《Agricultural Water Management》：Extreme precipitation rapidly recharges desiccated deep soil and restores deep root water uptake in a rainfed apple orchard: Implications for water management in deep-rooted agroecosystems
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• 湿润年份后两年，3–10 m深度的土壤水储量（Soil Water Storage, SWS）约高350 mm。
• 推断的表观湿润锋传播速率（apparent wetting-front propagation rate）约为5 m yr?1<
• 湿润年份后两年，3–10 m深度的土壤水储量（Soil Water Storage, SWS）约高350 mm。
• 推断的表观湿润锋传播速率（apparent wetting-front propagation rate）约为5 m yr?1。
• 实际蒸腾与潜在蒸腾比值（actual-to-potential transpiration ratio, Ta/Tp）从0.57增加至0.78。
• 3至10 m深度的根系吸水（Root Water Uptake, RWU）占蒸腾量的比例从50%增加至62%。
深层土壤水（deep soil water）在根系区水文循环及植物抵御季节性乃至长期干旱中发挥关键作用。浅层土壤水易被快速耗尽且易受降水补给，而深层土壤水驻留时间长、抗耗尽能力强，是干旱条件下宝贵储备。然而，深层土壤水一旦耗竭，由于降雨先被浅层截留（即通过蒸发和蒸腾进行储存、吸收与释放）以及深层根系区的阻隔，难以通过降雨重新补充。尽管其重要性突出，但由于地下过程固有的不可接近性，对深层土壤水补给与耗尽动态的机制理解仍不清楚。这一知识缺口在生态系统中尤为重要，维持充足深层土壤水储备对多年生作物（如苹果树）抵御干旱至关重要。与一年生作物不同，多年生系统面临复合水分胁迫，不仅造成即时产量损失，还会对植物活力与多年生产力产生持久影响，形成长期“干旱记忆”效应。气候变化加剧的极端干湿条件使这一问题更为严峻。
在黄土高原，作为世界最大苹果产区，因退耕还林工程（Grain for Green Program, GGP）及经济激励，过去三十年发展了约130万公顷苹果园。苹果树需水量高，但因地下水与地表水灌溉条件有限而几乎完全依赖降雨，迫使树木发育深根系。已有报道显示，恢复植被人工林最大根深可达数米至数十米。低降雨与高蒸散发的相互作用，加之树木蒸腾与深层根系吸水，限制了深层土壤水补给，导致土壤水储量持续下降，最终引发深层土壤干化（deep soil desiccation）。GGP实施后，典型深根物种恢复区域在15–25年间深层土壤水储量减少超过1000 mm，对植被干旱韧性与长期可持续性造成重要影响。恢复这些耗竭的深层水库已成为黄土高原雨养木本生态系统的重要挑战。尽管已有大量研究关注树木对干旱的响应，但对极端湿润期干化深层土壤补给的关注较少。现有证据虽表明黄土高原可发生间歇性深层补给，但以往研究主要关注入渗水体的移动与储存，由此产生的深层土壤水异常是否持续，以及随后是否改变成熟深根作物的根系吸水，仍远未解决。
研究人员假设极端湿润年将伴随：(i) 先前干化的深层土壤储水量增加，以及 (ii) 再湿润深层土壤区间对树木蒸腾的贡献更大。为验证该假设，研究人员以黄土高原持续监测的成熟雨养苹果园为对象，研究其对2021年极端湿润年（年降水量920 mm，长期均值约580 mm）的响应。研究整合了延伸至20 m的高分辨率土壤水分观测、细根测量、基于稳定同位素的根系吸水分配以及基于树干液流的蒸腾测量，对湿润年前（2017）和湿润年后两年（2023）进行对比分析。研究旨在量化湿润年后深层土壤水异常（>3 m）的深度、幅度与持续性，并判断该异常是否伴随根系吸水的重新分配。结论表明，极端湿润年可引发显著且持续的深层土壤水补给：两年后3–10 m层仍保留约350 mm额外水分，表观湿润锋传播速率约5 m yr
