天气类型和土壤湿度对亚热带CAM菠萝田地表能量分配的影响

《Frontiers in Plant Science》：Weather types and soil moisture modulate surface energy partitioning in a subtropical CAM pineapple field

　　

地表能量分配通过决定可用能量如何以潜热与感热的形式耗散，来调控冠层热状况和水分利用。在热带和亚热带农田，复合高温-干旱事件增加了大气蒸发需求，但景天酸代谢（CAM）作物的响应可能不同于C3/C4系统，因为其白天气孔调节限制了蒸腾作用。本文利用Bowen比能量平衡观测，量化了中国南方一个亚热带CAM菠萝田的亚日尺度能量分配。研究人员利用净辐射（Rn）、土壤热通量（G）以及温度和水汽压的垂直梯度，估算感热（H）和潜热通量（LE），并计算可用能量（A= Rn? G）。为诊断大气需求与水分供应之间的耦合关系，研究人员利用Rn和蒸汽压亏缺（VPD）的中位数阈值，将小时数据划分为四种天气类型（WT4）：低Rn低VPD（LRn–LVPD）、低Rn高VPD（LRn–HVPD）、高Rn低VPD（HRn–LVPD）以及高Rn高VPD（HRn–HVPD）。此外，研究人员还使用百分位数（P33和P66）将20 cm深度的土壤含水量（SWC）进一步划分为三种土壤湿度状态（SWC3）：干燥、正常和湿润。研究人员使用情景中位数和有效小时数来总结LE/A、H/A和G/Rn，并以Bowen比（β = H/LE）作为感热与潜热分配的综合性指标加以补充。结果表明，能量分配主要表现为LE/A和H/A之间的补偿，而G/Rn始终很小。在所有土壤湿度状态下，HRn–HVPD下的LE/A始终低于LRn–LVPD。在LRn–LVPD下，干燥和正常状态的LE/A为0.47，湿润状态下增加至0.56；在HRn–HVPD下，其范围从0.26（干燥）到0.37（湿润）。湿度效应具有需求依赖性：在HRn–HVPD下，从干燥到湿润，LE/A增加了0.11，而LRn–LVPD下从干燥到湿润的增加量为0.09。β的响应强化了这种相互作用。在干燥条件下，β随VPD增加，并在高VPD下保持高位；而在湿润土壤下，β较低且趋于平稳。在HRn–HVPD下，当SWC在0.23–0.27 m3m-3范围内增加时，β急剧下降，随后在1.7附近趋于稳定；在非HRn–HVPD条件下，β对SWC的依赖性较弱，并在2.0附近达到稳定。复合日间模式进一步显示，在HRn–HVPD–干燥条件下，感热主导地位持续，而HRn–HVPD–湿润条件则将分配转向更高的潜热。这些结果表明，在该CAM菠萝系统中，大气需求对白天的蒸发冷却构成了强烈的约束，而土壤水分供应在高需求条件下最能有效地增强潜热耗散，从而为模型参数化和针对性水分管理提供了信息。

本研究《天气类型和土壤湿度对亚热带CAM菠萝田地表能量分配的影响》发表在《Frontiers in Plant Science》期刊上，针对亚热带雨养菠萝田的地表能量分配机制进行了深入探究。在热带和亚热带地区，农田日益面临复合高温-干旱事件的威胁。此类事件会同时增加净辐射（R_n）和大气干燥度（以蒸汽压亏缺VPD表示），从而放大蒸发需求。对于大多数C₃/C₄作物，这通常会导致蒸散增加。然而，菠萝（Ananas comosus）作为主要经济作物，具有独特的景天酸代谢（CAM）光合作用途径。CAM植物的气孔通常在夜间开放以吸收CO₂，而在白天相对关闭以减少水分损失。这种日间气孔调节策略意味着，即使在大气蒸发需求高时，其冠层导度和蒸腾作用也可能受到限制，从而可能影响能量分配，使可用能量更多地转化为感热（H）而非潜热（LE），加剧冠层增温和热胁迫风险。目前，对于亚日尺度上大气需求与土壤水分供应如何相互作用以调控CAM菠萝田能量分配的认识仍存在不足，这限制了对热风险窗口的识别、针对性水分管理策略的制定以及陆面模型的准确参数化。因此，开展此项研究对于理解CAM系统的水热交换过程、优化田间管理以及改进模型模拟具有重要意义。

