土壤无限制水分区间与土壤生物生化过程

土壤微生物的生物化学过程受到土壤环境的影响。因此，土壤水分是土壤生物生化过程的重要影响因素之一。本书第五章内容已经证明土壤无限制水分区间下限（毛管断裂含水量）是影响植物生长发育和产量的土壤水分阈值区间。本章引用已发表的土壤水分状况和土壤生物生化过程的相关研究数据，使用本书提出的土壤无限制水分区间的下限，讨论其与土壤生物生化的关系，证明土壤无限制水分区间也是土壤生物生化过程的水分阈值，旨在为相关研究提供借鉴。

对应已知土壤含水量及其对应土壤水吸力数值的相关研究，首先拟合土壤水分特征曲线van Genuchten（1980）模型：

式中，w为土壤质量含水量（g·g-1）；wr为残余含水量（g·g-1）；ws为饱和持水量（g·g-1）；α为与土壤平均孔隙半径有关的参数（cm-1），1/α即为进气吸力值；h为土壤水吸力（cm）；m和n为曲线形状参数，并且m = 1-1/n；然后，根据土壤水分特征曲线参数计算土壤毛管断裂含水量（RCw），其公式为

对于以相对含水量表示的土壤水分状况，首先推算m，其计算公式为

式中，wpw和rw均近似取0.00 g·g-1，ε取值范围在2.36～2.57之间；然后，根据式（6.1）和式（6.4）计算土壤毛管断裂含水量和土壤田间持水量，进而获得土壤毛管断裂含水量对应的相对含水量数据。

1. 毛管断裂含水量对土壤微生物的影响

刘超等（2007）研究了不同土壤水分（土壤水吸力）灌溉下限对土壤微生物量的影响，其具体结果见表6-1。由表6-1可知，土壤水吸力为200 kPa时土壤微生物总量达到最大。

表6-1　不同水势条件下土壤微生物量

注：表中数据引自刘超《土壤水分特征曲线在作物非充分灌溉适宜水分下限确定中的应用》，2007。

土壤水吸力与土壤含水量的对应关系见表6-2。由表6-2中数据拟合的土壤水分特征曲线见图6-1，其van Genuchten（1980）方程表达式为

根据式（6.5）计算的土壤毛管断裂含水量为0.109 5 g·g-1，其与表6-2中200 kPa水吸力对应的含水量0.102 5 g· g-1非常接近。这表明：在以土壤毛管断裂含水量为灌溉下限的条件下，土壤微生物总量达到最大。因此，毛管断裂含水量是调控土壤微生物总量的土壤水分阈值。

表6-2　土壤水吸力与含水量对应关系

注：表中数据引自刘超《土壤水分特征曲线在作物非充分灌溉适宜水分下限确定中的应用》，2007。

图6-1　土壤水分特征曲线

注：图中数据引自刘超《土壤水分特征曲线在作物非充分灌溉适宜水分下限确定中的应用》，2007。

王金凤等（2006）对玉米根区微生物的研究也获得了相似的结果。在该试验中，常规灌溉条件下玉米苗期以后土壤水分处理（相对含水量）分别为70%～90%、60%～70%、50%～60%。其真菌、细菌、放线菌三大菌总数与土壤水分含量的关系见表6-3。

表6-3　土壤水分对玉米根区土壤微生物数量的影响

注：表中数据引自王金凤《控制性根系分区交替灌溉对玉米根区土壤微生物及作物生长的影响》，2006。

表6-3中，土壤水分含量为60%～70%田间持水量时，土壤微生物三大菌总数最高。根据式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），在wwp和wr均近似取值0.00 g·g-1的情况下，计算得到的土壤毛管断裂含水量占田间持水量的百分比为60.37%。因此，该试验结果也说明毛管断裂含水量是影响土壤微生物土壤总量的关键土壤水分阈值。

李世清等（2004）对土壤微生物氮的研究也得到了类似的结果。该研究中土壤相对含水量与土壤微生物氮含量的关系见图6-2。土壤相对含水量（X）与土壤微生物氮含量（Y）之间的回归方程为Y=－0.017 3X2+2.084 9X－6.759 7。根据该方程，当土壤相对含水量为60.26% 时，土壤微生物氮含量达到最高。如前所述，近似计算得到的土壤毛管断裂含水量换算成相对含水量为60.37%，与该试验的60.26% 土壤水分阈值近似相等。这说明毛管断裂含水量是影响土壤微生物氮的关键阈值。

图6-2　土壤相对水分含量对土壤微生物氮含量的影响

注：图中数据引自李世清《土壤微生物体氮的季节性变化及其与土壤水分和温度的关系》，2004。

综上所述，土壤毛管断裂含水量对土壤微生物具有重要意义，当土壤含水量接近毛管断裂含水量时，土壤微生物总量和土壤微生物氮含量达到最大值。因此，毛管断裂含水量是调控土壤微生物活动的关键土壤水分阈值。

2. 土壤毛管断裂含水量对土壤脲酶活性的影响

王芳等（2011）研究了渗灌条件下不同灌水控制上下限组合对保护地土壤脲酶活性的影响。其具体试验处理和试验结果见表6-4和表6-5。

表6-4　灌水控制上限、下限组成的试验处理

续　表

注：表中数据引自王芳《渗灌不同灌水控制上下限组合对保护地土壤脲酶活性的影响》，2011。

表6-5　各处理不同深度土层土壤脲酶活性的测定结果

注：表中数据引自王芳《渗灌不同灌水控制上下限组合对保护地土壤脲酶活性的影响》，2011。

土壤容重为1.37 g·cm-3，以此计算的土壤饱和持水量为0.352 6 g·g-1。根据土壤饱和持水量和表6-4中的数据可以获得土壤水分特征曲线（见图6-3）。其van Genuchten模型表达式为

式中，w为土壤含水量（g·g-1）。

根据式（6.6）计算的土壤田间持水量和土壤毛管断裂含水量分别为0.290 3 g·g-1和0.243 4 g·g-1，这与表6-4中9#处理的灌溉水上限（0.289 2 g·g-1）和下限（0.247 4 g·g-1）几乎相等。而在表6-5中，9#处理的土壤脲酶活性最高。该试验结果表明：土壤田间持水量和毛管断裂含水量是影响土壤脲酶活性的关键阈值，土壤田间持水量为上限阈值，土壤毛管断裂含水量为下限阈值。

图6-3　土壤水分特征曲线

注：图中数据引自王芳《渗灌不同灌水控制上下限组合对保护地土壤脲酶活性的影响》，2011。

刘超等（2007）的试验获得相似的结果，试验中土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性在200 kPa水吸力的灌溉下限时均达到峰值，其对应的土壤水分含量为0.102 5 g·g-1（见表6-2）。其数值与土壤毛管断裂含水量0.109 5 g·g-1非常接近。这也表明，土壤毛管断裂含水量调控是土壤酶活性的关键阈值。

3. 土壤毛管断裂含水量对土壤硝化作用的影响

张树兰等（2002）研究了土壤水分状况对土壤硝化作用的影响。其试验结果见表6-6。对黄绵土、塿土、水稻土而言，在相对含水量为60% 时硝化作用的最大速率及硝化率最高。根据式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），在wwp和wr均近似取值为0.00g·g-1的情况下，计算得到的土壤毛管断裂含水量占田间持水量的百分比为60.37%。因此，该试验结果说明土壤毛管断裂含水量调控是土壤硝化作用的关键阈值。

表6-6　土壤硝化作用的最大速率和硝化率

注：表中数据引自张树兰《水分及不同氮源对土壤硝化作用的影响》，2002。