CT掃描技術(shù)研究有機物料還田深度對黑土孔隙結(jié)構(gòu)影響

邱 琛，韓曉增，陳 旭，陸欣春，嚴 君，馮玉鈿，甘佳偉，鄒文秀※，劉國輝

（1.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；2.中國科學院大學，北京 100049；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保護站，哈爾濱 150090）

0 引 言

土壤結(jié)構(gòu)是土壤固體顆粒和孔隙在不同尺度上的三維排列，它能夠調(diào)控土壤的持水能力、降水入滲過程、氣體交換、有機質(zhì)和養(yǎng)分的動態(tài)變化和根系生長等[1]。土壤結(jié)構(gòu)的可視化和定量化一直是土壤學研究的熱點[2-3]。然而由于土壤組成物質(zhì)的復雜性和結(jié)構(gòu)的易破碎性，導致直接研究土壤結(jié)構(gòu)非常困難[4]。Petrovic等[5]在1982年將 CT掃描技術(shù)應用到土壤容重的測定中，隨后開啟了CT掃描技術(shù)在土壤結(jié)構(gòu)研究中的大量應用[5-7]。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受生物和非生物因素的綜合影響，包括氣候條件、土壤礦物組成、有機質(zhì)含量、植物根系、真菌菌絲、土壤動物等[8]，其中農(nóng)田管理方式是土壤結(jié)構(gòu)最直接的影響因素，它通過耕作、輪作和有機物料還田等方式調(diào)控土壤結(jié)構(gòu)的形成與破壞[6-10]。房煥等[11]利用CT掃描技術(shù)定量研究了稻麥輪作下秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田通過增加土壤有機碳含量，促進微生物和真菌活動，能夠顯著提高土壤大孔隙度及各個孔徑下的孔隙度[12]。耕作通過增加對土壤的擾動減少了土壤中大孔隙數(shù)量和孔隙度，增加了小孔隙的數(shù)量[9]；通過破除土壤孔隙間的孤立性，增加了土壤孔隙的連通性，有利于土壤中水分傳導，促進作物對水分的吸收[2]。此外，許多研究利用 CT掃描技術(shù)和圖像分析技術(shù)來量化與土壤孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征參數(shù)，例如孔隙體積、表面積、孔喉數(shù)、成圓率、分形維數(shù)、拓撲結(jié)構(gòu)等[2,12]，它們對土壤溶液的流動速度和流通量分布的均勻性產(chǎn)生直接影響，同時控制著土壤中水分、溶質(zhì)、氣體的運移和擴散；特別是土壤中大孔隙的存在能夠增加土壤的通氣性，提高降水入滲率，具有減少地表徑流、促進作物水分吸收和提高作物產(chǎn)量的重要作用[13-14]。

