廣西甘蔗地不同耕作方式下土壤孔隙特征

甘 磊, 李 健, 李 帥, 韋 靈, Saeed Rad1,

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室, 廣西 桂林 541004; 3.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

土壤孔隙作為土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，能夠真實(shí)地反映土壤內(nèi)部空間狀況[1]。定量研究土壤孔隙特征，對獲取土壤內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)信息，改善土壤環(huán)境，指導(dǎo)作物種植具有重要意義。土壤孔隙的幾何形態(tài)是影響土壤中水分運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移的關(guān)鍵因子之一，孔隙的大小、形狀以及連通度等會對土壤溶液的流動速度和通量分布的均勻性產(chǎn)生直接影響[2]。耕作過程會擾動土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，間接影響土壤中水分的分布和運(yùn)移。然而不同的耕作措施對土壤產(chǎn)生的擾動不同，對土壤性質(zhì)的影響也不同[3]。免耕對土壤擾動很少，使得土壤容重顯著增大，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷也會在表層富集[4]。深松能打破犁底層，增加耕層厚度，改變耕層土壤的緊實(shí)度和容重[5-6]。而長期翻耕和旋耕能提高土壤孔隙度和養(yǎng)分含量，增強(qiáng)了土壤通氣性，但這會使得耕層變淺，養(yǎng)分庫容降低[7]。事實(shí)上由不同耕作措施所帶來的各種效應(yīng)，都可以歸結(jié)為土壤結(jié)構(gòu)的變化，從而間接地改變土壤的理化性能[8]。

早期土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要以室內(nèi)試驗和模型模擬的方法間接地研究土壤孔隙，在尺度上和仿真性上存在一定欠缺[2]。相比之下，X射線CT掃描技術(shù)以其無破壞性、直接、快捷等優(yōu)點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于土壤孔隙的定量化和可視化研究中[9-11]。早在1982年國外學(xué)者就將CT掃描技術(shù)應(yīng)用于土壤容重和土壤大孔隙的三維圖像獲取研究中，并分析大孔隙的幾何結(jié)構(gòu)[12-13]。國內(nèi)學(xué)者從1988年開始利用CT掃描測定土壤結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部發(fā)育過程[14]，CT技術(shù)也開始被研究人員熟知在土壤結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，后被逐漸廣泛應(yīng)用于土壤的孔隙曲折度、孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征、滲透率和土壤水分特征曲線分析等研究中[15]。目前關(guān)于土地耕作方式對土壤理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響，國內(nèi)學(xué)者在南方紅壤區(qū)、黃土高原區(qū)、干熱河谷區(qū)等水土流失嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行了大量研究[16-18]。相比之下，作為我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)之一的廣西氣候溫暖、雨水豐沛、光照充足，區(qū)內(nèi)土壤性質(zhì)與北方和南方的其他地區(qū)有所不同。研究區(qū)又是廣西甘蔗主產(chǎn)地，區(qū)內(nèi)不同耕作方式對甘蔗地土壤結(jié)構(gòu)的影響會間接影響甘蔗的生長及其產(chǎn)量，而目前不同土地處理方式對廣西區(qū)甘蔗土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究也相對較少[19-20]。為此，本研究基于CT掃描和圖像處理技術(shù)，深入研究廣西區(qū)不同耕作方式下的甘蔗地土壤孔隙特征，可為該地區(qū)甘蔗種植過程中改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)整合理的種植模式提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市廣西自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院里建科研基地內(nèi)，地理位置為23°14′N，108°02′E。研究區(qū)地處武鳴區(qū)盆地，境內(nèi)以丘陵地貌為主。區(qū)內(nèi)土壤類型主要以紅壤為主，質(zhì)地良好，土壤pH值為5.0～6.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量為15～30 g/kg。區(qū)內(nèi)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛。區(qū)內(nèi)年平均氣溫21.7℃，年平均降雨1 100～1 700 mm，年平均相對濕度79%，年平均日照總時1 800 h。區(qū)內(nèi)盛產(chǎn)甘蔗、木薯、花生等農(nóng)作物產(chǎn)品，其中甘蔗是我國主要的糖料作物，是一年或多年生熱帶和亞熱帶實(shí)心草本植物，具有纖維須根系，甘蔗收割后土壤內(nèi)會留有宿根，第二年會重新分枝生莖。本試驗開始于2014年，試驗前地塊以常規(guī)耕作種植甘蔗為主，試驗后免耕區(qū)不進(jìn)行任何翻耕措施，耕作區(qū)翻耕時間為3 a一次，以機(jī)械翻耕為主，深度為30 cm，采樣時間為2017年9月。試驗區(qū)分免耕(NT)和耕作(CT)兩種處理，樣地面積均為50 m2，每種處理下按隨機(jī)區(qū)組選取3個重復(fù)，共6個小區(qū)，甘蔗的品種為桂柳05-136。試驗區(qū)灌溉條件和施肥條件均保持一致。

