A critical question for the critical zone: how do plants use rock water?

Progresses of weathered bedrock ecohydrology in the Earth’s critical zone

“…基岩风化层水分动态变化对上层土壤水分再分配因上覆土壤的厚度不同有所差异。 在土层较 薄时，如地中海丘陵地带 [3,4] 和喀斯特地区 [41,50] ，基岩风化层水分能够补给干旱季节土壤水分， 缓解土壤水分匮缺；而在丰水年，基岩风化层能够更多的吸纳贮存土壤中的水分，调节土壤水涝 灾害 [38] 。研究表明，水从风化基岩流进土壤层的速率为0.5~3.3 mm/d，基岩风化层对上层土壤水 分再分配作用显著 [51] ；风化基岩电导率场的非均质性可能导致水分沿渗滤梯度返回土壤中 [52][53][54][55] ； 返回土壤层的水有助于产生饱和的陆上水流， 但岩土界面稳定性降低， 可能导致边坡失稳 [53,[56][57][58][59][60] 。 进一步研究也发现，当土壤饱和导水率比下伏基岩高2个数量级时，集水区将以土壤流为主，基 岩的储存和释放在总水量中扮演次要的角色；但是，当基岩的饱和导水率在土壤的2个数量级以 内时， 基岩开始控制可用储水量， 并且分水岭的很大一部分排放量可能来自基岩循环 [35,61] 。 因此， 下伏基岩风化层可以改变土壤饱和状态和坡面储藏水分动态。…”

“…基岩风化层存在的情况下，阻碍了水分进一步向下渗透，将原本可能的浅层地下水位提高，促使 基岩风化层上覆土壤水分再分配 [18,97] (图4a)；二是风化层本身可以贮存部分水，其中风化层间 的垂直裂缝和水平缝隙(层状岩石)可能贮存大量的水，而岩石本身也会贮存少量的水 [4,77] (图 4b)；三是岩层中存在中小微型动物，它们的活动将原本存在的岩隙裂缝进一步扩大，使得上层 水分以优先流的形式补给到地下水，部分水分在毛管力的作用下贮存于岩缝中(图4c)，最终达 到水势平衡状态，贮存大量可用水 [38] ；四是在某些植物根部附着菌根菌丝，这部分微生物的存 在有助于提高植物可利用有效水的范围， 同时也为植物生长所需的营养元素提供了运输通道 [12,98] (图4d)；以上所述的四种潜在影响途径是一种或多种共同作用于整个风化层内，进而影响着整 个地球关键带的生态水文过程 [4,[12][13][14] 。此外，本研究所述的潜在可能的影响途径仅是对目前研究 成果的总结与假设，需在未来研究中进一步验证与完善。…”

“…被引论文则根据 CNKI 中所有年份的总被引用数量确定。 2.3 研究文献聚类可视化分析 利用VOSviewer对WOS中收集到的文献进行聚类可视化分析 [30] ，以摘要中词频最少出现10 次进行聚类，共筛选出相关字段754个，形成聚类区块5个，连接线82107条，总连接强度为161579 (图2) 。聚类分析表明，基岩风化层生态水文的研究分布在五个方面，分别是自身特性(Cluster 基岩风化层水分是由岩石自身吸水量和由水势平衡差异而贮存于风化岩层层间裂缝水共同 组成，其影响因素包括原始基岩的岩性 [31] 、成分和结构 [32] 、上覆土壤的厚度 [33,34] 、岩面的渗透 性 [35] 以及蒸发蒸腾 [36,37] 、生物扰动 [38] 、水力侵蚀过程等 [5,36] 多种因素。风化花岗岩 [39] 、石化钙积 层 [40] 、风化砂岩和喀斯特 [41,42] 等蓄水能力通常在0.1~0.2 m 3 /m 3 ，与颗粒较粗的土壤性质相似，但 孔隙度比土壤略小；风化岩石的饱和导水率分布范围较大，介于1×10 −10 ~1×10 −5 m/s [35,43] 之间；基 质势跨度水平也很大，介于-0.01~-1.5 MPa之间；基岩风化层、岩溶层和胶结土层的蓄水厚度可 达数十米 [12] ， 其中约有55%的水分储存在基岩风化中， 11%的水分靠基岩吸水能力贮存 [44] 。 然而， 由于地形、气候等差异，根据岩芯钻探、探地雷达、电阻率层析成像法等技术手段确定的岩石风 化层的厚度在不同地区厚度也有所不同，对水分的贮存利用效率也有很大的差异；例如，研究发 现，美国西部的内华达山脉南部花岗岩有几米厚 [45] ，美国东南部的北卡罗来纳州皮德蒙特高原 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2022-0046…”

Applicability of soil moisture sensors for monitoring water dynamics in rock: A field test in weathered limestone

“…A possible interpretation of these results is that in the fall, when VWC was generally higher, more moisture was drawn from the soil layers by vegetation than from the rock (possibly because water potentials are less negative for soil than for rock at the same VWC). Conversely, in the summer, when soil moisture is depleted, rock moisture becomes an important source for sustaining minimum vegetation requirements (Schwinning, 2020). After the storms of 9-10 September, significantly more water reached greater depths than after the rainfall events preceding the summer dry period.…”

Evidence for widespread woody plant use of water stored in bedrock

“…Investigation of biological and hydraulic processes in the bedrock rhizosphere is a frontier research area (Schwinning, 2020).…”