黑土是中國重要的耕作土壤，自然黑土因土壤肥沃、結(jié)構(gòu)良好而著稱[15]。但是黑土開墾以后由于過度墾殖和用養(yǎng)失調(diào)導致耕作層變薄、犁底層上移，土壤結(jié)構(gòu)惡化等問題[16-17]。黑土開墾 20世紀 80年以后，土壤容重增加了59.5%，總孔隙度和通氣孔隙度分別下降了17.2和7.81個百分點[16]，土壤硬度增加了 15.54%～21.62%[18]。為了改善黑土物理性質(zhì)，研究學者們開展了大量的研究工作，例如通過深松打破犁底層，減少土壤硬度和容重[19]，改善土壤孔隙組成，增加土壤有效孔隙比例[20]?，F(xiàn)階段應用 CT掃描技術(shù)開展的關(guān)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)的定量化研究主要集中在對比分析免耕與傳統(tǒng)耕作的差異上[2,21]。以前的研究已經(jīng)證明，將有機物料深混還到0～35 cm土層，構(gòu)建肥沃耕層，在打破犁底層的基礎(chǔ)上，能夠降低土壤容重，增加孔隙度，尤其是通氣孔隙增加了 24.30%～43.00%，土壤飽和導水率增加了 10.91%～12.76%[22]。研究還發(fā)現(xiàn)，有機物料施用能夠顯著影響0～20 cm土層的大孔隙數(shù)量[7]、成圓率[23]、歐拉數(shù)、各向異性和分形維數(shù)[3,24]，但是關(guān)于有機物料深混到0～35 cm土層后土壤孔隙結(jié)構(gòu)的定量化分析還鮮有報道。本研究基于有機物料（玉米秸稈和有機肥）深混還田定位試驗，分析有機物料還田深度對土壤物理性質(zhì)的影響，利用CT掃描技術(shù)定量分析土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化，量化土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對土壤物理性質(zhì)的貢獻，通過此項研究優(yōu)化有機物料還田方式，為改良東北黑土物理性質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于黑龍江省海倫市光榮村（N47°21′，E126°50′），土壤類型為薄層黑土。研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约竟?jié)氣候，年平均氣溫 1.5 ℃，年平均日照時長2 700 h，無霜期130 d。年均降水量500～600 mm，70%以上集中在7—9月份。土壤質(zhì)地黏重，成土母質(zhì)為黃土狀黏土，砂粒、粉砂和黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為 33.98%、31.94%和34.08%[22]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2019年春季，設(shè)有4個處理，秸稈淺混（T1，還田深度為0～15 cm），秸稈深混（T2，還田深度為0～35 cm），秸稈和有機肥深混（T3，還田深度為0～35 cm），常規(guī)耕作（CK，耕作深度0～15 cm，無秸稈還田）；每個處理，4次重復，隨機排列。T1，T2和T3處理的秸稈還田量為 10 000 kg/hm2，T3處理有機肥施用量為30 000 kg/hm2。在秸稈和有機肥還田小區(qū)，首先使用鐵鍬挖相應深度的一條“塹溝”，然后將粉碎后的玉米秸稈或者玉米秸稈和有機肥平鋪在“塹溝”的橫截面上，再用鐵鍬挖土蓋在鋪了秸稈或秸稈和有機肥的橫截面上，最后將秸稈或秸稈和有機肥與土壤進行充分混勻，以此類推，完成整個小區(qū)的秸稈或秸稈和有機肥還田工作。每個小區(qū)面積12 m2（4 m×3 m）。供試玉米品種為墾沃6號，播種密度8萬株/hm2。每個小區(qū)的化肥施肥量：氮肥（N）150.0 kg/hm2，磷肥（P2O5）70.0 kg/hm2，鉀肥（K2O）50.0 kg/hm2。除有機物料施用以外的田間管理與當?shù)叵嗤?019年降水量為663 mm，試驗區(qū)是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)、無灌溉。

1.3 樣品采集及測定

2019年10月10 日（作物收獲后），在每個小區(qū)隨機選擇1個采樣點，使用PVC環(huán)刀（內(nèi)徑50 mm，高度60 mm）分層采集0～15 cm和＞15～35 cm土層的原狀土。取樣之前，將 PVC環(huán)刀的一端打磨成刀口，便于樣品的采集；采集完后用錫箔紙包裹 PVC環(huán)刀，防止由于水分散失導致的土壤結(jié)構(gòu)破壞，隨后將 PVC環(huán)刀放入裝有緩沖材料的塑料盒中，帶回實驗室，并放入 4℃的冰箱里待測。在PVC環(huán)刀樣品采集和運輸?shù)倪^程中盡量防止土體的晃動，避免影響CT掃描結(jié)果。同時在每個小區(qū)隨機選擇3個采樣點，使用環(huán)刀采集0～15 cm和＞15～35 cm土層的土壤樣品，用于容重、飽和導水率和田間持水量的測定。

