【论文精选】148：华北平原主要农业生态系统的蒸散和碳交换及其对农业土地利用变化的响应

1.不同农业生态系统中环境因子的变化

环境因子通过影响生态系统水分运输和植物生长过程，对植物水分消耗和碳交换产生显著影响。(图4)2015-2019年4种生态系统年Rn为2629MJm-2，年P为469mm，年RH为62.4%，年Ta为14.1°C，年WS为1.7m/s。P主要集中在7-9月，约占全年的70-80%。冬小麦-夏玉米农田、棉田、梨园和菜地的P年均值从429mm到476mm依次递减，相差约15mm。所有气象要素的变化都可以代表华北平原典型的半湿润半干旱季风气候。各站点Rn日均值在0~20MJm-2之间变化，受P的影响，最高值出现在5月底至6月初。日平均Ta在10~31℃之间，7月Ta最高，约为30.5℃。日平均RH在20%~100%之间，2月最低，7~10月最高。日平均WS在1.0~4.0m/s之间变化。4个站点的土壤湿度存在明显差异，其中棉田的年平均θ最低，年平均为26%。梨园和菜地的θ年均值较高，为0.3，冬小麦-夏玉米生态系统的θ年均值居中，为0.28。

2.主要农业生态系统蒸散(ET)在不同时间尺度上的变化规律

 虽然气象条件相似，但由于植物具有不同的生长特性，不同生态系统的ET变化规律不同。涡度相关观测结果表明，农田日耗水量全年有两个峰值，分别出现在5月和8月(图5a)。小麦(11月1日至次年2月28日)越冬期，日蒸散量较低，维持在2.0mm以下。旺长期(3月1日至6月14日)平均日蒸散量为3.1mm。冬小麦季(10月1日至次年6月14日)日平均ET为1.6mm，低于夏玉米季(6月15日至9月30日,2.9mm⋅d^-1)。果树具有相对较深的根系和较大的树冠。与冬小麦-夏玉米农田生态系统不同，梨园的年际变化仅有一个生长高峰期，一般出现在6月底至7月初(图5b)。日蒸散量小于8.3mm，日平均蒸散量为2.2mm，一般出现在1月中旬。典型灌溉棉田的日耗水量变化如图5c所示。棉田平均日蒸散量也为1.6mm。ET仅在每年的7-8月出现一个峰值，最大值为8.0mmd-1，耗水量的最低值一般出现在2月。在这4种作物中，玉米的平均日蒸散量最高，棉田的日蒸散量正好等于冬小麦农田的值。

月平均蒸散发特征是日蒸散发的概括，是年蒸散发的详细表征。冬小麦-夏玉米农田月尺度上也存在两个ET峰值，不同年份各月ET差异不显著(图5a)。2008-2019年月平均ET在8.9~144.0mm范围内波动，1月最低，5月最高。月蒸散量的两个峰值分别出现在5月(142.2mm)和8月(110.3mm)，这两个月的总蒸散量占全年总蒸散量的35.3%。梨树生长的几个关键月份也标志着ET变化趋势的转折点(图5b)。水分消耗的主要形式是土壤蒸发和枝条表面的少量水分散失，1月份平均蒸散量为6.0mm。4月上旬，随着小叶的形成，盛花期ET开始稳定增加。ET在6月份达到最高值，平均值为142.9mm。果实在6~8月迅速形成。9月份，果实逐渐成熟落沙，耗水量开始减少。棉田10月至翌年4月的月平均ET一般在40.0mm以下，其中7月最高，为130.2mm，8月次之，为114.7mm(图5c)。5-6月中旬为棉花播种-出苗期，总耗水量为89.3mm，约占总耗水量的15%。棉花蕾期从6月中旬到7月20日耗水138.2mm。7月21日至9月的ET为234.9mm，约占总耗水量的39.7%。对于3种农业生态系统而言，4-9月是植物生长的关键月份，这6个月的蒸散量占全年蒸散量的75-84%。但这几个月P仅占ET的65~75%。因此，在需水关键期P不足时，灌溉是必要的。

