储存在深层土壤中的过去降水为中国北方干旱地区人工林的绿化提供了支持

《Earth's Future》：Past Precipitation Stored in Deep Soils Sustains Greening of Dryland Tree Plantations in Northern China

深层土壤水（θd）对干旱区树木维持水分平衡和抗旱能力至关重要。通过建立过程模型并参数化根系分布数据，研究发现3-22年生的苹果树和黑槐树分别有31.9%和40.9%的水分消耗依赖200cm以下的深层土壤水。限制深层土壤水 доступ会导致苹果树蒸腾率下降19.7%，光合作用降低17.4%；黑槐树分别下降26.2%和20.2%。气象因素（降水、蒸散）和树体特征（年龄、胸径）显著影响深层土壤水利用。该成果为干旱区生态恢复提供了科学依据，揭示了树木水分策略与碳成本间的权衡关系。

　　深土水（θ_d）是指长期存储在深层非饱和土壤中的降水，这种水分无法在单个生长季内通过降水补充，对树木在干旱环境中的生存具有重要作用。尽管深土水对树木的适应性及生态功能影响至关重要，但其在不同树龄阶段对总水分消耗的贡献，以及其获取受限对树木蒸腾作用和光合作用的影响仍不明确。为了解决这一问题，研究者采用基于过程的模型，结合实地根系区域测量数据（从土壤表面到表观最大根深），模拟了两种常见树种——苹果（Malus domestica fuji）和黑胡桃（Robinia pseudoacacia）在北方中国地区的根系区土壤水分、树冠蒸腾和光合作用情况。研究结果表明，对于3至22岁的树木，θ_d200（指200厘米以下的深土水）在苹果树和黑胡桃树的总水分消耗中分别平均占31.9%和40.9%。当θ_d200的获取受限时，苹果树和黑胡桃树的年蒸腾率和日光合速率分别下降了19.7%和17.4%，以及26.2%和20.2%。这些发现揭示了树木通过更深的根系实现生理稳定性与获取深土水的碳成本之间的权衡关系。此外，研究还强调了在深层非饱和区进行生态恢复时，深入理解树木水分利用机制对可持续性规划的重要性。

在北方中国地区，特别是在黄土高原，大规模的造林计划已经建立了约867万公顷的树种种植区，以缓解严重的土壤侵蚀问题。由于气候干燥，年均降水量仅为400至600毫米，这些种植的树木发展出了深达数米甚至数十米的根系，以利用深层土壤中的水分储备，从而缓解干旱压力。在这一区域，200厘米以下的土壤通常被视为永久干燥层，一旦水分被耗尽，短期内难以通过降水恢复。因此，200厘米以上的土壤被定义为浅层土壤，而200厘米以下则为深层土壤。黄土高原中超过300米深度的土层隔绝了树木根系与地下水的联系，使得该区域成为研究树木深层土壤水分利用的理想自然实验室。

研究选取了两种典型的深根树种，苹果树和黑胡桃树，来探讨它们在干旱地区种植后的水分利用策略及其生态生理反应。研究的目标包括：(a) 量化θ_d200在干旱地区种植的树木从幼苗到成熟阶段的贡献；(b) 确定θ_d200缺乏对树木蒸腾作用和光合作用的影响；(c) 识别影响θ_d200获取的关键因素。研究假设随着林龄的增加，种植林对θ_d200的利用比例相应上升，但当深层土壤变干时，这一比例会持续下降。在没有θ_d200的情况下，种植林的蒸腾作用和气孔导度可能在特定林龄之后显著下降。

为了实现这一目标，研究者采用了一种基于过程的模型（STEMMUS），该模型考虑了非饱和土壤中的液相、气相以及热量的传输过程。通过将光合作用和气孔导度模块整合到STEMMUS中，研究者能够分析土壤水分传输对植物生理的影响。模型的输入数据包括基于实地测量的细根长度密度和土壤水分含量，以及气象数据如降水、相对湿度、气温、日照时长、风速、气压和地表土壤温度。此外，研究还利用了在黄土高原地区建立的土壤水分监测系统，获取了从10厘米到1000厘米深度的土壤水分数据，用于模型的校准和验证。

