李志教授團(tuán)隊(duì)揭示了SPAC系統(tǒng)中植物水分利用影響土壤水平衡的機(jī)理

退耕還林還草工程顯著改變了黃土高原的植被格局，大量淺根植物轉(zhuǎn)化為深根植物，兩類植物水分利用策略的差異對(duì)土壤水文過程產(chǎn)生了重要影響。此背景下，亟需明確植物水分利用策略及其對(duì)土壤水平衡的影響機(jī)制。但當(dāng)前植物水分利用策略的解析方面存在不確定性，需要在量化各不確定性來源的基礎(chǔ)上推薦最優(yōu)方法。特別是，深根植物下和深厚土壤剖面中土壤水平衡各分量如何分解量化，也是當(dāng)前的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

針對(duì)這兩個(gè)問題，資源環(huán)境學(xué)院李志教授團(tuán)隊(duì)基于野外定位觀測(cè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)降水、土壤水和植物水的同位素動(dòng)態(tài)變化，在Water Resources Research、Agriculture and Forest Meteorology和Journal of Hydrology等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文，在多同位素聯(lián)用解析植物水分來源的不確定性分析和量化深根植物影響土壤水平衡機(jī)理方面取得系列進(jìn)展。

植物水分來源解析可以基于多種示蹤劑和多種模型進(jìn)行，但當(dāng)前尚未有研究全面評(píng)估不同來源的不確定性。為此，考慮示蹤劑、修正方法和混合模型的不確定性，選擇4種示蹤劑(²H、³H、¹⁸O、¹⁷O)，2種木質(zhì)部水同位素修正方法（²H-SW_excess和²H-SRWC)和4種混合模型(IsoSource、SIAR、MixSIR和MixSIAR)，產(chǎn)生124種組合后，量化了不同來源的不確定性，發(fā)現(xiàn)混合模型、示蹤劑及二者相互作用分別解釋了37%、28%和27%的不確定性，而木質(zhì)部水同位素修正方法僅占總不確定性的2%。基于此，推薦了最優(yōu)的示蹤劑和混合模型組合量化植物水源。這些結(jié)果為植物水分來源解析提供了重要的方法支撐。此成果以Untangling the Uncertainties in Plant Water Source Partitioning With Isotopes為題發(fā)表在Water Resources Research，碩士研究生蓋浩淇為論文第一作者。

圖1 植物水源劃分的不確定性分析框架。(a)考慮的不確定性因素；(b)不確定性分析；(c)方法優(yōu)化。

土壤水平衡公式P=E+T+Q+D+S中深層滲漏D難以量化和ET分割難度大，為此，聯(lián)合水穩(wěn)定性和放射性同位素，基于土壤水氚剖面計(jì)算D，基于降水-土壤水同位素關(guān)系計(jì)算土壤蒸發(fā)E，根據(jù)淺根和深根植物土壤含水量計(jì)算土壤儲(chǔ)水量變化?S，結(jié)合平地的微弱產(chǎn)流Q最終量化植物蒸騰T。發(fā)現(xiàn)，淺根植物轉(zhuǎn)為深根植物后，蒸騰(T)增加15%~28%，而蒸發(fā)(E)、深層滲漏(D)和土壤水儲(chǔ)量(S)明顯分別減少17%~30%，50%~95%，5%~14%。可見深根植物根系吸水顯著改變了土壤水平衡組分，通過降低其他水分通量而增加蒸騰。成果以Partitioned Soil Water Balance and Its Link With Water Uptake Strategy Under Apple Trees in the Loess-Covered Region為題發(fā)表在Water Resources Research，博士研究生石培君為論文第一作者。

圖2 農(nóng)地轉(zhuǎn)為蘋果園后土壤水平衡組分變化示意圖

進(jìn)一步，基于推薦的最優(yōu)植物水分來源識(shí)別技術(shù)，分析了不同土地利用方式下深剖面土壤水補(bǔ)給來源及其對(duì)植被變化的響應(yīng)，并基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的土壤水和植物水同位素分析了深根果樹根系吸水策略與降水和土壤水動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系，成果Impacts of Deep-rooted Fruit Trees on Recharge of Deep Soil Water Using Stable and Radioactive Isotopes和Links of Apple Tree Water Uptake Strategies With Precipitation and Soil Water Dynamics in the Deep Loess Deposits分別發(fā)表在Agricultural and Forest Meteorology和Journal of Hydrology。

開發(fā)的多同位素聯(lián)用方法為植物用水影響土壤水文過程的研究提供了有力的技術(shù)支持，結(jié)果有助于揭示探究氣候和土地利用變化下黃土區(qū)水循環(huán)演變機(jī)制，為植被和水資源可持續(xù)性調(diào)控提供了重要的理論支撐。

研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金和中央高校科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：

1.https://doi.org/10.1029/2022WR033849

2. https://doi.org/10.1029/2022WR032670

3.https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108325

4.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129829

編輯：趙杰

終審：李志