文献题目：刺槐根区垂直土壤水分异质性对土壤-植物-大气连续体水分输送安全的影响

文献信息：Zhongdian Zhang, Mingbin Huang. (2021). Effect of root-zone vertical soil moisture heterogeneity on water transport safety in soil-plant-atmosphere continuum in Robinia pseudoacacia. Agricultural Water Management, 246 (2021) 106702. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106702

文献摘要：根区土壤水分在空间上高度不均一，而其对土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水分运输安全的影响仍知之甚少。本研究在温室条件下，利用壤土和砂壤土对刺槐进行了垂直分根试验，测定了下根区持续干旱和上根区经历干旱-复水-干旱过程时的中午蒸腾速率、黎明前和中午叶水势的动态。利用实测数据对植物供需水力模型进行了校准，结果表明该模型能够有效模拟土壤水分垂直异质性条件下土壤-植物-大气连续体水分在刺槐体内的运移。在此基础上，我们在模型中设置了不同土壤类型和大气蒸发需求下的上下根区土壤水分的各种组合，并模拟了描述SPAC系统中水分运输安全的指标的变化，包括实际蒸腾速率(E)、水力破坏时的临界叶片蒸腾速率(Ecrit)、水力安全裕度(HSM)和土壤-植物水力传导损失百分比(PLK)。数值模拟表明，SPAC系统中的水传输安全随土壤水分垂直异质性而变化，其响应受土壤类型和大气蒸发需求的影响。随着上部根区土壤水分的减少，Ecrit、E和HSM保持稳定，当SMCup低于阈值时迅速下降，而PLK则呈现相反的趋势。随着下根区土壤水分的减少，Ecrit、E和HSM曲线呈下降趋势，而PLK曲线呈上升趋势。SPAC系统中水运输安全性随着 SWCup 和 SWCdown 的降低而下降，并且随着 SWCdown 的降低而对 SWCup 变得更加敏感。SWCdown对大气蒸发需求较高的质地较粗的土壤下SPAC的输水安全影响较大。研究结果补充了传统的均质条件下土壤水分对植物有效性的分析，有助于分析不同深度土壤蓄水的功能差异，优化水资源管理。

文献监测方案：

垂直分根实验：为了评估在根区垂直土壤水分异质性条件下模拟刺槐中 SPAC 水分输送的 Sperry 模型，在温室中进行了两种土壤类型的垂直分根试验。本研究中使用的土壤是黄土高原的两种主要土壤类型：娄土（Anthrosol）和黄绵土（CalcaricCambisol）。然后，土壤通过2 mm的筛子除去任何大的物体，并以1.35g cm−3和1.30g cm−3的容重分别装入90 cm高、23.5 cm直径的丙烯酸柱体中。使用粒度分析仪，Mastersizer 2000测量土壤粒度。使用离心方法测定土壤持水曲线，然后拟合Van Genuchten模型。

土柱被3-4厘米厚的石英砂(直径4-8毫米)分成上下两个隔室(每个隔室深40厘米)，以防止两个隔室之间的水毛细作用(图1)。土壤表面覆盖了3-4厘米厚的石英岩砾石，以减少水分流失。在下层小室顶部的柱壁上打了一个洞，下层的土壤采用滴灌方式灌溉，允许水从管子的孔处滴入土壤。在柱被填充之后，以20 cm的深度间隔将两个不平衡的时域反射仪(TDR)探头水平插入每个隔室，以测量土壤水分。在进行实验之前，用重量法对TDR探针进行了校准。田间持水量(FC)是用改进的Wilcox方法测定的。永久枯萎点是通过在两种土壤中生长和枯萎刺槐幼苗来确定的。

sperry模型：Sperry模型是一个基于性状的土壤-植物-大气模型(Sperry等人，2016年)，在给定的土壤水势剖面和蒸气压亏缺下，求解SPAC系统中的水通量、水势和水力传导率。SPAC系统由叶、茎、根和根际组成。通过每个组分的稳态流量Ei可以通过组分脆弱性曲线(k(ψ)i)的积分变换来计算:

其中，k(ψ)i)量化了水力传导度(k)随各成分水势(ψ)降低而下降的情况。由于木质部成分的空化，k随着ψ的降低而降低，这可以使用双参数威布尔函数(b和c)来量化:

其中kx,max为最大水力传导，ψx为包括叶、茎、根在内的木质部成分的水势。在根际成分中，随着ψ的降低，k的降低是由毛细作用力失效时空气对充水孔隙的置换引起的，这可以用van Genuchten函数来描述(van Genuchten，1980):

其中，ks,max是根际组分的最大水力传导，n和α是特定的参数。

仪器布设（尽可能用图片）

图 1 垂直分根实验的示意图 

数据采集方式及频率

在实验期间，每天用TDR测量上和下部隔室的土壤水分含量。每天使用压力室（PMS Instrument Co., Corvallis, OR, USA）分别在5：00-6：00和13：00-14：00中测量黎明前和午间叶片水势。每天测量新产生的叶子的长度 (LL, cm) 和宽度 (LW, cm)，并使用开发的经验方程计算增加的叶面积 (LA, cm2)。还收集了用于测量叶水势的离体叶片和落叶叶，用数字扫描仪（Canon LiDE 120，Canon Inc.，Tokyo，Japan）扫描，并使用图像处理程序 ImageJ 测量叶面积。 在实验结束时，收获并扫描所有叶子，并使用 ImageJ 测量全株叶面积。

