植物水分胁迫指数作为中国栓皮栎人工林水分状况和碳汇能力的指标

《Smart Agricultural Technology》：Plant water stress index as an indicator of water status and carbon-sink capacity in Chinese cork oak plantations

　　

中国北方的栓皮栎（Quercus variabilis）人工林提供重要木材，但日常追踪其水分状况和干旱诱导的碳汇限制仍然困难。研究人员假设，由冠层与空气温差计算的植物水分胁迫指数（PWSI_dT）能够有效指示人工林水分状况以及水分有效性对冠层导度（g_c）和总初级生产力（GPP）的影响。为验证假设，于2020年和2021年测量了一个栓皮栎人工林的冠层温度、生态系统通量和气象要素。实际生态系统水分状况通过实测蒸散发（ET）相对于其潜在速率（PWSI_ET）进行归一化。与最小冠层阻力参数相比，空气动力学阻力参数对PWSI_dT性能的影响更为显著，尤其是在研究地点低水汽压亏缺（高湿度）条件下。在空气动力学阻力计算中，应考虑参考高度的影响。当参考高度设置较高且不考虑动量和热传输之间的阻力差异时，由空气动力学阻力参数获得的PWSI_dT能够准确描述人工林生态系统的水分状况。PWSI_dT与PWSI_ET之间的决定系数、一致性指数、均方根误差和平均误差分别为0.77、0.93、0.09和?0.01±0.09。当参考高度设置接近冠层高度时，必须将残余阻力纳入空气动力学阻力计算。此外，干旱事件对人工林生态系统的碳汇能力产生了严重的负面影响。PWSI_dT解释了人工林g_c约64%的变异和GPP约70%的变异，这大于土壤含水量指数和水汽压亏缺指数所解释的部分。因此，PWSI_dT提供了一种非破坏性、自动化且准确的方式，用于监测人工林水分状况及其对生态系统碳固定的影响。

在全球变暖背景下，干旱频率增加严重威胁森林生态系统健康，而现有气象干旱指标（如标准化降水蒸散发指数SPEI、帕尔默干旱严重度指数PDSI）分辨率低，难以反映生态系统特异性水分需求；水汽压亏缺（VPD）和土壤含水量（SWC）虽常用，但无法直接表征植物实际水分亏缺及碳汇限制。为此，研究人员以中国栓皮栎（Quercus variabilis）人工林为对象，旨在基于冠层-空气温差（dT）构建植物水分胁迫指数（PWSI_dT），评估其对水分状况和碳汇能力的指示效果。论文发表在《Smart Agricultural Technology》。

研究用到的主要关键技术方法包括：使用热红外相机（Flir A310F）连续获取冠层温度；利用涡度相关系统（CSAT3和LI-7500A）测定实际蒸散发（ET_a）和总初级生产力（GPP）；通过多层气象塔（5–26 m）监测空气温湿度、风速、净辐射、土壤热通量及SWC。样本来源于中国太行山南麓小浪底站（35°01′N, 112°28′E）的栓皮栎人工林。理论PWSI_dT基于Penman-Monteith方程和能量平衡模型计算，通过六种空气动力学阻力（r_a）算法（Thom-1975、Thom-1977、Verma-Rosenberg、Xianqun Xie、Liu和Chen）结合两种参考高度（14 m和26 m）进行参数化，并以基于实测蒸散发与潜在蒸散发之比的PWSI_ET作为真实水分状况基准，通过敏感性分析和精度评价（决定系数R²、一致性指数IA、均方根误差RMSE、平均误差ME）比较各算法性能。此外，分析了PWSI_dT、SWC和VPD对冠层导度（g_c）和GPP的解释能力。

研究结果如下：
**3.1 季节性环境因子变化**：2020年降水较少（238.56 mm），SWC平均18.13%；2021年降水较多（1105.85 mm），SWC平均23.08%。高VPD和低SWC时段提供了自然干旱胁迫梯度，用于评估理论PWSI_dT的响应性和稳健性。
**3.2 PWSI_dT对阻力参数变化的敏感性**：通过70天晴天数据集分析发现，理论PWSI_dT对空气动力学阻力（r_a）的敏感性约是对最小冠层阻力（r_cp）的三倍（r_a变化±10%导致PWSI_dT变化10.90%–12.65%，而r_cp仅4.45%）。且随VPD降低，敏感性呈幂律函数增加（R²=0.69–0.73），表明低湿度条件下r_a准确性对PWSI_dT至关重要。
**3.3 PWSI_dT追踪水分状况动态的性能**：当参考高度设为26 m时，采用Thom-1977算法（PWSI_dT_T77）描述水分状况较准确（R²=0.72, IA=0.65? 原文图7显示IA=0.67? 需按原文：PWSIdT_T77在26m时IA=0.67? 但原文图7未明确PWSIdT_T77的IA值，但描述中“所有其他模型均有低估”）；当参考高度设为14 m（接近冠层）时，考虑动量与热传输阻力差异的Chen算法（PWSI_dT_C）性能最佳（R²=0.77, IA=0.93, RMSE=0.09, ME=0.01±0.09），而PWSI_dT_T77和Verma-Rosenberg算法高估水分状态，Liu和Thom-1975算法低估。说明参考高度接近冠层时，必须将残余阻力（r_b）纳入r_a计算。
**3.4 PWSI_dT、SWC和VPD对g_c和GPP的影响**：PWSI_dT_C解释了人工林g_c 64%的变异和GPP 70%的变异，显著高于VPD（55%和54%）和SWC（50%和44%），表明PWSI_dT能准确追踪干旱胁迫对生产力的限制。

讨论部分总结：理论PWSI_dT的准确性受r_a参数化影响显著，尤其在低VPD高湿条件下。当参考高度较高（如26 m）时，动量与热传输阻力差异可忽略，推荐Thom-1977算法；当参考高度接近冠层（如14 m）时，需通过残余阻力（如Chen算法）或调整粗糙度长度比来校正差异。研究还指出，PWSI_dT通过直接反映气孔导度变化，比SWC和VPD更有效地描述水分胁迫对生态系统碳汇的抑制作用。未来应评估其在不同气候区和树种中的适用性，并整合无人机热成像和碳模型以扩展应用。研究结论翻译如下：在森林生态系统中，理论PWSI_dT包含大量气象参数、阻力参数和植物水分需求信息，可准确确定水分状况。空气动力学阻力对理论PWSI_dT描述水分状况的性能有显著影响，尤其在本研究地点低VPD（高湿）条件下。结果表明，当参考高度较高（如26 m）时，空气动力学阻力中动量与热传输的阻力差异可忽略；然而，当参考高度接近冠层高度（如14 m）时，必须将残余阻力纳入空气动力学阻力计算。PWSI_dT方法提供了土壤和大气干旱的信息，以及植物与空气间碳和水交换的同步信息，因此在准确描述水分胁迫对生态系统碳汇的限制作用方面优于VPD和SWC指数。