張宏媛 逄煥成 宋佳珅 王國麗 常芳弟 李玉義

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

0 引言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，是中國大型自流灌區(qū)之一，全區(qū)鹽漬化耕地面積39.4萬hm2，占全區(qū)耕地面積的68.65%[1]。調(diào)控土壤水鹽分布、抑制鹽分土壤表聚是改良該地區(qū)鹽堿土壤、促進作物生長的基礎(chǔ)[2-4]。鹽漬土水鹽調(diào)控過程主要為土壤水文過程，即以土壤水分運動驅(qū)動鹽分運動的形式達到鹽分均衡[5]。土壤孔隙是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，孔隙結(jié)構(gòu)和水力性質(zhì)能夠直接或者間接地影響土壤中水鹽運移、養(yǎng)分保持以及微生物活動等其他性質(zhì)[6-7]。近年來，CT掃描與圖像分析技術(shù)在量化土壤孔隙特征方面廣泛應(yīng)用，可以快速且無損地分析土壤內(nèi)部形態(tài)和三維孔隙結(jié)構(gòu)[8]。大量研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田[9]、有機肥施用[10]、植被根系[11]以及土壤動物活動[12]均是導(dǎo)致土壤大孔隙的主要因素，而大孔隙三維幾何特征及拓撲結(jié)構(gòu)，包括大孔隙數(shù)量、大孔隙體積、大孔隙分布、大孔隙連通度等三維特征參數(shù)，均會影響土壤水分運動及溶質(zhì)運移[13]。雖然以往研究發(fā)現(xiàn)土壤類型及土地利用方式均會導(dǎo)致土壤大孔隙數(shù)量及分布的差異[14]，但尚無試驗表明土壤類型、土地利用、耕作措施等因素對土壤大孔隙特征產(chǎn)生的影響可以反過來影響土壤性質(zhì)。

改變土壤結(jié)構(gòu)可以從根本上緩解土壤鹽堿危害，合理施用有機肥是優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)的有效方法之一，可以迅速改變土壤的透水性、通氣性，并且見效快、效益明顯[15]。相比于有機肥表施，在農(nóng)田亞表層合理施用生物有機肥從而構(gòu)建一個肥沃的土層，可顯著提高土壤有機碳含量、培肥地力，同時有利于改善土壤孔隙狀況、促進水穩(wěn)性團聚體的形成與穩(wěn)定[16-17]，進而使大孔隙分布出現(xiàn)差異，這也導(dǎo)致了土壤水鹽運動空間上的差異。以往的研究主要通過測定團聚體分布及其穩(wěn)定性等指標來衡量有機肥施用對鹽堿土壤水鹽分布的影響，但是土壤孔隙結(jié)構(gòu)與水鹽調(diào)控的關(guān)系并不明確。本研究基于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)連續(xù)3年的田間定位試驗，利用X射線CT掃描和圖像處理等技術(shù)，研究亞表層有機培肥與地表覆膜組合措施對土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征及保水抑鹽效果的影響，并進一步闡明不同孔徑范圍的孔隙與鹽漬土水鹽調(diào)控效應(yīng)的相互作用關(guān)系，以期揭示肥沃亞表層構(gòu)建措施下孔隙結(jié)構(gòu)變化對水鹽調(diào)控效應(yīng)的影響機制，為制定合理的鹽漬土管理措施提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)五原縣隆興昌鎮(zhèn)永聯(lián)村河套灌區(qū)義長灌域管理局試驗站(41°7′N，108°0′E，海拔1 022 m)。該地屬于中溫帶季風氣候帶，年蒸發(fā)量較大，蒸降比高，冬春季土壤鹽分表聚現(xiàn)象嚴重，全年日照時數(shù)3 263 h，年均溫6.1℃，大于等于10℃積溫3 362.5℃，無霜期117～136 d。土壤類型為粉砂壤土，按鹽土分類為氯化物-硫酸鹽土，土壤砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為35.86%、53.63%和10.51%。0～20 cm土壤含鹽量4.49 g/kg，pH值9.27，20～40 cm土壤含鹽量為2.31 g/kg，pH值8.83，0～100 cm平均容重為1.45～1.50 g/cm3，生育期內(nèi)地下水水位高度為1.10～1.70 m。