1.2 樣品采集與基本性質(zhì)測定

綜合考慮甘蔗根系的生長深度、耕作深度以及成壟情況。對0—40 cm深度的土層進(jìn)行原狀土樣(環(huán)刀100 cm3)和擾動土樣(約1.5 kg)采集，每10 cm一層，每層5個重復(fù)，用于測量土壤基本理化性質(zhì)。其中采用激光法測定土壤質(zhì)地[21]，重鉻酸鉀稀釋熱比色法測定土壤有機(jī)質(zhì)[22]。并采用內(nèi)徑10 cm，厚度0.5 cm，長度52 cm的高強(qiáng)度抗壓PVC管(取土端為刀口狀)，以敲擊取樣法采集原狀土柱，土柱內(nèi)土壤距離PVC管頂端12 cm。土柱取出后用泡沫填充劑外加保鮮膜以避免土柱水分蒸發(fā)，再用泡沫板等作防震措施帶回實(shí)驗室用于CT掃描。本研究中共采集6個PVC大土柱，其中免耕和耕作處理各3個重復(fù)。

1.3 CT圖像掃描與處理

1.3.1 CT圖像掃描 CT掃描設(shè)備選用美國GE公司生產(chǎn)的機(jī)器，型號為Discovery CT 750HD，掃描管電壓120 kV，掃描管電流300 mA。掃描體素尺寸:0.468 8 mm×0.468 8 mm×0.625 mm，共獲得640張圖像矩陣為512×512的圖片，輸出格式為DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)。

1.3.2 CT圖像處理

(1) CT圖像二值化。在圖像降噪和增強(qiáng)處理的基礎(chǔ)上，采用ImageJ插件對土壤和孔隙圖像作二值化處理。再在二值化圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤與孔隙的分割，其中分割閾值是以二值化后孔隙與原孔隙進(jìn)行對比直至差值≤1%得到，可較保證孔隙與實(shí)際情況相符。最后對二值化后的圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕處理以消除孔隙間的細(xì)小連接，最終得到>400 μm孔隙圖像，用于后續(xù)孔隙特征提取。

(2) 孔隙二維特征提取。綜合考慮掃描圖像邊緣影響，對單張孔隙圖像進(jìn)行感興趣區(qū)域(ROI)選取，本研究ROI選取大小為52.5 mm×52.5 mm，并利用ImageJ軟件獲取ROI上孔隙的數(shù)目、面積、周長等二維形態(tài)參數(shù)，用于計算孔隙面密度和孔隙復(fù)雜度。

孔隙面密度(MZ)用孔隙面積與總面積的比值來定量評價[23]，MZ值越高說明孔隙占比越大，土壤越疏松，計算公式如下：

MZ=AZ/A

(1)

式中：MZ為深度Z處孔隙面密度；AZ為深度Z處的孔隙總面積；A為深度Z處孔隙和土的總面積。

孔隙復(fù)雜度(DZ)用孔隙周長與面積的比值關(guān)系來定量評價[24]，DZ值越高，孔隙的扭曲復(fù)雜程度越高。計算公式如下：

DZ=2lgPZ/lgAZ

(2)

