (NCP). The low-efficiency of agricultural water use have caused serious waste of water resources. If the characteristics of water availability changes from crop leaves to farmland irrigation are be clarified, and the regulatory mechanisms for improving the efficiency of agricultural water use are be explored, they will contribute to reduce groundwater exploitation for agricultural irrigation. In the past, there have been many studies on the water use efficiency of leaves, populations and yield. The emphasis is on the acquisition of dry matter and yield, and lack of research on improving the water use effectiveness under limited irrigation. Most studies have been conducted on a short-term scale. The research on the spatial scale of leaf-plant-field is relatively independent and scattered. It lacks the variation characteristics and regulation mechanism analysis of water use on different scales in the same area, and the scale expansion is also deficient. This research will be conducted in typical groundwater irrigated farmland ecosystem in the NCP. Based on the eddy covariance methods, carbon stable isotopes technique, physiological and ecological observations and stomatal conductance model calculation methods, the law of annual and seasonal water use effectiveness of winter wheat and summer maize on leaf-plant-field scales including in key growth periods will be analyzed. The mechanism and key processes affecting water use effectiveness will be clarified. Meanwhile, the relationship of water use effectiveness on different temporal and spatial scales and the ways for achieving scale expansion will be explored. This research will provides a theoretical basis for the sustainable development of agriculture and water resources utilization in the NCP.

华北平原地下水超采严重，农业用水效率不高造成了水资源的严重浪费，明确从作物叶片到农田灌溉的用水有效性变化特征，探索提高农业用水效率的调控机理，将有助于减少用于农业灌溉的地下水开采量。以往针对水分利用效率研究较多，强调干物质与产量的获取，缺乏在灌溉条件无法满足情况下提高用水有效性的研究；已有研究大部分是在短时间尺度上开展的，叶片-植株-田块各自尺度上的研究相对独立和分散，缺少同一地区不同尺度上水分利用的变异特征、调控机制及尺度拓展研究。本项目将针对华北平原典型地下水灌溉农田生态系统，借助涡度相关和碳稳定同位素技术以及生理生态观测等试验和气孔导度模型等计算方法，通过分析叶片/植株/田块尺度上冬小麦-夏玉米用水有效性年、季及关键生育期的变化规律，明确影响用水有效性的关键过程及机制，探究用水有效性不同时空尺度间的相互关系及实现尺度间拓展的途径，为华北平原农业及水资源利用的可持续发展提供理论依据。

华北平原地下水超采严重，主要用于农业灌溉，研究农田系统不同尺度用水有效性及其调控机制十分必要。以往对叶片/群体/产量水分利用效率的研究较多，其强调的是干物质与产量的获取，缺乏在产量被限定的情况下耗水量多少的提高用水有效性的研究；已有研究大部分是在短时间尺度上开展的，叶片-植株-田块各空间尺度上的研究相对独立和分散，缺少同一地区不同时空尺度上水分利用的变异特征、调控机制及尺度拓展研究。本项目针对华北平原典型地下水灌溉农田系统，借助涡度相关和碳稳定同位素技术以及生理生态观测等试验和计算方法，探究叶片-植株-生态系统尺度上冬小麦-夏玉米用水有效性年、季及关键生育期的变化规律，明确影响用水有效性的关键过程，阐明气候变化背景下环境因子及水分条件对用水有效性的影响机制。结果表明，冬小麦全生育期内叶片的光合速率、蒸腾速率均呈现先增大后减小的趋势，水分胁迫可促使小麦光合速率、蒸腾速率、气孔导度均整体降低；叶片瞬时水分利用效率的主要影响因子包括气孔导度、光合有效辐射和根系层土壤含水量。在单株尺度，灌溉处理下的冬小麦水分利用效率整体低于水分胁迫处理，适度的亏缺灌溉可有效提高作物的水分利用效率；小麦玉米农田生态系统年均蒸散量和净碳交换量分别为714.2 mm yr-1和-534.3g C m-2 yr-1，小麦、玉米季水分利用效率分别为1.65 kgC m-3和2.18 kgC m-3，空气温度、叶面积指数和饱和水汽压差是影响群体水分利用效率的主要因素。光合-蒸腾耦合模型适用于冬小麦叶片及冠层尺度的土壤-植物-大气之间水碳交换的模拟，可以作为叶片尺度向冠层尺度水分利用效率拓展的工具；而穗Δ13C有望成为单株尺度小麦高效用水品种的筛选指标之一；而在区域尺度上，碳汇增加的代价是耗水量的大幅增加，加剧了地下水超采的程度。本研究结果将为华北平原农业及水资源利用的可持续发展提供重要理论依据。