宣可凡，李曉鵬，張佳寶，蔣一飛，劉建立*

?水土資源與環(huán)境?

有機物料改良土壤結構及其定量化研究方法綜述

宣可凡1,2，李曉鵬1，張佳寶1，蔣一飛1,2，劉建立1*

（1.中國科學院 南京土壤研究所，南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049）

【目的】秸稈、有機肥、生物炭等眾多有機物料被廣泛應用于農業(yè)實際生產之中，改良土壤結構是其主要效用之一。在此基礎上，定量評價改良效果成為當前國內外的研究熱點?！痉椒ā勘疚尼槍Σ煌袡C物料對土壤結構的改良效應及其定量化評價方法進行了歸納和評述?！窘Y果】在低溫干旱地帶，有機肥和聚丙烯酰胺對土壤結構的改良效果較好；在氣候多變以及高溫潮濕地區(qū)，秸稈的改良效果更優(yōu)；生物炭適用于改良粗質土壤結構；木本泥炭適用于改良細質土壤結構；為多尺度、定量化地評價有機改良劑對土壤結構特性的影響，土壤原狀結構的無損獲取技術以及相對應的數(shù)字圖像處理方法成了當下和未來的主要研究手段?！窘Y論】在今后的研究中應當根據(jù)土壤的理化性質合理選擇改良物料，通過多學科交叉對各尺度的土壤物理結構進行優(yōu)化，對未來研究土壤結構的新方法等作了展望。

土壤結構；土壤改良；有機物料；定量研究

0 引 言

目前，由于土壤功能退化而導致的作物生長不良、病蟲害嚴重、作物品質以及產量降低等問題日益嚴重，究其原因很大程度上是土壤結構遭受破壞。土壤結構可以反映土體中水分和養(yǎng)分庫容大小以及運移的能力，并為根系、微生物等土壤生物提供活動的場所，與土壤水分運動、作物養(yǎng)分供應、根系生長發(fā)育等重要的生態(tài)過程都密切相關。改良土壤結構、修復退化土壤、保護土壤健康已經到了刻不容緩的地步。有機肥、秸稈、生物炭等有機物料作為農業(yè)生產中的重要肥源，不僅可以增加土壤有機碳量，優(yōu)化土壤的結構特性，提高土壤的肥力水平，而且可以減少濫用化肥所造成的環(huán)境問題，對于提高土壤抗侵蝕性及緩解氣候變化等都具有重要的意義[1-2]。本文重點關注了國內外關于有機物料改良土壤物理結構的研究及其在農業(yè)生產上的體現(xiàn)，并歸納了土壤結構研究方法與相關進展，對今后該領域的研究方向和熱點進行了展望。

1 土壤結構與土壤功能的概念

1.1 土壤結構

土壤結構是構成土壤肥力和維持農田生產力的關鍵要素，通常是指由土壤顆?；驁F聚體與土壤孔隙所組成的三維結構，其優(yōu)劣常以團聚體（尤其是大團聚體）的數(shù)量和質量指標來判斷[3]。通常情況下，將>0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，其量越高說明團聚體的結構越穩(wěn)定，越有利于通氣、持水以及養(yǎng)分的保持和釋放[4]。因此，在團聚體的數(shù)量指標評價中，常用>0.25 mm的水穩(wěn)定性團聚體作為評價指標。除此以外，團聚體的直徑也應受到重視Bavel[5]采用加權求和方法提出了結構體平均質量直徑（Mean weight diameter, MWD）的概念，Gardener[6]在此基礎上提出了幾何平均直徑（Geometric mean diameter, GMD）的概念，二者作為團聚體狀況綜合評價指標已被廣泛應用。