式中：DZ為深度Z處的孔隙復(fù)雜度；PZ為深度Z處孔隙周長；AZ為深度Z處的孔隙面積。

(3) 孔隙三維可視化與三維特征提取。用Image J軟件中相關(guān)插件對ROI中孔隙進(jìn)行三維重建和骨架提取。主要提取參數(shù)：孔隙數(shù)、孔隙體積、內(nèi)壁表面積，孔隙分支數(shù)量和交點(diǎn)數(shù)及分支長度，用于計算表征孔隙三維特征的指標(biāo)：孔隙度、比表面積、彎曲度和連通度等。

孔隙比表面積可用孔隙內(nèi)壁表面積和體積之間的關(guān)系來定量評價[25]，可反映單位體積上內(nèi)孔壁對水分和溶質(zhì)運(yùn)動的阻擋能力，計算公式如下：

S=Wp/Vp

(3)

式中：S為孔隙的比表面積；Wp為孔隙內(nèi)壁表面積；Vp為孔隙體積。

孔隙彎曲度可用孔隙中軸上的兩點(diǎn)之間的實(shí)際長度與最短距離之比評價[26]，可表征孔隙的空間彎曲形態(tài)，T值越大，孔隙通道及其網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，水和溶質(zhì)的實(shí)際路程越曲折，計算公式如下：

T=Pa/Pb

(4)

式中：T為孔隙彎曲度；Pa為孔隙中軸線兩點(diǎn)之間實(shí)際長度；Pb為孔隙中軸線兩點(diǎn)之間最短長度。

孔隙的連通度可用孔隙相交點(diǎn)數(shù)(J)和端點(diǎn)數(shù)(E)之間的關(guān)系來定量評價[27]，連通度越高，孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性越好，計算公式如下：

C=J/(J+E)

(5)

式中：C為孔隙的連通度；J為孔隙分枝相交點(diǎn)數(shù)；E為孔隙分枝端點(diǎn)數(shù)。

1.4 孔隙分級測定

可根據(jù)毛細(xì)管上升理論以及土壤基質(zhì)勢與孔隙大小的關(guān)系獲取不同大小孔隙。大孔隙(>50 μm)為基質(zhì)勢大于-6 kPa時所對應(yīng)的孔隙，中孔隙(0.2～50 μm)為-6～-1 500 kPa所對應(yīng)的孔隙，小孔隙(<0.2 μm)為基質(zhì)勢小于-1 500 kPa所對應(yīng)的孔隙[28]。采用RETC(retention curve)軟件對壓力膜儀測定環(huán)刀樣品的數(shù)據(jù)擬合得到土壤水分特征曲線，并根據(jù)土壤水分特征曲線獲得不同基質(zhì)勢對應(yīng)的不同直徑孔隙，最終繪制孔隙大小分布圖。孔隙的直徑計算公式如下[29]：

d=300/ψ

(6)

式中：d為孔隙直徑(μm)；ψ為土壤基質(zhì)勢絕對值(kPa)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤基本性質(zhì)

總體上免耕與耕作兩種處理間質(zhì)地組成無明顯差異，同處理不同土層間質(zhì)地差異也不顯著，而容重和有機(jī)質(zhì)存在差異(表1)。免耕處理土壤容重大于耕作處理，但僅在0—10 cm土層差異顯著。隨土層深度增加兩種處理下容重變化趨勢不同，免耕處理容重隨土層深度的變化不明顯，而耕作處理容重隨土層深度增加呈逐漸增大趨勢，其中0—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層之間容重差異顯著。耕作處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于免耕處理，兩種處理有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度增加呈逐漸減小的趨勢，但免耕處理各土層間差異顯著，而耕作處理各土層差異相對較小。

表1 不同耕作方式下土壤基本理化性質(zhì)

