低場核磁探測水稻田改蔬菜地土壤水分的相態(tài)變化

孔 超，王美艷，史學(xué)正，郭乃嘉，于全波

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低場核磁探測水稻田改蔬菜地土壤水分的相態(tài)變化

孔 超1,2，王美艷1※，史學(xué)正1，郭乃嘉1,2，于全波1,2

（1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了解水稻土轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施蔬菜地后土壤水分的相態(tài)變化，該研究在田間土壤調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合低場核磁測氫技術(shù)，評價了田間狀態(tài)的水稻土和不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施蔬菜地土壤水分的相態(tài)分布情況。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)化時間的延長，耕層土壤大孔隙吸持的自由水比重下降，土壤小孔隙吸持的束縛水比重上升，犁底層土壤水分的相態(tài)分布卻無明顯變化，土壤水分吸持性能在轉(zhuǎn)化時間序列上呈現(xiàn)下降的趨勢，但長期施用有機肥可以優(yōu)化耕層質(zhì)量，提升土壤大孔隙吸持自由水的能力，改善土壤水分供釋性能；水稻土轉(zhuǎn)化為設(shè)施蔬菜地土壤2 a后，出現(xiàn)新犁底層，使得原有的耕層土壤變薄，土壤水分吸持性能下降。核磁共振作為一種新的技術(shù)手段，可以實現(xiàn)實時、快速、準(zhǔn)確地檢測土壤水分的相態(tài)變化，可為設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)管理提供新的技術(shù)支持。

核磁共振；土壤；水分；水稻田；蔬菜地；T2譜

0 引 言

土壤水作為水資源的一個重要組成部分，是一切陸生植物賴以生存的基礎(chǔ)，同時也是溶質(zhì)和熱量在土壤中傳輸?shù)闹饕d體。所以，土壤水的數(shù)量和相態(tài)分布極大地影響著土壤中其他環(huán)境因子，進(jìn)而影響植物和土壤生物的生存狀況[1]。在中國長江中下游地區(qū)，城市化的快速擴張使得分布在城郊的肥沃老蔬菜地被迫轉(zhuǎn)化為城市用地。為滿足人們對蔬菜產(chǎn)品日益增加的需求，城郊原有的水稻田轉(zhuǎn)成新蔬菜地。水稻田轉(zhuǎn)成設(shè)施菜地后，耕作方式由季節(jié)性水-旱輪作轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｄ旰蹈?，常年高強度的耕作和施肥以及無降水、高蒸發(fā)量的環(huán)境條件致使土壤環(huán)境在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化：土壤水的數(shù)量和形態(tài)迅速改變，鹽分表聚現(xiàn)象頻現(xiàn)，土壤板結(jié)退化嚴(yán)重[2]。因此，研究水稻田轉(zhuǎn)化為設(shè)施菜地后土壤持水性能的演變，尤其是土壤水分的相態(tài)分布的演變，對實現(xiàn)設(shè)施菜地土壤可持續(xù)管理具有重要意義。

