東北地理所在穩(wěn)定同位素定量解析根系吸水方面取得進(jìn)展
根系吸水（Root Water Uptake，RWU）是連接土壤水分循環(huán)與植物生理過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是理解植物水分利用策略、揭示生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)及支撐農(nóng)業(yè)水資源管理的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，基于氫氧穩(wěn)定同位素的貝葉斯混合模型（Bayesian Mixing Models，BMM）已成為定量解析根系吸水來(lái)源的重要工具。然而，由于同位素示蹤信息有限、潛在水源數(shù)量眾多，以及模型結(jié)構(gòu)與先驗(yàn)設(shè)定存在差異等因素影響，不同研究即便針對(duì)同一數(shù)據(jù)集，也常得出截然不同的根系吸水結(jié)果。目前，該方法的適用條件與不確定性來(lái)源仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，制約了其在生態(tài)水文研究中的推廣應(yīng)用。
針對(duì)上述瓶頸，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土保護(hù)與利用團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)研究，全面梳理了氫氧穩(wěn)定同位素貝葉斯混合模型在根系吸水研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。研究通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量分析、理論推導(dǎo)與案例比較相結(jié)合的方法，系統(tǒng)評(píng)估了當(dāng)前主流貝葉斯混合模型在根系吸水定量中的優(yōu)勢(shì)與局限，并深入剖析了影響結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明，根系吸水反演本質(zhì)上屬于典型的欠定問(wèn)題，即潛在土壤水源數(shù)量遠(yuǎn)多于可利用的同位素示蹤信息。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前廣泛采用的Dirichlet“非信息先驗(yàn)”并非真正意義上的無(wú)信息先驗(yàn)，其約束強(qiáng)度會(huì)隨水源數(shù)量增加而顯著增強(qiáng)，從而影響后驗(yàn)根系吸水結(jié)果。與此同時(shí)，水源分組方式和誤差結(jié)構(gòu)設(shè)定也是影響結(jié)果的重要來(lái)源，不同模型配置可能導(dǎo)致同一同位素?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生顯著不同的根系吸水剖面。
基于上述分析，研究提出未來(lái)根系吸水同位素反演應(yīng)逐步突破傳統(tǒng)離散土層劃分的固有框架，向物理約束更強(qiáng)、垂向連續(xù)的新型體系演進(jìn)，并強(qiáng)調(diào)在模型應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)充分考慮參數(shù)可辨識(shí)性、先驗(yàn)信息合理性及誤差傳播機(jī)制等關(guān)鍵問(wèn)題。該研究不僅為穩(wěn)定同位素技術(shù)在生態(tài)水文和農(nóng)業(yè)水文學(xué)領(lǐng)域的規(guī)范應(yīng)用提供了理論依據(jù)，也為下一代根系吸水定量模型的研發(fā)指明了發(fā)展方向。
圖1. 穩(wěn)定同位素根系吸水研究方法發(fā)展歷程及貝葉斯混合模型應(yīng)用現(xiàn)狀。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，貝葉斯混合模型已成為當(dāng)前最廣泛應(yīng)用的根系吸水定量工具。
圖2. MixSIAR模型界面及其在根系吸水研究中的應(yīng)用特征統(tǒng)計(jì)。（a）MixSIAR圖形用戶界面及主要輸入模塊；（b）不同研究中采用的水源分組策略；（c）潛在水源數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分布；（d）先驗(yàn)信息的設(shè)置情況；（e）誤差結(jié)構(gòu)的使用情況。
該研究以“The Use of Bayesian Mixing Models for Root Water Uptake: A Critical Review”為題發(fā)表于國(guó)際主流期刊《Wiley Interdisciplinary Reviews: Water》。黑土保護(hù)與利用學(xué)科組特別研究助理富涵為第一作者，鄒文秀研究員為通訊作者。司炳成特聘研究員、魯東大學(xué)任瑞琪副教授和李會(huì)杰副教授、加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)（University of Saskatchewan）的Jeffrey McDonnell教授、以及西班牙IRTA的Adrià Barbeta研究員參與了研究。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、黑龍江省杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
論文信息如下：
Fu, H., Ren, R., Li, H., McDonnell, J., Barbeta, A., Zou, W., Si, B. The Use of Bayesian Mixing Models for Root Water Uptake: A Critical Review. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 2026, 13:e70069. https://doi.org/10.1002/wat2.70069.
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