原狀土柱采用天津三英精密儀器股份有限公司的nanoVoxel-4000顯微CT進行掃描，土壤容重、飽和導水率和田間持水量的測定參考文獻[22]。

1.4 CT掃描與圖像處理

nanoVoxel-4000顯微 CT掃描峰值電壓設(shè)定為150 kV，電流設(shè)定為90μA，曝光時間0.2 s，分辨率31μm。掃描方式：將樣品放在樣品臺上，進行 360°旋轉(zhuǎn)，得到細節(jié)和低噪音圖像，圖像重建用AVIZO9.0軟件獲得，之后得到體素為1 628×1 630×1 997的掃描圖像。將得到的raw.格式CT圖像保存在計算機中，采用Imagej-win64軟件對 CT圖像進行圖像分析。因為在原狀土采集的過程中，土體的周圍都不可避免的受到一定程度的擾動，在圖像進行預處理時，首先選擇位于圖像中心體素為638×638×957（實際土壤體積大小 2 cm×2 cm×3 cm）的部分，然后將圖像轉(zhuǎn)化為 8位圖像，之后進行圖像歸一化處理、中值濾波進行降噪以及平滑，使得圖像中的孔隙結(jié)構(gòu)更加的清晰，最后依據(jù)目視法，進行圖像的分割，設(shè)定閾值大小為 75。圖像分割以后，得到黑白二值圖，白色的為孔隙部分，黑色的為土壤基質(zhì)。

土壤孔隙可視化采用軟件AVIZO.2019.1版本獲得。孔隙體積、周長、面積和數(shù)量用Imagej中3D object counter插件完成計算；分形維數(shù)和各向異性，用Bonej插件完成；歐拉數(shù)用particle analyzer完成。成圓率、孔隙度和當量孔徑參考文獻[23，25]計算

式中C為成圓率，其值介于1和0之間；A為孔隙面積，mm2；L為孔隙周長，mm。

式中P為孔隙度，%；V1孔隙體積，mm3；V2圖形體積，mm3。

式中ED為當量直徑，mm。

鑒于本研究中使用nanoVoxel-4000顯微CT的分辨率為31μm，參考Wang等[26]提出的劃分方法對土壤孔徑進行劃分，即將孔徑＜500μm 劃分為小孔隙，500～1 000μm劃分為中孔隙，＞1 000μm劃分為大孔隙。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2017對試驗數(shù)據(jù)進行整理，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析（one-way ANOVA），分析試驗處理對土壤物理性質(zhì)及土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，并用LSD法進行多重比較（α=0.05）。采用 Origin 2019畫圖。采用SPSS 19.0軟件進行土壤物理性質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)性分析，和土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對土壤容重、田間持水量和飽和導水量影響的回歸分析，通過計算不同因子標準化系數(shù)絕對值與所有因子標準化系數(shù)絕對值之和的比值，評價不同因子對土壤物理性質(zhì)的貢獻。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物料還田對土壤物理性質(zhì)的影響

有機物料還田顯著改善了相應土層的土壤物理性質(zhì)（表1）。在0～15 cm土層，與CK處理相比，T1、T2和 T3處理土壤容重分別顯著降低了 5.66%、3.77%和 4.72%（P＜0.05），有機物還田處理間差異不顯著。與CK處理相比，T1、T2和T3處理土壤飽和導水率分別增加了5.00倍、2.40倍和2.20倍，其中T2和T3處理間差異不顯著。與CK處理相比，T1、T2和T3處理土壤田間持水量顯著增加了 7.65%、6.91%和 11.01%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土層，雖然CK和T1處理間，T2和T3處理間土壤容重差異不顯著（P＞0.05），但是T2和 T3處理較 CK和 T1處理顯著降低了土壤容重（P＜0.05）。不同處理間＞15～35 cm土層土壤飽和導水率和田間持水量表現(xiàn)出與土壤容重相似的變化趨勢。與CK和T1處理相比，T2和T3處理土壤飽和導水率顯著增加了 1.50倍和 1.00倍，田間持水量顯著增加了17.22%～21.19%。

