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近日，本刊编委南京信息工程大学冯兆忠团队在臭氧浓度升高对稻田生态系统水热通量的影响方面取得重要进展，研究结果以“Effects of elevated ozone on evapotranspiration and energy allocation of rice ecosystem under fully open-air field conditions”为题发表于Agricultural and Forest Meteorology。利用位于扬州市江都区的O3-FACE设施，通过连续3年的微气象原位观测手段，研究了臭氧浓度升高对稻田蒸散发和冠层能量分配的影响，弥补了该领域对水田作物的研究空白，并创新性地通过拆分蒸散发方法深入理解其对臭氧的响应。该研究有利于理解高浓度臭氧环境下稻田生态系统水热通量及其对区域气候的反馈。
成果简介
蒸散发（ET）是潜热通量的质量当量，同时驱动水文和能量循环，且对区域气候产生影响。对于农田，还需将ET拆分成蒸腾和蒸发。蒸腾作用（T）占比高且与生产力和碳循环相关，而蒸发作用（E）可能造成水分非生产性损失。当前，地表O3污染不断加剧，且高浓度O3与作物的主要生长时间相吻合，影响生产活动和农田生态系统的生态过程。在叶片尺度，高浓度O3引起植物早衰，并导致气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率下降。在冠层尺度，高浓度O3影响植物冠层结构、可用能量等。总之，高浓度O3将通过损伤作物，改变农田生态系统的ET和冠层能量分配，继而产生一系列影响。
探究臭氧浓度升高对水热通量的影响具有一定的挑战性。模拟O3浓度升高只能通过FACE设施，因为OTC（开顶箱）等半封闭设施将改变微气候条件，不能开展ET相关研究。而在FACE中观测ET和能量分配只能通过基于冠层叶温差的能量平衡余项法，因为涡动相关法和波文比法等主流方法需要更大的空间。目前，仅有美国SoyFACE基地对于旱地作物大豆开展研究，发现O3浓度将显著增加显热通量（H）以及冠层温度，并导致ET显著下降，对区域气候可能产生影响。然而，水田长期淹水，下垫面反照率和土壤水分情况与旱地的差异极大。我们对于水田作物水热通量对高浓度臭氧的响应还是空白，且之前研究尚未探究O3浓度增加对T和E的分别影响。
本研究在课题组的O3-FACE设施开展，通过微气象方法对长三角区域普遍种植的不同基因型水稻开展连续3年的原位观测。通过能量平衡余项法获取稻田生态系统冠层的能量分配，结合我们先前发表于《Science of the Total Environment》期刊上的Priestley—Taylor改进模型将ET拆分为E和T。在多时间尺度（日内、逐日、季节）研究了O3浓度升高对稻田生态系统ET和能量分配的影响。研究发现：
稻田生态系统冠层能量分配对于O3浓度升高的响应在各个时间尺度上基本一致，且与美国的旱地结果存在差异。E-O3使水稻净辐射（Rn）和显热通量（H）具有增加的趋势，但只在部分日期和部分关键生育期达到显著。这是因为E-O3降低了水稻的叶面积指数，且高浓度O3会降低水稻生物量，变薄的冠层将导致更多的太阳辐射进入深层。此外，水的反照率低于土壤，而干燥土壤的反照率甚至高于绿色植物叶片，所以水田相比于旱地将因O3浓度增加保留更多的太阳辐射。总之，水田长期存在的淹水层为作物提供了更多可用于ET的能量，从而对E-O3造成的负面影响进行负反馈调节。
E-O3使水稻显热通量（H）具有增加的趋势（绝对值降低）且在生长后期达到最大。结果主要归因于E-O3降低了水稻气孔导度并减少T，从而增加了叶片温度以降低温差，且具有累积效应。然而，水稻显热通量（H）的响应程度远低于先前的大豆（高达83%），主要因为水稻生长在炎热的夏季，冠层叶片温度低于空气温度（大豆相反）。结合高浓度O3会减少水稻生物量从而降低下垫面粗糙度这一事实，将抑制显热通量（H）的响应程度。
E-O3未引起水稻ET的显著降低，甚至还在某些日期和生育期显著增加，与先前大豆的结果完全相反。这是由于水田作物的E在ET中非常重要，而E和T的变化趋势并不一致。E-O3在多个时间尺度显著降低了T，并在灌浆期达到最大，主要因为E-O3减少了水稻LAI并引起水稻早衰，且高浓度O3限制了根系发育。另外，E-O3在全生长季增加了水稻E和E/ET。
根据3年的观测结果，我们认为水稻生长季的气候和水田特性将导致E-O3对稻田生态系统的影响以及引起的气候反馈低于旱地。然而，T的显著降低可能代表了水稻生物量、产量以及农田生产力的下降。E的显著增加可能意味着灌溉效率下降，农业用水压力增加。为减少高浓度O3对农业生产的影响，应制定更合理的种植策略和灌溉制度，如调整灌溉频率或使用地膜，并考虑种植抗O3作物品种。
作者简介
引用方式
Zhang Y, Wu J, Xu Y, Zhou Y, Xu S, Feng Z. Effects of elevated ozone on evapotranspiration and energy allocation of rice ecosystem under fully open-air field conditions[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2025, 362: 110363.
https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.110363.
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供稿：张宇杰
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