土壤无限制水分区间下限与植物生理生化过程

本书第四章已经证明毛管水断裂含水量即土壤无限制水分区间下限。土壤含水量达到田间持水量后，随着植物的吸收和地面蒸发，毛管孔隙中的水分逐渐减少，当土壤毛管孔隙中连续运动的水分发生断裂时，土壤水分运动速度开始变得缓慢，此时毛管中虽然有水分，但植物根系吸收变得困难，导致作物生长发育受阻，因此，毛管断裂含水量也称为生长阻滞含水量（关连珠，2007）。

本书第二章提出并验证了毛管断裂持水量的具体计算公式，其具体表达式为

式中，RCw为毛管断裂含水量（g·g-1）；rw为残余含水量（g·g-1）；ws为土壤饱和持水量（g·g-1）；m为土壤水分特征曲线van Genuchten模型参数。根据第三章的内容，m可由田间持水量和饱和持水量进行推算。因此，在已知土壤田间持水量的情况下，可以准确计算土壤毛管断裂含水量。

本节中，m采用如下公式计算：

式中，FCw 为田间持水量（g·g-1）；sw 为饱和持水量（g·g-1）。两者可采用式（5.3）进行计算：

张喜英等（2000）研究了高粱、谷子、小麦和玉米4种作物的生理指标对土壤水分变动的阈值反应情况。气孔阻力、光合效率、叶水势对应的土壤水分响应阈值见表5-1。

表5-1　土壤含水量响应4种作物生理指标变动的阈值

注：表中数据引自张喜英《几种作物的生理指标对土壤水分变动的阈值反应》，2000。

由表5-1可知，不同作物生理指标变动所对应的土壤水分含量阈值不同。高粱较为耐旱，其土壤含水量阈值较低；谷子、小麦和玉米三种作物的土壤含水量阈值较为接近，其气孔阻力、光合效率和叶水势对应的土壤含水量阈值的平均值分别为0.147 6、0.140 5和0.150 0 g·g-1。而试验土壤的田间持水量为0.238 1 g·g-1，土壤容重为1.40 g·cm-3。假定土壤萎蔫系数为0.035 g·g-1，则根据式（5.2）和式（5.3）计算的土壤毛管断裂含水量为0.165 3 g·g-1。该数值与表5-1中谷子、小麦和玉米的土壤含水量阈值的平均值非常接近。这说明土壤毛管断裂含水量即为响应作物生理指标变动的土壤水分阈值。

张志川（2004）研究了夏玉米的气孔阻力、蒸腾强度、光合作用、灌浆速度等生理指标对土壤含水量的响应状况，并建立了这4个生理指标与土壤含水量的非线性经验方程（见表5-2）。

表5-2　夏玉米生理生态指标与土壤含水量（w）关系的数学拟合公式

注：本表引自张志川《用最优分割聚类法确定土壤水分胁迫阈值》，2004。

该土壤田间持水量（FCw）为0.216 7 g·g-1，未说明土壤容重（Db）。假设Db＞1.50 g·cm-3，土壤萎蔫系数为0.01 g·g-1。由式（5.2）和式（5.3）计算的土壤毛管断裂含水量为0.125 6 g·g-1，其与表4-1中的土壤水分胁迫阈值非常接近。这说明土壤毛管断裂含水量即土壤水分胁迫阈值，也说明本章提出的土壤毛管断裂含水量的计算方法是正确的。

裴斌（2013）的有关土壤含水量对沙棘生理生化特征的研究结果也支持相应的结论。其研究表明，土壤含水量与沙棘的最大净光合速率之间存在二次方的线性关系，即最大净光合速率随土壤含水量的增加先升高后降低，在某一特定含水量状况下，最大净光合速率达到最大（见图5-1）。

在图5-1中，沙棘叶片最大净光合速率对应的土壤含水量为0.165 g·g-1。试验土壤的田间持水量为0.234 g·g-1，容重为1.20 g·cm-3，假设萎蔫系数为0.035 g·g-1，残余含水量为0.00 g·g-1，根据式（5.2）和式（5.3）计算的土壤毛管断裂含水量为0.171 8 g·g-1，与实验的测定结果非常接近。这说明毛管断裂含水量即沙棘最大净光合速率的响应阈值。

吴芹（2013）研究了土壤水分对山杏、沙棘和油松光合生理生化特性的影响。其研究结果表明：3种树光响应过程对土壤水分有明显的阈值响应特征。其水分响应阈值分别为0.185 7、0.187 8、0.188 1 g·g-1。试验土壤的田间持水量为0.243 g·g-1，容重为1.20 g·cm-3，假设萎蔫系数为0.035 g·g-1，残余含水量为0.00 g·g-1，根据式（5.2）和式（5.3）计算的土壤毛管断裂含水量为0.178 5 g· g-1，与实验的测定结果非常接近。该实验结果说明：土壤毛管断裂含水量即山杏、沙棘和油松3种树光合生理生化过程的土壤水分响应阈值。

图5-1　土壤水分胁迫下沙棘叶片光合光响应曲线

注：图中数据引自裴斌《土壤水分胁迫对沙棘光合生理生化特性的影响》，2013。

综上所述，土壤毛管断裂含水量即植物生理生化过程发生显著改变时的土壤水分响应阈值。