《Journal of Hydrology》：Uncovering the dynamic role of bedrock-stored water in ecosystem evapotranspiration
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本研究引入动态床岩石水蒸发蒸腾模型，利用多年气象和遥感数据估算中国每日床岩石水蒸发蒸腾量，发现浅层床岩石生态系统占比超52%，尤其在干旱半干旱区，贡献总蒸发的10.84%和植被蒸腾的7.99%。机器学习证实缺水气候中床岩石水提升生态系统生产力和碳储量，挑战传统土壤中心范式，为改进生态水文模型和应对气候极端提供依据。
杨秋|张发旺|高林|何泽康|熊汉祥|彭玲|王志业|崔浩|苏成|张德芳|周世正|马传明|周爱国
中国地质大学环境科学学院，湖北武汉430074
摘要
储存在基岩中的水对生态系统供水、维持植物功能以及增强抗旱能力至关重要。然而，传统的生态水文框架主要关注土壤湿度，常常忽视基岩中的水分，并且缺乏对其量化的适当方法。在这里，我们提出了一个动态的基岩水分蒸发蒸腾模型，并利用多年的气象和遥感数据集估算了中国各地基岩水分的日蒸发蒸腾量。从基岩中储存的水分产生的蒸发蒸腾的时间和空间模式显示，超过一半的浅层基岩生态系统依赖基岩水分，贡献了总蒸发蒸腾量的10.84%和植被蒸腾量的7.99%。在干旱/半干旱和季节性干旱地区，季节性水分-碳解耦增加了对基岩水分的依赖性，尤其是在中国西南部和西北部。这种情况发生在蒸腾需求在降水高峰和/或光合作用高峰之前，需要更深层次的水源。因果机器学习表明，在水资源紧张的气候条件下，基岩水分通过维持蒸腾作用提高了生态系统的生产力和碳储量（FDR < 0.05）。这些结果挑战了以土壤为中心的传统范式，强调了基岩中储存的水分在提高生态系统生产力和抗旱能力方面的关键作用。通过将水文、植物生理学和碳循环联系起来，我们的研究有助于改进地表模型，并预测生态系统对日益严重的干旱的响应。
引言
水循环通过调节蒸发蒸腾、碳固定和生产力，将气候系统和陆地生态系统紧密联系在一起。蒸发蒸腾不仅是陆地上水分损失的主要途径，也是热量交换和边界层过程的关键驱动因素（Katul等人，2012；Koirala等人，2017；Scanlon等人，2005）。传统上，土壤湿度被认为是陆地蒸发蒸腾的主要水源（Li等人，2022；Wang等人，2025；Yao等人，2024；Zhang等人，2024a）。然而，新的证据表明，基岩中储存的水分也是一个重要的来源，对生态水文过程和生态系统对极端事件的抵抗力有显著影响（Ehlert等人，2024；McCormick等人，2021）。现有的水文模型长期以来将降水输入和土壤湿度状态视为植被蒸腾和碳循环的主要驱动因素（Chen等人，2014；D’Odorico等人，2007；Peng等人，2024），往往忽略了基岩中储存的水分的存在和作用（McCormick等人，2021；Nardini等人，2024；Rempe和Dietrich，2018）。随着全球气温上升和干旱频率的增加，降水模式和土壤湿度动态的变化对生态系统稳定性构成了严重挑战（Chen等人，2025；Seo等人，2025），这突显了澄清这一隐藏水源在维持生态稳定性和碳-水耦合中的重要作用的紧迫性。
广泛的野外观察表明，一些自然生态系统，包括森林，可以在没有深厚、发育良好的土壤的情况下依靠基岩生存（Dawson等人，2020；Nardini等人，2024；Shangguan等人，2017）。此外，在喀斯特和其他以基岩为主的山区，大部分地下水存在于岩石基质中，而不是土壤中。例如，在美国西部进行的植被-水源调查（1996-2003年）使用中子探针、质量平衡计算、地面穿透雷达和稳定同位素发现，基岩水分提供了70-100%的木本植物用水（Hubbert等人，2001；Rose等人，2003；Sternberg等人，1996；Witty等人，2003）。随后在新墨西哥州和德克萨斯州季节性干旱-半湿润地区的研究报告称，基岩水分的贡献率为13%到100%，在炎热干燥的夏季深层水源占主导地位（McCole和Stern，2007；Schwinning，2008；Schwinning，2010；Querejeta等人，2006；Querejeta等人，2007；Ruiz等人，2010）。类似的模式在全球范围内也有记录，包括在中国：在中国西南部的喀斯特地貌中，Liu等人（2019）发现，木本植物在雨季依赖浅层土壤水分，在旱季则转向皮下（基岩）储水，基岩水分供应了它们超过60%的用水需求（Liu等人，2014）；在中国西北部的干旱沙漠中，Tamarix ramosissima通过延伸根系至5米深处，从深层水源获取夏季蒸腾量的80%以上（Dong等人，2024）；在东北部的森林中，当表层土壤水分有限时，深层基岩水分越来越多地支持蒸腾作用（Jia等人，2017）。