近年來國內(nèi)外學(xué)者針對水稻田轉(zhuǎn)化為設(shè)施菜地土壤質(zhì)量的演變進(jìn)行了相關(guān)研究，按研究側(cè)重點不同大致分為3個方面：土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤生物學(xué)性質(zhì)演變。在土壤物理性質(zhì)的演變方面，孫艷[3]對水稻田和種植年限分別為<5、5～10、>10 a的溫室菜地土壤耕層容重研究發(fā)現(xiàn)，水稻田土壤容重為1.35 g/cm3，不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施菜地的土壤容重分別為1.40、1.55、1.56 g/cm3，在時間序列上呈現(xiàn)遞增趨勢。蔡彥明等[4]對天津不同種植年限蔬菜地研究發(fā)現(xiàn)，隨著蔬菜種植年限的延長，土壤的容重變大，土壤結(jié)構(gòu)性變差，土壤飽和含水量、田間持水量、有效水含量及萎蔫含水量均呈現(xiàn)不同程度的下降，土壤水分的吸持性能和供釋能力變差。在土壤化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的演變研究方面，Ge等[5-6]對水稻田轉(zhuǎn)化后的設(shè)施菜地土壤研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽漬化、酸化、養(yǎng)分累積、微生物活性降低等現(xiàn)象頻現(xiàn)。近年來，隨著核磁共振技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者結(jié)合先進(jìn)的核磁掃描和成像技術(shù)，實現(xiàn)了低場核磁測氫技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、生命科學(xué)領(lǐng)域、石油/多孔介質(zhì)領(lǐng)域、食品/藥品領(lǐng)域、高分子材料領(lǐng)域、輕工紡織領(lǐng)域的應(yīng)用[7-12]。一方面，由于低場核磁具備場強低（<0.5 T）、磁場穩(wěn)定、均勻性好等優(yōu)勢，對Fe2+、Fe3+、Mn6+等含量較高的土壤磁化作用較小，從而可以精準(zhǔn)檢出土壤含水率[13]。另外，由于低場核磁探測設(shè)備具有體積小、質(zhì)量輕、易攜帶等特點，可以實時、動態(tài)、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測田間土壤水分相態(tài)的變化，這對于研究農(nóng)田水分變化規(guī)律以及分析和計算農(nóng)田灌溉用水量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國江蘇省南京市谷里鎮(zhèn)設(shè)施蔬菜基地（31°52′27″N，118°39′15″E），地處長江下游，境內(nèi)地勢平坦，年均溫為15.7 ℃，年均降水量1 072.9 mm，成土母質(zhì)為混雜下蜀黃土的河流沖積物，土壤類型為水稻土，農(nóng)田以稻麥輪作為主。本研究所選取的蔬菜基地，歷史上一直是稻/麥輪作，2005年由水稻田轉(zhuǎn)化為設(shè)施菜地。平均每年種植蔬菜3～4茬，主要的蔬菜品種為上海青和西蘭花。

1.2 樣地選擇與采樣設(shè)計

本研究選擇4種類型，長期種植水稻的水稻田和不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施蔬菜地。水稻田作為演變起點（0 a），設(shè)施蔬菜地轉(zhuǎn)化年限分別為2、6和8 a，根據(jù)實地考察和以往的研究資料確定采樣典型樣地。樣品采集于2015年底，每種類型設(shè)3個采樣點，采樣深度為0～30 cm，水稻田按耕層和犁底層采樣；蔬菜地老犁底層之上增加一個新犁底層，即按耕層、新犁底層、老犁底層采樣。每層采集3個土壤環(huán)刀樣、3個原狀土柱樣和1.0 kg理化分析樣。土壤環(huán)刀樣用于測定采樣狀態(tài)時土壤容重；分析樣用于測定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量、pH值和土壤有機質(zhì)等[14]。

1.3 核磁掃描與圖譜簡介

原狀土柱掃描利用上海市紐邁電子科技有限公司自主研發(fā)的23 MHz MesoMR23-060H-I 中尺寸核磁共振分析與成像系統(tǒng)（線圈直徑60 mm，磁場強度（0.52±0.05）T，圖譜分析采用紐邁電子科技有限公司自主研發(fā)的核磁共振分析應(yīng)用軟件Ver 1.0。

原狀土柱掃描前，首先將標(biāo)準(zhǔn)油樣放入磁體箱中，這樣可以調(diào)整射頻脈沖頻率使其達(dá)到與磁體箱頻率一致，即尋找中心頻率。該步驟完成后將原狀土柱放入磁體箱中，在核磁共振分析應(yīng)用軟件中設(shè)置：接受死機時間（Receiver dead time）為20s，硬脈沖90度脈寬（P1）為16s，硬脈沖180度脈寬（P2）為30s，重復(fù)采樣等待時間（TW）為2 000 ms，信號采樣點數(shù)（TD）為120 000，回波個數(shù)（NECH）為3 000，重復(fù)采樣次數(shù)（NS）為32，接受機帶寬（SW）為250 kHz，點擊確定按鈕采集脈沖信號。最后將所得的土壤掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行一百萬次反演，在Origin9.0軟件中作圖，得到橫向弛豫時間T2圖譜。

