不同耕作方式對廣西蔗田土壤生物性和非生物性孔隙結(jié)構(gòu)的影響

摘要：【目的】探究傳統(tǒng)旋耕與粉壟耕作方式對廣西蔗田土壤生物性和非生物性孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以期為該地區(qū)甘蔗生產(chǎn)中合理選擇耕作方式提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳哉崽锿寥罏檠芯繉ο?，設(shè)粉壟耕作20 cm（F20）和傳統(tǒng)旋耕20 cm（X20）2種處理，于甘蔗伸長期采集土壤樣品，測定0～40 cm深度土層的土壤顆粒分布、容重及有機(jī)質(zhì)含量；利用X射線CT掃描技術(shù)并結(jié)合ImageJ 1.53c及MATLAB 2019a等軟件分離獲取土壤生物性和非生物性孔隙的二維和三維特征參數(shù)，并對2種處理下孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重構(gòu)可視化?！窘Y(jié)果】與X20處理相比，F(xiàn)20處理0～40 cm土層的黏粒含量平均值顯著降低32.16%（Plt;0.05，下同），而粉粒含量平均值顯著提高12.82%。F20處理0～10 mm孔徑范圍的二維生物性孔隙數(shù)量高于X20處理，二者非生物性二維孔隙數(shù)量差異不明顯；F20處理的生物性孔隙圓度較X20處理顯著提高10.58%。在孔隙三維參數(shù)中，F(xiàn)20處理的生物性孔隙連通度較X20處理顯著提高67.55%，其余參數(shù)均小于X20處理；F20處理非生物性孔隙的孔隙度、彎曲度、連通度和比表面積均低于X20處理，但均無顯著差異（Pgt;0.05）。在三維重構(gòu)圖中，X20處理生物性孔隙多分布在0～10 cm土壤表層區(qū)域，F(xiàn)20處理的生物性孔隙則在10～30 cm土層中形成了更多向下延伸的連續(xù)管狀結(jié)構(gòu)；X20處理的非生物性孔隙分布較疏松，F(xiàn)20處理的作物根系主要生長區(qū)周圍存在較多非生物性孔隙?！窘Y(jié)論】粉壟耕作形成的生物性孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)旋耕，特別是在形成上下連通的生物性孔隙和更密集的非生物孔隙分布方面具有一定優(yōu)勢，可更好地促進(jìn)水肥運(yùn)移通道的形成。在廣西甘蔗種植過程中，可采用粉壟耕作以有效改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：蔗田；耕作方式；土壤孔隙；CT掃描；三維重構(gòu)

中圖分類號：S152.4；S566.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2095-1191（2024）09-2613-10

Effects of different tillage practices of soil biopores and non-biopores structures in sugarcane field soils of Guangxi

WANG Song1，2，ZHANG Shuo1，2，ZHANG Yu2，ZHANG Hong-xia1，HUNAG Tai-qing3，GAN Lei1，2*

（1Guangxi Key Laboratory of Theory and Technology for Environmental Pollution Control，Guilin University of Techno-logy，Guilin，Guangxi 541006，China；2Guilin University of Technology/Collaborative Innovation Center for Water Po-llution Controland Water Safety in Karst Area，Guilin，Guangxi 541006，China；3Agricultural Resource and EnvironmentResearch Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning，Guangxi 530007，China）

Abstract：【Objective】To investigate the effects of traditional rotary plowing and Fenlong tillage on the biopores and non-biopores structures of sugarcane field soils in Guangxi，which could provide theoretical basis for the rational selec-tion of tillage practices in sugarcane production in this region.【Method】Using the soil in sugarcane field as object，soilsamples were collected during the elongation period of sugarcane using 2 treatments，namely，20 cm Fenlong tillage（F20）and 20 cm traditional rotary tillage（X20），to determine the distribution of soil particles，bulk density and organic matter content of the soil layer from 0 to 40 cm depth.The two-dimensional and three-dimensional feature parameters of soil biopores and non-biopores space were obtained by using X-ray CT scanning technology combined with ImageJ 1.53c and MATLAB 2019a，and the pore structure was visualized by three-dimensional reconstruction under the 2 treatments.【Result】Compared with X20 treatment，the average clay content of 0-40 cm soil layer in F20 treatment was significantlyreduced by 32.16%（rlt;0.05，the same below）.In comparison，the average silt content was significantly increased by 12.82%.The biopores two-dimensional number with 0-10 mm pore diameter ofF20 treatment was higher than that of X20treatment，and the difference of the non-biopores two-dimensional pore number between the two was not obvious；the bio-pores roundness in F20 treatment was significantly increased by 10.58%compared with X20 treatment.Among the three-dimensional pore parameters，the connectivity of biopores in F20 treatment was significantly increased by 67.55%com-pared with X20 treatment，and the rest of the parameters were smaller than X20 treatment；the porosity，tortuosity，con-nectivity，and specific surface area of non-biopores in F20 treatment were lower than those in X20 treatment，but the dif-ferences were not significant（rgt;0.05）.In the three-dimensional reconstruction maps，the biopores of the X20 treatment were only mostly distributed in the 0-10 cm soil surface area，while the biopores of the F20 treatment formed more downward-extending continuous tubular structures in the 10-30 cm soil layer；the distribution of the non-biopores in the X20 treatment was more sparse；and more non-biopores existed around the main growing area of the crop root system inthe F20 treatment.【Conclusion】The biopores structure formed by Fenlong tillage is superior to that of traditional rotary plowing，especially in the formation of upper and lower connected biopores and denser distribution of non-biopores，which can better promote the formation of water and fertilizer transport channels.In the process of sugarcane cultivation in Guangxi，F(xiàn)enlong tillage can be used to effectively improve the soil pore structure.

