陆地降水主要源于外部水汽平流与局部蒸散，其中由局部蒸散贡献的部分被称为水分再循环。在全球尺度下，约40%的陆地降水由水分再循环贡献，其过程受大尺度大气环流、土壤湿度、植被类型及林冠特征等多种因素协同驱动。中国黄土高原作为全球最大的黄土沉积区，长期面临严重的土壤侵蚀和生态脆弱问题。为应对这些挑战，中国于20世纪90年代末启动了“退耕还林工程”，这一工程显著提高了黄土高原的植被覆盖率，并显著影响了该地区的水文动态和水资源供给，使当地水资源达到了其最大承载能力。目前，关于植被恢复的研究多侧重于其减沙控沙的功能，对其引起的蒸散耗水增加如何影响水分再循环及水资源溢出效应关注不足。尽管植被恢复能促进水分再循环已成共识，但其背后的驱动机制仍有待深入阐明。
近期，西北农林科技大学李志老师团队在《Geoderma》期刊上发表了一项研究，针对黄土高原植被变化，运用稳定同位素技术和水分平衡模型，揭示了浅根植物向深根植物转变过程中水分循环的变化机制。研究发现，深根植物能够更有效地利用深层土壤水，显著增强蒸腾作用，从而提高水分再循环率。这一发现为干旱和半干旱地区的生态修复及水资源管理提供了重要的科学依据。
图1.降水中水分再循环示意图。
图2.（a）研究区域位置（b）研究区域内2000年至2023年归一化植被指数（NDVI）的时间变化模式（c）采样点详细视图，包括草地、灌丛和林地。
研究方法：同位素示踪与混合模型
研究区域：研究在陕西省神木侵蚀与环境试验站进行，选择三种植被类型（草地、灌丛、林地）为研究地点，三种典型的深根植物（刺槐、油松、杏树）为研究对象。通过空间替代时间的方法，探讨30年树龄的深根植物对水分循环的影响；
样品采集：2023年4–9月采集降水样本23个，同步监测降水量、温湿度数据；6–9月采集土壤样品405份，每份均分用于含水量测定与同位素提取；选取典型植物4株/种，共获取植物木质部样本80个，用于后续水分来源分析；
在该研究中，科研团队采用LI2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）提取土壤和植物木质部水分，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。对于提取后的所有样品，使用水同位素分析仪测定水样中的氢和氧稳定同位素。最后，基于多重模型（Craig-Gordon、HYSPLIT、MixSIAR），量化不同水源对降水的贡献，并通过SW-excess校正与统计分析保障数据可靠性；
表1.不同植被类型下土壤水的δ2H和δ18O值。
图3.当前平均条件下不同月份的水分循环率（fE和fT）和月降水量（a）；不同植被类型下蒸发（fE）和蒸腾（fT）对降水的平均贡献（b）。
图4.两种植物类型下土壤水同位素（δ2H、δ18O）的月际动态变化及其与相应木质部水的相关性。
图5.浅根（左）和深根（右）植物木质部水分来源的月度贡献动态。
图6.研究期间浅根植物（a）、深根植物（b）下方土壤含水量的月度变化；高度超过3 m的两种植被的土壤含水量（c）。
研究发现：深根植物提升水分再循环
（1）2023年雨季平均水分循环率为21%，蒸腾占67%的主导贡献；
（2）草地或灌丛转变为森林地带导致水分循环率显著增加，贡献了当前平均水分循环率的50%；
（3）浅根植物主要使用浅层土壤水（0-0.8 m），而深根植物更多依赖深层土壤水（2-3 m及更深层）；
（4）深层土壤水分的强烈吸收导致的蒸腾作用增加，最终促进了水分的局部循环和降水的增加；
黄土高原植被演替的水文反馈规律与生态恢复启示
该研究基于稳定同位素与混合模型方法，阐明了黄土高原植被从浅根向深根系统转变过程中，植物通过吸收深层土壤水促进蒸腾、进而增强局地水分再循环与降水反馈的关键机制。研究建议在生态恢复过程中优先考虑深根植物，以提升水资源利用效率。未来应进一步扩展研究范围，结合更长时间尺度和不同区域，深入探讨植被变化对水文循环的长远影响，为可持续水资源管理提供科学依据。
发表期刊：Geoderma【影响因子：6.6】
研究单位：西北农林科技大学、不列颠哥伦比亚大学
研究地点：陕西省神木侵蚀与环境试验站
使用设备：LI-2100全自动真空冷凝抽提系统
DOI：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117654