試驗始于2015年春季，在田間微區(qū)進行，每個微區(qū)面積4 m2(2 m×2 m)，微區(qū)之間用塑料布阻隔(埋至1 m)以防止微區(qū)間側(cè)滲。設(shè)地表不覆膜(CK)、地膜每年覆蓋(PM)和亞表層單次有機培肥+地膜每年覆蓋(OMP)3個處理，每個處理3次重復(fù)。試驗開始前，將各處理小區(qū)0～10 cm土壤取出拌勻，以保證微區(qū)表層土壤鹽分和養(yǎng)分基本一致。有機肥為牛糞、羊糞、雞糞、草炭混合物，按一定比例拌勻(混勻后有機肥經(jīng)測定含鹽量16.09 g/kg，pH值7.06，碳氮比為20，有機質(zhì)、全氮、全磷與全鉀質(zhì)量分數(shù)分別為42.57%、1.29%、0.54%、1.39%)。亞表層處理的有機肥用量均為34.6 kg，將有機肥與10～30 cm土層混合壓實后，再將0～10 cm土壤按原層次填回，2016—2017年不再施用有機肥。為消除田間操作造成的處理間差異的影響，CK、PM處理試驗開始前與OMP進行同樣的耕作處理。

試驗布置完畢后，每個微區(qū)春季灌溉定額均為0.60 m3，灌溉水源為黃河水(礦化度為0.58 g/L、pH值8.23)。所有處理化肥用量相同，在播種前作底肥一次性條施，施肥量為尿素(含N 46%)260 kg/hm2、磷酸二銨(含N 18%，P2O546%)290 kg/hm2、硫酸鉀(含K2O 50%)150 kg/hm2，施肥深度10 cm，隨后覆土。地膜覆蓋處理采用寬70 cm的農(nóng)用塑料薄膜，每個小區(qū)設(shè)兩條膜帶，膜間距20 cm，膜間地表裸露。供試作物為食葵(HelianthusannuusL.)，行距60 cm，株距20 cm，種植密度為49 000株/hm2。食葵生育期內(nèi)不再進行灌水和施肥。

1.2 取樣方法與數(shù)據(jù)測定

于2017年食葵播種前(春季灌溉后)和食葵收獲后，使用取土鉆在兩行作物中間(地膜下)，按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm層次取樣，分兩份保存冷凍，一份采用干燥法測定土壤質(zhì)量含水率，另一份土樣晾干后磨碎過2 mm篩，以土水質(zhì)量比1∶5提取土壤溶液上清液，用DDS-307型電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率(mS/cm)。食葵收獲后用PVC環(huán)刀(直徑為50 mm，高度為60 mm)隨機采集亞表層部分土壤(15～21 cm土層)與深層土壤(35～41 cm土層)原狀土樣，用保鮮膜包裹防止水分蒸發(fā)，用于CT掃描。

1.3 計算方法

土壤含鹽量轉(zhuǎn)換公式為[18]

S=aEC1∶5

(1)

式中S——土層含鹽量，g/kg

EC1∶5——土水質(zhì)量比為1∶5的土壤浸提液電導(dǎo)率，mS/cm

a——土壤浸提液電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為土壤含鹽量的系數(shù)，取3.011 1

0～40 cm土層返鹽率計算公式為

(2)

式中RS——返鹽率，%

S1——春灌后0～40 cm土壤全鹽含量，g/kg

S2——收獲后0～40 cm土壤全鹽含量，g/kg

0～40 cm土層土壤水分變化率計算公式為

(3)

式中RW——土壤水分變化率，%

W1——春灌后0～40 cm土壤含水率，%

W2——收獲后0～40 cm土壤含水率，%

收獲后測產(chǎn)，同時計算灌溉水生產(chǎn)率，計算公式為

(4)