2.2 不同耕作方式下土壤孔隙垂向二維分布特征

根據(jù)水分特征曲線計算的兩種處理下不同土層土壤孔隙的大小分布存在差異(圖1)。總體上兩種處理下各不同土層中3種孔隙占比均呈中孔隙>小孔隙>大孔隙的趨勢，總孔隙占比在45%左右。耕作處理大孔隙和小孔隙隨土層深度增加變化并不明顯，但中孔隙在0—30 cm土層明顯高于30—40 cm土層。耕作處理的大孔隙在3個深度范圍(0—10 cm，10—30 cm，30—40 cm)均顯著低于免耕處理，中孔隙在0—30 cm土層顯著高于免耕處理，而小孔隙在3個深度范圍與免耕處理差異均不顯著。免耕處理大、中、小孔隙隨土層深度增加的變化則不明顯。

圖1 不同耕作方式下土壤孔隙大小分布

兩種處理下土壤孔隙面密度總體上沿土層深度均呈逐漸降低的趨勢(圖2)，但耕作處理下土壤孔隙面密度均值(2.45%)大于免耕處理(1.15%)。在免耕處理下，0—10 cm孔隙面密度在0—2 cm較小，而在2—6 cm范圍逐漸增加并達(dá)到整個研究深度范圍內(nèi)最大值(4%)，并在6—10 cm范圍內(nèi)以較大幅度波動。在10—30 cm，孔隙面密度波幅逐漸減小，以次于0—10 cm土層的波幅波動。在30—40 cm，孔隙面密度波幅達(dá)到最小，但局部有增大現(xiàn)象。在耕作處理下，0—10 cm孔隙面密度在0—5 cm以較快速度增加并達(dá)到整個研究范圍內(nèi)最大值(7.4%)，5—10 cm孔隙面密度值逐漸降低。在10—30 cm，孔隙面密度以次于0—10 cm土層波幅波動，30—40 cm孔隙面密度值和波幅逐漸減小，后有局部區(qū)域的孔隙面密度值較小突增。相比而言，耕作處理孔隙面密度在3個深度范圍內(nèi)波幅和均值都高于免耕處理，其中0—10 cm土層尤其明顯。孔隙面密度受孔隙的橫截面大小或數(shù)量的影響，由此可見兩種處理沿深度分布孔隙的直徑大小或者數(shù)量有所不同。

總體上免耕與耕作處理下孔隙復(fù)雜度主要在1%～2%波動(圖2)，均值上相差不大，約為1.6%。耕作處理下孔隙復(fù)雜度波動幅度顯著大于免耕處理，波動的持續(xù)范圍也存在差異。在免耕處理下，孔隙復(fù)雜度總體波幅和持續(xù)范圍均較小，波幅相對比較均勻，最大波幅約為0.2%，最大值出現(xiàn)在0—5 cm，約為2.2%，最小值出現(xiàn)在30—40 cm，約為1.2%，0—20 cm孔隙復(fù)雜度較20—40 cm而言略高。在耕作處理下，孔隙復(fù)雜度總體波幅和持續(xù)范圍均較大，波幅較不均勻，最大波幅約為0.6%，最大值出現(xiàn)在0—10 cm，約為2.1%，最小值出現(xiàn)在30—40 cm，約為0.6%，0—20 cm孔隙復(fù)雜度略高于20—40 cm，但20—40 cm孔隙復(fù)雜度的波動較0—20 cm更為劇烈?？紫稄?fù)雜度的波動劇烈程度反映沿深度方向孔隙邊界的異同程度，可見免耕土壤孔隙形態(tài)較均勻，而耕作處理0—20 cm孔隙復(fù)雜多變，20—40 cm孔隙簡單相似，整體上孔隙形態(tài)相對復(fù)雜。

圖2 不同耕作方式下土柱孔隙面密度和復(fù)雜度隨深度變化

2.3 不同耕作方式下土壤孔隙三維特征

基于整體統(tǒng)計表征土壤孔隙三維特征的兩種處理孔隙量化數(shù)據(jù)存在差異(表2)，免耕處理下孔隙數(shù)量和孔隙度均顯著大于耕作處理(p<0.05)，孔隙數(shù)和孔隙度(16 306，1.181%)是耕作處理(8 174，0.526%)的2倍左右。免耕土壤孔隙比表面積大于耕作處理，但兩者差異并不顯著。免耕處理下孔隙的彎曲度(1.348)高于耕作處理(1.314)，但連通度(0.465)低于耕作處理(0.687)，檢驗達(dá)到顯著水平(p<0.05)。這說明免耕土壤孔隙的孔隙雖多，但其彎曲度和連通度情況可能導(dǎo)致其通氣導(dǎo)水性不如耕作處理。

