中国黄土高原上纯林与混林之间用水策略的比较

本研究对比了中国黄土高原纯油松林、纯Robinia pseudoacacia林及混交林在2022年（湿年）和2023年（正常年）的水利用策略，通过细根分布、土壤水分动态、稳定同位素分析及蒸腾量监测，发现混交林细根干生物量更高，深层土壤水分吸收比例显著增加（2023年达7.8%），且气孔调节更严格（m/Gcref比0.7-1.3），表明其更保守的水利用策略，对生态恢复有重要指导意义。

　　
本文针对中国黄土高原（CLP）纯林与混交林水利用策略的差异进行了系统性研究，聚焦于油松（PT）与美国白蜡树（RP）纯林及混交林（PT×RP）在2022年（丰水年）和2023年（正常年）的垂直根系分布、土壤水分动态、水分同位素来源解析及蒸腾响应机制。研究发现，混交林通过更高效的深层次水分利用和更严格的气孔调控策略，展现出优于纯林的水分管理能力，为CLP生态修复提供了理论依据。

### 1 研究背景与科学问题
黄土高原作为全球生态脆弱区，长期依赖单一树种造林（如油松、美国白蜡树），但纯林模式面临土壤干旱层（DSL）加剧、生物多样性下降等挑战。尽管混交林在CLP生态恢复中备受关注，其水利用策略的生理机制与纯林仍存在显著差异。核心科学问题包括：混交林如何通过根系协同增强深层次水分获取？不同林分类型在干旱胁迫下的气孔调控策略有何差异？这些机制如何影响林分水分利用效率？

### 2 研究方法
研究团队在陕西延长县Wuliwan流域建立实验区，通过三维技术手段构建完整的根系-土壤-大气水分循环监测体系：
- **根系监测**：2022年8月采用螺旋钻法分层采集0-500cm深度的细根样本，通过扫描和烘干法量化细根生物量与长度密度，结合形态学特征区分混交林中PT与RP的根系。
- **土壤水分动态**：部署EC-5传感器网格（20×20m），每50cm深度布设传感器，结合烘干法建立土壤含水量（SWC）与相对可提取土壤水（REW）的月动态模型。
- **稳定水同位素分析**：采集降水、土壤水和木质部水样本，利用同位素分馏模型（MixSIAR）计算不同土层水分贡献比例，特别关注150-500cm深层次水分利用。
- **蒸腾量与气孔导度**：采用热耗散探针法连续监测5-10m高林窗的蒸腾量（T_r），结合LAI（叶面积指数）推算气孔导度（G_c），并建立VPD（蒸散势差）的响应模型。

### 3 关键发现
#### 3.1 细根分布与土壤水分动态
- **细根生物量**：PT×RP混交林总细根干生物量（0.15kg/m3）显著高于纯PT（0.09kg/m3）和纯RP（0.14kg/m3），其中深层次（150-500cm）细根占比达35%-40%，远超纯林PT（24%）和RP（19%）。这表明混交林通过扩大深根系网络增强了深层水分获取能力。
- **土壤水分分层特征**：2022年丰水年SWC在0-500cm均层显著波动，混交林深层SWC提升幅度（0.019cm3/cm3）显著高于纯PT（0.010cm3/cm3）和RP（0.021cm3/cm3）。2023年正常年，尽管总降水量减少24%，但PT×RP通过深根系统维持了SWC的稳定性，其表层SWC下降幅度（0.014cm3/cm3）低于纯RP（0.021cm3/cm3）。
- **干旱胁迫响应**：当REW<0.4时，PT×RP混交林中RP组分的水分同位素δ¹⁸O值显著高于PT（p<0.05），表明混交林通过深层次水分获取缓解了表层干旱压力。

#### 3.2 水分来源解析
- **表层水分依赖度**：2022年混交林表层水分利用占比（43.5%）与纯PT（48.0%）接近，但2023年锐减至37.1%，同期纯RP从38.2%降至35.2%，显示混交林在干旱年表层水分依赖性更低。
- **深层水分补充机制**：2022年暴雨事件（单日117.5mm）后，混交林深层SWC提升幅度达12%，远超纯PT（8%）和RP（10%）。2023年通过δ²H同位素示踪发现，混交林中PT组分从深层吸收的水分占比增加7.8%（PT组分）和6.4%（RP组分），而纯PT和RP分别仅增加6.3%和6.0%。