1.4 測定方法的進(jìn)步

相比于經(jīng)典的土壤水分測量方法，基于低場核磁的土壤水分相態(tài)分布探測技術(shù)具有操作步驟簡單、測試過程便捷、成本投入較低的優(yōu)勢。另外，它還有專用的土壤水分測量軟件，實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、定標(biāo)、測量、數(shù)據(jù)上傳、查詢過程的一體化，可以直接將測試結(jié)果實時傳輸?shù)诫娔X終端，結(jié)合自動灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)施菜地土壤管理的科學(xué)化和自動化。另外，由于核磁共振測氫技術(shù)可以很好地區(qū)分不與固體顆粒或溶劑相互作用的自由水和結(jié)晶水，以及物理化學(xué)鍵結(jié)合的結(jié)合水或不易移動水[15]，并且可以通過橫向弛豫特征峰面積與土壤含水率之間的線性關(guān)系推算出土壤含水量[16]，從而可為土壤水分相態(tài)分布的檢出提供新的技術(shù)支持。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型土壤基本理化性質(zhì)的變化

各類型土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。水稻土和設(shè)施菜地土壤質(zhì)地均屬于粉砂質(zhì)黏壤土（silty clay loam）[17-18]，質(zhì)地最大的特點是粉粒含量很高。就耕層而言，水稻土有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.3 g/kg，不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施菜地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.0、23.6、32.2 g/kg，隨著種植年限的增長，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但8 a大棚土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻高于其他年限大棚土壤，呈現(xiàn)出相反的趨勢；水稻土容重為1.25 g/cm3，不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施菜地的土壤容重分別為1.28、1.36、1.22 g/cm3，隨著種植年限的增長，土壤容重總體呈現(xiàn)增加的趨勢，但8 a大棚土壤容重明顯降低，而且是這4種年限土壤中最低的；水稻土pH值為5.0，不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施菜地的土壤pH值分別為4.6、4.2、5.1，土壤pH值總體呈現(xiàn)降低的趨勢，但8 a大棚土壤的pH為5.1，甚至高于水稻土。由此可見，水稻田改設(shè)施蔬菜種植后，隨著種植年限的增長，土壤質(zhì)量總體下降，但8 a大棚土壤卻有所改善。

表1 不同轉(zhuǎn)化年限土壤基本理化性質(zhì)

注：同列中平均數(shù)后不同小寫字母表示耕層或（新、舊）犁底層處理間差異在<0.05水平顯著。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference in plough layer or plow pan (new or old) at 0.05 level.

2.2 不同類型土壤耕層土壤水分的相態(tài)變化

目前認(rèn)為分布在土壤中的水主要存在2種相態(tài)：束縛水（包括吸濕水和膜狀水）和自由水（包括毛管水、重力水和地下水）。束縛水是被緊緊地吸附在土壤顆粒表面的水分，很難被植物根系吸收；而自由水是土壤中移動較快的水分，易被植物吸收，且與養(yǎng)分在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[17]。所以，土壤吸持自由水的比重越高，代表土壤吸持水分的有效性越強。

對常規(guī)水稻土和不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施蔬菜地耕層土壤進(jìn)行即時掃描得到的T2譜線如圖1所示。T2圖譜中橫坐標(biāo)反映橫向弛豫時間T2，T2值越大，土壤孔隙半徑越大；縱坐標(biāo)反映核磁共振信號強度，信號越強檢出的氫質(zhì)子數(shù)量越多[19]。圖中特征峰主要由左側(cè)大峰和右側(cè)小峰2部分組成，特征峰面積反映土壤含水量，且峰面積與土壤飽和含水量呈線性正相關(guān)關(guān)系（2=0.962)[16]；圖中左側(cè)大峰弛豫時間取值范圍較小，反映土壤小孔隙；右側(cè)小峰弛豫時間取值范圍較大，反映土壤大孔隙[19-20]。但是，由于土壤本身結(jié)構(gòu)的易松散性，很難建立橫向弛豫時間T2與孔隙半徑之間的定量關(guān)系，所以本文簡要地將土壤孔隙劃分為大孔隙和小孔隙進(jìn)行討論[21]。