因此，全株叶面积在实验期间动态可以根据最终叶面积，每日增量和实验过程中丢失的叶面积来计算。液流用Flow32-1 1K系统（Dynamax. Inc., Houston, Texas, USA）进行测定。每 60 秒监测一次仪表输出，并使用 CR1000 数据记录器（Campbell Scientific，Logan，UT，USA）记录为 15 分钟的平均值。 通过将树液流量除以整株植物叶面积来计算叶蒸腾速率。 实验结束后，收集当年枝条，使用台式脱水法测量木质部脆弱性曲线，并进一步拟合Weibull函数：

结果：

（1）       在自然条件下，浅层土壤水分变化较快，深层土壤水分相对稳定。因此，利用校正后的Sperry模型模拟了4个指标对SMCup和SMC不同组合的响应，并分析了VPD和土壤质地对指标的影响。在SMCdown值相同的情况下，当SMCup高于阈值时，E、Ecrit和SME变化不大，然后随着SMCup的降低，E、Ecrit和SME迅速下降，呈s型曲线。相反，当SMCup低于阈值时，PLK迅速升高。在壤质粘土和砂质壤土中，所有的指示剂都有相似的模式；

（2）       Sperry模型能有效模拟土壤水分非均质条件下刺槐的SPAC水分运移，是分析根区土壤水分非均质性对SPAC水分运移安全性影响的重要工具；

（3）       数值模拟表明，随着下部根区土壤水分的减少，SPAC水运安全对上部根区土壤水分更加敏感，并受土壤类型和大气蒸发需求的强烈影响。 结果强调了深层土壤水管理对 SPAC 水运安全的重要性，并鼓励进一步研究。

图 2. 叶片蒸腾速率 (E) 对根区垂直土壤水分异质性的响应。 上层（SMC up ）和下层土壤含水量均在永久枯萎点和田间持水量范围内，壤土为0.15～0.28 cm 3 /cm 3 ，砂壤土为0.06～0.22 cm 3 /cm 3 。 间距分别为 0.01 cm 3 /cm 3 。这些线代表了在下部隔间不同土壤含水量下的 SMC up - E 曲线。 顶部和底部曲线分别代表下部隔间的田间容量和永久萎蔫点。 左右箭头分别指向田间持力均匀状态和根区常萎点。

图 3. 水力衰竭时临界叶片蒸腾速率 (E crit ) 对根区垂直土壤水分异质性的响应。 上隔间（SMC up ）和下隔间的土壤水分含量分别为永久萎蔫点和田间持水量的范围，这些线代表了在下部隔间不同土壤水分含量下的 SMC up - E 临界曲线。 

图 4. 水力安全裕度 (HSM) 对根区垂直土壤水分异质性的响应。 上隔间（SMC up）和下隔间的土壤水分含量均在永久枯萎点和田间持水量范围内。

图 5. 土壤-植物水力传导率 (PLK) 损失百分比对根区垂直土壤水分异质性的响应。

上隔间（SMC up ）和下隔间的土壤水分含量在永久枯萎点和田间持水量范围内。 线条代表在下隔间不同土壤水分含量下的SMC up-PLK曲线。 左曲线和右曲线分别代表下隔室的田间容量和永久萎蔫点。 底部和顶部的箭头分别指向田间持力均匀和根区永久萎蔫点的情况。

仪器推荐：

Ø                      ENVIData-DD植物茎流叶温茎粗气象(生理生态）监测系统：

由数据采集器、茎流传感器、冠层叶温传感器、作物茎杆变化或树木生长传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量茎流、叶温和生长参数。包括两种类型传感器：

插针式和包裹式探头

1)                      TDP热扩散茎流传感器：
应用热扩散原理，测量不同树种的茎流量。该原理能够实现连续监测茎流，并且受环境因素的干扰相对小。探头适用于直径75mm以上的树干，安装容易，可以重复使用。

2)                      SG系列探头：

应用热平衡原理，多种尺寸系列可以适于安装在直径2.1至175mm的草本或木本植物茎干上。该探头无需校正，不用穿刺到树干中。

Ø                      ENVIDATA-DT 探头式土壤水温盐水势系统

该系统通过实时、连续、原位监测土壤水分、温度、水势的变化，是土壤水动力学的基础研究设备。广泛应用于农田蒸散、作物耗水、森林水文、湿地水文、草原生态、水土流失、环境污染、水循环研究等领域。

1)                      探头式土壤水分、温度、电导率传感器

基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）时域反射技术。用以直接测量土壤或其他介质的介电常数。非常适合长期的安装在土壤中，并且能够保证，在数十年内，不会 发生测量漂移。水分测量范围可以达到100%。电导率测量范围可以达到20dS/m。适合于沙质、有机质和粘性土壤。甚至纯粘性土壤也可以被测量。

2)                      土壤水势传感器

采用与植物根系从土壤中吸收水分相似的原理，当土壤中的水分减少，水势降低时，埋置在土壤中的张力计管中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管中形成一定的真空度，通过测量张力计管中的真空度，就可以反映出土壤中水势的变化。