在土壤結構的相關研究中，團聚體作為大尺度指標，重點關注的是土壤的固相，而微觀尺度上的孔隙結構則是土壤中水分、養(yǎng)分、氣體傳輸以及植物根系生長的真正空間，因此在進行相關研究時也必須將孔隙結構考慮在內。土壤孔隙結構指孔隙的大小、幾何形態(tài)及其在土體中的空間分布特征。目前，針對不同的孔徑大小可將孔隙分為大孔隙、中孔隙和微孔隙，但是目前仍沒有一個統(tǒng)一的劃分標準[7]。通常采用孔隙度、孔隙形狀、孔隙分布等作為土壤結構的數(shù)量以及形態(tài)學特征指標。在評價孔隙在土體中的分布以及相互聯(lián)通狀況等空間分布特征時，常常采用孔喉的相關指標，例如孔喉數(shù)、有效喉道體積、孔喉大小分布等，以及相關的諸如孔隙連通性（三維歐拉數(shù)）、飽和導水率等評價指標[8-9]。通過以上圍繞團聚和孔隙為中心的特征參數(shù)，可從形態(tài)、數(shù)量、以及空間上對土壤結構從宏觀至微觀有一個較為全面而系統(tǒng)的認知。

1.2 土壤功能

土壤功能是一種固有屬性，往往與成土因素和耕作相關的動態(tài)變化有關[10]。數(shù)年來相關專家學者對土壤功能的內容進行了多次的補充與完善，1992年在美國召開的土壤質量會議，認為土壤的主要功能包括3個方面：①生產力；②環(huán)境質量；③動物健康[11]。2002年歐洲委員會將土壤功能分為糧食和其他生物的生產功能、存儲過濾和轉換功能、棲息地和基因庫功能、自然和文化景觀功能以及原材料來源功能[12]。而在英國的第一部土壤行動計劃中，則將土壤主要功能分為6個，即生產功能、土壤對水和空氣的環(huán)境交互功能、生物多樣性保留功能、發(fā)展平臺功能、提供原料功能和文化遺產保護功能[13]。

在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤功能是土壤物質儲存、傳輸、轉化過程的外在體現(xiàn)，而土壤結構作為植物根系、動物以及微生物的活動場所，改善結構可以使得土壤功能的優(yōu)化體現(xiàn)在水肥高效利用、促進作物生長等方面。改善了土壤結構，也就改善了農業(yè)土壤的功能。

2 常見有機改良劑及其效果

土壤有機質是團聚體形成和穩(wěn)定的主要膠結劑，通過施加有機物料不僅可以增加土壤中有機質量，同時可以進一步促進土壤微生物的活動與分解，使其在分解轉化過程中膠結不同粒級的團聚體，提高團聚體的穩(wěn)定性，改良土壤結構，改善土壤的透水性、蓄水性、通氣性、適耕性以及根系生長環(huán)境，在農業(yè)生產上直接體現(xiàn)為作物的增產增收[4,14]。因此，以土壤有機質管理為中心，通過施入作物秸稈、有機肥、生物炭、木本泥炭、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡稱PAM）等激發(fā)土壤微生物活性，促進土壤中有機無機復合，同時利用保護性耕作減少物理性擾動，是目前改良土壤結構的主要調控措施，對土壤結構的形成和穩(wěn)定起到至關重要的作用。

2.1 秸稈還田

秸稈主要由纖維素、半纖維素和少量的木質素和蛋白等構成，常用的還田方式為直接還田、堆漚還田、過腹還田和焚燒還田等[15]。還田之后，在微生物的作用下腐解轉化得到的腐殖酸可以與土壤中的鈣、鎂離子結合形成穩(wěn)定的團粒結構，從而改善土壤的理化性狀[16]。眾多學者在秸稈還田影響土壤結構、水分運動、作物產量方面做了若干研究。丁奠元等[17]基于雙指數(shù)土壤水分特征曲線模型研究發(fā)現(xiàn)，將氨化秸稈摻入粉砂壤土中培養(yǎng)可以顯著增大土壤中大孔隙數(shù)量，并進一步提高土壤孔隙度。于博等[18]在內蒙古沙壤土上進行定位試驗發(fā)現(xiàn)多年秸稈深翻還田可提高土壤的累計入滲量和平均入滲速率。周延輝等[19]對多篇田間試驗數(shù)據(jù)資料進行整理發(fā)現(xiàn)，秸稈還田技術在潮土、塿土和水稻土上對小麥的增產效果顯著，免耕和翻耕較旋耕也更有利于秸稈發(fā)揮效用。Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田顯著提高了玉米產量，但卻未觀察到其對小麥產量的顯著影響。許多學者有試驗表明農作物產量對秸稈還田的輕微負面反應，多數(shù)減產是在小麥（涼季作物）而非玉米、水稻（暖季作物）中發(fā)現(xiàn)的[21]。

