邱 琛，韓曉增，陳 旭，陸欣春，嚴(yán) 君，馮玉鈿，甘佳偉，鄒文秀※，劉國(guó)輝

（1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保護(hù)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(guò)程、氣體交換、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化和根系生長(zhǎng)等[1]。土壤結(jié)構(gòu)的可視化和定量化一直是土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)[2-3]。然而由于土壤組成物質(zhì)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的易破碎性，導(dǎo)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(yīng)用到土壤容重的測(cè)定中，隨后開(kāi)啟了CT掃描技術(shù)在土壤結(jié)構(gòu)研究中的大量應(yīng)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(jī)質(zhì)含量、植物根系、真菌菌絲、土壤動(dòng)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(guò)耕作、輪作和有機(jī)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(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田通過(guò)增加土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)微生物和真菌活動(dòng)，能夠顯著提高土壤大孔隙度及各個(gè)孔徑下的孔隙度[12]。耕作通過(guò)增加對(duì)土壤的擾動(dòng)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(guò)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(dǎo)，促進(jìn)作物對(duì)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(lái)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等[2,12]，它們對(duì)土壤溶液的流動(dòng)速度和流通量分布的均勻性產(chǎn)生直接影響，同時(shí)控制著土壤中水分、溶質(zhì)、氣體的運(yùn)移和擴(kuò)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(jìn)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(guó)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(chēng)[15]。但是黑土開(kāi)墾以后由于過(guò)度墾殖和用養(yǎng)失調(diào)導(dǎo)致耕作層變薄、犁底層上移，土壤結(jié)構(gòu)惡化等問(wèn)題[16-17]。黑土開(kāi)墾 20世紀(jì) 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(gè)百分點(diǎn)[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(xué)者們開(kāi)展了大量的研究工作，例如通過(guò)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(yīng)用 CT掃描技術(shù)開(kāi)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(duì)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(jī)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(dǎo)水率增加了 10.91%～12.76%[22]。研究還發(fā)現(xiàn)，有機(jī)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(jī)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(bào)道。本研究基于有機(jī)物料（玉米秸稈和有機(jī)肥）深混還田定位試驗(yàn)，分析有機(jī)物料還田深度對(duì)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(duì)土壤物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)，通過(guò)此項(xiàng)研究?jī)?yōu)化有機(jī)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(yàn)地位于黑龍江省海倫市光榮村（N47°21′，E126°50′），土壤類(lèi)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(shí)長(zhǎng)2 700 h，無(wú)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?jǐn)?shù)分別為 33.98%、31.94%和34.08%[22]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2019年春季，設(shè)有4個(gè)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(jī)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(wú)秸稈還田）；每個(gè)處理，4次重復(fù)，隨機(jī)排列。T1，T2和T3處理的秸稈還田量為 10 000 kg/hm2，T3處理有機(jī)肥施用量為30 000 kg/hm2。在秸稈和有機(jī)肥還田小區(qū)，首先使用鐵鍬挖相應(yīng)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(jī)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(jī)肥的橫截面上，最后將秸稈或秸稈和有機(jī)肥與土壤進(jìn)行充分混勻，以此類(lèi)推，完成整個(gè)小區(qū)的秸稈或秸稈和有機(jī)肥還田工作。每個(gè)小區(qū)面積12 m2（4 m×3 m）。供試玉米品種為墾沃6號(hào)，播種密度8萬(wàn)株/hm2。每個(gè)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(jī)物料施用以外的田間管理與當(dāng)?shù)叵嗤?019年降水量為663 mm，試驗(yàn)區(qū)是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)、無(wú)灌溉。

1.3 樣品采集及測(cè)定

2019年10月10 日（作物收獲后），在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇1個(gè)采樣點(diǎn)，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(dǎo)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(shí)驗(yàn)室，并放入 4℃的冰箱里待測(cè)。在PVC環(huán)刀樣品采集和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中盡量防止土體的晃動(dòng)，避免影響CT掃描結(jié)果。同時(shí)在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，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(dǎo)水率和田間持水量的測(cè)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(jìn)行掃描，土壤容重、飽和導(dǎo)水率和田間持水量的測(cè)定參考文獻(xiàn)[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(shí)間0.2 s，分辨率31μm。掃描方式：將樣品放在樣品臺(tái)上，進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)，得到細(xì)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(jì)算機(jī)中，采用Imagej-win64軟件對(duì) CT圖像進(jìn)行圖像分析。因?yàn)樵谠瓲钔敛杉倪^(guò)程中，土體的周?chē)疾豢杀苊獾氖艿揭欢ǔ潭鹊臄_動(dòng)，在圖像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，首先選擇位于圖像中心體素為638×638×957（實(shí)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(jìn)行圖像歸一化處理、中值濾波進(jìn)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(jìn)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?？紫扼w積、周長(zhǎng)、面積和數(shù)量用Imagej中3D object counter插件完成計(jì)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(dāng)量孔徑參考文獻(xiàn)[23，25]計(jì)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(zhǎng)，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(dāng)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(duì)土壤孔徑進(jìn)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），分析試驗(yàn)處理對(duì)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(jìn)行多重比較（α=0.05）。采用 Origin 2019畫(huà)圖。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)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(duì)土壤容重、田間持水量和飽和導(dǎo)水量影響的回歸分析，通過(guò)計(jì)算不同因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值與所有因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值之和的比值，評(píng)價(jià)不同因子對(duì)土壤物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料還田對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