Key words：sugarcane fields；tillage practices；soil pores；CT scan；three-dimensional reconstruction

Foundation items：National Natural Science Foundation of China（42067002）；Guangxi Science and Technology Major Special Project（AA20302020-2）

0引言

【研究意義】土壤孔隙是土壤顆粒與團(tuán)聚體之間的空隙，在一定程度上影響著土壤的形成、演變和功能發(fā)揮（Müller et al.，2018）。良好的土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能顯著促進(jìn)土壤內(nèi)部養(yǎng)分運(yùn)輸，并為作物的根系吸收提供有利條件（Hamza and Anderson，2005）。土壤孔隙空間結(jié)構(gòu)由各種不同類型的孔隙組成，其孔隙的大小、形狀、方向和功能存在差異（Zhang et al.，2016）。根據(jù)結(jié)構(gòu)形態(tài)和成因可將土壤大孔隙分為生物性孔隙和非生物性孔隙。生物性孔隙由蚯蚓挖掘和植物根系等生物活動形成，通常呈圓柱形，沿著土壤剖面連續(xù)延伸（Luo et al.，2010；Kautz，2015）。非生物性孔隙主要由耕作、凍融、濕潤和干燥等過程形成，如填充物空隙或片狀裂縫，形態(tài)不規(guī)則，通常占據(jù)土壤孔隙的大部分空間（Zhang et al.，2016）。受地質(zhì)構(gòu)造、氣候變化和作物類型等因素的綜合影響，不同耕作方式下土壤結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著改變。因此，研究蔗田不同耕作方式下土壤生物性孔隙和非生物性孔隙變化特征，對合理選擇甘蔗耕作方式具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】與采用單一系統(tǒng)的傳統(tǒng)耕作土壤相比，長期免耕和輪作相結(jié)合可以潛在地改善土壤物理性質(zhì)和孔隙特征（Thotakuri etal.，2024），而保護(hù)性耕作相較于免耕更有利于改善土壤團(tuán)聚體和生物活性，更多的生物性孔隙被認(rèn)為是保護(hù)性耕作實(shí)踐中大孔隙數(shù)量增加的原因（Singh et al.，2021）。還有學(xué)者提出與常規(guī)耕作和免耕相比，生物耕作可形成更多的生物性孔隙，更有益于作物生長及改善土壤物理特性（Zhang and Peng，2021）。不同耕作方式對土壤生物性和非生物性孔隙特征的影響存在一定差異性，國內(nèi)外學(xué)者已在土壤孔隙特征研究，尤其是不同耕作方式下生物性和非生物性孔隙響應(yīng)方面取得顯著進(jìn)展（Banfield et al.，2018；Han et al.，2022；Phalempin et al.，2022）。Zhang等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，生物性孔隙和非生物性孔隙對土地利用和施肥方式的響應(yīng)不同，且生物性孔隙比非生物性孔隙更連續(xù)。Zhang等（2019）將飽和導(dǎo)水率與透氣性和生物性孔隙聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)生物性孔隙中的滲流生物孔在預(yù)測水分和氣體運(yùn)移方面效果較好。Wang等（2024a）研究表明不同耕作方式可以改變土壤孔隙連通性，對生物性孔隙的形成有顯著影響，最終會導(dǎo)致土壤水分和空氣傳導(dǎo)性的改變。隨著X射線CT掃描技術(shù)的發(fā)展，因其具備非侵入和便捷性等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地被應(yīng)用于土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究中（Rab etal.，2014；李華焜等，2024；王松等，2024；Wang et al.，2024b）。CT掃描技術(shù)在三維土壤結(jié)構(gòu)與根孔變化研究中能精確分析根孔數(shù)量、長度和彎曲度等三維結(jié)構(gòu)指標(biāo)（Zhang et al.，2016）。【本研究切入點(diǎn)】目前，對廣西蔗田土壤結(jié)構(gòu)或土壤孔隙特征的研究大多集中在土壤三維大孔隙結(jié)構(gòu)方面（甘磊等，2021；盛勇創(chuàng)等，2023），而針對不同耕作方式對土壤生物性孔隙與非生物性孔隙三維結(jié)構(gòu)影響的研究較缺乏。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于CT掃描技術(shù)，以蔗田為研究對象，探究傳統(tǒng)旋耕與粉壟耕作方式對廣西蔗田土壤生物性和非生物性孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以期為該地區(qū)甘蔗生產(chǎn)中合理選擇耕作方式提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院南寧市里建科研基地（23°14′N，108°02′E）。該區(qū)域地形以丘陵為主，土壤母質(zhì)屬第四紀(jì)紅土，以質(zhì)地良好的紅壤為主要土壤類型，并有石灰?guī)r基巖層存在，土壤pH在5.0～6.5。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，年平均氣溫21.6℃，日照充足，年平均日照時數(shù)達(dá)1800 h；雨量充沛，年平均降雨約1300mm，相對濕度為79%。該地區(qū)雨季從5月持續(xù)至9月，雨季降水量占全年降水量的60%以上。甘蔗、香蕉、荔枝和花生等為該地區(qū)的主要作物。

1.2試驗(yàn)方法

以蔗田土壤為研究對象，設(shè)2種處理：粉壟耕作20 cm（F20）和傳統(tǒng)旋耕20 cm（X20）。傳統(tǒng)旋耕的耕作深度按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)耕作深度20 cm設(shè)置；粉壟耕作刀具設(shè)計(jì)可達(dá)60 cm深度，在兼顧耕作深度的情況下不打亂土層順序，本試驗(yàn)中與傳統(tǒng)旋耕耕作深度一致。每處理選取3個重復(fù)，共6個小區(qū)，每小區(qū)面積為50 m2。2個處理的甘蔗品種均為桂柳05-136，各處理灌溉和施肥條件保持一致。

