植被根系发达的原因(植物根系涵养水源)

导语：全球植被根系区储水量格局

为了在干旱时期维持活动并抵御干旱的影响，植物依赖储存在地表以下的水。根系区储水能力（rooting-zone water-storage capacity, S0）——植物可获得的水量——越大，植物能承受土壤水分限制的时间越长。因此，根系区储水能力是决定干旱影响、土地-大气交换和径流制度的一个关键因素，特别是在辐射和降水具有季节异步性的气候中。

在模型中，根系区储水能力（S0）通常被认为是土壤质地和植物根系深度（rooting depth, zr）的函数，但限于土壤层。然而，最近的研究显示，土壤层以下的风化、断裂的基岩以及地下水中储存的水对根系区储水能力和蒸散（ET）方面有很大的贡献。植物对这种深层水分的获取在控制近地表气候、径流机制、全球植被模式和减轻干旱影响方面起着重要作用。

然而，S0不可能在大尺度上直接观测，而且我们对其空间变化的了解也很有限。

对此，本研究融合遥感植被活动（通过结合蒸发量、太阳诱导荧光和辐射估计值来测量）和每日降水和蒸发量的多个时间序列，从中计算出的植被活动和累积水分亏缺（cumulative water deficit, CWD）之间的关系，进而评估全球根系区储水能力。

研究发现根系区储水能力具有巨大的空间变异，并阐明了缺水的气候学、植被的根系深度及其对水压力的敏感性之间的紧密联系。

在地球37%的植被表面，植物可用的水储存量超过了2米深的土壤的储存能力，表明植物可能从土壤层以下的地质深层（包括风化基岩和地下水）获取水分。

根系区储水能力的生物水平变化与观察到的根系深度分布相关，并反映了水文气候（由极端的年累积水分亏缺所衡量）的影响。在小尺度的空间上，根系区储水能力的变化则与地形和土地利用有关。

图1: 植被根系区的储水能力。a-b, 根据不同数据源（a, SdEF; b, SdSIF）对累积缺水量（cumulative water deficit, CWD）进行评估，进而计算根系区储水能力的全球分布（空间分辨率0.05°, 约5公里）。红框区域即图2。

图2: 根据SdEF评估的中亚地区的根系区储水能力。

图3: 根据水质量平衡法评估的根系区储水能力(a)和表观根系深度(b)。

图4:不同生物群系的根系深度的观测值和模拟值。a, 根系深度的核密度估计（kernel density estimation）。b-e, 所有数据（b-c）和一个数据子集（d-e）中10%（b,d）和90%（c,e）分位的观测值和模拟值的关系。虚线代表1/1线。

区域到大陆范围内的平均树龄变化可能与根系深度和储水能力的变化有关。环境变化可能引发植被组成和结构的变化，对根系区储水能力产生影响。森林砍伐意味着根系深度、储水能力和表面能量平衡的变化。由于可用的卫星观测时间序列长度有限，本研究没有考虑这种时间上的变化。

根系深度的可塑性是否足够快，以跟上变化的气候，降雨量变异性的强烈和广泛的增加，以及CO2上升在多大程度上改变了植物的用水和它们的碳经济，从而改变了深根的成本和效益，这些都有待观察。

综上所述，从当地根系深度观测和全球植被活动遥感中获得的制约因素揭示了多个空间尺度的一致模式，并表明植物广泛从地质深层（包括风化基岩和地下水）获取水分。

研究揭示了缺水的气候学和植被对干旱压力的敏感性之间的紧密联系，证明了土地与大气的相互作用和临界区的储水能力是如何与植被的根系深度相联系的，以及地面以下的植被结构是如何被全球的水文气候和地形所影响的。

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