有機(jī)物料還田顯著改善了相應(yīng)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(jī)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(dǎo)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(dǎo)水率和田間持水量表現(xiàn)出與土壤容重相似的變化趨勢(shì)。與CK和T1處理相比，T2和T3處理土壤飽和導(dǎo)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(jī)物料還田對(duì)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(jī)物料還田對(duì)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(jī)物料施用對(duì)0～35 cm土層土壤孔隙二維結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)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(shuō)明有機(jī)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(jiàn)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(jī)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交叉孔隙較多，同時(shí)可以觀察到連續(xù)性較好的細(xì)長(zhǎng)孔隙。

2.2.2 土壤孔隙數(shù)量和孔隙度

不同處理對(duì) 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(jī)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(jī)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T(mén)1＞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T(mén)1＞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(shì)，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(jī)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T(mén)2＞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(jī)物料還田對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)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(rèn)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(jī)物料施用對(duì)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(fù)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(shuō)明有機(jī)物料的施用增加了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)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(lái)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T(mén)1＜T3＜T2＜CK，不同處理間差異顯著（P＜0.05），表明有機(jī)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(dǎo)水率（HC）、田間持水量（FC）、不同孔徑孔隙度呈極顯著負(fù)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(biāo)均呈極顯著負(fù)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(biāo)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(biāo)均呈極顯著（P＜0.01）或顯著（500～1 000μm 和＜500μm 孔隙度）（P＜0.05）負(fù)相關(guān)，EN 與除BD以外的指標(biāo)呈極顯著或顯著（SP和AN）負(fù)相關(guān)，HC與除了BD、AN和EN以外的所有指標(biāo)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(biāo)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(duì)土壤物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)

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

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

3 討 論

3.1 有機(jī)物料還田對(duì)土壤基本物理性質(zhì)的影響

有機(jī)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(dǎo)水率，提升土壤的水分運(yùn)輸能力[28]。與 CK處理相比，由于有機(jī)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(dǎo)水率和田間持水量（表1）。有機(jī)物料施用過(guò)程中由于進(jìn)行了土層翻轉(zhuǎn)、土壤與有機(jī)物料混合等操作，通過(guò)增加對(duì)土壤擾動(dòng)和有機(jī)物料還田[22]，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)[29]，進(jìn)而改善0～15 cm土層土壤物理性質(zhì)。同時(shí)施用的秸稈或者有機(jī)肥自身就具有水分通道的作用，能夠促進(jìn)土壤中水分的傳導(dǎo)，進(jìn)一步增加了土壤的飽和導(dǎo)水率[30]。等量秸稈分別施入0～15 cm和0～35 cm土層后，導(dǎo)致秸稈在不同深度土層中的濃度產(chǎn)生差異[31]，是導(dǎo)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(jī)肥處理較僅施用秸稈處理增加了有機(jī)物料在土壤的濃度，表現(xiàn)出了減少土壤容重，增加飽和導(dǎo)水率和田間持水量的趨勢(shì)，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(shí)，深翻過(guò)程中進(jìn)行有機(jī)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(dǎo)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?jǐn)?shù)在 40%以上，質(zhì)地黏重[22]。在草甸化草原植被開(kāi)墾為農(nóng)田以后，由于過(guò)度墾殖和有機(jī)物料投入不足，導(dǎo)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(lái)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(guò)了作物適應(yīng)范圍，限制了水分入滲和作物根系生長(zhǎng)[32]。因此，在質(zhì)地黏重黑土上，有機(jī)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(shí)土壤物理性質(zhì)的改善主要是受耕作干擾及有機(jī)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(diǎn)考慮秸稈和有機(jī)物物料分解過(guò)程中產(chǎn)生代謝產(chǎn)物對(duì)土壤物理性質(zhì)改善的貢獻(xiàn)。