式中WPi——灌溉水生產(chǎn)率，kg/m3

Y——作物產(chǎn)量，kg/hm2

Wi——單位面積灌水量，m3/hm2，不考慮洗鹽灌溉水量與深層滲漏量

1.4 CT掃描和圖像處理

采用GE公司phoenix v|tome x m多功能X射線微聚焦CT系統(tǒng)進行掃描。掃描參數(shù)設(shè)置為：掃描電壓(Voltage)為100 kV，掃描電流(Current)為100 μA，各處理分辨率(Resolution)為30 μm。投影數(shù)據(jù)采用背投算法重建，共獲得約1 600幅32位tiff格式灰度圖像，為了避免采樣過程對樣品邊緣產(chǎn)生的影響，僅選擇中間部分的900×900×800體元作為感興趣區(qū)域(Region of interest，ROI)。利用Image J軟件進行圖像處理，包括圖像增強、去噪以及二值分割，并進行顆粒分析(Analyze particle)獲取每個土層的孔隙面積和孔隙度，利用Bone J插件的Thickness工具計算孔隙分布，孔隙可視化通過3D viewer插件實現(xiàn)。將二值化圖像導(dǎo)入Matlab中，計算孔隙連通度[7]，計算式為

(5)

式中PC——孔隙連通度

PVi——孔隙體積n——孔隙數(shù)量

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0軟件進行；方差分析采用One-Way ANOVA，并用LSD法進行多重比較，顯著性水平為0.05；相關(guān)分析采用皮爾森(Pearson)雙側(cè)檢驗法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤孔隙結(jié)構(gòu)

亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋措施對亞表層土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有明顯影響(圖1)，CK處理與PM處理土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，而OMP處理土壤內(nèi)部呈現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)，隨著土層深度的加深，各處理孔隙數(shù)量均呈現(xiàn)減少的趨勢，而OMP處理在不同土層中均存在較規(guī)則的圓柱狀孔隙。從二維圖像(圖1a，圖中黑色代表孔隙，白色代表土壤基質(zhì))觀察，CK和PM處理土壤孔隙主要為獨立小孔隙，OMP處理土體內(nèi)部孔隙分布密度大，存在較多的細長大孔隙，土壤結(jié)構(gòu)較為疏松。從三維孔隙結(jié)構(gòu)圖(圖1b，圖中有色部分代表孔隙，且亮度越大，代表孔隙孔徑越大)來看，與CK處理相比，PM處理孔隙直徑增大，而OMP處理孔隙度明顯提高，且孔隙直徑增大，可明顯看到土壤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

圖1 亞表層有機培肥3年后亞表層(20～25 cm)土壤孔隙二維和三維特征Fig.1 2-D and 3-D characteristics of soil pores in subsurface soils under subsurface organic amendment after three years

從不同處理深層土壤二維圖像(圖2a，圖中黑色代表孔隙，白色代表土壤基質(zhì))來看，與亞表層土壤相比較，各處理孔隙數(shù)量均呈現(xiàn)減少的趨勢，但從三維孔隙結(jié)構(gòu)圖(圖2b，圖中有色部分代表孔隙，且亮度越大，代表孔隙孔徑越大)來看，OMP處理仍存在較規(guī)則的圓柱狀孔隙，孔隙連通程度較CK處理和PM處理高。

圖2 亞表層有機培肥3年后深層(30～35 cm)土壤孔隙二維和三維特征Fig.2 2-D and 3-D characteristics of soil pores in deeper soils under subsurface organic amendment after three years

通過對CT圖像的定量分析，可以得到圖像分辨率范圍內(nèi)的大孔隙(大于30 μm)信息(表1)。定量分析結(jié)果同定性觀察趨勢一致，與CK處理和PM處理相比，OMP處理顯著提高了不同土層的土壤大孔隙度。在亞表層土壤中，OMP處理大孔隙度較CK處理和PM處理分別顯著提高了11.94、11.76個百分點(P<0.05)；在深層土壤中，OMP處理大孔隙度較CK處理和PM處理分別顯著提高了0.75、1.23個百分點(P<0.05)，而PM處理大孔隙度較CK處理顯著降低了0.48個百分點(P<0.05)。同時，在兩個土層深度中OMP處理的孔隙連通度均顯著高于CK處理和PM處理(P<0.05)，說明亞表層有機肥施入在增加土壤大孔隙度的同時提高了其連通性。

表1 不同處理土壤大孔隙度、孔隙連通度及當量直徑孔隙度分布Tab.1 Macroporosity, pore connectivity and size distribution for different treatments

