長期施肥對砂姜黑土大孔隙形態(tài)和數(shù)量特征的影響

蔡太義，李瑋，王志剛，張叢志，黃會娟，白玉紅，張佳寶*

（1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；2.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3.安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，合肥 230031；4.河南省科學院能源研究所有限公司，鄭州 450008）

土壤孔隙是團聚體形成的破碎面，其在土壤水分保持、養(yǎng)分運移、氣體交換、根系生長和維持生物多樣性等方面具有重要作用[1]，因此在土壤結(jié)構(gòu)研究中逐漸取代團聚體而成為代表性指標[2]。目前，土壤孔隙的研究多集中于空氣滲透性和土壤水分運移等方面[3-5]，其實質(zhì)是有機肥和無機肥可以直接或間接將不同的有機物質(zhì)和離子帶入土壤，進而引發(fā)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[6]。土壤大孔隙（當量孔徑一般大于0.03 mm）是土壤結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵組成部分[7]。

長期施肥對潮土[8]、水稻土[9]和始成土[10]等土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響的研究已取得明顯進展。但對砂姜黑土的研究多集中在碳氮變化[11]、耕作方式[3]、作物產(chǎn)量[12]、固碳效應[13]等方面。砂姜黑土屬于變性土，是一種與其母質(zhì)特性和礦物組成密切相關(guān)的土壤[14]。其富含的黏土礦物在自然狀態(tài)下漲縮循環(huán)，易發(fā)育深裂縫和發(fā)生孔隙黏閉現(xiàn)象，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在潛在的威脅。但砂姜黑土具有潛在的高自然肥力，因而一直受到國內(nèi)外眾多學者的廣泛關(guān)注[3，15-16]。

為了改良砂姜黑土的不良物理結(jié)構(gòu)，前人已嘗試采用了不同的技術(shù)（有機肥、粉煤灰、生物炭和改良劑等），并取得了一定進展[17-18]。黃淮海區(qū)砂姜黑土面積約400 萬hm2，對區(qū)域糧食安全及高質(zhì)量發(fā)展具有重要影響[19-20]。目前，僅有少數(shù)學者從長期施肥對砂姜黑土孔隙特征及其與土壤持水能力等關(guān)系角度進行了研究[21]，針對長期施肥對砂姜黑土大孔隙形態(tài)和數(shù)量的系統(tǒng)研究明顯不足，這限制了人們對長期施肥對砂姜黑土改良效果的科學認知。

本研究選取長期施肥定位試驗（安徽濉溪楊柳砂姜黑土定位試驗站）的5 個不同處理，運用X 射線計算機斷層掃描（CT）和圖像處理技術(shù)，解析砂姜黑土大孔隙形態(tài)和數(shù)量特征，揭示長期施肥條件下其結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，旨在為黃淮海平原中低產(chǎn)田整治和高標準農(nóng)田建設(shè)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 長期試驗設(shè)置和土壤取樣

試驗位于安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所濉溪縣楊柳試驗站（116°45′E，33°37′N，圖1）。供試土壤為砂姜黑土，成土母質(zhì)為河湖相沉積物。試驗始于1981 年，試驗前耕層土壤（0～20 cm）基礎(chǔ)理化指標[11]如下：pH 7.6，有機質(zhì)6.1 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1（C/N為7.8），全磷0.47 g·kg-1，堿解氮64.10 mg·kg-1，有效磷2.50 mg·kg-1。選取5 個處理（表1），3 個重復，小區(qū)面積30 m2。小區(qū)間鑄水泥作永久性田埂分離，中間有滴灌管道通向各種植小區(qū)。種植方式為小麥-玉米輪作，種植品種為當年的主栽品種，每季作物收獲后將地上部秸稈移除。4 個施肥處理采用統(tǒng)一標準施氮量。處理Ⅱ～Ⅳ的總施氮量相等，處理Ⅳ和Ⅴ施入的氮素有機肥與無機肥各半量計算。氮、磷、鉀肥分別為尿素（含純N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）。有機肥為豆餅肥，水分含量10%～15%，有機質(zhì)30%～40%、N 6%～7%、P2O51%～3%、K2O 2%～3%，有機肥施量均按當季肥料養(yǎng)分的含量折算。有機肥和磷鉀肥全部用作基肥，小麥和玉米的尿素基追比例和時間分別為6∶4（拔節(jié)期）和3∶5（大喇叭口期）。