?1；树木吸水明显向再湿润深层转移，3–10 m层对蒸腾的贡献从50%增至62%；实际蒸腾与潜在蒸腾比值（Ta/Tp）从0.57提升至0.78，表明深层水分可利用性增强。这些发现为深根型雨养农业生态系统的水分管理提供了依据，强调雨水收集、微地形设计与保护性耕作等农艺措施在增强间歇性强降雨捕获与保持中的潜在价值。
本研究依托位于陕西省长武县渭北沟壑区（Wangdonggoup catchment）的2005年建园成年红富士苹果园，在2017与2023年生长季开展系统观测。主要技术方法包括：利用手动土钻获取0–20 m土壤剖面，测定土壤含水量并计算土壤水储量（Soil Water Storage, SWS）；采用根钻法获取细根分布；利用热消散探针（Thermal Dissipation Probes, TDP）监测树干液流速率并推算单树蒸腾；通过冷冻真空蒸馏（cryogenic vacuum distillation）和Cavitron离心法提取土壤与植物水分，利用同位素比值质谱仪测定氢氧稳定同位素（δ2H和δ18O）组成；构建改进的贝叶斯连续同位素混合框架（modified Bayesian continuous isotope-mixing framework），在Stan平台实现根系吸水（Root Water Uptake, RWU）连续概率密度分布的估算与深度分层贡献解析；基于FAO双作物系数法计算潜在蒸腾（Potential Transpiration, Tp），并与实际蒸腾（Actual Transpiration, Ta）对比。
3.1 极端湿润年前后的土壤水和根系分布
通过对比2017与2023年土壤水分剖面，研究人员发现两条曲线在约3 m和10 m深度交叉，据此划分浅层（0–3 m）、中层（3–10 m）和深层（10–20 m）区间。方差分析表明，0–3 m与10–20 m层两年间平均含水量无显著差异，而3–10 m层含水量在2023年显著升高（P < 0.05），土壤水储量比2017年高约351 mm（1760 ± 56 mm对1409 ± 56 mm）。以2021年极端湿润年至2023年约两年计，表观湿润锋传播速率约5 m yr
?1。细根分布方面，0–3 m层两年均含约34%总细根长度；2017年观测根系最深至14.2 m，2023年达20 m采样上限，>10 m层根长占比明显增加。
3.2 极端湿润年前后果园蒸腾变化
基于液流法测得的实际蒸腾（Ta）在2017年为213.06 mm，2023年为232.14 mm，尽管2023年叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）较2017年降低约27%。潜在蒸腾（Tp）从385 mm降至307 mm。Ta与Tp的日均值在两年间均呈显著正相关，但Ta/Tp比值从2017年的0.57 ± 0.24显著增至2023年的0.78 ± 0.31，表明尽管冠层减小，但潜在蒸腾的实现比例在湿润年后明显提高。
3.3 苹果树蒸腾水源变化
利用稳定同位素示踪结合贝叶斯混合模型，研究人员估算了连续根系吸水分布。2017年生长季，0–3 m、3–10 m和10–15 m土壤水对蒸腾的贡献分别为42%、50%和8%。2023年生长季，0–3 m层贡献降至24%，3–10 m层升至62%，10–20 m层升至14%。将水源比例与季节Ta结合估算，3–10 m层吸水从约107 mm增至约144 mm，而0–3 m层从89 mm降至56 mm，表明吸水明显向再湿润的3–10 m深层转移。
4.1 极端降水促进深层土壤快速补给
