研究背景：深层土壤水与果树生理的隐秘联系
在干旱与半干旱地区，水分利用机制是生态学与农业水文学的核心问题。黄土高原植物主要依赖土壤水生存，但气候变化下如何在干湿交替中调节吸水深度、维持光合作用与蒸腾平衡仍不清楚。以往研究多集中于浅层土壤，而深根植物的深层取水机制及其与生理过程的耦合关系仍缺乏定量证据。同时，大规模植被恢复虽改善生态，却导致深层土壤水亏损，亟需深入研究以指导水资源与生态管理。
近日，西北农林科技大学团队在 Journal of Hydrology发表研究成果，揭示了苹果树在不同气候条件下的水分吸收策略与生理特性的耦合关系。
（图1.研究点图及采样点的空间分布。F、A16和A22分别代表农田、树龄16年和22年的苹果园。）
为什么要选择“苹果树”？
1.苹果树是典型的深根型经济林代表：成熟苹果树根系可深入10–20 m，是典型的深层取水植物；
2.广泛分布、区域代表性强：苹果是黄土高原最主要的经济作物之一，种植面积巨大，对区域水循环与土壤水平衡有显著影响；
3.兼具生态与经济双重意义：苹果种植不仅支撑当地经济，也是生态修复的重要组成部分。
（图2.2022年5月，不同土地利用类型下（A16、A22及F）20 m深度土壤剖面的土壤含水量（a）；2022–2023年生长季期间的月总降水量（b）以及A16（c）和A22（d）下5–10月的月平均土壤含水量。）
研究地点
研究在陕西省咸阳市长武县黄土高原进行。这里是典型的雨养农业区，研究对象为两片不同树龄的苹果园：
A16：树龄 16 年
A22：树龄 22 年
研究方法
团队在 2022 年（干旱年）和 2023 年（湿润年）连续两年开展系统研究，主要方法包括：
土壤采样：钻取至 20 米深，结合氢氧稳定同位素分析水分来源。
枝条采样：测定木质部水分同位素，追踪苹果树实际用水深度。
生理指标监测：利用便携式光合系统测定气孔导度、光合速率、蒸腾作用及叶片水势。
同位素水分提取：在该研究中，科研团队采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司），对土壤和植物木质部中的液态水进行提取，该系统能在高温（130°C）下高效(>98%)提取样品中水分，确保水同位素信号的真实性，是该研究准确识别“苹果树取水深度”的核心设备。
模型分析：使用 MixSIAR 贝叶斯混合模型，定量计算不同深度土壤水的贡献比例。
（图3.2022年5月，A16与A22下20 m深度范围内土壤水的δ²H和δ¹⁸O垂直分布（a、b）；2022–2023年两个生长季（5–10月）期间，A16（c、e）和A22（d、f）土壤水稳定同位素的垂直分布。）
（表1.连续两个生长季期间木质部水中δ¹⁸O和校正后δ²H的数值。）
（图4.2022年和2023年两个苹果园土壤水与木质部水中δ¹⁸O与δ²H的交叉散点图。LMWL表示当地大气降水，SWL（土壤水线）表示土壤水稳定同位素的拟合线。）
（图5.2022–2023年两个生长季期间，A16与A22下光合速率（a）、蒸腾速率（b）、气孔导度（c）、胞内CO₂浓度（d）、蒸气压亏缺（e）及固有水分利用效率（f）的季节变化）
（图6.2022–2023年连续两个生长季期间，A16与A22下叶片清晨水势（ψpd，a）、正午水势（ψmd，b）、水势梯度Δψ（c）的季节变化，以及清晨与正午叶片水势的相关关系（A16：d；A22：e）。图a–c采用相同图例（见a）。）
（图7.2022年和2023年生长季期间，A16（a）和A22（b）下不同水源比例的季节变化。）
（图8.主成分分析（PCA）展示了温度（T）、降水量（P）、清晨叶片水势（ψpd）、正午叶片水势（ψmd）、水势梯度（Δψ）、蒸腾速率（E）、浅层土壤水（SSW）潜在贡献率以及深层土壤水（DSW）潜在贡献率在A16与A22下的关系。）
（图9.2022年和2023年两个生长季期间，A16与A22下气孔导度（gs）与气温之间的关系。）
（图10.连续两个生长季期间，A16（a）和A22（b）下0–6 m土壤水比例与光合速率（A）之间的关系；以及A16（c）和A22（d）下6 m以下土壤水比例与光合速率（A）之间的关系。）
（图11.(s1).2022-2023年生长季A16和A22下叶面积指数（LAI）的季节性变化；(s2).A16（a）和A22（b）生长期间气孔导度（gs）与净光合速率（A）的关系；(s3).A16和A22条件下浅层土壤含水量与∆ψ(a)/ψmd(b)的关系；(s4).A16(a)和A22(b)下细根长度密度(<2 mm)的垂直分布；(s5).2022年和2023年两个生长季水汽压差的动态变化；(s6).2022年和2023年两个生长季的日降雨量、平均气温、相对湿度和净辐射的变化。）
研究结果：苹果树的生存智慧与生态警示
· 干旱年（2022）：苹果树主要依赖深层土壤水（>6 米），比例高达 67%，以维持较高的气孔导度和光合作用。
· 湿润年（2023）：浅层水利用率显著提升（深层水比例降至 39%），展现出“浅水优先”的策略。
· 树龄差异：老龄果树（22 年）比年轻果树（16 年）更依赖深层水，因其根系分布更深、叶面积指数更大。
· 调节机制：苹果树表现出典型的“异水势调节”特征，在干旱条件下仍维持气孔开放，通过消耗深层水缓解光合速率下降。
研究启示：可持续发展之路何在？
借助 LI-2100 全自动真空冷凝抽提系统的高效水分提取与同位素精密分析，研究揭示了苹果树在不同土层深度上的用水策略。结果表明，苹果树在干旱期主要依靠深层土壤水维持光合作用与蒸腾活动，而这部分水分在树木生命周期内几乎无法得到补给。
这意味着，若长期高密度种植或过度依赖深根吸水，将加剧深层“干层”的形成，威胁果园生态平衡。未来，应通过优化树龄结构、合理修剪、覆盖保墒与集雨入渗等措施，降低深层水消耗，促进苹果园的水分可持续利用与生态安全。
发表期刊：Journal of Hydrology【影响因子：6.3】
研究单位：西北农林科技大学资源与环境学院，黄土高原土壤侵蚀与旱作农业国家重点实验室
研究地点：陕西省长武县
使用设备：LI-2100全自动真空冷凝抽提系统