表1 有機物料還田對不同土層土壤物理性質(zhì)的影響Table 1 Effects of organic amendments on soil physical properties at different layers

2.2 有機物料還田對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 土壤二維和三維孔隙結(jié)構(gòu)可視化

有機物料施用對0～35 cm土層土壤孔隙二維結(jié)構(gòu)的影響見圖1。

由圖1可知，與CK處理相比，T1、T2和T3處理明顯增加了0～15 cm土層土壤孔隙數(shù)量，且T2和T3處理土壤中出現(xiàn)了較大的孔隙；在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理明顯增加了較大土壤孔隙，而CK和T1處理土壤中小孔隙較多，說明有機物料施用能夠增加土壤孔隙數(shù)量，改善土壤孔隙分布。

不同處理土壤三維結(jié)構(gòu)的可視化見圖2。

由圖2可知，在0～15 cm土層，與T1、T2、T3處理相比可以看到，CK小孔隙較多，孔隙整體分布較為分散。在有機物料施用處理中土壤小孔隙減少、大孔隙增多、孔隙分布密集。在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理增加了土壤孔隙數(shù)，其中T2處理土壤孔隙分布呈現(xiàn)復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，交叉孔隙較多，同時可以觀察到連續(xù)性較好的細長孔隙。

2.2.2 土壤孔隙數(shù)量和孔隙度

不同處理對 0～15 cm 土層＞1 000μm 和 500～1 000μm孔隙數(shù)量的影響如圖3。

由圖3a可知，與CK處理相比，T1、T2和T3處理＞1 000μm孔隙數(shù)量分別顯著增加了179.9%、32.0%和 75.7%，500～1 000μm 孔隙數(shù)量分別顯著增加了44.7%、18.1%和30.5%（P＜0.05），其中 T2和T3處理500～1 000μm孔隙數(shù)量差異不顯著（P＞0.05）。CK處理＜500μm孔隙數(shù)量較 T1、T2和T3處理顯著增加了 7.59%～15.6%（P＜0.05）。＞15～35 cm 土層，＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔隙數(shù)量顯著高于 0～15 cm土層（P＜0.05）（圖3b）。在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理＞1 000μm、500～1 000μm 和＜500μm 孔隙數(shù)量顯著增加了 22.7%～150%（P＜0.05），而CK和T1處理間，T2和T3處理間差異不顯著。

有機物還田顯著影響了土壤不同孔徑孔隙度（圖4）。

由圖4可知，在0～15 cm土層，施用有機物料處理顯著增加了＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔徑孔隙度（P＜0.05）。不同處理＞1 000μm 孔徑孔隙度表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞CK，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別增加了156%、95.7%和69.2%；不同處理500～1 000μm孔徑孔隙度表現(xiàn)為T1＞T3＞T2＞CK，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別增加了256%、88.2%和173%。不同處理＜500μm孔徑孔隙度表現(xiàn)出與＞1 000μm孔徑孔隙度相似的趨勢，但是僅T1和T2處理較CK處理顯著增加了128%和92.9%（P＜0.05）。＞15～35 cm土層各孔徑孔隙度顯著小于0～15 cm土層（圖4）。在有機物料施用和作物根系的雙重影響下[27]，＞15～35 cm土層＞1 000μm孔徑孔隙度表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，與CK處理相比，T1、T2和 T3處理＞1 000μm 孔徑孔隙度分別顯著增加了89.4%、196.2%和 152%（P＜0.05）。與其他處理相比，T2處理 500～1 000μm孔徑孔隙度顯著增加了 38.4%～248%（P＜0.05）；T1和T3處理較CK處理顯著增加了118%和 152%（P＜0.05），T1和 T3處理間差異不顯著（P＞0.05）。與CK處理相比，T2處理＜500μm孔徑孔隙度顯著增加了134%（P＜0.05）；T2處理與T1和T3處理間差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.3 土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征