表1 不同處理的肥料施用量Table 1 Fertilizer application rate in different treatments

圖1 試驗區(qū)位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the location of the test area

2017 年玉米收獲后，每個處理隨機抽取3 個直徑74 mm、高度200 mm 的原狀土柱。取樣時用反鏟小心推動聚氯乙烯（PVC）管（下邊緣削尖）垂直并逐漸進入土壤，樣品完整取好后帶回實驗室，置于4 ℃冰箱，待用。同時從每個取樣點附近利用環(huán)刀法測土壤容重，采集擾動的土壤樣品以分析粒度分布和理化性質(zhì)。

1.2 CT掃描

采用解放軍第91 中心醫(yī)院CT 掃描中心的飛利浦16 排螺旋CT 對土壤樣品進行掃描。該CT 主要應用于醫(yī)學領(lǐng)域，為保證掃描土壤樣品圖像的質(zhì)量和精度，重新把掃描參數(shù)設(shè)定為：峰值電壓130 kV，電流120 mA，掃描時間1.9 s，掃描層厚0.75 mm·層-1，體素大小0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm。為了消除土壤含水量對X射線衰減值的影響，掃描前使每個土柱接近田間持水量。掃描時確保每個土柱垂直方向掃描675 幅橫截面。該CT 設(shè)備立體等性像素分辨率為0.4 mm，最薄掃描層厚度為0.75 mm，參考LUO 等[22]對土壤大孔隙的研究，本研究中重建的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)是孔隙直徑＞0.75 mm的土壤大孔隙。

1.3 圖像處理與分析

采用ImageJ軟件進行圖像重建，采用背投影算法重建獲得大小為1 024×1 024 像素的16 位tiff 格式的灰度圖像，再將其轉(zhuǎn)存為8 位tiff 格式的灰度圖像，灰度值范圍為0～255。利用Normalize 命令對圖像進行歸一化處理，將圖像（512×512 像素）切割以排除土柱外的區(qū)域。然后重新采集200×200×200 像素立方體圖像作為熱點區(qū)域，用中值濾波消除邊緣效應。隨后采用Ostu 值法（閾值分割法），結(jié)合實際的土壤孔隙度反復調(diào)試確定每個圖像的分割閾值，灰度圖像通過閾值化被分割為兩部分（黑色和白色分別代表土壤孔隙和基質(zhì)）。圖像二值化后，通過ImageJ 插件（3D viewer）實現(xiàn)土柱孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化（圖2）。同時，對于分割后的二值圖像，利用ImageJ 插件（3D object counter）獲取土壤大孔隙數(shù)量，利用插件BoneJ 分別計算土柱體積大孔隙度、分形維數(shù)、連通性、各向異性和孔徑分布（依據(jù)孔隙灰度值直方圖分布）等[23]。

圖2 大孔隙定量和圖像處理流程[22]Figure 2 The procedures for image analysis and quantification of macropore networks[22]

1.4 土壤粒徑分布及理化性質(zhì)分析

土壤粒徑分布利用激光粒度分析儀（MasterSizer 2000，英國馬爾文儀器有限公司）進行分析，測量范圍為2～1 500 μm。土壤有機質(zhì)含量、土壤水分質(zhì)量分數(shù)、容重和田間總孔隙度等指標按照常規(guī)方法[24]測定。

1.5 統(tǒng)計分析和制圖

使用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件對土壤孔隙類別和土壤性質(zhì)進行單因素方差分析、相關(guān)性分析、回歸和多元統(tǒng)計分析。在主成分分析（PCA）中，旋轉(zhuǎn)方法采用Kaiser 歸一化的Varimax（Varimax-normalize algorithm）法。采用Sigma plot 12.5制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤性質(zhì)