于2022年5月下旬甘蔗伸長期采集土壤樣品，在每處理中按等腰三角形在壟上進(jìn)行取樣。綜合甘蔗根系生長的最大深度，在各小區(qū)內(nèi)分別開挖50 cm邊長的正方體土壤剖面，并使用規(guī)格為100 cm3的環(huán)刀采集原狀土樣，每10 cm為一層，每層3個重復(fù)，在0～40 cm土層范圍內(nèi)進(jìn)行采集。此外，每層采集約1.5 kg的受擾動土壤樣本用于測定土壤基本理化性質(zhì)。CT掃描原狀土柱采集使用高強(qiáng)度抗壓PVC管（高50 cm、內(nèi)徑10 cm）進(jìn)行操作。取樣前將PVC管一端打磨成刀刃狀打入土中進(jìn)行取樣，采集深度為40 cm。通過輕輕敲擊表層使土壤略微緊實(shí)，在距離PVC管頂部約10 cm處觀察管內(nèi)土壤是否呈現(xiàn)完整的柱狀形態(tài)，若形態(tài)完整，則在土柱周圍進(jìn)行開挖以取出土壤樣品，2種耕作方式均按上述采樣方法采集3個重復(fù)，共計(jì)6個PVC土柱。采樣完成后，對PVC管進(jìn)行泡沫粘合劑填充并密封好，用保鮮膜和泡沫板加以保護(hù)用于CT掃描。

1.3土壤孔隙結(jié)構(gòu)測定

采用美國GE公司的Discovery CT HD 750作為CT掃描設(shè)備，應(yīng)用寶石能譜成像（GSI）掃描模式，掃描管電壓設(shè)置為120 kV，掃描管電流設(shè)定為600 mA。土柱CT掃描產(chǎn)生的切片間距為0.625 mm，分辨率為512×512像素，并以DICOM格式保存640張切片。獲得的CT圖像存儲在計(jì)算機(jī)中，并轉(zhuǎn)換為JPG格式的灰度圖像。利用ImageJ 1.53c的灰度閾值調(diào)節(jié)對CT掃描圖像進(jìn)行二值化處理，為下一步生物性和非生物性孔隙分離提供基本圖像。

將二值化后的土壤孔隙圖像導(dǎo)入MATLAB201 9a進(jìn)行生物性孔隙與非生物性孔隙分離。流程如圖1，去除尺寸小于500體素（0.06 mm3）的孔隙，保留尺寸大于500體素的大孔隙（圖1-A），去除大孔隙中孔隙長度（L）與孔隙當(dāng)量半徑（r）之比小于20的孔隙（圖1-B），保留L/r大于20的孔隙（圖1-C），再通過上述規(guī)則進(jìn)行人工修正刪除不符合規(guī)則的孔隙（圖1-D），保留的即為生物性孔隙（圖1-E），余下的即為非生物性孔隙（圖1-F）。最后通過重構(gòu)技術(shù)將生物性孔隙和非生物孔隙性圖像進(jìn)行特征量化和三維重建。其中，孔隙長度大致等于孔的邊界框?qū)蔷€長度（Zhang et al.，2018），孔隙當(dāng)量半徑的計(jì)算公式如下：

r=（1）

式中，r為孔隙當(dāng)量半徑，V為孔隙體積（mm3），L為孔隙長度（mm）。

1.4孔隙參數(shù)提取與計(jì)算

1.4.1土壤孔隙二維特征提取及計(jì)算對掃描圖像的邊緣進(jìn)行分析，選擇單張土壤孔隙圖像中的特定區(qū)域（50 mm×50 mm）作為感興趣區(qū)域（Region of interest，ROI）。利用ImageJ 1.53c中的Analyze Par-ticles插件和ROI功能，獲取孔隙的數(shù)量、面積、周長、最大直徑等二維形態(tài)參數(shù)，以計(jì)算孔隙圓度二維指標(biāo)。

孔隙圓度用于衡量其橫截面接近圓形的程度，取值范圍在0～100%?？紫秷A度越接近100%表明孔隙的橫截面形狀越接近理論圓形，即孔隙形態(tài)越規(guī)則（Ferro et al.，2013），計(jì)算公式如下：

R（%）=×100（2）

式中，R為孔隙圓度；Ap為孔隙實(shí)際面積；LR為孔隙實(shí)際周長。

1.4.2土壤孔隙三維參數(shù)提取及計(jì)算使用ImageJ 1.53c及其相關(guān)插件，對ROI中的孔隙進(jìn)行三維重建，并提取孔隙數(shù)量、孔隙體積、內(nèi)壁表面積和交點(diǎn)數(shù)（Yuetal.，2010）。計(jì)算表征孔隙三維特性的指標(biāo)，包括孔隙度、比表面積、彎曲度和連通度等。

孔隙度越大，表示孔隙體積越大。孔隙度為孔隙體積與整個土柱ROI體積之比（Kaur et al.，2024），計(jì)算公式如下：

Porsity（%）=VROI（Vpores）×100（3）

式中，Porsity為孔隙度（%）；Vpores為孔隙體積（mm3）；VROI為整個土柱ROI體積（mm3）。

比表面積反映單位體積內(nèi)孔壁對水分和溶質(zhì)運(yùn)動的阻隔能力，可通過內(nèi)表面積與孔隙體積的比值來定量評估（Qi et al.，2019），計(jì)算公式如下：

