東北地理所在穩定同位素定量解析根系吸水方面取得進展
根系吸水（Root Water Uptake，RWU）是連接土壤水分循環與植物生理過程的關鍵環節，是理解植物水分利用策略、揭示生態系統水循環及支撐農業水資源管理的重要基礎。近年來，基于氫氧穩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源的重要工具。然而，由于同位素示蹤信息有限、潛在水源數量眾多，以及模型結構與先驗設定存在差異等因素影響，不同研究即便針對同一數據集，也常得出截然不同的根系吸水結果。目前，該方法的適用條件與不確定性來源仍缺乏系統認識，制約了其在生態水文研究中的推廣應用。
針對上述瓶頸，中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土保護與利用團隊開展了系統研究，全面梳理了氫氧穩定同位素貝葉斯混合模型在根系吸水研究中的應用現狀與發展趨勢。研究通過文獻計量分析、理論推導與案例比較相結合的方法，系統評估了當前主流貝葉斯混合模型在根系吸水定量中的優勢與局限，并深入剖析了影響結果可靠性的關鍵因素。研究結果表明，根系吸水反演本質上屬于典型的欠定問題，即潛在土壤水源數量遠多于可利用的同位素示蹤信息。研究進一步發現，當前廣泛采用的Dirichlet“非信息先驗”并非真正意義上的無信息先驗，其約束強度會隨水源數量增加而顯著增強，從而影響后驗根系吸水結果。與此同時，水源分組方式和誤差結構設定也是影響結果的重要來源，不同模型配置可能導致同一同位素數據產生顯著不同的根系吸水剖面。
基于上述分析，研究提出未來根系吸水同位素反演應逐步突破傳統離散土層劃分的固有框架，向物理約束更強、垂向連續的新型體系演進，并強調在模型應用過程中應充分考慮參數可辨識性、先驗信息合理性及誤差傳播機制等關鍵問題。該研究不僅為穩定同位素技術在生態水文和農業水文學領域的規范應用提供了理論依據，也為下一代根系吸水定量模型的研發指明了發展方向。
圖1. 穩定同位素根系吸水研究方法發展歷程及貝葉斯混合模型應用現狀。文獻統計結果顯示，貝葉斯混合模型已成為當前最廣泛應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用特征統計。（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）潛在水源數量的統計分布；（d）先驗信息的設置情況；（e）誤差結構的使用情況。
該研究以“The Use of Bayesian Mixing Models for Root Water Uptake: A Critical Review”為題發表于國際主流期刊《Wiley Interdisciplinary Reviews: Water》。黑土保護與利用學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、魯東大學任瑞琪副教授和李會杰副教授、加拿大薩斯喀徹溫大學（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。該研究得到國家自然科學基金、黑龍江省杰出青年科學基金等項目支持。
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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