为开展研究，研究人员在中国广东湛江的菠萝试验站进行了实地观测。该研究使用了基于Bowen比能量平衡（BREB）原理的观测系统，该系统通过测量净辐射（R_n）、土壤热通量（G）以及两个高度（1.5米和2.5米）的空气温度和水汽压垂直梯度，来估算感热通量（H）和潜热通量（LE）。可用能量（A）计算为A = R_n- G。能量分配以LE/A、H/A和G/R_n的比率表示，并以Bowen比（β = H/LE）作为综合指标。土壤含水量（SWC）在20厘米深度测量，作为根区水分供应的指示。数据采集时段为2022年7月至2023年5月，质量控制和筛选遵循BREB方法的特定规则。研究人员对白天的每小时数据进行了情景分类：以R_n和VPD的中位数（P50）为阈值定义了四种天气类型（WT4）；以SWC的33%和66%分位数为阈值定义了三种土壤湿度状态（SWC3：干燥、正常、湿润）。统计分析主要基于各WT4 × SWC3组合下的中位数和有效观测小时数，并构建了β随VPD和SWC变化的响应曲线。

3.1 天气类型和土壤湿度状态的分类

基于观测数据，研究人员使用R_n和VPD的中位数阈值定义了四种天气类型：LR_n–LVPD、LR_n–HVPD、HR_n–LVPD和HR_n–HVPD。数据显示R_n与VPD呈显著正相关。使用SWC的P33和P66阈值定义了三种相对土壤湿度状态：干燥、正常和湿润。观测期间SWC变化范围较窄，分类代表研究点内的相对湿度状态。

3.2 不同天气和土壤湿度组合下的能量分配

通过WT4 × SWC3情景矩阵分析发现，能量分配的变化主要体现在LE/A和H/A之间的补偿，G/R_n始终占比较小。关键结论包括：1）大气需求主导LE/A差异：HR_n–HVPD下的LE/A始终显著低于LR_n–LVPD，且这种差异存在于所有土壤湿度状态。例如，在LR_n–LVPD下，LE/A在干燥/正常时为0.47，湿润时为0.56；而在HR_n–HVPD下，其范围仅为0.26（干燥）到0.37（湿润）。这表明高辐射高VPD条件强烈抑制了CAM系统的白天潜热分配。2）土壤湿度效应具有需求依赖性：湿度增加对LE/A的提升作用在HR_n–HVPD下最强。在HR_n–HVPD下，从干燥到湿润，LE/A增加了0.11（增幅42%），而在LR_n–LVPD下，同等变化的增加量仅为0.09（增幅19%）。H/A呈现完全相反的变化模式。3）HR_n–HVPD–干燥是蒸发限制最强的状态，具有最低的LE/A和最高的H/A。

3.3 天气类型和土壤湿度对潜热分数的相对贡献

对比分析进一步量化了各因素的影响。研究发现，SWC对LE/A的影响在高需求条件下（HR_n–HVPD）最为显著。相反，天气类型的影响在所有湿度状态下都显著，HR_n–HVPD始终导致LE/A相对于LR_n–LVPD大幅降低，即使在土壤相对湿润时也是如此。

3.4 Bowen比对大气需求和土壤湿度的响应

通过分析Bowen比（β）与环境因子的关系，研究人员得出以下结论：1）β与VPD的关系受土壤湿度调节：在干燥条件下，β随VPD增加且在高VPD下保持高位（约3.1-3.2）；在湿润条件下，β较低（1.4-2.0）且随VPD增加趋于平稳。这表明能量分配在干燥土壤下对大气干燥度更敏感。2）β对SWC的响应依赖于气象背景：在HR_n–HVPD条件下，β随SWC增加在0.23–0.27 m³m^-3范围内急剧下降，之后在1.7附近趋于稳定；而在非HR_n–HVPD条件下，β对SWC依赖较弱，稳定在2.0附近。这揭示了在高需求条件下存在一个明确的“湿度敏感窗口”。

3.5 代表性情景下的日间能量分配

通过构建三种典型情景（HR_n–HVPD–干燥、LR_n–LVPD–正常、HR_n–HVPD–湿润）的复合日间能量通量模式，研究验证了情景统计的结论。在HR_n–HVPD–干燥条件下，尽管辐射很高，但H在白天大部分时间持续高于LE，表现出强烈的蒸发限制。在HR_n–HVPD–湿润条件下，与干燥条件相比，LE显著增加，H峰值降低，表明土壤增湿将分配转向潜热。而在LR_n–LVPD–正常条件下，所有通量幅值都较小，处于能量限制状态。