表2 不同耕作方式下土柱孔隙三維數(shù)據(jù)

經(jīng)掃描重構(gòu)的三維可視化圖顯示(圖3)，免耕處理的孔隙分布空間范圍較大、數(shù)量較多，但孔隙較小、相對孤立，連通較少，孔隙總體在表層和底層分布較少，中部偏上分布較多。耕作處理的孔隙分布空間范圍較小、數(shù)量較少，但孔隙相對較大、連通孔隙較多、孤立孔隙較少，如靠近土壤表層的直徑較大孔隙和中部大量連通孔隙，孔隙總體上沿土層深度呈逐漸減少的分布趨勢，表層孔隙大而粗，中部孔隙呈連續(xù)細(xì)管狀并沿深度向下發(fā)育，相互交叉，形成總體向下的孔隙通道網(wǎng)絡(luò)，但隨土層深度增加，孔隙相對減少?？梢妰煞N處理孔隙的三維分布情況可對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)之間的差異進(jìn)行解釋。

3 討 論

在本研究中，耕作使得土壤容重降低、有機(jī)質(zhì)含量增加、而對土壤質(zhì)地組成影響有限。這主要是翻耕的作用使得土壤疏松，降低了土壤的容重，而隨著土層深度增加，耕作對土壤容重的影響也逐漸減小，因為土壤容重受其他因素的影響會使得耕作帶來的容重差異降低。前人研究表明人為活動壓實(shí)、降雨、自然升溫等作用都會對土壤容重產(chǎn)生影響[30]。土壤在耕作后短期內(nèi)較為疏松，但隨著時間推移，降雨等擊散作用會使得土壤細(xì)顆粒隨水流下滲進(jìn)入大孔隙，使容重增加。升溫等作用又加速植物的蒸騰和根系吸水作用，使土壤的含水量降低，促使容重增大?？梢娺@些作用會使耕作后的疏松土壤，變得更加緊實(shí)，降低耕作帶來的容重差異。而水分脅迫作用和疏松的土壤條件下作物根系會更容易下扎[31]，進(jìn)一步使得深層含水量降低，并且細(xì)顆粒隨水流不斷運(yùn)移到下層土壤，從而使得表層土壤容重的差異相對較小。翻耕作用使上下層土壤混合，同時也使表層較多的植物殘體被翻到下層土壤空間，因為植物殘體會成為有機(jī)質(zhì)的一個重要來源[32]，所以使得下層土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。表層土壤的有機(jī)質(zhì)主要來源應(yīng)是甘蔗拔節(jié)生長過程中不斷的剝?nèi)~產(chǎn)生的植物殘體。相比之下耕作處理土壤擁有更多的有機(jī)質(zhì)來源，所以表層有機(jī)質(zhì)含量較高。有研究表明有機(jī)質(zhì)的分布可間接地影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，改變土壤理化性質(zhì)[33]，改善土壤的孔隙狀況[34]。前人在多種土壤組成的有機(jī)質(zhì)分布研究中發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)隨土層深度增加呈減小趨勢[35]，這在本研究中也是一致的。而在本研究中耕作主要通過改變有機(jī)質(zhì)的來源分布，間接改變有機(jī)質(zhì)的分布，總體增加了有機(jī)質(zhì)的含量，從而改善了土壤的性質(zhì)。此外相關(guān)研究也證明耕作能影響土壤理化及生物學(xué)特性，提高土壤透氣性，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量[36]。