整个生长季的ET决定了作物的总耗水量。2008-2019年冬小麦-夏玉米农田全生育期年均ET为714.2(±22.1)mm，变化范围为686.3~740.3mm(图5a)。冬小麦季平均年蒸散量为409.4(±20.2)mm，占全年蒸散量的57.3%，变化范围为380.3~447.6mm。玉米季平均ET为304.8(±17.0)mm，变化范围为281.4~338.7mm。玉米季平均ET比小麦季低105mm，这与冬小麦生长旺季生育期较长、ET较高有关。生长旺季(4-9月)梨园平均蒸散量为673.4mm(2011-2019年)，占全年蒸散量的86%(图5b)。梨园的年平均蒸散量为786.2mm(±31.7)(2011-2019年)，比冬小麦-夏玉米农田生态系统(2008-2019年)高约10%(图5c)。棉田农田生态系统(2016-2019年)年平均蒸散量为591.6(±3.6)mm。根据棉花的生长特性，5-9月是棉花的生长期。2016-2019年该时段平均蒸散量为464mm，占全年蒸散量的80%。10月至次年4月为非生长期，该时期的平均ET占全年ET的20%。

图5.主要农田生态系统((a)冬小麦-夏玉米农田生态系统，(b)梨园生态系统，(c)棉田生态系统)不同时间尺度的蒸散变化；上下限分别代表75%和25%的四分位数)。

随着人口数量的增加和生活水平的提高，对蔬菜的需求量增加，蔬菜灌溉在农业用水中的比重越来越大。据统计，全国蔬菜种植面积中，棚菜种植和露地蔬菜分别占全国蔬菜种植面积的21.2%和78.8%。图6对比了棚菜种植和露天蔬菜的ET值。从土壤水分平衡来看，温室和露地菜田平均年灌溉量分别为894.5mm和520.0mm，土壤水排泄量分别为283.5mm和172.2mm。试验期间设施菜地土壤不含磷，露天菜地土壤含磷量为476.0mm。因此，棚菜种植和露天蔬菜在NCP中的ET分别为610.5Mm和823.8Mm。蔬菜的耗水量因蔬菜种类、种植时期、灌溉方式的不同而存在明显差异。例如，不同灌溉制度的黄瓜耗水量在280~686mm之间，不同施肥方式和种植年限的番茄耗水量在224~320mm之间。然而，在正常的农业管理下，一年两熟的露地蔬菜地的ET明显高于NCP的小麦-玉米农田。

3.主要农业生态系统不同时间尺度的净生态系统CO2交换(NEE)变化

典型冬小麦-夏玉米农田NEE全年呈W型分布，对应小麦和玉米生长旺季的两个峰值(图7a)。这一结果与位于NCP(包群等,2022;Q.Zhangetal,2020)的冬小麦和夏玉米种植的微山站和禹城站的研究结果相似。在目前的种植制度和管理措施下，农田日NEE的两个峰值分别可达12.8gCm^-2⋅d^-1(5月上旬小麦灌浆期)和14.7gCm^-2⋅d^-1(玉米灌浆期在8月中旬)。梨园生态系统NEE的日变化如图7b所示。梨园NEE的峰值出现在梨树生长旺盛的5-9月。最大日NEE达到8.4 gCm^-2，出现在2016年6月初，最小日消耗量为2.7 gCm^-2。它出现在2016年3月底。梨园生态系统NEE变化与农田生态系统明显不同，有2个吸收峰，且峰值期变化缓慢，持续时间长于农田生态系统。梨园和农田生态系统NEE的差异主要是由不同的物候变化特征引起的。棉田的日NEE变化规律与梨园相似(图7c)。全年有一个高峰期，通常发生在8月份。日NEE变化范围为9.9~1.9gCm-2d-1。

NEE与作物生长发育阶段密切相关，不同月份差异较大。小麦越冬期(11月至次年2月)的NEE较低。6月是小麦收获与玉米播种的轮作期。因此，该月植被覆盖度较低，农田生态系统碳交换以土壤呼吸为主。月NEE峰值出现在(168.8 gCm^-2)年5月和(199.8 gCm^-2)年8月，与月ET相同。对于梨园生态系统，1-3月和11-12月NEE月平均值均为正值，维持碳源状态，4月转为净碳汇。NEE在5月急剧增加，约为4月的5倍，在6月达到峰值，为149.2gCm-2，与月ET变化一致。对于梨树不同生长阶段，梨园在开花期、果实形成期-膨大期和果实成熟期-采收期的NEE分别占总生长期的4.5%、62.4%和12.5%。由于棉田生态系统休闲期温度较低，土壤呼吸较弱，1-2月月平均NEE为3.6 gCm^-2，为弱碳汇。3-5月和10-12月棉田均以碳排放为主。由于4-5月气温较高，5月代表碳排放的月平均NEE最大值为25.6 gCm^-2。7、8月代表大碳汇的月NEE为157.8 gCm^-2，也与月ET的变化一致。