在讨论部分，研究人员首先强调了CAM生理调节对能量分配的关键约束。研究结果表明，HR_n–HVPD下LE/A持续偏低，这与CAM植物白天气孔调节及其对高VPD的前馈响应一致，导致蒸发冷却受限，可用能量向感热转移。其次，研究揭示了大气需求与土壤湿度之间明确的相互作用。土壤湿度效应在高需求条件下被放大，这与陆地-大气耦合理论中，土壤水分在高辐射高VPD时成为蒸发关键限制因子的观点相符。研究所观察到的β在HR_n–HVPD下对SWC的强烈响应及随后的平台期，指示了从水分限制状态向能量限制状态的过渡。此外，研究人员讨论了浅根菠萝对根区水分变化的敏感性，以及土壤蒸发在白天LE中可能的作用。最后，研究指出了对农业生态系统模型参数化和田间管理的启示。对于模型，需要纳入需求与供应的交互作用，并准确表征CAM系统在高VPD下的气孔限制。对于田间管理，HR_n–HVPD–干燥代表了最高的热风险窗口，因此在预计或发生此类高需求时期之前或期间，通过保护性措施或补充灌溉维持较高的根区水分，可能获得最大的边际冷却效益，这支持了一种基于时机的针对性水分管理策略。研究人员也指出了本研究的局限性，包括未考虑夜间CAM通量、观测期间SWC变化范围较窄、以及BREB方法本身的不确定性等，为未来研究指明了方向。

结论部分翻译：

本研究利用Bowen比能量平衡观测和基于辐射、大气干燥度及根区土壤水分的需求-供应分类，量化了雨养CAM菠萝田的亚日尺度地表能量分配。在整个观测期间，能量分配的变化主要表现为潜热与感热分数之间的补偿，而土壤热通量项相对较小，主要反映短期热量储存。

首先，高大气需求条件对潜热分数施加了持续约束。HR_n–HVPD条件始终使LE/A低于LR_n–LVPD，且此差异存在于干燥、正常和湿润所有状态。在LR_n–LVPD下，LE/A在干燥和正常时为0.47，在湿润时增至0.56。在HR_n–HVPD下，LE/A始终较低，范围从0.26（干燥）到0.37（湿润）。这些结果表明，在该CAM系统中，大气蒸发需求的增加并不必然导致更高的潜热份额；相反，在白天的蒸发冷却在HR_n–HVPD下受到限制，使分配向感热转移。从LR_n–LVPD到HR_n–HVPD导致的LE/A降低在所有湿度背景下都很大，表明大气对白天蒸发冷却潜力存在强有力的控制。

其次，在观测到的SWC范围内，相对土壤湿度效应具有强烈的需求依赖性，且在HR_n–HVPD下被放大。在HR_n–HVPD内，LE/A从干燥到湿润增加了0.11，而在LR_n–LVPD下，干燥到湿润的增加量为0.09，且在中等湿度附近变化有限。H/A的反向响应与LE/A镜像对应，表明土壤湿度主要在LE和H之间重新分配湍流通量，而非改变可用能量。

第三，Bowen比 β响应为这些控制提供了连续性诊断。在干燥条件下，β随VPD增加，并在高VPD范围内保持高位。在HR_n–HVPD下，当SWC在0.23–0.27 m³m^-3范围内增加时，β急剧下降，随后在1.7附近趋于稳定；在非HR_n–HVPD条件下，β表现出较弱的依赖性，并在2.0附近达到稳定。这识别出高需求下的一个湿度敏感窗口，在该窗口内，增湿导致β最大程度的降低以及从感热转移的最强转变。

复合日间模式支持了这些结论：HR_n–HVPD–干燥尽管辐射高，但表现出持续的中午H主导，而HR_n–HVPD–湿润则产生了显著更高的LE，接近H；低辐射条件限制了所有通量并削弱了分配差异。总之，情景图谱、效应量对比、响应曲线和日间模式共同表明，在CAM菠萝系统中存在一个清晰的控制层级：大气需求设定了对白天蒸发冷却的背景约束，而土壤水分供应则决定了在HR_n–HVPD强迫下潜热途径能被利用的程度。

从实践角度看，HR_n–HVPD–干燥代表了最高的热风险窗口，因为它结合了低LE/A与高H/A。因此，在高需求时期维持较高的根区湿度可能提供最大的冷却效益，这支持了保护措施或补充灌溉的针对性时机安排。对于建模，研究结果支持那些包含需求×供应相互作用并表征高VPD下CAM特定导度限制的参数化方案。未来工作应纳入夜间CAM通量，并在将这些结论推广到不同站点和季节时，更好地量化来自BREB筛选和能量平衡不闭合的不确定性。