夜间水汽交换过程是生态系统水循环的重要组成部分，对维持生态系统水量平衡和植物生理发育具有十分重要的意义。夜间水分流失（Nocturnal water loss, NWL），即夜间蒸散发与水汽凝结（露水）的差值，在地表水和能量平衡中扮演着重要作用；然而，关于高耗水农田开展不同时间尺度的NWL动态及生物物理因子调控机理的研究却较为缺乏，本研究以华北平原冬小麦-夏玉米农田生态系统为研究对象，基于ChinaFlux站点栾城站涡度相关2008-2012年数据，结合随机森林模型和通径分析等分析方法，明确了夜间尺度、季节尺度和年际尺度NWL的动态特征及其生物物理调控机理。
研究发现，昼夜尺度上，NWL在夜间呈现降低趋势，在黎明前最低，主要受地表温度和空气温度的差值（Ts-Ta）调控。季节尺度上，小麦生长季的NWL高于玉米生长季，主要受饱和水汽压差（VPD）、风速（Ws）和冠层导度（gs）共同影响，玉米生长季的NWL主要受VPD，gs和净辐射（Rn）调控（图1）。在年际尺度上，NWL主要受Ts-Ta和土壤体积含水量（VWC40）共同调控。干旱年份，VPD和gs对NWL起主导作用。干旱时期的NWL占降水的百分比显著高于非干旱时期。干旱月份NWL最大值通常发生在Ta<16℃，VPD<0.8kPa，和VWC40<0.46 m3 m-3 （图2）。归一化植被指数（NDVI）对NWL的影响在湿润年份高于干旱年份。该研究结果强调了生物物理因素在调节农田生态系统NWL中的重要性，未来应更加关注气候变化背景下NWL对水和碳循环的影响，该研究对重要粮食产区同时又是缺水区的农田水分科学管理和农业水资源高效利用具有重要意义。
图1 鼎湖山站亚热带森林生态系统2003-2014年期间月尺度碳-水通量变化特征研究期间（a）小麦生育期和（b）玉米生育期非生物和生物因素对夜间失水量（NWL）影响的路径分析；（c、d） 湿润年份的小麦和玉米生长期间（即 2008 年、2009 年和 2012 年）；（e，f） 以及干旱年份小麦和玉米生长期间（即 2010 年和 2011 年）。绿色和红色箭头代表正向和负向路径。箭头的宽度和箭头附件的数字表征了两者关系的强度。这些数字代表变量之间的标准化估计。
图2 2008年至2012年生长季（4 月 1 日至 9 月 30 日）干旱月份夜间失水量 （NWL） 的月平均值与相应变量（即 Ta、VPD、Ws、Rn、gs 和 VWC40）的函数关系。相应变量包括（a）地表温度与气温之差（Ts-Ta）、水汽压差（VPD）、（c）风速（Ws）、（d）净辐射（Rn）、（e） 冠层导度（gs） 和 （f） 地下 40 cm的土壤体积含水量 （VWC40）
该论文以“Dynamics and biophysical controls of nocturnal water loss in a winter wheat-summer maize rotation cropland: a multi-temporal scale analysis”为题发表于国际学术期刊 Agricultural and Forest Meteorology （Q1,IF=6.2），收录于ChinaFLUX20周年专刊“Carbon, nitrogen and water fluxes of terrestrial ecosystems in China”，郭晓楠副教授（河北地质大学）为论文第一作者，张玉翠研究员为通讯作者（中国科学院遗传发育所农业资源研究中心）。研究受到国家自然科学基金项目（41930865, 42171023）等资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109701