土壤田间持水量与生态系统生产力最优水分关系的重新审视

《Nature Communications》：Is apparent optimum soil moisture equivalent to field capacity?

本研究针对Peng等人关于土壤水分与初级生产力(GPP)关系的结论提出质疑，通过全球站点数据重分析发现表观最优土壤水分(SMoptGPP)实质等同于田间持水量(θFC)，揭示了植物水分利用的最优区间由土壤物理特性主导而非光合驯化。研究提出采用β函数等柔性模型替代二次曲线模型，为改进地球系统模型中的水分胁迫函数提供新思路。

　　

在气候变化加剧水资源短缺的背景下，准确理解土壤水分如何调控生态系统光合作用成为预测全球碳循环的关键。传统观点认为植物生产力与土壤水分存在单峰型关系，但这一简化模型能否真实反映复杂的水分胁迫机制仍存争议。2024年Peng团队在《Nature Communications》发表研究，提出生态系统光合作用存在对土壤水分的驯化现象，即不同干旱程度的生态系统会调整其最优水分利用点(SM_opt^GPP)。这一结论引发学界对植物-水分关系本质的重新思考。

为验证这一理论，研究人员对全球通量站点数据展开重新分析。通过比较Peng团队报告的SM_opt^GPP与基于土壤水分特征曲线计算的田间持水量(θ_FC)，发现二者呈现惊人一致性（r²≈0.98）。

同时确认临界水分阈值(θ_crit)约为SM_opt^GPP的67%，这一比例恰好对应经典植物可用水范围(θ_FC-θ_crit)。这些发现表明，所谓"表观最优水分"实质是土壤持水能力的体现，而非主动的生理驯化。

研究团队采用多学科交叉方法：收集全球通量网络站点数据，通过土壤水分特征曲线计算各站点田间持水量；建立SM_opt^GPP与θ_FC的线性回归模型；提出β函数模型替代二次曲线模型，该模型能更好刻画GPP对水分胁迫的非对称响应。

土壤水分最优值与田间持水量的等同性

分析显示SM_opt^GPP与-330 hPa定义的θ_FC几乎完全重合，且这种关系在不同土壤质地（沙土、壤土、黏土）中均成立。这表明植物生产力峰值受土壤最大持水能力制约，而非由植物生理调节主导。

水分胁迫阈值的重新标定

θ_crit与SM_opt^GPP的稳定比例关系（67%）揭示了植物开始遭受水分胁迫的临界点。

生长季土壤水分(SM_growth)通常位于萎蔫点与θ_crit之间，说明生态系统多数时间处于水分受限状态。

模型简化带来的认知偏差

二次曲线模型强制GPP响应呈现对称单峰，但实际观测显示植物在较宽水分范围内维持高GPP，仅在高水分时出现下降。这种简化可能掩盖了植物对水分波动的缓冲能力。

本研究挑战了将SM_opt^GPP变化简单归因于光合驯化的观点，强调土壤物理特性与植物水力性状的协同作用。干旱区较低的最优水分值可能源于干旱耐受物种的生态筛选，而非个体生理调节。研究提出的β函数模型能更好区分水分胁迫类型，为改进地球系统模型提供新途径。未来研究需整合植物水力多样性、根系可塑性等要素，才能更准确预测气候变化下生态系统的水分响应。