從亞表層當量直徑孔隙度分布規(guī)律來看(表1)，PM處理僅當量直徑500～1 000 μm孔隙的孔隙度較CK處理顯著提高0.30個百分點；OMP處理不同當量直徑孔隙度均顯著高于CK處理和PM處理，當量直徑0～500 μm、500～1 000 μm、1 000～1 500 μm、1 500～2 000 μm孔隙的孔隙度較CK處理與PM處理分別顯著提高了8.53、8.63個百分點，2.43、2.13個百分點，0.82、0.81個百分點，0.17、0.20個百分點(P<0.05)。從深土層孔隙當量直徑孔隙度分布規(guī)律來看，與亞表層趨勢相同，但不同范圍孔隙度均小于亞表層土壤，且不存在當量直徑大于1 000 μm的孔隙。OMP處理僅當量直徑0～500 μm孔隙的孔隙度較CK處理和PM處理顯著提高了0.67、1.17個百分點(P<0.05)。

2.2 春灌后土壤剖面水鹽分布

在土壤亞表層中施入大量有機肥后，隨著年限的增加，土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，土體構(gòu)型產(chǎn)生的變化導(dǎo)致土壤質(zhì)地不均一，改變了水分的運動方式，影響灌溉水的入滲過程，進而影響入滲后土壤的蓄水狀況。亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施實施3年灌溉水入滲結(jié)束后土壤剖面含水率的變化見圖3a，不同處理1 m土壤剖面含水率均有所差異。CK處理土壤含水率隨著土層深度的增加先增加而后趨于穩(wěn)定，而不同土層中0～10 cm土層的含水率明顯小于其他土層，是由于其土壤容重低，蒸發(fā)強烈，保水能力差。與CK處理相比，PM處理僅表現(xiàn)出0～20 cm土層含水率顯著升高4.31%～27.00%(P<0.05)。而各處理間20～100 cm各土層含水率(圖3a)與0～40 cm土壤平均含水率(圖3b，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)均無顯著性差異。而OMP處理在0～40 cm土層土壤含水率隨土層深度增加而增加，且均高于CK處理。OMP處理0～40 cm土層平均含水率較CK處理和PM處理分別提高了12.02%和6.33%(圖3b)，能夠提高耕層土壤水分保蓄能力，這種保水效應(yīng)為作物生長提供了充足的水分，促進了食葵出苗。然而，OMP在60 cm土層深度含水率呈現(xiàn)降低趨勢，且土層深度60～100 cm土壤含水率均低于CK處理，但無顯著性差異(P>0.05)。

圖3 春灌后各處理1 m土壤剖面與0～40 cm土壤含水率Fig.3 Water content in 1 m soil profile and 0～40 cm soil of each treatment after spring irrigation

圖4 春灌后各處理1 m土壤剖面與0～40 cm土壤全鹽含量Fig.4 Total salt content in 1 m soil profile and 0～40 cm soil of each treatment after spring irrigation

各處理春灌后1 m土壤剖面鹽分分布存在顯著差異(圖4a)，不同處理土壤全鹽含量均隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。從鹽分分布規(guī)律來看，CK處理與PM處理全鹽含量峰值出現(xiàn)在40 cm土層，說明其脫鹽過程主要發(fā)生在0～40 cm土層，CK處理0～40 cm土層和60～100 cm土層全鹽含量分別占剖面全鹽總量的38.81%和40.54%，PM處理0～40 cm土層和60～100 cm土層全鹽含量分別占剖面全鹽總量的36.21%和42.60%，根系分布層鹽分主要被淋洗至60～100 cm土層。OMP處理全鹽含量峰值出現(xiàn)在80 cm土層深度，其0～40 cm土層和60～100 cm土層全鹽含量分別占剖面全鹽總量的33.17%和43.46%，說明OMP處理鹽分淋洗更加充分且淋鹽深度較CK處理與PM處理深。

從不同土層全鹽含量來看，與CK處理相比，PM處理灌溉后僅0～10 cm表層土壤平均全鹽含量顯著降低了16.24%，其他土層均無顯著性差異。OMP處理0～40 cm土層春灌后全鹽含量顯著小于CK處理與PM處理，OMP處理0～10 cm表層土壤平均全鹽含量較CK處理與PM處理顯著降低了23.94%和9.19%；0～40 cm土層平均全鹽含量較CK處理與PM處理顯著降低了16.22%和13.21%(圖4b)。