研究发现，对于3至22岁的苹果树和黑胡桃树，θ_d200的贡献在生长初期（4月至6月）分别为1.5%至65.7%和19.9%至76.5%，平均为37.6%和50.9%。而在生长后期（7月至10月），其贡献范围分别为1.5%至61.5%和10.0%至75.1%，平均为29.2%和39.8%。在休眠期，平均贡献分别为27.2%和35.0%。在年尺度上，苹果树和黑胡桃树的θ_d200贡献范围分别为5.9%至53.2%和16.1%至66.7%，平均为31.9%和40.9%。整体来看，两种树种的θ_d200贡献平均为36.4%。

进一步分析表明，θ_d200的缺乏对树木的蒸腾作用和光合作用产生了显著影响。在没有θ_d200的情况下，苹果树和黑胡桃树的年蒸腾率分别下降了19.7%和26.2%，日光合速率分别下降了17.4%和20.2%。这些结果表明，深层土壤水分的获取对树木的生长和生理功能具有重要作用。同时，研究还发现，降水和蒸腾作用是影响θ_d200利用的主要因素，而树木的年龄和胸径则是年尺度上的关键决定因素。

在讨论部分，研究者强调了深层土壤水分利用机制的复杂性。尽管树木通过深根系统获取深层水分可以增强其对干旱的适应能力，但这一过程需要消耗额外的碳资源，从而可能影响其整体生理稳定性。研究还指出，在黄土高原地区，由于降水分布不均，特别是在关键的生殖生长期（4月至6月），浅层土壤水分往往不足以满足树木的蒸腾需求，因此即使年轻的树木也需要依赖θ_d200来缓解干旱压力。随着树木年龄增长，树冠和叶片面积增加，蒸腾作用增强，进一步推动根系向深层发展，导致深层土壤水分的逐渐耗尽。

研究还探讨了影响深层土壤水分利用的主要因素。在月尺度上，降水和蒸腾作用是影响θ_d200利用的关键因素，而在年尺度上，树木的年龄和胸径成为主要决定因素。此外，虽然深层土壤水分的贡献在年尺度上并不显著，但其在树木生理适应中的作用仍然不可忽视。研究还指出，深层土壤水分的缺乏可能导致蒸腾作用和光合作用的显著下降，进而增加树木的死亡风险。这不仅影响个体的生存，还可能对整个生态系统的稳定性产生深远影响。

研究者还提出了一些生态恢复的建议。对于非经济性的树种如黑胡桃，通过间伐可以迅速缓解土壤干燥，恢复土壤水分。而对于经济性较强的树种如苹果树，适度的修剪可以有效减少蒸腾作用，同时不影响产量。此外，覆盖作物的种植能够减少土壤蒸发，提高雨水渗透率，是一种广泛应用的水资源管理措施。这些方法在干旱地区的生态恢复中具有重要意义，有助于实现生态与经济的双赢。

研究的局限性在于，它主要集中在半干旱地区，而对极端干旱地区的研究仍需进一步扩展。此外，当前的模型在描述植物对土壤水分的响应时，采用了应力函数，这可能在一定程度上高估了深层土壤水分的贡献。因此，未来的研究应进一步整合植物的水力结构，以更准确地预测根系到叶片的水力变化和动态土壤水分利用策略。

总体而言，这项研究为理解深层土壤水分在树木生理适应和生态恢复中的作用提供了新的视角。它揭示了树木在干旱地区生存所依赖的深层水分资源，并指出了其获取受限可能带来的生态风险。这些发现对于制定科学、可持续的生态恢复策略具有重要意义，尤其是在深层非饱和区的造林项目中。此外，研究还强调了在水资源管理中，平衡植物水分利用与土壤保护的重要性，以确保生态系统的长期稳定性和可持续发展。