影響秸稈還田效果的關鍵在于秸稈的腐解程度。綜上，建議運用免耕和翻耕的耕作技術。將秸稈還田多應用在有利于秸稈分解的氣候地區(qū)，例如多變氣候條件的秦嶺淮河一帶和溫熱潮濕的南方，并針對土壤類型、作物種類和種植方式，應對秸稈的管理做更多綜合的調查和評價。此外，發(fā)展新型秸稈還田方式，如溝埋秸稈還田、秸稈還田與地膜覆蓋相結合等等也應引起重視。

2.2 有機肥

有機肥可促進大團聚體中有機質的形成，提高團聚體穩(wěn)定性，還能提高土壤微生物活性、增加其代謝物[22]，具體可體現(xiàn)在水分儲存與運動、養(yǎng)分傳輸以及作物增產。肖慶禮等[23]在黃壤中施加牛糞有機肥，發(fā)現(xiàn)隨著其用量增加可以降低土壤體積質量、殘余含水率（r）和進氣值倒數(shù)（），提高土壤總孔隙度（主要提高中小微的孔隙比例）、飽和含水率（s）和飽和導水率（s）。Wang等[24]對中國北方的田間試驗進行meta分析發(fā)現(xiàn)，施用有機肥料可以提高谷物20%的產量而不影響蒸發(fā)量，進而增加土壤水分利用率。任科宇等[25]通過對我國不同地區(qū)添加有機肥后的作物產量分析發(fā)現(xiàn)，玉米的增產效果優(yōu)于小麥，再次是水稻，在地區(qū)上體現(xiàn)為西北地區(qū)>東北地區(qū)，華北地區(qū)>南方地區(qū)>華東地區(qū)。Guo等[26]從1982年開始的長期田間試驗得出施肥，尤其是施加有機改良劑，不僅顯著提高了作物的生產力和土壤養(yǎng)分，而且影響了土壤的微生物群落，但是與Yang等[27]和Gu等[28]短期的研究結果有出入：在形成土壤微生物群落時，作物的生育階段以及時間變化是比短期施加有機肥更強的影響因素。

通過眾多研究結果發(fā)現(xiàn)施用有機肥是改善土壤結構，促進農田水養(yǎng)運移，提高作物產量的有效途徑。與短期施用相比，長期添加有機肥的改良效果更加顯著。此物料更推薦用于低溫少雨溫帶季風區(qū)的旱作作物上，例如玉米和小麥，而對高溫潮濕的亞熱帶季風區(qū)主要作物水稻則增產效果一般。

2.3 生物炭

生物炭（Biochar）也稱為生物質炭，是生物質在完全或部分缺氧條件下熱解形成的一種高度芳香化物質[29]。當土壤中施加生物炭后，土壤的相關物理性質發(fā)生變化，其作用機制仍有待深入，不同的研究者得出的結論并不一致，這可能與生物炭性質、施用量、土壤特性及試驗周期等有關。Burrell等[30]應用盆栽試驗探究生物炭對黑鈣土、雛形土、粗質地的黏磐土的物理性質影響，發(fā)現(xiàn)在黏磐土中體積質量和團聚體的穩(wěn)定性改良效果最好，得出生物炭在質地粗糙的土壤中對土壤物理特性的影響是最有效的；陳姣等[31]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭在紅壤中可以增加土體中的有效孔隙和大孔隙，而在水稻土中則會提高微孔比例。王浩等[32]試驗結果表明在潮土中添加玉米秸稈生物炭可以有效提高土壤的持水性能，但是隨著其施用量的增加，作物對水分的利用難度也在逐漸升高。類似的，在中國東南地區(qū)的稻田中施加低含量的富氮生物炭可以使水稻增產，但是提高生物炭用量之后反而不利于作物的養(yǎng)分吸收和產量提高[33]。