4.土地利用变化引起的蒸散变化趋势和生态系统净CO₂交换量的变化

绘制了2002年和2012年NCP的农业用地分布图(图8)。农业用地面积占全区总面积的64.5%。包括京津地区在内的冀北地区农用地利用情况十分复杂，农作物种类繁多，经济作物种类繁多，如蔬菜、水果等。冬小麦和夏玉米轮作约占总作物种植面积的55%，从2002年到2012年减少了3.42万公顷(表3)。棉花主要种植在河北省南部和山东省西北部的棉花主产区，10年间种植面积减少了20.3%。单季春玉米在河北省北部广泛分布，种植面积增加了180.2×103ha。以石家庄、沧州和滨州为代表的果树种植基地为主要种植区，2002-2012年种植面积增长了27.4%。蔬菜种植面积仅占总种植面积的6%，从2002年的447.6×103公顷增加到2012年的648.0×103公顷。稻谷主要种植在华北平原东北部，其面积所占比例最小(2.7%)。

由于不同植物的ET和NEE不同，农业用地变化将导致华北平原耗水量和固碳量的变化。表3显示了土地利用变化与ET和NEE变化之间的关系。冬小麦-夏玉米农田、棉田、果树的ET和NEE以及菜地的ET由本试验计算得到，其中种植面积占农用地总面积的84.7%。同时，尽可能在纬度和气候条件相似的华北平原或地区，根据研究结果计算单一春玉米农田和稻田生态系统的ET和NEE，以及菜地生态系统的NEE。蔬菜的ET和NEE是基于NCP中种植面积的温室和露地蔬菜的加权平均值。从农业土地利用变化来看，春玉米、林果和蔬菜种植面积的增加导致华北平原ET增加47.8×108m³，而冬小麦-夏玉米、棉花和水稻种植面积的减少导致ET减少22.3×108m³。因此，2002~2012年农业用水量增加了25.6×108m3，相当于同期地下水年调蓄损失量(Fengetal,2018)的35.4%，相当于2018年南水北调中线工程输水量(C.Zhangetal,2020)的40.3%。由于春玉米、森林/果树和蔬菜种植面积的增加，NEE增加了-437.7×104tonC，而NEE减少了179.7×104tonC。从2002年到2012年，NCP的NEE总变化量为-253.9×104tC，这意味着在这10年中碳汇增加。

NEE与ET之间存在着密切的关系，决定着生态系统的水分利用效率。华北平原冬小麦生物量积累在日蒸散量为~4.5mm时达到最大值。快速的蒸腾作用会引起叶片水势的变化，形成气孔负反馈，降低同化速率(Farquhar和夏基,1982)。然而，很难捕捉到NEEvs.ET。对玉米而言，由于玉米的光合类型为C4(Shenetal.,2013)。在气候变化背景下，CO₂浓度升高的有利影响可以弥补气候变化直接影响对棉花造成的产量损失。然而，CO₂浓度升高对棉花生长的影响还取决于植物水分有效性(Jansetal,2021)。本研究中，农用地利用引起的ET和NEE变化趋势一致。春玉米、森林/果树和蔬菜种植面积的增加导致ET和NEE增加，这有利于碳固定，但不利于农业用水。考虑到华北地区水资源短缺，地下水超采严重，该地区果蔬产品盈余占粮食供应的50%以上，种植结构调整应适当减少耗水量较高的果树、蔬菜等作物的种植。

图8.2002年(a)和2012年(b)华北平原农用地利用(黑色实心圆点表示不同省份城市).

表3华北平原不同农田生态系统种植面积、蒸散(ET)和净生态系统CO2交换(NEE)的变化