2.3 收獲后土壤剖面水鹽分布

收獲后的土壤水鹽含量與分布可反映整個生育期內(nèi)的水鹽運移情況。從食葵收獲后1 m土壤剖面含水率看，食葵收獲后CK處理與PM處理均無顯著性差異，但二者0～60 cm含水率均顯著高于OMP處理，尤其是0～40 cm根系分布層平均含水率較OMP處理分別顯著提高了40.69%和35.77%，在60 cm以下出現(xiàn)低于OMP處理的情況，但無顯著性差異(圖5a)。從灌溉水生產(chǎn)率來看，OMP處理較CK處理與PM處理分別顯著提高了92.63%和49.46%(P<0.05，圖6)。

PM處理僅對收獲后0～10 cm土層鹽分表聚有明顯抑制效果，其平均全鹽含量較CK處理顯著降低了31.45%(P<0.05)，在10～100 cm土層全鹽含量均與CK處理無顯著性差異。OMP處理對收獲后0～30 cm土層均有明顯的控抑鹽效果，其平均全鹽含量較CK處理與PM處理分別顯著降低了27.85%～35.40%(P<0.05)，在40 cm土層處無顯著差異，而在40～100 cm土層呈現(xiàn)相反趨勢，OMP處理平均全鹽含量較CK處理與PM處理分別顯著提高了42.20%、66.87%。同時與CK處理和PM處理相比，OMP處理0～40 cm根系分布層土壤平均全鹽含量顯著降低了24.62%～21.12%(圖7b)，返鹽率也顯著降低了12.22、11.56個百分點(P<0.05)(圖8)，說明該處理在作物生長后期起到了控制鹽分表聚的作用，為作物生長提供了淡化耕層。

圖6 不同處理灌溉水生產(chǎn)率Fig.6 Irrigation water productivity of different treatments after three years

圖7 收獲后各處理1 m土壤剖面與0～40 cm土壤全鹽含量Fig.7 Total salt content in 1 m soil profile and 0～40 cm soil of different treatments after harvest

圖8 不同處理收獲后0～40 cm土層返鹽率Fig.8 Salt accumulation rate in 0～40 cm soil layer of different treatments

2.4 土壤孔隙結(jié)構(gòu)與水鹽調(diào)控的相關(guān)性

孔隙度組成決定著土壤水分與鹽分的分布狀況(表3)。食葵生育時期0～40 cm土壤水分變化率與亞表層大孔隙度、不同當量直徑孔隙度及孔隙聯(lián)通度均呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；與深土層大孔隙度及孔隙連通度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。0～40 cm土壤返鹽率與亞表層大孔隙度、當量直徑0～500 μm孔隙度、500～1 000 μm孔隙度及孔隙連通度均呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與當量直徑1 000～1 500 μm孔隙度、1 500～2 000 μm孔隙度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；與深土層大孔隙度、當量直徑0～500 μm孔隙度及孔隙連通度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。

表3 不同層次原狀土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與0～40 cm土壤水鹽含量的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between pore structure parameters at different levels and water and salt content of 0～40 cm soil layer

春灌后0～40 cm土壤含水率與亞表層大孔隙度、當量直徑0～500 μm孔隙度、500～1 000 μm孔隙度、1 000～1 500 μm孔隙度及孔隙連通度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與當量直徑1 500～2 000 μm孔隙度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；與深土層大孔隙度、孔隙連通度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表3)。春灌后0～40 cm土壤全鹽含量與亞表層總孔隙度、當量直徑0～500 μm孔隙度、孔隙連通度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與當量直徑500～1 000 μm孔隙度、1 000～1 500 μm孔隙度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；與深土層大孔隙度、當量直徑0～500 μm孔隙度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。

食葵收獲后0～40 cm土壤含水率與亞表層大孔隙度、當量直徑500～1 000 μm孔隙度、深土層孔隙連通度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，而收獲后0～40 cm土壤全鹽含量與孔隙性質(zhì)均無顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋措施對土壤孔隙特征的影響