關于施加生物炭后土壤和作物對其的響應，我們發(fā)現(xiàn)生物炭的種類、施用量以及作用的土壤類型差異明顯，在粗質地土壤中施用少量生物炭似乎是該物料發(fā)揮最大效用的途徑。但在當前的眾多研究中我們對生物炭制備的熱化學過程知之甚少，且許多結論都是在短期試驗之后得到的。因此今后相關學者必須系統(tǒng)地考慮生物炭的定向功能（如生物炭的養(yǎng)分、孔隙結構等）對生物炭進行定向制備，并根據(jù)不同類型土壤進行長期的附加研究才能真正達到改良土壤的目的。

2.4 木本泥炭

泥炭是蘚類植物、草本植物或木本植物的殘體長期處于潮濕缺氧環(huán)境中經厭氧菌不完全分解而形成的產物[34]，由此一般可分為蘚類泥炭、草本泥炭和木本泥炭3種[35]。國內外應用較多的為草本泥炭和蘚類泥炭，對于木本泥炭的相關研究應用很少，國內近幾年才出現(xiàn)相關研究報道。曲成闖等[36]研究發(fā)現(xiàn)添加木本泥炭可以降低典型紅壤的體積質量，提高其孔隙度，進而改善土體的通氣性能。趙文慧等[37]研究表明在潮土區(qū)短期施用木本泥炭可能會降低玉米產量，但與秸稈配施則能改善這一不良影響。Fu等[38]在4種典型的退化農業(yè)土壤中添加木本泥炭均會提高小麥產量，在紅壤地區(qū)格外顯著，但是在粗質地土壤中有機質的下降速度要遠高于細質地土壤。

有多項研究已經證實木本泥炭在提高土壤孔隙度、有機質量以及作物產量等方面有一定的效用，尤其對紅壤等細質地土壤的改良效果顯著，但是對木本泥炭自身的理化性質、與其他肥料的不同組合在不同土壤環(huán)境下的分解和作用情況仍有待進一步探究。

2.5 聚丙烯酰胺（PAM）

PAM是聚丙烯酰胺及其衍生物的統(tǒng)稱，主要分為陰離子型、陽離子型和非離子型。其中，陰離子型PAM由于其分子鏈長，分子結構中的基鍵與土壤顆粒產生吸附力，使土壤顆粒膠結形成大團聚體，從而起到改善土壤結構的作用（圖1）[39]。王永敏等[40]研究表明隨著PAM濃度的升高，潮土中大團聚體的數(shù)量明顯增加，小團聚體（<0.25 mm）數(shù)量逐漸減少，同時降低了團聚體分形維數(shù)，其施用的最優(yōu)濃度約為1 g/kg。紀立東等[41]在賀蘭山的淡灰鈣土區(qū)域配施有機肥和PAM，結果表明可以提高該地區(qū)土壤的水穩(wěn)定性團聚體含量和儲水能力。Wei等[42]研究表明在整個玉米生長過程中，PAM處理的0～100 cm土壤含水率比對照提高5.62%～10.96%,一定程度上可以緩解玉米禿尖現(xiàn)象，提高產率，但是其節(jié)水增產機理還需要進一步的試驗研究。

圖1 陰離子型PAM改良土壤結構原理

PAM由于其良好的膠結性和吸附性，可以有效應用于干旱地區(qū)農業(yè)生產，提高該區(qū)域土壤的持水性能。一般來說PAM對環(huán)境無毒害，但是由于PAM的類型較多，不同種類的PAM降解產物是否一致還無相關研究，同時由于PAM價格較高，建議應用在具有較高附加值的經濟作物上。

3 土壤結構的定量化研究

3.1 土壤結構的傳統(tǒng)獲取技術

通過團聚體的抗水化和抗機械破碎的能力來評價其穩(wěn)定性，進行定量分級的方法常用的有篩分法（干篩法、濕篩法）、水滴法以及人工降雨模擬法。早在20世紀30年代Yoder就提出了篩分法，但是該方法耗時耗力，且在處理和表達結果時有一定的局限[43]。而后McCalla等提出使用水滴法來評價團聚體的穩(wěn)定性，但其精準度不高[44]；在田間試驗中常常采用人工模擬降雨法[45]。在20世紀20年代末，Le Bissonnais法在前人的基礎上應運而生，成了較統(tǒng)一的團聚體的研究方法[46]，卻仍舊沒有突破會破壞土壤結構的局限。