有機物料還田對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響見表2。成圓率是表征孔隙形態(tài)特征的參數(shù)之一，其數(shù)值越接近于1，表示孔隙形態(tài)越接近于圓[12]。大量研究認為成圓率可以判斷土壤孔隙的大小，孔隙越趨于規(guī)則，越利于水分在土壤中的傳輸、保存及作物吸收和利用[12]。在0～15 cm土層，成圓率在 0.72～0.85之間，不同處理間差異不顯著（P＞0.05）。在＞15～35 cm土層，成圓率在0.74～0.85，不同處理間表現(xiàn)為，T2和T3處理較CK和T1處理顯著增加了9.21%～14.9%（P＜0.05）。

表2 有機物料施用對土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的影響Table 2 Effects of organic amendments on parameters of soil pore structure

分形維數(shù)是土壤孔隙大小和孔隙與固體顆粒接觸界限不規(guī)則的綜合反映，可用于表征土壤孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性，分形維數(shù)越大，孔隙狀況越好[27]。在0～15 cm土層，與 CK、T2和T3處理相比，T1處理分形維數(shù)顯著增加了1.5%、0.5%和1.5%（P＜0.05）；在＞15～35 cm土層，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分形維數(shù)顯著增加了 10.0%、13.9%和 12.8%（P＜0.05），說明有機物料的施用增加了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性，尤其是15～35 cm。

各向異性表征子結(jié)構(gòu)之間的形狀，數(shù)值在0（完全各向同結(jié)構(gòu)）和1（各向異結(jié)構(gòu)）之間變化，孔隙越接近于球體，各向異性越接近于0[2]。在0～15 cm土層，各向異性在0.09～0.24之間，與其他處理相比，T3處理各向異性顯著增加了167%、71.4%和100%（P＜0.05），CK、T1和T2處理間差異不顯著。在＞15～35 cm土層，各向異性在0.10～0.21之間。與其他處理相比，T3處理顯著增加了110%，23.5%，40.0%（P＜0.05）；與CK處理相比，T1和T2處理顯著增加了70.0%和50.0%（P＜0.05）。

連通性用歐拉數(shù)來表示，歐拉數(shù)越高，連通性越低；歐拉數(shù)越低，連通性越高[24]。在0～15 cm土層，歐拉數(shù)表現(xiàn)為T1＜T3＜T2＜CK，不同處理間差異顯著（P＜0.05），表明有機物料施用顯著增加了土壤孔隙的連通性。與CK相比，T1、T2和T3處理歐拉數(shù)分別顯著降低了54.3%、21.7%和46.1%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土層，不同處理歐拉數(shù)表現(xiàn)為 T3＜T2＜T1＜CK，處理間差異顯著（P＜0.05），與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別減少了40.4%、65.9%和70.5%。

2.3 土壤物理性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)衡量了土壤物理性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性（表3）。

由表3可知，在0～15 cm土層，容重（BD）與飽和導水率（HC）、田間持水量（FC）、不同孔徑孔隙度呈極顯著負相關(guān)、與歐拉數(shù)（EN）呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），歐拉數(shù)與除了BD、分形維數(shù)（FD）、成圓率（C）和各向異性（AN）以外的所有指標均呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），HC與不同孔徑孔隙度、FD呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），F(xiàn)C 與＞1 000μm（LP）和 500-1 000μm（MP）孔徑孔隙度、AN呈極顯著正相關(guān)，LP與除了FC、AN和C以外的所有指標呈極顯著正相關(guān)，LP僅與FD和C不相關(guān)（P＞0.05），＜500μm（SP）孔隙度僅與FC和AN不相關(guān)（P＞0.05）。在＞15～35 cm土層，BD與除AN和EN以外的所有指標均呈極顯著（P＜0.01）或顯著（500～1 000μm 和＜500μm 孔隙度）（P＜0.05）負相關(guān)，EN 與除BD以外的指標呈極顯著或顯著（SP和AN）負相關(guān)，HC與除了BD、AN和EN以外的所有指標呈極顯著或顯著（FD）正相關(guān)系，F(xiàn)C與HC、不同孔徑孔隙度、FD和C呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），不同孔徑孔隙度與HC、FC和C均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），F(xiàn)D和C與除SP和AN以外指標呈極顯著相關(guān)性（P＜0.01）。