尽管基岩水分的生态重要性已被认识到，但目前还没有一种广泛适用的方法来量化其对大规模蒸发蒸腾的贡献。为了解决这个问题，McCormick等人（2021）扩展了一个适用于长期或交替干旱地区的质量平衡根区下限模型，假设超过降水的蒸发蒸腾必须由根区提供，任何超出恒定土壤储存容量的需求（）由基岩水分提供（Dralle等人，2021；McCormick等人，2021；Wang-Erlandsson等人，2016）。然而，在动态通量条件下，土壤水分的可用性会持续波动（Daly和Porporato，2005；Dong等人，2022；Kuang等人，2021），忽略这种变异性可能会在具有快速水文循环的系统中产生偏差。鉴于全球气候的多样性，许多气候类型既不是永久性干旱的也不是严格季节性的，因此需要一个能够跨气候类型估计基岩水分蒸发蒸腾的框架，并明确考虑土壤-水分的变异性。
在这里，我们提出了一个动态的基岩水分蒸发蒸腾模型，该模型整合了土壤中可用水分的时空波动以及蒸发蒸腾与降水之间的不足。这一框架阐明了基岩水和土壤水在动态通量中的互补作用，并揭示了植物如何调整基岩水分吸收以减轻干旱压力。利用长期遥感数据，我们量化了基岩中储存的水分对中国各地生态系统蒸发蒸腾的动态贡献。虽然我们的案例研究集中在中国，但这种方法也适用于全球类似的生态系统，为改进生态水文模型、提供区域水资源管理信息以及支持未来气候极端事件的适应策略提供了基于过程的基础。
数据集和预处理
为了表征基岩中储存的水分蒸发蒸腾的动态及其生态影响，我们汇编了多个公开可用的数据集。首先，我们使用土地覆盖和土壤信息划定了计算范围。土地覆盖数据来自中国土地覆盖数据集（Yang和Huang，2021），土壤厚度测量数据来自国家青藏高原数据中心（NTPDC）（Liu等人，2020；Liu等人，2022）。
基岩和的时空模式以及生态系统的利用
>中国超过90%的陆地生态系统（森林、灌木丛和草地）位于浅层（<1.383米）或裸露的基岩上，根系可以从基岩的孔隙和裂缝中获取水分和养分；这些区域是我们分析的重点（图2）。根据我们的动态基岩水分蒸发蒸腾模型（图1），我们观察到从2009年8月以来，超过52%的浅层基岩陆地生态系统表现出来自基岩中储存的水分的蒸发蒸腾（即
）。
受物候特征调节
我们观察到，与草地生态系统相比，森林和灌木丛生态系统对的依赖程度更高（图4c）。这种模式可以归因于不同植被类型的根系发育差异。木本植物通常具有更深、更持久且水力连接更强的根系，使它们能够在浅层土壤水分不足时获取基岩中的水分。相比之下，草本植被主要依赖
结论
在这项研究中，我们开发了一个动态模型，通过整合动态土壤可用水分模块和长期遥感数据集，量化了来自基岩中储存的水分的蒸发蒸腾。我们的结果表明，薄层土壤下的浅层基岩作为一个重要的水文储库，超过一半的浅层基岩生态系统在干旱期间依赖基岩水分来补充不足的土壤水分。不同地区的
未引用的参考文献
Yan和Yang，2024；Wenjing和Lv，2019；Liu等人，2022。
CRediT作者贡献声明
杨秋：写作 - 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
张发旺：写作 - 审稿与编辑、监督。
高林：写作 - 审稿与编辑、方法论、数据管理。
何泽康：写作 - 审稿与编辑、撰写初稿、验证、方法论、正式分析、概念化。
熊汉祥：写作 - 审稿与编辑、软件、方法论。
彭玲：写作 -
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢刘晨璐博士和李月博士对手稿提出的富有洞察力和建设性的建议。本研究得到了自然资源综合调查与指挥中心科技创新基金会（KC20240002）、
中国地质调查局华北地质创新中心的人才培养基金（2024HBPJ-G10）以及
中国地质调查局的项目（DD20230489）的财政支持。