土壤孔隙結(jié)構(gòu)是土壤中水分和氣體運動的通道和土壤微生物的生境，土壤大孔隙對土壤水分運移具有重要意義[6]。本研究表明，單一地膜覆蓋處理降低了土壤中大孔隙度，其中減少了當量直徑1 500～2 000 μm孔隙度，增加了500～1 000 μm孔隙度，這是由于覆膜條件下提高了土體貯水能力，加快了水分濕潤速率，從而增加了團聚體在濕潤過程中因孔隙中空氣受壓縮膨脹而破碎的現(xiàn)象[19]；與此同時，地膜覆蓋改善了土壤水熱氣生態(tài)環(huán)境，增加土壤微生物和酶的活性，加速土壤有機質(zhì)的礦化，這些因素都可能導(dǎo)致大團聚體向微團聚體的轉(zhuǎn)變，填充較大孔隙，進而增加了較小孔隙度[20]。而亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施實施3年后，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高大孔隙度，使土壤具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)。這主要是由于施用有機物料增加了大團聚體團聚過程形成，大團聚體間主要以棱角、棱邊接觸，增加了大顆粒間的孔隙，進而增加了孔隙數(shù)量與孔隙度，最終改善土壤結(jié)構(gòu)。這與ZHOU等[21]研究結(jié)果一致。

土壤孔隙是土壤內(nèi)部氣相以及液相轉(zhuǎn)移的重要場所，孔隙連通程度與孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度是土壤內(nèi)部物質(zhì)運移效率以及動植物呼吸作用強弱的重要決定因素[22]。亞表層有機培肥顯著提高了不同土層土壤孔隙的連通性，這主要是生物有機肥的施用在改變了土體結(jié)構(gòu)的同時提高了土壤通透性，使獨立大孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生相互連通的路徑[7]。另一方面，亞表層有機培肥會提高土壤有機碳含量，促進了微生物和真菌活動[17]，同時促進了作物根系生長[23]，使土壤中留下了細長且連通的孔隙通道，并使獨立大孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生相互連通的路徑[24]。FERRO等[25]通過雙尺度評價長期肥料試驗下的土壤結(jié)構(gòu)，也發(fā)現(xiàn)施廄肥和農(nóng)家肥可以增加大孔隙連通性，改善土壤結(jié)構(gòu)。

3.2 亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋措施對土體剖面水鹽分布的影響

鹽堿土壤物理結(jié)構(gòu)較差、土壤鹽堿化程度高、肥力低下，因此，改良土壤理化性質(zhì)、創(chuàng)建鹽分淡化耕層是鹽堿土改良的重要內(nèi)容[3]。本研究表明，與對照處理相比，單一地膜覆蓋措施對春灌后水鹽分布的調(diào)控效果僅體現(xiàn)在0～10 cm表層土壤，而在10～30 cm土層施入適量有機肥構(gòu)建肥沃亞表層，再結(jié)合地膜覆蓋可以顯著提高播種前0～40 cm根系分布層土壤含水率，降低耕層土壤含鹽量，為作物出苗創(chuàng)建“水高鹽低”的適宜土壤環(huán)境。土壤貯水能力主要受土壤孔隙數(shù)量、大小分布和土壤比表面積等土壤孔隙結(jié)構(gòu)條件的制約[26]，有機肥施用提高耕層含水率主要是由于提升了土壤有機質(zhì)膠體含量，促進了土壤大團聚化進程，增加了土壤孔隙比例[27]，進而提升了土壤貯水性能。在10～30 cm土層施入有機肥構(gòu)建肥沃土層相當于增加了“隔層”，有機肥通過增加土壤有機質(zhì)和大團聚體含量改善土壤物理孔隙結(jié)構(gòu)，造成“隔層”上下導(dǎo)水能力的差異，導(dǎo)致土壤水鹽運動規(guī)律發(fā)生改變[28]。同時，有機肥能夠降低水溶性鹽離子含量，提高陽離子交換量，從而降低土壤鹽堿化程度[28]。多位學者鹽堿地改良試驗結(jié)果都表明，有機肥能夠顯著降低土壤pH值、全鹽含量、堿化度[29-30]，降低土壤容重、提高土壤通透性[31]。

在作物生長后期，土壤水鹽以上行為主，抑制水鹽向上移動，減少鹽分的表聚，降低鹽分可以減少作物生長過程中的不利影響[20]。本研究結(jié)果表明，與CK處理相比，PM處理顯著降低了收獲后0～10 cm土層全鹽含量，但對0～40 cm土壤返鹽率無顯著影響，而OMP處理顯著降低了0～40 cm表層返鹽率，表明亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋更有利于抑制土壤返鹽，原因是地膜覆蓋減少水分蒸發(fā)，降低了鹽分表聚，同時0～10 cm表土層起到一個保護層作用。但在40 cm土層以下，亞表層處理全鹽含量均顯著高于CK處理，表明當年鹽分主要在這一層聚集，這是由于有機肥的施用本身帶來鹽分的輸入，同時由于改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進了鹽分淋洗，所以鹽分主要聚集在耕層以下，這也說明在亞表層有機培肥3年后，對抑制土壤表層返鹽仍有顯著效果；但是作物收獲期OMP 處理0～40 cm含水率顯著低于CK，這可能是由于OMP處理水分利用率高，食葵長勢較好，蒸騰作用強，造成土壤含水率下降。