表3 土壤物理性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil physical properties and parameters of soil pore structure

2.4 土壤孔隙結(jié)構(gòu)對土壤物理性質(zhì)的貢獻

土壤孔隙度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對容重、飽和導水率和田間持水量的貢獻見表4。歐拉數(shù)（EN）對土壤容重（BD）的貢獻度最大，在0～15 cm和＞15～35 cm土層分別達到了31.9%和41.7%；＞1 000μm孔隙度（LP）對0～15 cm和＞15～35 cm土層飽和導水率（HC）貢獻度最大，分別到達了35.3%和29.2%；在0～15 cm土層，各向異性（AN）和EN分別對0～15 cm和＞15～35 cm土層對田間持水量（FC）的貢獻最大，分別為 22.5%和43.7%。

表4 土壤孔隙結(jié)構(gòu)對土壤物理性質(zhì)的貢獻Table 4 The contribution of soil porosity structure on soil physical properties %

3 討 論

3.1 有機物料還田對土壤基本物理性質(zhì)的影響

有機物料還田是改善土壤物理性質(zhì)的有效措施之一[10]。它不僅可以增加土壤中大孔隙數(shù)量，使得土壤孔隙分布趨于合理，還可以提高土壤飽和導水率，提升土壤的水分運輸能力[28]。與 CK處理相比，由于有機物料的施用，T1，T2和T3處理顯著減少了0～15 cm土層的土壤容重，增加了飽和導水率和田間持水量（表1）。有機物料施用過程中由于進行了土層翻轉(zhuǎn)、土壤與有機物料混合等操作，通過增加對土壤擾動和有機物料還田[22]，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)[29]，進而改善0～15 cm土層土壤物理性質(zhì)。同時施用的秸稈或者有機肥自身就具有水分通道的作用，能夠促進土壤中水分的傳導，進一步增加了土壤的飽和導水率[30]。等量秸稈分別施入0～15 cm和0～35 cm土層后，導致秸稈在不同深度土層中的濃度產(chǎn)生差異[31]，是導致T1和T2處理間土壤物理性質(zhì)不同的主要原因。秸稈配施有機肥處理較僅施用秸稈處理增加了有機物料在土壤的濃度，表現(xiàn)出了減少土壤容重，增加飽和導水率和田間持水量的趨勢，但是處理間差異不顯著（P＞0.05）（表1）。以前的研究已經(jīng)證實，深翻過程中進行有機物料深混還田能夠有效減?。?5～35 cm土層的土壤容重、增加田間持水量和飽和導水率[22]，本研究得到了相似的研究結(jié)果。黑土黏粒質(zhì)量分數(shù)在 40%以上，質(zhì)地黏重[22]。在草甸化草原植被開墾為農(nóng)田以后，由于過度墾殖和有機物料投入不足，導致土壤物理性質(zhì)急劇惡化，特別是土壤耕作層逐漸變薄，犁底層已經(jīng)由原來的20～25 cm上升到15～18 cm[16]，土壤容重增加并在部分地區(qū)超過了作物適應范圍，限制了水分入滲和作物根系生長[32]。因此，在質(zhì)地黏重黑土上，有機物料深混還田后一年就能夠顯著改善土壤的物理性質(zhì)（表1），但是此時土壤物理性質(zhì)的改善主要是受耕作干擾及有機物料在土壤中作為“楔子”的物理隔離作用影響[33]。在后續(xù)研究中將重點考慮秸稈和有機物物料分解過程中產(chǎn)生代謝產(chǎn)物對土壤物理性質(zhì)改善的貢獻。

