将空气视为"假想水"：植物生长中土壤水分与通气性的协同作用机制研究

这篇研究创新性地采用复数理论构建核心协同指数(C)，将土壤水分(实部)与通气性(虚部)正交耦合，揭示了田间持水量(FC)下78%土壤存在通气不足(Dp/Do <0.01)，提出15%空气含量新阈值，为优化灌溉(-50至-100 kPa)提供理论框架。

　　

引言

全球农业用水占淡水消耗70%的背景下，土壤水分(θ)与通气性(ε)的动态平衡成为植物生长的关键限制因子。传统研究多孤立分析这两个参数，而本研究突破性地采用复数坐标系，将土壤空气视为"假想水"，构建了包含实部(水分)和虚部(空气)的Argand图示体系。通过48个土壤剖面数据，揭示了在-10 kPa田间持水量(FC)条件下，78%的土壤存在气体扩散系数(D_p/D_o)<0.01的通气不足现象。

数值分析

土壤水特征曲线

采用van Genuchten模型描述土壤基质势(ψ)与体积含水量(θ)关系：θ = θ_r + (θ_s - θ_r)[1 + (αψ)ⁿ]^-m。其中θ_s为饱和含水量，θ_r为残余含水量，α、n、m为形状参数。

气体扩散模型

基于Millington-Quirk模型计算气体扩散率：D_p/D_o = (ε/Φ)^4/3/Φ²，设定临界值0.01作为通气充足阈值。推导得出临界空气含量ε_cri = (0.01Φ²)^3/4。

核心指数构建

水分指数W(θ)=(θ-θ_PWP)/(θ_FC-θ_PWP)量化植物有效水，通气指数A(ε)=(ε-ε_cri)/(Φ-ε_cri)表征扩散效率。二者通过复数C(ψ)=W(ψ)+iA(ψ)实现正交耦合，其模量|C|=√(W²+A²)和幅角γ=tan^-1(A/W)共同决定生长适宜度。

材料方法

研究采集新西兰坎特伯雷地区24对灌溉/非灌溉草场的284个样本（0-60 cm分层）。采用悬挂水柱法（-0.4至-10 kPa）和压力室（-20至-1500 kPa）测定土壤水特征曲线，结合总孔隙度(Φ=33-60%)和容重(1.01-1.80 g/cm³)数据，建立粘土含量与ka参数的负相关关系(r²=0.82)。

结果讨论

动态平衡机制

数据显示最优生长区间为：模量0.5-1.0配合幅角0°-30°。当ψ=-10 kPa(FC)时，多数土壤W=1但A≤0（γ≈-17°-0°），需排水至-50--100 kPa使A≥0（γ=0°-70°）且保持W>0.6。粘土含量每增加10%，ka参数下降约30%，反映其对排水阻力的显著影响。

实践指导

提出15%体积空气含量的新阈值（传统值为10%），该值对应A_FC>0的临界条件(r²=0.96)。建议灌溉后保持ψ≈-50 kPa，既可避免FC时的通气不足，又能防止ψ<-100 kPa导致的渗透胁迫(W<0.5)。

结论

复数框架成功量化了土壤水气协同效应，揭示FC并非最佳生长状态。15%空气含量阈值的建立和粘土含量-ka参数关系的揭示，为智能灌溉系统开发提供了理论基石。未来可扩展该模型至耕作制度评估和微生物呼吸动力学研究。