S=（4）

式中，S為孔隙比表面積（mm-1），Wp為孔隙內(nèi)壁表面積（mm2），Vp為孔隙體積（mm3）。

彎曲度指沿孔隙中軸線上兩點(diǎn)之間的實(shí)際長度與這兩點(diǎn)之間最短長度的比值，用于描述孔隙的空間形態(tài)特征（Wen et al.，2023），計(jì)算公式如下：

T=（5）

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（mm），Pb為孔隙中軸線兩點(diǎn)之間最短長度（mm）。

連通度用于量化孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，反映孔隙在土壤空間中的影響范圍。主要通過孔隙骨架的相交點(diǎn)數(shù)和端點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系來定量評估（Jarvis et al.，2017），計(jì)算公式如下：

C=（6）

式中，C為連通度，J為相交點(diǎn)數(shù)，E為端點(diǎn)數(shù)（非邊緣端點(diǎn)）。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2016進(jìn)行整理和計(jì)算，利用SPSS 27.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，以O(shè)rigin 2021制圖；利用MATLAB 2019a對生物性孔隙和非生物性孔隙進(jìn)行分離，并以ImageJ 1.53c完成圖像處理。

2結(jié)果與分析

2.1不同耕作方式下的土壤理化性質(zhì)

由表1可知，2種處理對0～40 cm土層土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)有不同程度的影響。F20處理的黏粒含量平均值較X20處理顯著降低32.16%（Plt;0.05，下同），而粉粒含量平均值較X20處理顯著提高12.82%，在10～20 cm至20～30 cm土層深度內(nèi)，F(xiàn)20處理黏粒含量明顯增加，而X20處理黏粒含量變化相對平穩(wěn)。隨著土層深度的增加，2種處理土壤砂粒和有機(jī)質(zhì)含量整體上呈降低趨勢，但平均值均無顯著差異（Pgt;0.05，下同）；2種處理容重平均值差異也未達(dá)顯著水平。

2.2不同耕作方式下土壤生物性與非生物性孔隙的二維特征

如圖2所示，在0～40 cm土層深度，2種處理的土壤生物性孔隙和非生物性孔隙的二維孔徑分布存在明顯差異。對于生物性孔隙而言（圖2-A），F(xiàn)20處理在0～10 mm孔徑范圍內(nèi)的二維孔隙數(shù)量明顯高于X20處理，但在大于10 mm孔徑范圍內(nèi)卻低于X20處理。由圖2-B可看出，在1～10 mm孔徑范圍內(nèi)，非生物性孔隙數(shù)量隨著孔徑變大而持續(xù)減少，當(dāng)孔徑大于10mm時孔隙數(shù)量有所回升。2種處理的土壤非生物性孔隙主要集中在0～5 mm孔徑范圍，其中尤以1～2 mm孔徑范圍的非生物性孔隙數(shù)量較多。X20處理的非生物性孔隙數(shù)量整體高于F20處理。

如圖3所示，在0～40 cm土層深度，F(xiàn)20處理的生物性孔隙圓度較X20處理高10.58%，非生物性孔隙圓度較X20處理高0.18%。同時，在相同處理中，F(xiàn)20處理的生物性孔隙圓度高于非生物性孔隙圓度，而X20處理的生物孔隙圓度略低于非生物性孔隙圓度。

2.3不同耕作方式下土壤生物性與非生物性孔隙的三維參數(shù)特征

由圖4可看出，2個處理生物性孔隙的孔隙度明顯小于非生物性孔隙，雖然X20處理生物性孔隙的孔隙度、比表面積和彎曲度較F20處理分別提高7.71%、2.66%和5.76%，但F20處理生物性孔隙的連通度較X20處理顯著提高67.55%，表明F20處理在生物性孔隙中建立了優(yōu)于X20處理的連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，水肥運(yùn)移通道更為通暢。就非生物性孔隙而言，X20處理孔隙度、比表面積和連通度均大于F20處理，分別提高12.39%、12.03%和8.11%。這可能是因?yàn)镕20處理有更多孔隙用于形成生物性孔隙，降低了其非生物性孔隙的連通程度，但其與X20無顯著差異的彎曲度并未影響后續(xù)非生物性孔隙向生物性孔隙發(fā)育的可能。

2.4不同耕作方式下土壤生物性孔隙與非生物性孔隙的三維重構(gòu)

如圖5所示，F(xiàn)20處理的生物性孔隙明顯多于X20處理，但此類孔隙均存在于30 cm以上土層中，這可能與甘蔗根系的主要生長深度有關(guān)。F20處理生物性孔隙在10～30 cm土層中形成了更多向下延伸的連續(xù)管狀結(jié)構(gòu)，這種傾向的連通孔隙可能對于土壤上下層間水肥交換有重要作用。X20處理生物性孔隙主要集中在表層0～10 cm區(qū)域，且其上下連通趨勢不如F20處理明顯，特別是X20-2樣品沒有觀察到典型的生物性孔隙。

如圖6所示，X20處理中非生物性孔隙個體分布相對疏松，特別是X20-2樣品的非生物性孔隙數(shù)量明顯少于相同深度的F20處理。F20處理中作物根系主要生長區(qū)周圍存在大量的非生物性孔隙，其孔隙個體大且數(shù)量較X20處理更多，可為后續(xù)結(jié)構(gòu)性更好的生物性孔隙的形成提供更多可能。2種處理在土壤深層均發(fā)育了較多非生物性孔隙，其分布均呈現(xiàn)密集點(diǎn)狀或?qū)訝钚螒B(tài)。