3.2 有機物料還田對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

應用CT掃描技術(shù)可以定量描述土壤中的孔隙數(shù)量、孔隙度及孔隙分布、成圓率等孔隙數(shù)量和形態(tài)特征[2]，以及孔隙分布、連通性和孔隙間相關(guān)性等空間特征[23]。良好的孔隙結(jié)構(gòu)對土壤中的水分和熱量傳導[24]、有機碳穩(wěn)定性[2]、養(yǎng)分有效性[1]及微生物多樣性[8]等至關(guān)重要。土壤孔隙結(jié)構(gòu)除了受土壤有機質(zhì)含量影響以外，也與農(nóng)田管理措施、作物根系活動和土壤動物活動等密切相關(guān)[34-35]。高子勤等[36]報道了耕作方式和有機物料施用能夠改變土壤微形態(tài)結(jié)構(gòu)，導致土壤顆粒和孔隙重新排列，有機物和分解或半分解狀態(tài)的有機殘體通過凝聚和侵染作用增加土壤中微團聚體和孔隙，促進土壤微結(jié)構(gòu)向良好方向發(fā)育。值得一提的是，耕翻土層翻轉(zhuǎn)過程中0～15 cm和＞15～35 cm土層土壤進行充分混合，使0～15 cm土層結(jié)構(gòu)較好的土壤進入＞15～35 cm土層，也是＞15～35 cm土層結(jié)構(gòu)改善的原因之一[22]。根據(jù)還田深度，秸稈或秸稈配施有機肥處理顯著增加了相應土層＞1 000μm 和500～1 000μm孔徑孔隙數(shù)目和孔隙度，改善了土壤中的孔隙分布（圖3和4）。楊永輝等[23]報道了有機物料的施用通過增加土壤有機碳含量和腐殖質(zhì)含量，改善團粒結(jié)構(gòu)，進而增加土壤的孔隙數(shù)目和孔隙度。有機物料還田能夠促進土壤中大孔隙的形成，其效果對10 cm以下的土層尤為顯著[37]；與單獨施用化肥相比，有機無機肥配施＞20～40 cm土層土壤大孔隙度提高了91.7%，大孔隙數(shù)目提高了54.8%[7]。土壤結(jié)構(gòu)改善后促進了作物根系向深層土壤伸長[38]，根系的穿插和纏繞作用及根系分泌的膠結(jié)作用是土壤結(jié)構(gòu)形成的重要因素之一[39]。孟晨等[40]研究發(fā)現(xiàn)土壤中有機質(zhì)含量、植物根系與土壤大孔隙之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，根系及土壤有機質(zhì)含量越高，大孔隙含量也越多，形狀也趨于規(guī)則。

有機物料的施用能夠顯著影響土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，秸稈還田量越多，孔隙度增加越顯著，孔隙結(jié)構(gòu)越復雜[11-12]。通過對比分析不同肥力土壤的微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，肥力較高的土壤一般具有土壤顆粒排列疏松、多為壘結(jié)橋接狀、孔隙多、連通性好[41]。本研究通過有機物料深混還田后，發(fā)現(xiàn)0～35 cm相應土層土壤孔隙結(jié)構(gòu)復雜、孔隙形狀規(guī)則、連通性較好，即表現(xiàn)出了較大的各向異性、分形維數(shù)和成圓率，較小的歐拉數(shù)（表2），說明有機物料施用可以顯著改善黑土土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進而提高土壤肥力。Ferro等[42]研究發(fā)現(xiàn)有機肥施用能夠改善土壤的連通性（歐拉數(shù)），進而改善土壤結(jié)構(gòu)，而連通的大孔隙是土壤中氣體擴散的主要通道[3]。