圖3 不同耕作方式下土柱孔隙三維圖

盡管目前孔隙的大小分級尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同分級名稱和閾值存在一定差異，但可根據(jù)大多數(shù)學(xué)者研究將其大致分為大、中、小孔隙類型[37]。其中大孔隙和中孔隙主要為傳輸孔隙，小孔隙為儲存孔隙。在本研究中，耕作主要改變了土壤大孔隙和中孔隙的分布，使得大孔隙減少，中孔隙增加，而對小孔隙的影響有限。前人也在南方坡耕地土壤研究中發(fā)現(xiàn)深松和翻耕對小孔隙的增加并不顯著現(xiàn)象[38]。而相較耕作而言，前人研究也表明免耕會使得土壤小孔隙增加，而大、中孔隙明顯減少[39]。這說明耕作在對土壤的儲水功能影響不大的基礎(chǔ)上，提高了土壤傳輸水與溶質(zhì)的能力。對于大、中孔隙的分布，相關(guān)學(xué)者也在多種土壤類型的孔隙分布研究中發(fā)現(xiàn)耕層的大孔隙明顯減少，而中孔隙增加，這充分說明了耕作在減少大孔隙，增加中孔隙過程中的顯著作用[40]。也有學(xué)者在分析輪耕對土壤物理性狀及水稻產(chǎn)量影響的研究中認(rèn)為，翻耕和旋耕等作用對耕層土壤的儲水功能有提高作用[41]，即對小孔隙的改變作用，這可能與研究土壤類型、種植作物類型以及耕作管理模式等有關(guān)。

在本研究中，免耕與耕作處理下孔隙面密度和復(fù)雜度都存在趨于穩(wěn)定的趨勢，但二者的“穩(wěn)定狀態(tài)”有所不同，免耕處理趨于一種波幅較小的“靜態(tài)穩(wěn)定”，而耕作處理則趨于一種波幅較大的“動態(tài)穩(wěn)定”。兩種處理下不同的穩(wěn)定狀態(tài)可說明兩種處理下相應(yīng)土層深度范圍內(nèi)孔隙分別以不同的狀態(tài)持續(xù)存在。土壤表層受外界(如降水、太陽輻射等)直接作用和干濕循環(huán)過程會導(dǎo)致土壤易干裂收縮產(chǎn)生孔隙[42]，耕作過程通過改變土壤孔隙的界面形態(tài)特征使得土壤疏松多孔，這些作用使得土壤通透性增加，土壤動物活動強(qiáng)度增大，而土壤動物活動形成的大孔隙又經(jīng)常與植物根系交錯連通到土壤表面[43]，所以兩種處理下土壤表層孔隙應(yīng)具有較其他深度大的形態(tài)變化。而免耕土壤結(jié)構(gòu)基本保持原有狀態(tài)，隨土層深度的增加受外界的影響在逐漸減小，土壤孔隙面密度和復(fù)雜度波動也逐漸降低，這與前人研究發(fā)現(xiàn)免耕土壤中孔隙變異系數(shù)隨深度減小趨勢一致[44]。另外免耕過程會增加土壤表面的機(jī)械阻力，限制根系的分布和下扎[45]，從而對孔隙二維形態(tài)改變有限，這與前人研究中免耕區(qū)根系穿插對孔隙復(fù)雜度的影響偏低結(jié)論也一致[46]，所以免耕土壤孔隙復(fù)雜度并未隨深度增加產(chǎn)生較大變化。這也說明免耕土壤中水分與溶質(zhì)需要經(jīng)過比較復(fù)雜路徑才能到達(dá)甘蔗根系的生長區(qū)，這對甘蔗根系生長吸收養(yǎng)分的過程產(chǎn)生阻力。

