李志教授团队揭示了SPAC系统中植物水分利用影响土壤水平衡的机理

退耕还林还草工程显著改变了黄土高原的植被格局，大量浅根植物转化为深根植物，两类植物水分利用策略的差异对土壤水文过程产生了重要影响。此背景下，亟需明确植物水分利用策略及其对土壤水平衡的影响机制。但当前植物水分利用策略的解析方面存在不确定性，需要在量化各不确定性来源的基础上推荐最优方法。特别是，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，也是当前的难点和热点。

针对这两个问题，资源环境学院李志教授团队基于野外定位观测试验，监测降水、土壤水和植物水的同位素动态变化，在Water Resources Research、Agriculture and Forest Meteorology和Journal of Hydrology等学术期刊发表多篇论文，在多同位素联用解析植物水分来源的不确定性分析和量化深根植物影响土壤水平衡机理方面取得系列进展。

植物水分来源解析可以基于多种示踪剂和多种模型进行，但当前尚未有研究全面评估不同来源的不确定性。为此，考虑示踪剂、修正方法和混合模型的不确定性，选择4种示踪剂(²H、³H、¹⁸O、¹⁷O)，2种木质部水同位素修正方法（²H-SW_excess和²H-SRWC)和4种混合模型(IsoSource、SIAR、MixSIR和MixSIAR)，产生124种组合后，量化了不同来源的不确定性，发现混合模型、示踪剂及二者相互作用分别解释了37%、28%和27%的不确定性，而木质部水同位素修正方法仅占总不确定性的2%。基于此，推荐了最优的示踪剂和混合模型组合量化植物水源。这些结果为植物水分来源解析提供了重要的方法支撑。此成果以Untangling the Uncertainties in Plant Water Source Partitioning With Isotopes为题发表在Water Resources Research，硕士研究生盖浩淇为论文第一作者。

图1 植物水源划分的不确定性分析框架。(a)考虑的不确定性因素；(b)不确定性分析；(c)方法优化。

土壤水平衡公式P=E+T+Q+D+S中深层渗漏D难以量化和ET分割难度大，为此，联合水稳定性和放射性同位素，基于土壤水氚剖面计算D，基于降水-土壤水同位素关系计算土壤蒸发E，根据浅根和深根植物土壤含水量计算土壤储水量变化∆S，结合平地的微弱产流Q最终量化植物蒸腾T。发现，浅根植物转为深根植物后，蒸腾(T)增加15%~28%，而蒸发(E)、深层渗漏(D)和土壤水储量(S)明显分别减少17%~30%，50%~95%，5%~14%。可见深根植物根系吸水显著改变了土壤水平衡组分，通过降低其他水分通量而增加蒸腾。成果以Partitioned Soil Water Balance and Its Link With Water Uptake Strategy Under Apple Trees in the Loess-Covered Region为题发表在Water Resources Research，博士研究生石培君为论文第一作者。

图2 农地转为苹果园后土壤水平衡组分变化示意图

进一步，基于推荐的最优植物水分来源识别技术，分析了不同土地利用方式下深剖面土壤水补给来源及其对植被变化的响应，并基于动态监测的土壤水和植物水同位素分析了深根果树根系吸水策略与降水和土壤水动态变化的关系，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分别发表在Agricultural and Forest Meteorology和Journal of Hydrology。

开发的多同位素联用方法为植物用水影响土壤水文过程的研究提供了有力的技术支持，结果有助于揭示探究气候和土地利用变化下黄土区水循环演变机制，为植被和水资源可持续性调控提供了重要的理论支撑。

研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金和中央高校科研业务费等项目的资助。

文章链接：

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

编辑：赵杰

终审：李志