基于水碳耦合的农田水分利用效率多时空尺度评价和转换

Water use efficiency (WUE) is a useful indicator for the relationship between water and carbon cycles. Studies of the spatio-temporal dynamics in WUE can help us understand global change impacts on agriculture, and are the key to promote the continuous, steady and coordinated growth of agriculture, especially in water scarce areas. Therefore, we will monitor fluxes of CO2 and H2O at the leaf-, plant-, field- and farm-scale in the North China, analyze the characteristic and variability of CO2, H2O and WUE, and develop WUE estimation models based on the cycles of water and carbon at different scales. Finally, we will improve the evaluation system for WUE and establish a spatio-temporal coupling scaling model of WUE to overcome the limitations of point and short-term observations. The study is significant theoretically and practically for improving WUE, optimizing regional irrigation scheduling and rational deployment of agricultural water resources.

多时空尺度水平上作物水分利用效率（WUE）的变异特征及其调控转换机制研究是揭示农田生态系统对全球变化响应和适应对策的基础与核心，更是缺水条件下农业得以持续稳定发展的关键科学问题。本研究将系统监测华北平原典型作物叶片尺度、单株尺度、田间群体尺度和农田尺度水碳通量，分析不同尺度水碳通量及水分利用效率时空变异性，构建以水碳耦合作用为基础的不同尺度水分利用效率定量估算模型，完善水分利用效率多时空尺度评价体系，揭示典型农田水碳耦合运动和水分利用效率的内在机制，并将时间维和空间维进行耦合，以此克服"点"上观测成果应用到"面"上的空间局限性和时间分辨率上的限制，最终实现基于水碳耦合的水分利用效率多时空尺度评价和转换。以上研究结果对作物高效用水评价和调控、节水灌溉管理和水资源合理配置等意义深远。

农田水分利用效率多时空尺度评价和转换是揭示农田生态系统对全球变化响应和适应对策的基础与核心，更是缺水条件下农业得以持续稳定发展的关键科学问题。本研究阐晰了不同尺度水碳通量及水分利用效率时空变异性，构建了以水碳耦合作用为基础的定量估算模型，提出了水分利用效率多空间尺度和多时间尺度的评价转换方法。获得的基本认知主要有：（1）不同叶位和叶片不同部位的光合、蒸腾与水分利用效率存在明显时空变异性，区域水碳通量源区范围与风速、作物生长状况等密切关联。（2）建立了基于气孔行为的作物叶片水碳通量模型，发展了作物和区域的水分利用效率定量估算方法，可以有效模拟冠层覆盖度发展进程、土壤含水率变化、干物质量积累过程及产量。（3）构建了基于参数空间异质性的水碳空间尺度提升方法，在气象条件、土壤类型、种植类型分布基础上，采用遥感技术，引入最大冠层覆盖度CCx与干物质量B空间分布，实现了区域土壤肥力、种植密度，以及管理差异的表征，形成了基于遥感数据的农田水碳空间尺度提升方法。（4）系统评价了多种时间尺度转换方法，明晰了不同时刻、不同辐射及不同叶面积指数下蒸散发尺度提升的效果，表明多数情况下采用EF法和Kc法的估算结果与实测值拟合较好，而正弦关系法仅在接近中午时刻的模拟效果较好；EF法适用于地表能量受限的情况，而Kc法和rc法适用于地表能量相对较大的情况；随着叶面积指数增大，EF法和Kc法对不同叶面积指数下的时间尺度扩展模拟效果较好。（5）系统评价了区域典型作物的水肥空间状况，并以作物高效用水为基础，形成了区域水肥调控方案，提出了调控潜力，有效实现了水分利用效率多时空尺度耦合评价。通过以上研究，能够有效克服“点”上观测成果应用到“面”上的空间局限性，以及时间分辨率上的限制，最终实现基于水碳耦合的水分利用效率多时空尺度评价和转换，对作物高效用水评价和调控、节水灌溉管理和水资源合理配置等意义深远。