3討論

3.1不同耕作方式對土壤理化性質(zhì)的影響

本研究中，傳統(tǒng)旋耕的黏粒含量顯著高于粉壟耕作，但粉粒和砂粒含量前者卻低于后者。這表明與大粒徑的土壤顆粒相比，旋耕處理后土壤具有更小的顆粒尺寸，能有效攔截滲入水分并提高保蓄能力（Li etal.，2024）。然而，在10～20 cm至20～30 cm土層區(qū)間內(nèi)，粉壟耕作的黏粒含量增幅高于傳統(tǒng)旋耕。這種差異間接說明在甘蔗根系生長的主要土層區(qū)間，粉壟耕作可能促進(jìn)了土壤顆粒的細(xì)化過程。有學(xué)者研究表明，粉壟耕作下土壤環(huán)境更為疏松，并改善了土壤緊實(shí)度，同時也保證了作物生長（石偉業(yè)等，2023）。此外，相較于傳統(tǒng)旋耕而言，粉壟耕作的土壤容重呈逐漸降低趨勢。這種變化趨勢在一定程度上增加了孔隙空間連續(xù)性并促進(jìn)了根系向下延伸，在為甘蔗提供相對穩(wěn)定的溫濕條件方面起積極作用（Zhang et al.，2021）。粉壟耕作的有機(jī)質(zhì)含量整體略高于傳統(tǒng)旋耕，可能是由于粉壟耕作過程中將大量富含有機(jī)物質(zhì)的蔗稈碎末混入土壤中，提升了整個土層空間的土壤有機(jī)質(zhì)來源（Graham and Haynes，2005）。Wei等（2022）研究表明，粉壟耕作能改變土壤中養(yǎng)分含量的垂直分布，有機(jī)質(zhì)含量隨之提升。本研究中，粉壟耕作的有機(jī)質(zhì)含量整體高于傳統(tǒng)旋耕，與Wei等（2022）的研究結(jié)果一致。這可能是由于粉壟耕作過程中將大量富含有機(jī)物質(zhì)的蔗稈碎末混入土壤中，進(jìn)而提升了整個土層空間的土壤有機(jī)質(zhì)來源（Graham and Haynes，2005）。

3.2不同耕作方式對土壤生物性孔隙和非生物性孔隙特征的影響

本研究結(jié)果表明，無論是生物性孔隙還是非生物性孔隙，F(xiàn)20處理的圓度均高于X20處理。表明在土壤孔隙形成方面粉壟耕作具有更高的孔隙質(zhì)量（郭曉明等，2015）。土壤中孔隙的連通度反映土壤的導(dǎo)水透氣性，連通度越高，則導(dǎo)水透氣性越好（Wang et al.，2024b）。有學(xué)者通過研究大孔隙流機(jī)制發(fā)現(xiàn)土壤中形成的植物根孔等生物性孔隙顯著影響土壤中水分和溶質(zhì)的運(yùn)移，并因其高連通性而形成密集的網(wǎng)絡(luò)通道，從而改善土壤結(jié)構(gòu)（Wang et al.，2024a）。這表明在整個作物生長過程中生物性孔隙發(fā)揮著主要的導(dǎo)水透氣功能。三維土壤孔隙度在一定程度上反映土壤內(nèi)部空間的分散程度（徐洋洋等，2023），而不同耕作方式可以改變土壤三相結(jié)構(gòu)距離，增加氣相和液相比例，同時降低固相比例（李曉龍等，2015）。本研究中，盡管粉壟耕作的生物性與非生物性孔隙度均小于傳統(tǒng)旋耕，但從三維重構(gòu)圖中可見前者的生物性與非生物性孔隙分布均高于后者。推測粉壟耕作處理中土壤生物性與非生物性孔隙的孔隙連通性可能高于傳統(tǒng)旋耕處理，該結(jié)果可在生物性孔隙連通性中得到印證，但非生物性孔隙結(jié)果卻與上述推測存在差異。這也表明在運(yùn)用CT數(shù)據(jù)論證土壤水肥運(yùn)移通道中單純從孔隙度或連通性等單個指標(biāo)來判斷是不夠全面的，需結(jié)合整體三維特征參數(shù)與重構(gòu)圖進(jìn)行分析（張靜舉等，2018；甘磊等，2020；盛勇創(chuàng)等，2023）。2種處理非生物性孔隙的彎曲度無顯著差異，可能是由于土壤內(nèi)部整體容重均相對較高，導(dǎo)致各類孔隙的發(fā)育均受到一定程度的限制（Naveed et al.，2013），從而減少了過多較長孔隙的發(fā)育。這種限制使得水肥運(yùn)移通道不會過于彎曲，進(jìn)而阻礙水肥運(yùn)移。同時也進(jìn)一步說明粉壟耕作在同步提升孔隙分布和降低生物性孔隙彎曲度的同時還維持更為連通的水肥運(yùn)移通道。