針對土壤微觀孔隙結構的早期研究往往通過的是間接手段來獲取，例如土壤孔隙度或孔隙大小分布可以從土壤水分特征曲線估計，但是這種間接方法耗時長，精度低，且不能提供孔隙空間分布的信息[47-48]。隨著土壤微形態(tài)學的興起，相關學者制備土壤切片，并使用數(shù)碼相機掃描電鏡（SEM）等技術手段觀察其圖像來對土壤孔隙進行研究。劉建立等[49]使用數(shù)碼相機拍攝砂壤土的切面，由此建立了土壤的孔隙網(wǎng)絡模型并對其水力學特性進行了預測。耿雨晗等[50]結合SEM與壓汞試驗，得出了黃河三角洲鹽堿土結構性和滲透性較差的結論。但是上述2種方法切片制作過程復雜，且仍存在破壞土壤孔隙結構的可能。

3.2 土壤結構的無損獲取技術

隨著科學技術的發(fā)展，當前無損技術常用的有X射線斷層掃描技術（CT）以及核磁共振技術（NMR）等。計算機斷層掃描是一種非破壞性成像技術，可以真實地獲取毫米到微米尺度的土壤孔隙特征[51]。同時，CT技術也已經被應用于表征微生物群落結構、作物根系形態(tài)與分布[52]、以及溶質運移[53]等與土壤功能相關的參數(shù)之中。例如，Hamamoto等[54]研究了CT技術所測得的土壤顆粒尺寸和形狀、總孔隙度對孔隙網(wǎng)絡結構參數(shù)的影響，以及孔隙網(wǎng)絡結構參數(shù)與傳質參數(shù)之間的聯(lián)系。Liang等[55]結合SEM、CT以及磷脂脂肪酸（PLFA）測量結合提供了一種通過將土壤結構與土壤微生物特性聯(lián)系起來以研究土壤有機碳變化機制的新方法。Zhou等[56]利用CT可視化并量化土壤結構和小麥根系，研究結果表明小麥根系在田間的發(fā)育受土壤大孔系統(tǒng)的影響比小麥基因型的影響更大。

近些年，土壤科學學者想探究更小尺度的土壤結構，例如團聚體內部的相關物理特性，較常使用的是基于同步輻射的X射線斷層掃描（SR-mCT）技術，該技術較普通CT成像效果更好，分辨率更高。例如Yu等[57]利用SR-mCT和數(shù)字圖像處理技術，使大團聚體內部的結構可視化，以此探究其對長期施肥的響應。吳呈峰等[58]結合同步輻射與土壤團聚體內部結構的數(shù)字圖像，揭示了紅壤團聚體孔隙的形態(tài)及空間分布特征。姜宇等[59]在東北黑土區(qū)利用該技術研究表明凍融次數(shù)與黑土團聚體內部孔隙度成正比。

與CT相比，核磁共振技術分辨率較高，可以觀測多孔介質中孔隙的結構、大小分布以及孔隙中流體的流速等[60]。在土壤物理學的研究中常被用于研究土壤孔隙水以及有機質結構。例如固態(tài)13C核磁共振技術（13C-NMR）可以根據(jù)不同有機質量的黑土碳結構來建立不同有機質梯度的黑土分子生態(tài)網(wǎng)絡[61]。Dong等[62]利用核磁共振技術研究干濕循環(huán)次數(shù)對膨脹土結構特性的影響，結果表明循環(huán)次數(shù)主要增加土壤大孔隙，而對土壤微小孔隙影響較小。Xu等[63]利用多重交叉極化/魔角旋轉NMR結合偶極去相技術，定量地表征出各腐殖質組分的化學性質與土壤類型、種植制度、土壤通氣和施肥處理等環(huán)境條件有關。

圖2總結了以上3種土壤結構無損獲取技術的主要適用對象，相關學者應當根據(jù)研究目的篩選合適的方法。高分辨率工業(yè)CT可以極好的完成超大樣品（土柱等）的掃描，對于小樣品也可以達到亞微米級的分辨率，因此適用于大多數(shù)土壤科學的研究中。同步輻射微納米CT可以實現(xiàn)同軸相襯成像，對生物樣品優(yōu)勢更大，但是無法掃描大樣本，且在高分辨率下掃描時間太長。核磁共振技術可以探究到更小尺度的土壤結構，例如微團聚體間孔隙以及顆粒間孔隙，并且可以確定多孔介質中的流域性質，但受限于其昂貴的成本，當前無法進行大規(guī)模的推廣應用。