透過表2孔隙數(shù)據(jù)和圖3孔隙分布圖，本研究中免耕土壤孔隙數(shù)(度)雖然高于耕作土壤，但后者孔隙的連通度和彎曲度情況均優(yōu)于前者。相關(guān)研究指出孔隙連通度和彎曲度對土壤導(dǎo)水透氣性有著重要影響，對于相同飽和度的土壤，孔隙連通度越高其導(dǎo)水透氣性越好，彎曲度則相反[47]。因此相較免耕而言，本研究中耕作土壤孔隙的連通和彎曲情況更有利于促進(jìn)土壤的導(dǎo)水透氣性。前人研究也發(fā)現(xiàn)免耕雖對土壤結(jié)構(gòu)具有改善作用，但是并不能提高孔隙連通性和增加土壤的導(dǎo)水能力，反而降低孔隙的連通性和土壤水分累積入滲量[48-49]。但也有研究認(rèn)為免耕通過減少耕翻次數(shù)減輕對土壤的擾動，保留土壤大孔隙，能提高土壤貯水量，尤其在降水較少地區(qū)該作用尤為明顯，但對于降水較豐沛的地區(qū)而言，免耕土壤的水分利用率卻低于耕作處理[50]。究其原因主要是因為免耕處理隨著年限的增加土壤容重增大，土壤緊實(shí)度增加，導(dǎo)致通水通氣性能下降。而對于高含水率的土壤，孔隙的分布其實(shí)也制約著其導(dǎo)水透氣性[47]。本研究中耕作土壤30 cm土層以上分布有較多直徑較大、連通性較好、呈長條或細(xì)管狀的孔隙，這些大而連通的孔隙對土壤的導(dǎo)水透氣性的貢獻(xiàn)會更多。這些孔隙的存在很大程度上應(yīng)歸功于耕作帶來的綜合作用，使得土壤中動植物活動增強(qiáng)，進(jìn)而形成的較大生物性孔隙(根孔和蟲洞)。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也正好回應(yīng)了前述孔隙二維分布特征中孔隙面密度和復(fù)雜度的變化情況，但仍然值得注意的是這些大孔隙形成的基礎(chǔ)應(yīng)該是耕作改變原有土壤孔隙分布后形成的較疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步為土壤中生物活動提供有利條件，生物活動作用又反過來使得土壤可形成更多的生物性孔隙，這種程度在免耕區(qū)是體現(xiàn)不出的。前人研究也說明類似本研究中耕作土壤的網(wǎng)絡(luò)型孔隙結(jié)構(gòu)對于作物根系的生長和根系對養(yǎng)分的吸收具有良好的綜合效益[49，51]。

單從土壤結(jié)構(gòu)的二維特征和一些孔隙量化數(shù)據(jù)上，無法完全理清兩種耕作方式下土壤孔隙結(jié)構(gòu)的差異性，而借助CT掃描技術(shù)及重構(gòu)土壤孔隙三維圖，能直觀和清晰地辨明兩種耕作方式下土壤孔隙結(jié)構(gòu)的差異，很好地解釋土壤孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)之間的差異。但是由于本研究中掃描設(shè)備的精度問題，只能掃描和重構(gòu)土壤孔隙中的“大孔隙”。盡管由于儀器精度問題的限制無法得到采集土柱中的全部孔隙影像，但從圖3中可以確定的是在廣西甘蔗地土壤中，耕作帶來了土壤多個生物性孔隙的形成以及更好的骨架型孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這要比免耕土壤更利于水肥的運(yùn)移和作物根系的生長發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)甘蔗產(chǎn)量的提升。因此，與免耕處理相比，在廣西甘蔗種植中耕作處理下的土壤具有較好的結(jié)構(gòu)性。

4 結(jié) 論

(1) 耕作對廣西旱地甘蔗種植土壤質(zhì)地組成影響有限，但能降低耕層土壤容重，促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的含量提高。(2) 耕作措施將大孔隙破碎成中孔隙，降低大孔隙，增加中孔隙。(3) 耕作改變土壤原有大孔隙結(jié)構(gòu)，在二維截面上增加孔隙的面密度，增加孔隙復(fù)雜度波動程度。在三維空間上改變土壤孔隙分布，降低孔隙的彎曲度，提高孔隙的連通度，增加土壤表層生物性大孔隙。綜上，耕作使得土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，這種網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)能滿足土壤的導(dǎo)水透氣需求，促進(jìn)水分和養(yǎng)分的快速運(yùn)移至甘蔗根系生長區(qū)。因此，在廣西地區(qū)的甘蔗種植過程中，耕作措施可促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)和水肥運(yùn)移通道的改善，有利于甘蔗的生長發(fā)育。