3.3不同耕作方式對土壤水肥運(yùn)移通道形成的影響

土壤水肥通道由土壤孔隙構(gòu)成，而土壤孔隙的類型和數(shù)量對土壤水肥通道的形成有重要影響（Lei et al.，2023）。一般而言耕作措施對土壤造成機(jī)械擾動，從而將原有的孔隙分解并細(xì)化為次級孔隙（Scar-pare et al.，2019），擾動作用改變了原有的土壤結(jié)構(gòu)（Zhou et al.，2023）。因此，土壤顆粒擺脫了原有結(jié)構(gòu)束縛，在水分入滲后經(jīng)歷土壤下沉并在土壤深層形成相對密集的分布情況（de Almeida et al.，2018）。本研究的三維重構(gòu)圖中非生物性孔隙在深層集中分布的結(jié)果與以上研究結(jié)果類似。為滿足甘蔗自身生長需求，根系需穿過淺層土壤區(qū)域扎根到中部10～30 cm土層區(qū)間吸收更多的養(yǎng)分和水分（甘磊等，2021）。本研究中，10～30 cm深度范圍內(nèi)均存在一定數(shù)量的生物性孔隙，但傳統(tǒng)旋耕明顯降低了生物性與非生物性孔隙的空間分布范圍。在雨熱同期且干濕分明的廣西地區(qū)，旱地作物甘蔗生長發(fā)育期間需進(jìn)行較頻繁的土層間水熱交換以維持其正常生長（Gugaetal.，2023）。土壤中連通上下土層的孔隙通道是促成水分交換的重要途徑之一，而孔隙分布的數(shù)量也決定了形成此類通道的可能性（Ju et al.，2024）。本研究中，粉壟耕作中發(fā)育了更多圍繞在根區(qū)附近的非生物性孔隙，在土壤內(nèi)部發(fā)育過程中根系附近的非生物孔隙可能被優(yōu)先占用，進(jìn)而更好的為水肥運(yùn)移提供交換的可能性。綜上所述，與傳統(tǒng)旋耕下的土壤結(jié)構(gòu)相比，粉壟耕作下形成了更傾向于上下連通的生物性孔隙和更密集的非生物孔隙分布，可能更有助于改善廣西地區(qū)蔗田土壤的水肥運(yùn)輸效率。

4結(jié)論

相較于傳統(tǒng)旋耕，粉壟耕作可有效增加廣西蔗田土壤二維生物性孔隙的數(shù)量和圓度，提高土壤三維生物性孔隙連通度。粉壟耕作形成的生物性孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)旋耕，特別是在形成上下連通的生物性孔隙和更密集的非生物孔隙分布方面具有一定優(yōu)勢，可更好地促進(jìn)水肥運(yùn)移通道的形成。在廣西甘蔗種植中，可采用粉壟耕作以有效改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)（References）：

甘磊，李健，李帥，韋靈，Rad S.2020.廣西甘蔗地不同耕作方式下土壤孔隙特征［J］.水土保持研究，27（6）：122-130.［Gan L，Li J，Li S，Wei L，Rad S.2020.Soil pore charac-teristics under different tillage practices in sugarcane fields of Guangxi［J］.Research of Soil and Water Conservation，27（6）：122-130.］doi：10.13869/j.cnki.rswc.2020.06.018.

甘磊，張俊，鄭思文，韋本輝，李健，李帥，鄧婉珍.2021.秸稈覆蓋對廣西甘蔗地土壤水分與結(jié)構(gòu)變化的影響［J］.南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，52（7）：1745-1752.［Gan L，Zhang J，Zheng S W，Wei B H，Li J，Li S，Deng W Z.2021.Effects of straw mulching on soil moisture and structure of sugarcane field in Guangxi［J］.Journal of Southern Agriculture，52（7）：1745-1752.］doi：10.3969/j.issn.2095-1191.2021.07.002.

郭曉明，馬騰，陳柳竹，劉林.2015.污水灌溉下土壤孔隙特征的CT定量分析［J］.地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，40（11）：1896-1903.［Guo X M，Ma T，Chen L Z，Liu L.2015.Quantitative analysis of soil pore under sewage irri-gation using computerized tomography［J］.Journal of Earth Science—Journal of China University of Geosciences，40（11）：1896-1903.］doi：10.3799/dqkx.2015.170.

李華焜，鄭劉根，陳永春，李兵，陶鵬飛，李浩.2024.基于CT掃描的重構(gòu)土壤孔隙結(jié)構(gòu)及其對水鹽運(yùn)移影響［J］.煤田地質(zhì)與勘探，52（4）：120-127.［Li H K，Zheng L G，Chen Y C，Li B，Tao P F，Li H.2024.Exploring the pore struc-ture of reconstructed soils and its effects on water and salt transport based on CT scanning［J］.Coal Geologyamp;Ex-ploration，52（4）：120-127.］doi：10.12363/issn.1001-1986.23.09.0586.

李曉龍，高聚林，胡樹平，于曉芳，王志剛，蘇治軍，謝岷.2015.不同深耕方式對土壤三相比及玉米根系構(gòu)型的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，33（4）：1-7.［Li X L，Gao J L，Hu S P，Yu X F，Wang Z G，Su Z J，Xie M.2015.Effects of various cultivation approaches on the three-phase ratio of soil and root system structure of maize［J］.Agricultural Research in the Arid Areas，33（4）：1-7.］doi：10.7606/j.issn.1000-7601.2015.04.01.

盛勇創(chuàng)，王釋葦，張碩，王健豪，常成，張紅霞，黃金生，甘磊.2023.不同粉壟深度對甘蔗地土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響［J］.中國土壤與肥料，（9）：12-19.［Sheng Y C，Wang S W，Zhang S，Wang J H，Chang C，Zhang H X，Huang J X，Gan L.2023.Effects of different depths of Fenlong tillage on the soil pore structure in sugarcane field［J］.Soils and Fertilizers Sciences in China，（9）：12-19.］doi：10.11838/sfsc.1673-6257.22461.

石偉業(yè)，何文壽，李惠霞，何進(jìn)宇，陳彥云.2023.粉壟耕作對土壤理化性質(zhì)和水稻生長及產(chǎn)量的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，51（1）：232-238.［Shi W Y，He W S，Li H X，He J Y，Chen YY.2023.Effects of silt ridge tillage on soil physico-chemical properties and rice growth and yield［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，51（1）：232-238.］doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2023.01.034.