研究人员指出，在湿润环境中深层土壤水可在后续湿润季快速恢复，而在水分受限地区可能需要数年至数十年。黄土高原常规降水入渗通常局限于浅层，深层黄土中估算孔隙水速度（pore-water velocities）缓慢（约20 cm yr
?1），导致深层更新时间长。本研究中观测到的显著后湿润信号代表了与典型深层水分补给模式的显著偏离。2023年土壤水分剖面显示出延伸至约10 m的显著后湿润信号，表观传播速率约5 m yr
?1，远大于区域活塞流（piston flow）速率，提示快速非活塞传输的可能贡献，如优先流（preferential flow），尽管本研究未直接测量优先流。3–10 m层保留约351 mm更多水分，表明极端湿润年后大量深层土壤水储量差异持续两年。这一发现与长武黄土区独立观测一致，即优先流可占深层总补给的34–65%，并延伸至活塞流锋面数米以下。
4.2 持续深层补给遗留效应与根系吸水重分配
浅层土壤水因受降水、蒸散发等影响时空变异大，是极不稳定的水源。多年生树木可通过深根获取深层土壤水以缓解干旱。本研究中，2023年季节Ta略高于2017年，且Ta/Tp（0.78对0.57）不能唯一归因于2021年湿润年，因为大气需求与冠层发育均体现在Tp中。更强证据来自土壤水储量与水源利用的深度特异性对应：3–10 m层储水量高约351 mm，其吸水贡献从约50%增至62%，而0–3 m层贡献从42%降至24%。值得注意的是，这种水源利用的重分配并未伴随细根分布的等价变化——0–3 m层细根占比稳定，而其RWU贡献下降；3–10 m层相对细根量减少，RWU贡献却增加。这种结构–功能解耦（structural–functional decoupling）表明，吸水重分配不能仅由根系丰度解释，而与2023年3–10 m层显著更湿的土壤一致。更深层根系观测与区域年代序列一致，最大根深随果园年龄增加。深层吸水向下转移在机制上与全球综合研究一致，该研究表明木本植物优先追踪最高植物可利用水分层。这些结果表明，2023年较高的Ta/Tp可能同时反映水分可利用性增加和根系吸水活性变化。深层水分因较少暴露于地表蒸发，可在较长时间内保持可利用性，凸显了深层土壤水在浅层水分有限时期维持树木水分利用方面的重要水文意义。
4.3 对雨养深根果园水分管理的启示
本研究表明，树木深根系统积极利用深层土壤水满足其高蒸发需求，但这些储备的慢性耗竭可触发多年生干旱胁迫，降低当季及后续生长季产量。对于雨养果园，两种管理措施值得评估：(1) 在极端湿润期减少径流、促进入渗的做法，可能增加深层土壤水储量以供后续根系吸收；(2) 汇集降雨、可能促进更深补给的微地形改造。其有效性需在不同土壤和果园条件下进行田间评估。这些启示最适用于具有深厚不饱和土层的成熟深根雨养多年生系统，在浅层土壤或地下水/侧向水分输入显著贡献的果园中可能不同。
(i) 2021年极端湿润年与深层土壤储水量的显著增加相关。两年后，3–10 m层比2017基线保留约350 mm更多水分，表观湿润锋传播速率约5 m yr
?1，比先前报道的活塞流速率大一个多数量级。这些观测表明，异常湿润年可部分补给长期深层土壤水亏缺。
(ii) 吸水向补给的深层转移。同位素示踪显示极端降水后蒸腾水源发生转移，3至10 m土壤层贡献从50%增至62%，而0–3 m层贡献从42%降至24%。
(iii) 树木蒸腾响应与湿润年后深层水分可利用性增强一致。尽管2023年LAI低约27%，季节Ta从213增至232 mm，Ta/Tp从0.57增至0.78。结合3–10 m层对吸水贡献更大及其约351 mm更高的土壤水储量，这些响应支持湿润年后深层土壤水可及性增强的解释。
总之，3–10 m层保留土壤水储量与同一区间水分利用增加的层间一致性，为2021年极端湿润年后持续深层补给遗留效应提供了趋同证据。尽管自然实验设计不允许唯一因果归因，但结果表明异常湿润年可暂时恢复成熟雨养果园可利用的部分深层土壤水库。