各轉(zhuǎn)化年限土壤T2譜線峰面積統(tǒng)計結(jié)果（表2）顯示：水稻土譜線中，小峰面積為11 706.2，主峰面積為27 752.3，分別占整個峰面積的29.7%和70.3%；2 a大棚土壤譜線中，小峰面積為8 327.7，主峰面積為32 157.8，分別占整個峰面積的20.6%和79.4%；6 a大棚土壤譜線中，小峰面積為5 650.3，主峰面積為32 235.9，分別占整個峰面積的14.9%和85.1%；8 a大棚土壤譜線中，小峰面積為10 682.3，主峰面積為28 508.3，分別占整個峰面積的27.3%和72.7%。隨著種植年限的增長，小峰面積呈現(xiàn)消減的趨勢，主峰面積呈現(xiàn)增加的趨勢。綜合研究區(qū)各類型土壤吸持自由水和束縛水比重隨轉(zhuǎn)化時間的變化特征可知，總體來講，耕層土壤吸持自由水的性能降低，吸持束縛水的性能提高，土壤吸持水分的有效性下降。這可能是由于大棚土壤耕作次數(shù)較少，且多為淺耕，肥料多為表施，灌水次數(shù)多，土壤長期保持濕潤狀態(tài)，使得土壤非水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)遭受破壞，通透性變差；無降水、高蒸發(fā)量的環(huán)境條件導(dǎo)致鹽分上升累積，造成土壤板結(jié)退化，繼而降低了耕層土壤水分的吸持性能[22]。

表2 不同轉(zhuǎn)化年限耕層土壤特征峰的峰面積分布狀況

值得注意的是，相比其他年限大棚耕層土壤，8 a大棚土壤吸持自由水比重最高，吸持束縛水的比重最低，在轉(zhuǎn)化時間序列上，呈現(xiàn)出了相反的變化趨勢。本文認(rèn)為這可能與有機肥的施用有關(guān)，施肥量調(diào)查結(jié)果顯示：2、6、8 a大棚土壤有機肥的年均施用量分別為46.5、36、144 t/hm2，8 a大棚的有機肥年均施用量最高，分別是2、6 a的3.1和4倍，有機肥的高投入保證了最優(yōu)的耕層質(zhì)量，提高了土壤中自由水的比重，提升了土壤大孔隙的持水能力，有利于蔬菜作物對土壤水分的吸收利用，已有的研究也證實了這一說法。Abdollahi等[23-24]研究表明，長期施用有機肥增加了土壤大孔隙的數(shù)量，拓寬了孔隙分布范圍，進(jìn)而提高了土壤水分的吸持性能和供釋能力。Wolf等[25]研究指出，田間持水量狀態(tài)的土壤每提高1%的土壤有機質(zhì)含量可以增加1.5%的土壤水分。

2.3 不同類型土壤犁底層土壤水分的相態(tài)變化

對常規(guī)水稻土和不同轉(zhuǎn)化年限設(shè)施蔬菜地犁底層土壤進(jìn)行即時掃描得到的T2譜線如圖2所示。無論是新犁底層還是老犁底層土壤，水稻土和大棚蔬菜地土壤T2譜線在轉(zhuǎn)化時間序列上均呈相似分布，小峰面積無明顯變化。說明水稻土和不同轉(zhuǎn)化年限大棚蔬菜地犁底層土壤之間水分的吸持性能相近，犁底層土壤水分的相態(tài)分布在轉(zhuǎn)化時間序列上并沒有發(fā)生太大變化。Berli等[26]研究表明，人為活動對土壤結(jié)構(gòu)的影響更多的是集中在耕層土壤，而對犁底層土壤的影響較小，即使長期的耕作也很難改變犁底層結(jié)構(gòu)。

綜合圖1和圖2可知，耕層土壤小峰橫向弛豫時間集中分布在3～2 000 ms，犁底層土壤小峰橫向弛豫時間的集中分布在6～100 ms，耕層土壤分布范圍明顯大于犁底層土壤，說明耕層土壤吸持自由水的能力明顯大于犁底層土壤，即耕層土壤吸持水分的有效性更強。結(jié)合表1可知，水稻土轉(zhuǎn)化為大棚蔬菜地土壤2 a后即出現(xiàn)了新犁底層，使得原有的犁底層位置上移，耕層空間壓縮。Garbout等[27]認(rèn)為長期的復(fù)耕壓實和黏粒淀積是產(chǎn)生新犁底層的主要原因。由于犁底層結(jié)構(gòu)致密，會嚴(yán)重妨礙空氣和水分的運動，進(jìn)而會對作物根系的延伸以及對土壤水分的吸收產(chǎn)生很大的影響。

