中国黄土高原西部不同植被类型对水分吸收模式与土壤干燥化的影响机制研究

为解决黄土高原半干旱区植被恢复中土壤水分动态失衡及干燥化问题，研究人员通过稳定同位素(δ2H和δ18O)技术结合MixSIAR模型，揭示了人工林、苜蓿草地、农田和天然草地的季节性水分利用策略差异及其对土壤水储量(SWS)的影响。研究发现苜蓿草地导致100-200 cm土层严重干燥，而天然草地通过多源水分利用维持水均衡，为生态修复植被选择提供了科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，黄土高原作为中国生态脆弱区，长期面临植被恢复与水资源短缺的矛盾。尽管1999年启动的"退耕还林"工程显著提升了植被覆盖率，但人工植被的快速扩张导致深层土壤水分持续消耗，甚至形成难以恢复的干燥化土层(Dry Soil Layer, DSL)。这一现象威胁着区域生态系统的可持续性，而不同植被类型如何通过水分吸收策略影响土壤水循环，成为亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，中国的研究团队在黄土高原西部选取四种典型植被（人工林、苜蓿草地、农田和天然草地），通过为期一年的野外观测与实验室分析相结合的方法展开研究。团队运用氢氧稳定同位素(δ²H和δ¹⁸O)示踪技术，采集0-500 cm土层的土壤水和植物木质部水样，结合贝叶斯混合模型(MixSIAR)量化不同土层的水分贡献率；同步监测土壤水储量(SWS)变化，并创新性采用土壤干燥化指数(SDI)评估各植被类型的干燥程度。研究数据涵盖非生长季(2021年9月-2022年3月)和生长季(2022年4月-10月)两个关键时期。

3.1 气象与同位素组成变化
研究发现当地大气水线(LMWL)斜率(6.21)显著低于全球大气水线(GMWL)，证实强烈的蒸发效应。苜蓿草地在非生长季表现出最富集的δ¹⁸O值(-8.75‰)，反映其表层土壤蒸发强度最高。人工林与农田的土壤水线斜率在生长季达4.57和4.44，表明相似的水分活跃特性。

3.2 植物水分吸收与实际蒸散发
MixSIAR模型显示：人工林和农田全年稳定利用100-200 cm中层土壤水(贡献率57.2-79.4%)；苜蓿草地在生长季快速转为吸收0-100 cm浅层水(81.2%)；天然草地在生长季增加200-500 cm深层水利用(37.3%)。实际蒸散发(AET)数据显示，人工林生长季AET达346.10 mm，显著高于农田(298.55 mm)。

3.3 土壤水储量与干燥化
苜蓿草地的0-500 cm SWS最低(82.61-102.64 mm)，导致100-200 cm土层出现极严重干燥(SDI≤0.25)；而天然草地通过多源水分调配维持SWS>118.97 mm。深层土壤(200-500 cm)在天然草地和人工林中均能在生长季恢复湿润状态(SDI≈1)。

这项发表于《Agricultural Water Management》的研究，首次系统揭示了黄土高原不同植被类型的水分利用策略与土壤干燥化的因果关系。研究证实：单一化种植苜蓿会引发不可逆的深层土壤干燥，而天然草地的弹性水分利用模式更有利于维持土壤水均衡。这一发现为"退耕还林"工程中植被配置提供了关键科学依据——在生态恢复中应优先选择具有垂直水分利用多样性的天然植被，避免过度依赖深根性人工林或浅根性牧草。研究建立的SDI评估体系，也为全球干旱区土壤水资源管理提供了可量化的新工具。

技术方法亮点包括：(1) 采用真空冷冻蒸馏提取系统(BJJL-2100-1)保证水样同位素精度；(2) 运用液体水同位素分析仪(ABB LGR-ICOS GLA431)检测δ²H和δ¹⁸O；(3) 通过三层土壤划分法(0-100/100-200/200-500 cm)优化水分运移分析；(4) 基于永久萎蔫点(PWP)和稳定田间持水量(SFC)构建SDI四级评价体系。