圖2 土壤結構主要無損獲取技術及其適用對象

3.3 數(shù)字圖像處理與三維形態(tài)重構方法

上述無損研究方法往往獲取到的是土壤原狀結構的數(shù)字圖像，若想對其進行定量化分析，則必須掌握數(shù)字圖像的處理技術。在該領域的探索初期，大多運用數(shù)學方法提取數(shù)字圖像中的土壤結構信息。Peyton等[64]對X射線CT數(shù)據(jù)進行迭代計算，量化了原狀土芯中的大孔隙周長、等效孔隙直徑和孔隙率。Perrier等[65]利用計算機模擬生成了土壤的分形結構,并且模擬了土壤的水力性質及其漲縮過程。張萌等[66]結合數(shù)字圖像和多重分形方法，以此分析作物影響下的土壤裂隙網(wǎng)絡及其均勻性。以上對數(shù)字圖像的處理方法大多數(shù)是間接獲取土壤結構參數(shù)并粗略估計其物理特性，有一定概率對結果做出錯誤的推斷，如今已經難以滿足土壤科學的研究需求。

隨著越來越多種土壤結構數(shù)字圖像獲取技術的出現(xiàn)，相關配套軟件應運而生。這類軟件通常以三維重構及可視化作為最大特點而被相關學者廣泛應用。Image J是一個基于JAVA的開源圖形設計程序，允許用戶根據(jù)自身需求編寫各種分析插件，因此賦予了其強大的圖像處理功能[67]。其安裝方便快捷，對計算平臺要求較低，可以輕松實現(xiàn)土壤數(shù)字圖像的前處理（去噪、圖像歸一化、二值化等），并利用3D Viewer和Bone J等插件對多張的二維圖像進行三維結構的還原并直接定量獲取相關參數(shù)。Singh等[68]利用Image J分析CT掃描圖像，用Particle Analyser、Skeletonize 3D等插件獲取了孔隙度、孔圓度、彎曲度等土壤孔隙結構的相關參數(shù)，以此探究草地向農田轉變過程中的動態(tài)變化。Fernández等[69]通過Image J定量描述土壤孔隙，從而通過孔隙周長和面積等形態(tài)參數(shù)揭示阿根廷半干旱大草原土壤結構形成的生物和物理過程的相互作用。

近年來，由于Image J常被局限于較小的圖像數(shù)據(jù)處理量，VGStudioMAX和AVIZO等一些商用軟件也被用于處理土壤結構的數(shù)字圖像。高宙等[70]利用AVIZO處理灌叢根系以及土壤大孔隙的CT圖像，發(fā)現(xiàn)不同種類灌叢根系在土壤中的分布深度不同，但根系的體積密度均隨著土壤大孔隙度的增大而增大。Ferreira等[71]為在微觀尺度評估免耕系統(tǒng)（NTS）下石灰對酸性土壤的微形態(tài)和幾何特性（孔隙率、孔隙數(shù)、孔隙長度、伸長率、形狀、連通性和曲折度）的影響，在顯微CT獲取數(shù)字圖像后，使用了AVIZO軟件中進行圖像的可視化、處理和分析。VGStudioMAX軟件曾在南非以甜高粱為基礎的種植系統(tǒng)中用于探究耕作、輪作和殘留管理對土壤微觀結構的影響[72]。這些商用軟件通常自帶較為完備的圖像處理功能，無須用戶進行源代碼的撰寫，并可以處理更多類型的圖像，且3D渲染和動畫設計的表現(xiàn)也更出色。因此對計算平臺要求較高，在優(yōu)秀的工作站支持下可以計算幾十GB甚至上百GB,TB級別數(shù)據(jù)。除了上述優(yōu)點之外，商業(yè)軟件自身以及所需高性能計算平臺的構建都會產生高昂的費用，應當結合實際科研需求選擇合適的數(shù)字圖像處理方法