a. 新犁底層土壤T2譜線

a. T2relaxation spectra of new plow pan soil

3 結(jié) 論

本文對水稻土轉(zhuǎn)化為設(shè)施蔬菜地土壤水分的相態(tài)變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明：1）隨著轉(zhuǎn)化時間的延長，耕層土壤大孔隙中自由水比重下降，土壤小孔隙中束縛水比重上升，犁底層土壤水分分布無明顯變化，土壤水分的吸持性能在轉(zhuǎn)化時間序列上呈現(xiàn)下降的趨勢；2）長期施用有機肥優(yōu)化了耕層土壤質(zhì)量，一定程度上改善了土壤水分的吸持性能和供釋能力；3）水稻田改設(shè)施蔬菜種植后耕層變薄、粘層加厚，從而導(dǎo)致土壤水分運移困難，作物生長受限。因此，基于低場核磁共振的測氫技術(shù)可以很好的揭示水稻土和設(shè)施菜地土壤水分的相態(tài)分布在轉(zhuǎn)化時間序列上的演變過程，可為土壤水分相態(tài)分布的檢測以及設(shè)施菜地土壤的可持續(xù)管理提供理論和技術(shù)支撐。

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Phase change of soil water of vegetable field transformed from paddy field by low field nuclear magnetic resonance

Kong Chao1,2, Wang Meiyan1※, Shi Xuezheng1, Guo Naijia1,2, Yu Quanbo1,2

(1.,,210008,;2.100049,)

Soil pore water is the important part of terrestrial water resource and the basis for plant survival. Furthermore, it is in charge of heat and solute transportation throughout soil profile. This study aimed to identify the variations of soil moisture under land use change from paddy field to greenhouse vegetable field at different time frameworks. To do so, soil samples were taken at the saturated condition of moisture capacity from both paddy and greenhouse plots. The selected greenhouse vegetable site was located in the urban area of Nanjing, China. In this region the main soil type is paddy soil coming from many-year rice-wheat rotation. A new method called low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology was adopted to acquire soil samples’ transverse relaxation time (T2)spectrum. Based on this 4 treatments were chosen, which included a long-term paddy field and 3 greenhouse vegetable sites with different transformation time. Accordingly, the paddy field was supposed to be beginning point (0 year) (PS0), and the conversion ages of the greenhouse vegetable fields were 2, 6, and 8 years (GVS2, GVS6 and GVS8, respectively). Based on the previous survey, greenhouse field in the pakchoi (L. ssp. chinensis) plantation was selected as the research site in this study. Results of soil profile survey indicated that paddy soil profile (0-30 cm) was divided into 2 layers: a plough horizon (0-15 cm) and plow pan (>15-30 cm). Since a new firm structural layer was observed in the lower part of the plough layer, we divided greenhouse vegetable soils’ profile (0-30 cm) into 3 layers: plough horizon, new plow pan, and old plow pan. Soil physicochemical properties including soil organic matter, bulk density, pH value and particle size composition were measured for selected sampling sites. The results showed that: 1) Water flow in topsoil macro pores decreased from 29.7% in PS0 to 14.9% in GVS6. In contrast, slight changes occurred in water flow across deep layers; 2) the average annual rate of organic fertilization in PS0, GVS2, GVS6 and GVS8 were 0, 46.5, 36 and 144 t/hm2, respectively. The organic fertilizer added to GVS8 was 3.1 and 4 times that of GVS2 and GVS6, respectively. Therefore, it suggests that an improvement in plough layer quality caused by heavy application of organic fertilizer can increase water flow and prevent further soil degradation; 3) Land use transformation from paddy field to greenhouse vegetable field for 2 years decreased water holding capacity due to the emergence of new plow pan. In conclusion, the findings of this study confirm that LF-NMR method can be more directly and accurately used to monitor changes in soil moisture content of each phase instantly, and hence it may provide new theoretical and technical support for scientific management of facility agriculture.

nuclear magnetic resonance; soils; moisture; paddy field; vegetable field; T2relaxation spectrum

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.016

S152

A

1002-6819(2016)-24-0124-05

2016-05-06

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金項目（41401240；41571209）；中國科學(xué)院南京土壤所“一三五”計劃和領(lǐng)域前沿專項基金（ISSASIP1627）。

孔 超，主要從事土壤資源與高效利用方向的研究。南京 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），210008。Email：ckong@issas.ac.cn

王美艷，博士，助理研究員，主要從事土壤資源與高效利用方向的研究。南京 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），210008。Email：mywang@issas.ac.cn