#### 3.3 蒸腾响应与环境驱动
- **蒸腾量日动态**：RP纯林日蒸腾量（1.5-1.7mm）显著高于PT（0.8-0.9mm），混交林蒸腾量介于两者之间（1.9-2.2mm）。2023年蒸腾量同比增加15%主要源于RP组分气孔导度提升。
- **环境因子敏感性**：VPD和ET₀对蒸腾量的影响权重占比超过70%（表4），其中2023年混交林蒸腾量对VPD的响应系数（0.28）高于纯PT（0.19）和RP（0.24），表明混交林气孔调控更敏感。
- **气孔导度阈值**：采用边界线分析法发现，混交林在干旱胁迫下（REW<0.4）的m/G_cref比值达1.2-1.3，显著高于纯PT（0.7-0.9）和RP（0.6-0.9），表明其气孔关闭更严格，水分利用效率提升23%-35%。

### 4 机制解析
#### 4.1 根系协同增效机制
混交林通过PT的深根特性（平均深根比例达35%）与RP的浅根特性（表层根占比60%）形成互补。2022年8月采样显示，混交林0-40cm表层细根长度密度（2.1m/m2）低于纯RP（2.8m/m2），但150-500cm深层根密度（0.78m/m2）较纯PT（0.52m/m2）和纯RP（0.65m/m2）提升21%-30%，这种垂直根系分异有效实现了水分分层利用。

#### 4.2 气孔调控协同策略
- **松树气孔特性**：PT通过快速气孔关闭（响应时间<2小时）维持水分平衡，其m/G_cref比值在干旱胁迫下可达到0.9-1.3。
- **白蜡树适应性**：RP采用渐进式气孔调控（响应时间4-6小时），m/G_cref比值稳定在0.6-0.9。
- **混交林协同效应**：PT×RP混交林通过以下机制实现协同调控：①PT深根系（>200cm）提供稳定水分源，使RP组分在干旱日（REW<0.4）的蒸腾量降低18%；②气孔导度整体调控趋近于PT（m/G_cref=1.2），但VPD响应幅度介于PT与RP之间，形成动态平衡。

#### 4.3 水分利用效率优化
混交林通过"双通道"水分策略提升利用效率：
1. **浅层快速响应通道**：2022年暴雨后，表层0-40cm水分利用占比达65%，但2023年因降水减少至48%，混交林通过增加深根比例（35%）将深层水分利用占比从22%提升至28%。
2. **深层持续供给通道**：利用同位素示踪发现，混交林中PT组分从150-500cm深层的同位素δ²H（-43.9‰）与RP（-41.7‰）差异显著（p<0.05），表明深层次水分的垂直分配优化了林分整体水分稳定性。

### 5 实践意义与生态启示
1. **造林配置优化**：建议CLP混交林PT与RP比例调整为1:1.5，既能保持PT的深根优势（>200cm根系占比40%），又通过RP浅根（0-40cm占比55%）实现表层水分快速响应。
2. **干旱预警系统**：混交林在REW<0.4时通过深根系统维持蒸腾量波动幅度<15%，而纯RP林波动达22%，提示混交林可作为干旱监测指标。
3. **水分循环调控**：混交林通过深根-浅根协同（深根占比35%+浅根占比65%），使SWC年波动率从纯林的28%降至19%，有效缓解土壤干旱层扩展。

### 6 研究局限与展望
1. **采样频率限制**：当前细根采样仅针对单次暴雨事件（2022年8月），未能捕捉不同物候期（萌芽期、开花期、成熟期）的根系动态变化。建议采用15cm间隔连续监测法。
2. **模型简化问题**：蒸腾量计算采用组分比例叠加法，未考虑竞争抑制效应。后续研究需引入森林动态模型（如PROSAIL）进行多过程耦合模拟。
3. **碳-水权衡缺失**：未量化光合作用与蒸腾的碳-水耦合关系，未来可结合δ¹³C分析进行光合效率评估。

本研究为CLP生态修复提供了重要理论支撑：混交林通过深根系统增强水分稳定性（SWC年波动降低32%），气孔协同调控提升水分利用效率（ΔG_c=0.28 vs PT纯林0.19），其水分策略兼具快速响应（表层）与持续供给（深层）双重优势。建议在黄土高原干旱区推广PT×RP混交模式，以应对未来气候变化导致的降水年际波动（CLP年降水标准差预计增加15% by 2050，Wang et al., 2024）。