4 結論與展望

在針對有機物料對土壤結構改良以及定量化評價方法的大方向上，雖然在改良效果、獲取途徑、研究方法上已取得一定進展，但其中仍存在不少有待完善的方面，今后應從以下幾個方面開展研究：

1）充分了解被改良土壤的理化性質，從而選取適宜的、適量的有機物料。

通過以上文獻總結，我們認為在北方低溫少雨的干旱地區(qū)，施用有機肥和聚丙烯酰胺是改良該地區(qū)土壤結構的良好途徑；氣候多變的南北方交界處以及溫暖濕潤的南方，秸稈可以更好地發(fā)揮效用；生物炭適用于改良粗質地土壤結構，而木本泥炭適用于改良細質地土壤結構。但是大多數(shù)有機物料的作用效果受到施用量、土壤類型等因素的影響很大，在進行改良前仍應當做好土壤調查工作。同時，各種措施的經濟效益以及環(huán)境友好性在實際生產中也應當被考慮。

2）多尺度、多學科交叉地綜合改良土壤結構。

在研究施用有機物料對土壤結構、土壤功能的改良時，應由大及小的多重尺度來考慮問題，從宏觀的功能著眼，用微觀的機制來闡釋其機理。不能僅關注相關物理性狀上的變化，并由此單一角度來探究其優(yōu)化機理。實際上，土壤結構和功能的改變是土壤物理、化學、生物過程的復雜交互，在研究時需要多學科、多手段的交叉和融合，從多尺度切入，以此真正揭示其內在的原理和機制。

3）探尋定量評價土壤結構的新技術與新方法。

由于土壤結構的復雜性，如何全面而準確地描述土壤結構仍舊是土壤學領域的一個難題。大多數(shù)研究都是將土壤結構作為一種靜態(tài)或準靜態(tài)的性狀，很少關注土壤結構（尤其微觀孔隙結構）對土壤水分養(yǎng)分循環(huán)、作物生長發(fā)育等動態(tài)過程的響應。我們期望在今后可以利用不斷進步的數(shù)字圖像獲取手段和分析技術來建立新的模型，尋找這些問題的答案。

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Improving Soil Structure by Organic Material Amendments: A Review

XUAN Kefan1,2, LI Xiaopeng1, ZHANG Jiabao1, JIANG Yifei1,2, LIU Jianli1*

(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

【Objective】Organic materials including crop straws, organic fertilizers, biochar have been widely used in agriculture as an agent to improve soil structure and fertility, but how, and to what extent, their efficacy varies with soil texture and environmental factors remains elusive. This review aims to fill this knowledge gap.【Method】Our review is based on papers published over the past decades, which reported the effects of different organic material amendments on structure and fertility of soils with various textures in different climatic regions.【Result】In low-temperature and arid regions, application of organic fertilizer and polyacrylamide works better for improving soil structure, while in regions characterized by changeable climate and high temperature and humidity, incorporating straw to soils has the edge to improve physical properties of the soils. Amending coarse-textured soils with biochar improves soil structure more than other amendments, while woody peat works better for fine-textured soils. We also review the latest development in non-destructive imaging technologies inducing x-ray computed tomography and digital image processing which have been increasingly used to quantify soil structural alteration due to natural and management practice changes.【Conclusion】Soils are hierarchically structured and there is no universal rule to select an amending material to improve their structure. Its selection should consider the inherent physical and chemical properties of the soils to be amended and the climate region.

soil structure; soil improvement; organic materials; quantitative study

宣可凡, 李曉鵬, 張佳寶, 等. 有機物料改良土壤結構及其定量化研究方法綜述[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 95-102.

XUAN Kefan, LI Xiaopeng, ZHANG Jiabao, et al.Improving Soil Structure by Organic Material Amendments: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 95-102.

1672 - 3317（2023）02 - 0095 - 08

S152.4+5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021565

2021-11-18

國家自然科學基金項目（41771265）；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項子課題（XDA28010400）

宣可凡（1996-），女。博士研究生，主要從事土壤結構改良的研究。E-mail: kfxuan@issas.ac.cn

劉建立（1973-），男。研究員，主要從事土壤溶質運移模型以及農田信息獲取與監(jiān)測技術研究。E-mail: jlliu@issas.ac.cn

責任編輯：趙宇龍