3.2 有機(jī)物料還田對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

應(yīng)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(duì)土壤中的水分和熱量傳導(dǎo)[24]、有機(jī)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(jī)質(zhì)含量影響以外，也與農(nóng)田管理措施、作物根系活動(dòng)和土壤動(dòng)物活動(dòng)等密切相關(guān)[34-35]。高子勤等[36]報(bào)道了耕作方式和有機(jī)物料施用能夠改變土壤微形態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤顆粒和孔隙重新排列，有機(jī)物和分解或半分解狀態(tài)的有機(jī)殘?bào)w通過(guò)凝聚和侵染作用增加土壤中微團(tuán)聚體和孔隙，促進(jìn)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(guò)程中0～15 cm和＞15～35 cm土層土壤進(jìn)行充分混合，使0～15 cm土層結(jié)構(gòu)較好的土壤進(jìn)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(jī)肥處理顯著增加了相應(yīng)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(bào)道了有機(jī)物料的施用通過(guò)增加土壤有機(jī)碳含量和腐殖質(zhì)含量，改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加土壤的孔隙數(shù)目和孔隙度。有機(jī)物料還田能夠促進(jìn)土壤中大孔隙的形成，其效果對(duì)10 cm以下的土層尤為顯著[37]；與單獨(dú)施用化肥相比，有機(jī)無(wú)機(jī)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(jìn)了作物根系向深層土壤伸長(zhǎng)[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(jī)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(jī)質(zhì)含量越高，大孔隙含量也越多，形狀也趨于規(guī)則。

有機(jī)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(fù)雜[11-12]。通過(guò)對(duì)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(guò)有機(jī)物料深混還田后，發(fā)現(xiàn)0～35 cm相應(yīng)土層土壤孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)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(shuō)明有機(jī)物料施用可以顯著改善黑土土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤肥力。Ferro等[42]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥施用能夠改善土壤的連通性（歐拉數(shù)），進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，而連通的大孔隙是土壤中氣體擴(kuò)散的主要通道[3]。

3.3 土壤結(jié)構(gòu)改善對(duì)黑土物理性質(zhì)的貢獻(xiàn)

土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改善能夠促進(jìn)水分入滲、氣體擴(kuò)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(zhǎng)條或細(xì)管狀，這些孔隙對(duì)土壤的導(dǎo)水透氣性貢獻(xiàn)最大。土壤飽和導(dǎo)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(shí)本文發(fā)現(xiàn)，土壤中＞1 000μm孔隙度對(duì)0～35 cm土層的飽和導(dǎo)水率貢獻(xiàn)最大，說(shuō)明有機(jī)物料深混還田主要通過(guò)增加土壤中大孔隙來(lái)調(diào)控土壤的飽和導(dǎo)水率。王憲玲等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施通過(guò)提高0～40 cm土層土壤大孔隙數(shù)量和大孔隙度，進(jìn)而提高土壤的飽和導(dǎo)水率。Ferro等[42]研究已經(jīng)證實(shí)，施用有機(jī)肥增加大孔隙，能夠促進(jìn)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(duì)土壤中氣體擴(kuò)散、水分流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移具有重要影響[2]，其與土壤容重、飽和導(dǎo)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(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)歐拉數(shù)對(duì)土壤容重的貢獻(xiàn)最大，說(shuō)明歐拉數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤容重，用以表征的土壤的松緊程度。耕作過(guò)程中進(jìn)行有機(jī)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(jī)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(dòng)提供了有利場(chǎng)所，生物活動(dòng)又促進(jìn)了土壤中生物性孔隙的形成[9,24]，土壤中網(wǎng)絡(luò)型孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于土壤持水能力[9]具有重要作用。本研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。雖然不同土層田間持水量對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)是不一致的，在 0～15 cm各向異性對(duì)田間持水量貢獻(xiàn)最大，而在＞15～35 cm土層歐拉數(shù)對(duì)田間持水量貢獻(xiàn)最大，但是研究結(jié)果均表明土壤結(jié)構(gòu)越復(fù)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(guò)耕作進(jìn)行秸稈或秸稈配施有機(jī)肥還田一個(gè)玉米生長(zhǎng)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(dǎo)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(dāng)秸稈或秸稈和有機(jī)肥深混到0～35 cm后，在打破犁底層的同時(shí)，進(jìn)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(fù)雜性和連通性，能夠促進(jìn)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(dǎo)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(xiàn)度評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)歐拉數(shù)和＞1 000μm孔隙度對(duì)0～35 cm土層容重和飽和導(dǎo)水率貢獻(xiàn)度最大，各向異性和歐拉數(shù)分別對(duì)0～15 cm和＞15～35 cm土層田間持水量的貢獻(xiàn)度最大，說(shuō)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(jī)物料的施用通過(guò)促進(jìn)了土壤中大孔隙的形成，增加了土壤孔隙的連通性和復(fù)雜，構(gòu)建土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而改善黑土物理性質(zhì)。在未來(lái)的研究中應(yīng)持續(xù)關(guān)注有機(jī)物料深混還田后產(chǎn)生腐殖化物質(zhì)及代謝產(chǎn)物對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成的影響機(jī)制。