3.3 土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征與水鹽調(diào)控效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系

健康的土壤結(jié)構(gòu)通常具備較完善的團聚體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而保證土壤更好地實現(xiàn)各種功能[32]。本研究結(jié)果表明，總孔隙度、不同當量直徑孔隙度與土壤孔隙連通度均與水鹽調(diào)控效果有顯著相關(guān)性，其中春灌后土壤耕層含水率與亞表層和深土層土壤總孔隙度均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，尤其是亞表層當量直徑小于1 500 μm孔隙度與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)較大，說明該部分孔隙密度對耕層土壤保水效果的影響較大，這主要是由于較大孔徑的孔隙可有效排走土壤中的空氣，減小了氣壓對入滲的抑制，同時增加了側(cè)向滲透和垂直下滲，從而加大了水流速度[33]，較小孔徑的孔隙增多，導(dǎo)致孔隙中氣體被水包圍，形成封閉氣泡，又阻礙水在孔隙中的流動，進而降低了土壤的水分入滲速率，延長了入滲水在耕層的蓄積時間，進而提高了土壤含水率[9]。研究表明，孔徑大于1 500 μm的大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率呈冪函數(shù)關(guān)系，且擬合度較高，并可以提高土壤的導(dǎo)水性能[34]。耕層含水率與深土層各當量直徑孔隙度無顯著差異，其原因是該土層無孔徑大于1 500 μm的大孔隙，說明當量直徑小于1 500 μm的孔隙范圍對含水率的影響一致。

本研究結(jié)果表明河套灌區(qū)春灌后土壤耕層全鹽含量與亞表層和深土層土壤總孔隙度均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，其原因為施用有機肥改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤排鹽并抑制返鹽[35]。土壤鹽分會影響孔隙的形成和分布，高鹽條件下土壤孔隙數(shù)量少于非鹽漬土壤[36]。不同土層中當量直徑0～500 μm孔隙度與全鹽含量的相關(guān)系數(shù)較高，說明當量直徑0～500 μm孔隙度與全鹽含量的關(guān)系更為密切，該原因可能是孔徑0～500 μm的孔隙可以供給水分的空間很小，導(dǎo)致這部分土壤中有害鹽分的積累較少。此外，耕層土壤含水率與全鹽含量均與不同土層土壤孔隙連通度呈顯著相關(guān)性，其原因主要是亞表層有機培肥增加土壤有機質(zhì)含量，有機質(zhì)可以增加孔隙連通性[37]，使土體結(jié)構(gòu)較疏松，有利于水分的空間性運移，為水分流動提供了通道，同時加大了水分與土體攜帶鹽分的接觸面積，促進了水分對土體鹽分的充分淋洗作用，帶走大部分鹽分[9]。

4 結(jié)論

(1)亞表層有機培肥3年后亞表層處土壤孔隙數(shù)量較多，且存在更多細長的較大孔隙，分布不均勻，呈現(xiàn)復(fù)雜多孔的土壤結(jié)構(gòu)，深層土壤中的孔隙數(shù)量與連通程度較對照處理也明顯改善。定量分析土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，亞表層有機培肥顯著增加了各土層的大孔隙度與孔隙連通度，改善了孔隙分布特征。

(2)亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋顯著提高了春灌后土壤的保水脫鹽效果，提高了灌溉水生產(chǎn)效率，并抑制了作物生長后期鹽分表聚?？偪紫抖扰c土壤孔隙連通度的增加與水鹽調(diào)控效果有顯著相關(guān)性，且當量直徑小于1 500 μm孔隙度對提高春灌后耕層土壤保水效果有顯著影響，當量直徑小于1 500 μm孔隙度對促進春灌后鹽分淋洗效果的影響最為顯著。