不同處理0～20 cm 土層的基本性質(zhì)（表2）具有一定差異，但土壤質(zhì)地沒有發(fā)生變化，根據(jù)激光儀測定方法和吳克寧等[25]對國內(nèi)土壤質(zhì)地分類應用的探討，本研究采用美國土壤質(zhì)地分類標準，實驗土壤質(zhì)地均為粉砂質(zhì)黏土。在粒徑分布中，MNPK 處理的砂粒含量顯著高于其他處理，NPK的粉粒含量顯著高于其他處理，CK 黏粒含量顯著高于其他處理。施有機肥處理（M、MNPK 和HMNPK）容重顯著低于CK 和NPK 處理，表明有機肥處理能顯著降低土壤容重。總體來看，各處理土壤孔隙度、有機質(zhì)含量和土壤含水量變化趨勢基本一致，按照HMNPK≥M＞MNPK＞NPK＞CK的次序呈逐漸減小趨勢。M 和HMNPK 處理的有機質(zhì)含量最高（但兩者間無顯著差異），分別為33.86 g·kg-1和33.03 g·kg-1，CK 最低（20.86 g·kg-1），處理間按照M＞HMNPK＞MNPK＞NPK＞CK 順序呈顯著（P＜0.05）降低趨勢。

表2 不同處理砂姜黑土0～20 cm土層的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of vertisol at 0～20 cm depths from different treatments

NAVEED 等[26]和ZHOU 等[27]的長期試驗研究表明，有機肥和無機肥配施可增加有機質(zhì)含量、增加總孔隙度和降低土壤容重，與本研究結(jié)果相似，這可能是由于隨著有機肥的施用，土壤有機質(zhì)增加，致使作物產(chǎn)量增加，生產(chǎn)更多作物殘渣和根系，從而降低土壤容重和增加孔隙度[28]。然而，無機肥料的長期施用效果表明，土壤容重和總孔隙度與CK沒有顯著差異，這與YAN 等[29]和房煥等[30]研究結(jié)果一致。試驗中有機肥相關(guān)處理對孔隙度、有機質(zhì)含量的提升顯著高于無機肥，一方面有機肥中的大分子物質(zhì)對砂姜黑土中蒙脫石礦物漲縮過程中剪切力具有抑制作用，另一方面有機肥中的有機膠體、有機酸可以活化CaCO3進而促進有機無機復合團聚體形成，增加團聚間孔隙[31]。對于砂姜黑土而言，主要的黏合劑是土壤有機質(zhì)，本研究表明，與CK相比，NPK處理雖然顯著增加土壤有機質(zhì)含量，但容重和總孔隙度無顯著變化，可能與NPK處理較低的黏粒含量有關(guān)（NPK和CK處理的黏粒含量分別為42.1%和44.5%），但具體原因尚需進一步深入研究。

2.2 大孔隙結(jié)構(gòu)

2.2.1 大孔隙形態(tài)特征

（1）大孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可視化

不同處理大孔隙三維結(jié)構(gòu)明顯不同（圖3）。由圖3 可見，M 處理中存在少量由蚯蚓洞穴形成的大孔隙（管徑較大且連續(xù)），對比CK 處理下的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，M 處理表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，說明有機肥對砂姜黑土大孔隙結(jié)構(gòu)表層的影響大于底層。在CK 處理中可觀察到由根系形成的大孔隙（連續(xù)、圓形、孔徑隨著深度增加而減小）。NPK 處理大孔隙孔徑最小，HMNPK處理分布著最多的團聚體間孔隙（隨機且連續(xù)分布）。從大孔隙密度看，CK 處理最稀疏，HMNPK 處理最密集，二者對比則較明顯地展示出HMNPK處理可以很大程度上改善砂姜黑土的孔隙結(jié)構(gòu)；從大孔隙的大小來比較則可以看出，NPK 處理較M、MNPK 和HMNPK 處理孔隙整體偏小，而與CK 處理無明顯差異，說明有機肥對改善砂姜黑土大孔隙形態(tài)效果比無機肥更為顯著。此外，5 個處理均分布著較多的團聚體間孔隙，這可能是砂姜黑土干濕循環(huán)交替所致。LUO 等[22]的研究表明，牧草地土壤剖面分布著蚯蚓洞穴孔隙、團聚體間孔隙和根管孔隙，這些孔隙是蚯蚓在食物和空間上的競爭所致。