3.3 土壤結(jié)構(gòu)改善對黑土物理性質(zhì)的貢獻

土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改善能夠促進水分入滲、氣體擴散[24]。甘磊等[9]研究發(fā)現(xiàn)耕作土壤中0～30 cm土層孔隙直徑較大、連通性較好，且呈長條或細管狀，這些孔隙對土壤的導水透氣性貢獻最大。土壤飽和導水率與土壤連通性和分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系[43]，本研究得到了相似的結(jié)果（表3）。同時本文發(fā)現(xiàn)，土壤中＞1 000μm孔隙度對0～35 cm土層的飽和導水率貢獻最大，說明有機物料深混還田主要通過增加土壤中大孔隙來調(diào)控土壤的飽和導水率。王憲玲等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)，有機無機肥料配施通過提高0～40 cm土層土壤大孔隙數(shù)量和大孔隙度，進而提高土壤的飽和導水率。Ferro等[42]研究已經(jīng)證實，施用有機肥增加大孔隙，能夠促進土壤水分的入滲。歐拉數(shù)是表征土壤孔隙連通性的重要參數(shù)[24]，對土壤中氣體擴散、水分流動和溶質(zhì)運移具有重要影響[2]，其與土壤容重、飽和導水率、田間持水量及孔隙均呈極顯著的相關(guān)性（P＜0.01），同時本研究還發(fā)現(xiàn)歐拉數(shù)對土壤容重的貢獻最大，說明歐拉數(shù)可以用來評價土壤容重，用以表征的土壤的松緊程度。耕作過程中進行有機物料深混還田，改變了土壤中原有的孔隙分布，形成了疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)，特別是秸稈和有機肥自身就是容重較輕的多孔介質(zhì)[29]。良好的土壤結(jié)構(gòu)為土壤生物活動提供了有利場所，生物活動又促進了土壤中生物性孔隙的形成[9,24]，土壤中網(wǎng)絡型孔隙結(jié)構(gòu)對于土壤持水能力[9]具有重要作用。本研究結(jié)果也證實了這一結(jié)論。雖然不同土層田間持水量對土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應是不一致的，在 0～15 cm各向異性對田間持水量貢獻最大，而在＞15～35 cm土層歐拉數(shù)對田間持水量貢獻最大，但是研究結(jié)果均表明土壤結(jié)構(gòu)越復雜、連通性越好，有利于提高土壤的田間持水量。

4 結(jié) 論

通過耕作進行秸稈或秸稈配施有機肥還田一個玉米生長季后，在0～15 cm土層能夠顯著降低土壤容重，增加田間持水量和飽和導水率，提高土壤的大孔隙數(shù)量和孔隙度，改善土壤孔隙微結(jié)構(gòu)；當秸稈或秸稈和有機肥深混到0～35 cm后，在打破犁底層的同時，進一步顯著的改善了＞15～35 cm土壤物理性質(zhì)和土壤孔隙分布，增加了土壤孔隙的復雜性和連通性，能夠促進土壤水分入滲和保持，形成了良好的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。

Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示0～35 cm土層容重、田間持水量和飽和導水率與＞1 000μm和500～1 000μm孔隙度呈極顯著（或顯著）相關(guān)性。貢獻度評價發(fā)現(xiàn)歐拉數(shù)和＞1 000μm孔隙度對0～35 cm土層容重和飽和導水率貢獻度最大，各向異性和歐拉數(shù)分別對0～15 cm和＞15～35 cm土層田間持水量的貢獻度最大，說明土壤孔隙結(jié)構(gòu)綜合調(diào)控土壤物理性質(zhì)。因此，有機物料的施用通過促進了土壤中大孔隙的形成，增加了土壤孔隙的連通性和復雜，構(gòu)建土壤孔隙網(wǎng)絡，進而改善黑土物理性質(zhì)。在未來的研究中應持續(xù)關(guān)注有機物料深混還田后產(chǎn)生腐殖化物質(zhì)及代謝產(chǎn)物對土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成的影響機制。