引言
植物根系从土壤中吸收水分（RWU），并通过蒸腾作用将其释放到大气中（Casaroli et al., 2010），这紧密耦合了大气与陆地生态系统之间的水循环和能量分布（Jasechko et al., 2013, Schlesinger and Jasechko, 2014）。尽管传统水文模型将降水输入和土壤水分条件确定为植被蒸腾和陆地生态系统碳循环的主要驱动因素（Li et al., 2022; Wang et al., 2025; Yao et al., 2024, Zhang et al., 2024），但新兴证据表明，此前被低估的基岩储水是维持生态系统蒸散发和植物蒸腾的关键水源（Lapides et al., 2025, McCormick et al., 2021, Nardini et al., 2024, Ning et al., 2023, Qiu et al., 2026）。然而，在缺乏水力参数和/或介质强异质性的情况下，定量模拟具有很大难度，尤其是对于风化基岩。因此，阐明具有水力参数稀缺和介质异质性的剖面（尤其是风化基岩）的水分动态，对于增进我们对森林生态系统干旱韧性的理解至关重要。同时，这可以为区域水资源管理策略和生态恢复措施提供科学基础（Callahan et al., 2022, Ehlert et al., 2024, Nardini et al., 2024, Song et al., 2026）。
地球关键带科学的最新进展已将生态水文学研究从土壤剖面扩展到更深层的风化基岩中（Akob and Küsel, 2011, Ehlert et al., 2024, Luo et al., 2023, McCormick et al., 2021, Qiu et al., 2026）。基岩水不仅是补充性的，在缺水条件下，它常常与土壤水同样重要，对维持陆地生态系统功能（即供水、水文储存和调节）具有关键作用（McCormick et al., 2021, Nardini et al., 2024）。多种生态系统中的现场观测表明，即使在土壤薄或发育不良的地区，森林也能茁壮成长，这主要依赖于基岩中储存的地下水。在山地喀斯特地区和其他浅土景观中，地下水通常集中在基岩裂隙中，而非土壤基质中（Dawson et al., 2020, Nardini et al., 2024, Shangguan et al., 2017）。在美国西部的长期调查表明，木本植物可能从基岩中获得超过70%的水分需求（Hubbert et al., 2001, Rose et al., 2003, Sternberg et al., 1996, Witty et al., 2003），在新墨西哥州和德克萨斯州的季节性干旱地区也发现了类似现象。在炎热干燥的夏季，当土壤水分严重耗竭时，基岩水往往成为支持蒸腾的主要水源（Querejeta et al., 2006, McCole and Stern, 2007, Querejeta et al., 2007, Schwinning, 2008, Ruiz et al., 2010, Schwinning, 2010）。在中国喀斯特生态系统和东北森林中也记录了类似模式，树木在湿润季节依赖浅层土壤水，而在干旱期转向深层基岩水，尽管地表浅层土壤水分有限，仍能维持蒸腾和生长（Liu et al., 2014, Jia et al., 2017）。
尽管基岩水很重要，但其生态水文学作用仍未得到充分理解。由于基岩结构致密、裂隙网络异质性强且可达性有限，直接观测基岩内部的水分动态在技术上极具挑战（Band et al., 2014），这阻碍了水分通量的准确模拟。基岩水分运动还受到强烈空间异质性与上覆土壤相互作用的复杂影响（Lapides et al., 2024; L. Wang et al., 2025）。植物根系可以穿透风化基岩并汲取深层地下水，但植物是否选择性依赖土壤水或基岩水，以及根系吸水如何改变基岩水分再分配仍不清楚（Ehleringer and Dawson, 1992, Wu et al., 2016, Zhang et al., 2018）。在气候变化背景下，这些知识空白尤其具有重大影响，因为极端干旱日益破坏陆地水-碳耦合，威胁生态系统稳定性。尽管传统土壤水分模拟模型基于Richards方程已在相对均质的非饱和带中成功应用（?im?nek et al., 2024），但对于水力参数稀缺或介质异质性的剖面，其应用困难重重。为应对这些挑战，基于质量守恒原理、并有明确物理假设支撑的非参数化模拟方法正被越来越多地采用。例如，Bre?a Naranjo等（2011）和Guderle与Hildebrandt（2015）忽略了水分再分配的影响，估算了干旱期的分层蒸发通量。Lapides等（2025）通过最小化分层向下排水体积，实现了不同季节的根系吸水估算。然而，这些方法忽略了植物水分利用的生理特征，主要适用于足够深的土壤-风化基岩剖面。
在中国北方坝上高原的落叶松人工林中，风积沙提供的储水相对有限（Liu et al., 2025），而生长季蒸腾远超降水，极端干旱已导致植物出现衰退迹象（Liu and Li, 1993）。在此条件下，风化基岩可能在缓冲水分短缺和维持蒸腾方面发挥关键作用，但其贡献仍未被量化。因此，迫切需要一种诊断框架，仅通过观测数据即可量化土壤和风化基岩剖面中的分层水分通量与根系吸水，而不依赖不确定的水力参数化。
本文开发了一种非参数化、观测驱动的诊断框架，将质量守恒与水分需求分配相结合，以推断土壤-基岩剖面中的分层水分通量和根系吸水。利用原位观测的剖面分布水分、气象数据和树液流数据，我们分析了风积沙-基岩风化系统中的两个落叶松人工林剖面。本研究旨在：1）评估该诊断框架重建分层蒸散发和风化基岩深层根系吸水的能力；2）阐明具有介质异质性（土壤和风化基岩）剖面的季节水分储存动态；3）讨论风化基岩层在不同水分条件下调节水分可利用性和支持人工林水分利用的生态水文学作用。我们希望本研究能为量化难以获取水力参数或结构异质性限制传统模型适用性的环境下的地下生态水文学过程提供新的途径，从而增进我们对地球关键带生态水文学过程和森林生态系统干旱韧性的理解。