王松，張碩，張鈺，張紅霞，黃太慶，甘磊.2024.廣西某露天礦區(qū)不同復(fù)墾模式下土壤的孔隙特征［J］.金屬礦山，（3）：269-277.［Wang S，Zhang S，Zhang Y，Zhang H X，Huang T Q，Gan L.2024.Soil pore characteristics under differentreclamation modes for a open-pit mine area in Guangxi［J］.Metal Mine，（3）：269-277.］doi：10.19614/j.cnki.jsks.202403034.

徐洋洋，張興，左西宇，王天陽，樊向陽，杜瑞琪，栗現(xiàn)文，陳俊英.2023.再生水灌溉對土壤表層大孔隙的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，39（23）：113-122.［Xu YY，Zhang X，Zuo X Y，Wang T Y，F(xiàn)an X Y，Du R Q，Li X W，Chen J Y.2023.Effects of reclaimed water irrigation with different water quality on surface soil macro-pores［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，39（23）：113-122.］doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202305030.

張靜舉，陳曉冰，鄭思文，馬蕊，甘磊.2018.基于CT技術(shù)的稻田不同輪作方式下土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究［J］.土壤通報，49（5）：1085-1090.［Zhang J J，Chen X B，Zheng S W，Ma R，Gan L.2018.CT technique to analyze pore structures of paddy soils under different rotations［J］.Chinese Journal of Soil Science，49（5）：1085-1090.］doi：10.19336/j.cnki.trtb.2018.05.12.

Banfield C C，Pausch J，Kuzyakov Y，Dippold M A.2018.Microbial processing of plant residues in the subsoil—The role of biopores［J］.Soil Biology and Biochemistry，125：309-318.doi：10.1016/j.soilbio.2018.08.004.

de Almeida W S，Panachuki E，de Oliveira P T S，da Silva Menezes R，Sobrinho T A，de Carvalho D F.2018.Effect of soil tillage and vegetal cover on soil water infiltration［J］.Soil＆Tillage Research，175：130-138.doi：10.1016/j.still.2017.07.009.

Ferro N D，Charrier P，Morari F.2013.Dual-scale micro-CT assessment of soil structure in a long-term fertilization experiment［J］.Geoderma，204-205：84-93.doi：10.1016/j.geoderma.2013.04.012.

Graham M H，Haynes R J.2005.Catabolic diversity of soil microbial communities under sugarcane and other land uses estimated by Biolog and substrate-induced respiration methods［J］.Applied Soil Ecology，29（2）：155-164.doi：10.1016/j.apsoil.2004.11.002.

Guga S，Ma Y N，Riao D，Zhi F，Xu J，Zhang J Q.2023.Drought monitoring of sugarcane and dynamic variation characteristics under global warming：A case study of Guangxi，China［J］.Agricultural Water Management，275：108035.doi：10.1016/j.agwat.2022.108035.

Hamza M A，Anderson W K.2005.Soil compaction in crop-ping systems：A review of the nature，causes and possible solutions［J］.Soilamp;Tillage Research，82（2）：121-145.doi：10.1016/j.still.2004.08.009.

Han E，Kirkegaard J A，White R，Smith A G，Thorup-Kristensen K，Kautz T，Athmann M.2022.Deep learningwith multisite data reveals the lasting effects of soil type，tillage and vegetation history on biopore genesis［J］.Geo-derma，425：116072.doi：10.1016/j.geoderma.2022.116072.

Jarvis N，Larsbo M，Koestel J.2017.Connectivity and percola-tion of structural pore networks in a cultivated silt loam soil quantified by X-ray tomography［J］.Geoderma，287：71-79.doi：10.1016/j.geoderma.2016.06.026.

Ju X N，Gao L，She D L，Jia Y H，Pang Z，Wang Y J.2024.Impacts of the soil pore structure on infiltration characteris-tics at the profile scale in the red soil region［J］.Soilamp;Tillage Research，236：105922.doi：10.1016/j.still.2023.105922.

Kaur P，Lamba J，Way T R，Balkcom K S，Sanz-Saez A，Watts D B.2024.Characterization of soil pores in strip-tilled and conventionally-tilled soil using X-ray computed tomogra-phy［J］.Soil＆Tillage Research，239：106035.doi：10.1016/j.still.2024.106035.

Kautz T.2015.Research on subsoil biopores and their functions in organically managed soils：A review［J］.Renewable Agriculture and Food Systems，30（4）：318-327.doi：10.1017/S1742170513000549.

Lei G Q，Zeng W Z，Thuy H N，Zeng J C，Chen H R，Amit K S，Thomas G，Wu J W，Huang J S.2023.Relating soil-root hydraulic resistance variation to stomatal regulation in soil-plant water transport modeling［J］.Journal of Hydrology，617：128879.doi：10.1016/j.jhydrol.2022.128879.

Li Z J，Liu H G，Wang T G，Gong P，Li P F，Li L，Bai Z T.2024.Deep vertical rotary tillage depths improved soil con-ditions and cotton yield for saline farmland in South Xin-jiang［J］.European Journal of Agronomy，156：127166.doi：10.1016/j.eja.2024.127166.

Luo L F，Lin H，Li S C.2010.Quantification of 3-D soil macro-pore networks in different soil types and land use using computed tomography［J］.Journal of Hydrology，393（1-2）：53-64.doi：10.1016/j.jhydrol.2010.03.031.

Müller K，Katuwal S，Young I，McLeod M，Moldrup P，de Jonge L W，Clothier B.2018.Characterising and linking X-ray CT derived macroporosity parameters to infiltration in soils with contrasting structures［J］.Geoderma，313：82-91.doi：10.1016/j.geoderma.2017.10.020.