圖3 不同處理土柱（內(nèi)徑74 mm，高度200 mm）土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化Figure 3 Three-dimensional visualization of soil macropore networks for the soil columns（74 mm in diameter after cutting and about 200 mm in vertical height）of different treatments

在土體剖面中，CK 處理孔隙上下連通性最差，可能與較高的容重和較低的有機質(zhì)含量有關(guān)（表2），NPK 和MNPK 處理次之，而M 和HMNPK 處理連通性最強，可能是由于后兩個處理產(chǎn)生了大量有機質(zhì)以及腐解的根系，從而促進了有機質(zhì)積累，進而為微生物提供了充足的食物來源[22]，因此兩個處理含有較多的自上而下且連通性較好的生物孔隙。此外，CK、NPK和MNPK 剖面中有不連續(xù)的孔隙斷裂現(xiàn)象，柱形土樣的斷層現(xiàn)象通常由于取樣過程中用力不均勻，而圖像中的齊整斷裂現(xiàn)象可能是儀器掃描不完全所致。

（2）大孔隙形態(tài)參數(shù)

分形維數(shù)表征的是土壤孔隙的自相似特性，是土壤孔隙不規(guī)則性的綜合體現(xiàn)[32]。由表3可知，HMNPK處理分形維數(shù)最大，CK 和NPK 處理較小，說明經(jīng)過長期的施肥積累，土壤大孔隙結(jié)構(gòu)逐步趨于復雜和穩(wěn)定。相關(guān)性分析（表4）表明，分形維數(shù)與砂粒含量、土壤總孔隙度、連通性、土壤含水量和有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，而與容重和各向異性呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）。CK 處理大孔隙連通性最低，與CK 相比，NPK處理和M、MNPK、HMNPK 處理分別增加80.4%和3.8、2.2、10.2 倍。相關(guān)性分析表明，大孔隙連通性與砂粒含量和500～2 500 μm 土壤孔隙極顯著正相關(guān)，與總孔隙度顯著相關(guān)，而與75～500 μm土壤孔隙極顯著負相關(guān)，與土壤容重顯著負相關(guān)。CK 和MNPK 處理各向異性數(shù)值最高，NPK 和M 處理次之，HMNPK處理最低。相關(guān)性分析結(jié)果表明，各向異性僅與分形維數(shù)極顯著負相關(guān)。

表3 不同處理孔隙數(shù)量、總孔隙度及代表性孔隙形態(tài)參數(shù)Table 3 Total pore volumes and selected pore morphological parameters under different treatments

表4 代表性土壤孔隙性質(zhì)和分類大孔隙的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient matrix of soil pore classes and selected soil parameters

2.2.2 大孔隙數(shù)量特征

（1）大孔隙數(shù)量

不同處理土壤大孔隙數(shù)量存在較大差異（表3），數(shù)值范圍從最小值786個（CK）增加到最大值1 112個（M 處理）。其中，有機肥處理（M、MNPK 和HMNPK）較CK 分別顯著增加41.5%、33.3%和26.8%，較NPK分別增加25.6%、18.4% 和12.7%。但M、MNPK 和HMNPK 三個處理間無顯著差異。分別以大孔隙度、大孔隙數(shù)量作為響應變量，以黏粒、粉粒、砂粒、容重、有機質(zhì)含量為自變量進行多元線性回歸分析，結(jié)果（表5）表明，大孔隙數(shù)量與砂粒、粉粒、黏粒、容重和有機質(zhì)含量均存在正相關(guān)關(guān)系。

表5 回歸系數(shù)矩陣Table 5 Regression coefficient matrix

（2）大孔隙度

不同處理大孔隙度變化范圍從21%（CK）到31%（HMNPK），與CK 相比，HMNPK、M、MNPK 和NPK 處理的孔隙度分別增加10、7、6 和1 個百分點。其中，HMNPK、M 和MNPK 三個處理間無顯著差異，均顯著高于CK 和NPK 處理（兩者間無顯著差異）。此外，回歸分析表明，大孔隙度與有機質(zhì)和黏粒含量呈正相關(guān)，而與砂粒、粉粒和土壤容重呈負相關(guān)。