Naveed M，Moldrup P，Arthur E，Wildenschild D，Eden M，LamandéM，Vogel H J，de Jonge L W.2013.Revealing soil structure and functional macroporosity along a clay gradient using X-ray computed tomography［J］.Soil Scien-ce Society of America Journal，77（2）：403-411.doi：10.2136/sssaj2012.0134.

Phalempin M，Landl M，Wu G M，Schnepf A，Vetterlein D，Schlüter S.2022.Maize root-induced biopores do not influence root growth of subsequently grown maize plants in well aerated，fertilized and repacked soil columns［J］.Soil and Tillage Research，221：105398.doi：10.1016/j.still.2022.105398.

Qi Y，Ju Y W，Huang C，Zhu H J，Bao Y，Wu J G，Meng S Z，Chen W G.2019.Influences of organic matter and kaoli-nite on pore structures of transitional organic-rich muds-tone with an emphasis on S2 controlling specific surface area［J］.Fuel，237：860-873.doi：10.1016/j.fuel.2018.10.048.

Rab MA，Haling R E，Aarons S R，Hannah M，Young I M，Gib-son D.2014.Evaluation of X-ray computed tomography for quantifying macroporosity of loamy pasture soils［J］.Geoderma，213：460-470.doi：10.1016/j.geoderma.2013.08.037.

Scarpare F V，de Jong van Lier Q，de Camargo L，Pires R C M，Ruiz-Corrêa S T，Bezerra A H F，Gava G J C，Dias C T S.2019.Tillage effects on soil physical condition and root growth associated with sugarcane water availability［J］.Soilamp;Tillage Research，187：110-118.doi：10.1016/j.still.2018.12.005.

Singh D，Mishra A K，Patra S，Mariappan S，Singh N.2021.Near-saturated soil hydraulic conductivity and pore charac-teristics as influenced by conventional and conservation tillage practices in north-west Himalayan region，India［J］.International Soil and Water Conservation Research，9（2）：249-259.doi：10.1016/j.iswcr.2021.01.001.

Thotakuri G，Chakraborty P，Singh J，Xu S，Kovács P，Iqbal J，Kumar S.2024.X-ray computed tomography—Measured pore characteristics and hydro-physical properties of soil profile as influenced by long-term tillage and rotation sys-tems［J］.Catena，237：107801.doi：10.1016/j.catena.2023.107801.

Wang S，Gan L，Zhang S，Li J，Chang C，Zhang Y，Zhang H X，Wei B H.2024a.Soil biopores and non-biopores responses to different tillage treatments in sugarcane fields in Guangxi，China［J］.Agronomy，14（7）：1378.doi：10.3390/agronomy14071378.

Wang S，Gan L，Zhang Y，Gao Z B，Luo Z H，Zhou H J，Zhang H，Zhang H X，Huang T Q.2024b.Effects of different rec-lamation years and modes on soil moisture transport path-ways and permeability characteristics in an open-pit mi-ning area in Guangxi［J］.Water，16（9）：1307.doi：10.3390/w 16091307.

Wei B H，Han S Y，He G H.2022.Smash-ridging cultivation improves crop production［J］.Outlook on Agriculture，51（2）：173-177.doi：10.1177/00307270211001881.

Wen T D，Chen X S，Luo Y W，Shao L T，Niu G.2023.Three-dimensional pore structure characteristics of granite residual soil and their relationship with hydraulic proper-ties under different particle gradation by X-ray computed tomography［J］.Journal of Hydrology，618：129230.doi：10.1016/j.jhydrol.2023.129230.

Yu W W，He F，Xi P.2010.A rapid 3D seed-filling algorithm based on scan slice［J］.Computersamp;Graphics，34（4）：449-459.doi：10.1016/j.cag.2010.05.005.

Zhang J，Li F Q，Liao P Z，Khan A，Hussain I，Iqbal A，Ali I，Wei B H，Jiang L G.2021.Smash ridge tillage strongly influence soil functionality，physiology and rice yield［J］.Saudi Journal of Biological Sciences，28（2）：1297-1307.doi：10.1016/j.sjbs.2020.11.054.

Zhang Z B，Lin L，Wang Y，Peng X H.2016.Temporal change in soil macropores measured using tension infiltrometer under different land uses and slope positions in subtropical China［J］.Journal of Soilamp;Sediments，16（3）：854-863.doi：10.1007/s 11368-015-1295-z.

Zhang Z B，Liu K L，Zhou H，Lin H，Li D M，Peng X H.2018.Three dimensional characteristics of biopores and non-biopores in the subsoil respond differently to land use and fertilization［J］.Plant and Soil，428（1-2）：453-467.doi：10.1007/s 11104-018-3689-3.

Zhang Z B，Liu K L，Zhou H，Lin H，Li D M，Peng X H.2019.Linking saturated hydraulic conductivity and air permeabi-lity to the characteristics of biopores derived from X-ray computed tomography［J］.Journal of Hydrology，571：1-10.doi：10.1016/j.jhydrol.2019.01.041.

Zhang Z B，Peng X H.2021.Bio-tillage：A new perspective for sustainable agriculture［J］.Soilamp;Tillage Research，206：104844.doi：10.1016/j.still.2020.104844.

Zhou W，Zhan P M，Zeng M，Chen T，Zhang X R，Yang G H，Guo Y P.2023.Effects of ant bioturbation and foraging activities on soil mechanical properties and stability［J］.Global Ecology and Conservation，46：e02575.doi：10.1016/j.gecco.2023.e02575.

（責(zé)任編輯 王暉）