（3）孔徑分布

圖4和圖5分別為不同處理孔徑的孔隙度分布以及孔徑百分數(shù)。圖4 表明，不同處理孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯的層次性。其中HMNPK 處理峰值變化最為顯著，峰值分別出現(xiàn)在395～577 μm（第一峰值）和1 545～1 701 μm（第二峰值）。其他處理間峰值變化不明顯，其第一和第二峰值分別出現(xiàn)在235～580 μm 和690～1 110 μm 處。ZONG 等[33]研究表明，砂姜黑土孔徑分布呈陡峭的單峰曲線，與本研究雙峰曲線不一致，這可能與砂姜黑土不同的土壤性質(zhì)有關(guān)，ZONG等[33]和本研究砂姜黑土的黏粒含量、有機質(zhì)含量分別為44.5%和50.1%、20.86 g·kg-1和15.76 g·kg-1。

圖4 不同處理孔徑分布對應的孔隙度Figure 4 Pore size distribution（PSD）of soil column from vertisol under different treatments

圖5 進一步表明，126～500 μm 和500～2 500 μm孔徑在孔隙結(jié)構(gòu)中具有主導作用。在126～500 μm處，NPK 和M 處理孔徑百分數(shù)顯著（P＜0.05）高于CK、MNPK 和HMNPK 處理，但后三者間無顯著差異，相關(guān)分析表明，126～500 μm 孔徑與75～126 μm孔徑顯著正相關(guān)，而與連通性呈極顯著負相關(guān)；在500～2 500 μm 處，NPK 和M 處理孔徑百分數(shù)最低，分別顯著低于CK、MNPK 和HMNPK 處理，相關(guān)性分析表明，500～2 500 μm 孔徑與連通性極顯著正相關(guān)，與75～500 μm 和＜75 μm 孔徑分別呈極顯著和顯著負相關(guān)；在75～126 μm 處，M 處理孔徑百分數(shù)最大，CK、NPK、MNPK 處理間孔徑百分數(shù)無顯著差異但顯著高于HMNPK 處理，相關(guān)性分析則表明，75～126 μm孔徑分別與連通性和＜75 μm 孔徑呈極顯著負相關(guān)和正相關(guān)。

圖5 不同處理分類孔徑的百分數(shù)Figure 5 Aperture percentage under different treatments

2.2.3 主成分分析

為了定量評價不同變量的貢獻度，選取15 個變量采用最大化方差法提取主成分，對選出的因子再進行轉(zhuǎn)軸。依據(jù)特征值大于1 的原則選取共同因子個數(shù)，共選取4 個組分，占比分別為34.71%、23.53%、16.56%和13.29%，總計可解釋全部方差的88.09%（表6）。第1 主成分中，貢獻最大的正向變量是砂粒含量、孔隙度、土壤含水量、有機質(zhì)含量、分形維數(shù)、連通性和孔隙數(shù)量，負向變量依次是容重、75～126 μm孔徑和各向異性。第2 主成分中，貢獻較大的正向變量是＜500 μm 孔徑和粉粒含量。第3 主成分的正向和負向變量分別是各向異性和126～500 μm孔徑。第4主成分的正向變量是黏粒含量。

表6 主成分矩陣Table 6 Correlation between variables and principal components

三維載荷圖（圖6）表明4 類主成分被分成4 個組合。其中＜126 μm 孔徑與粉粒含量高度關(guān)聯(lián)，說明該級別孔徑受粉粒含量影響較大；126～500 μm 孔徑與土壤容重高度相關(guān)；500～2 500 μm 孔徑受到砂粒含量、黏粒含量、連通性、分形維數(shù)等多因素的綜合影響。這進一步表明，土壤過程（土壤粒徑分布、容重變化、有機質(zhì)動態(tài)、土壤水分運移）能對土壤孔隙結(jié)構(gòu)（孔徑分布和孔隙形態(tài)等）產(chǎn)生較大影響[33-34]，因此，土壤孔隙結(jié)構(gòu)可作為砂姜黑土長期施肥效應的敏感性評價指標[35]，對砂姜黑土質(zhì)量（有機質(zhì)）提升和障礙因子消減具有重要意義。

圖6 主成分3D載荷圖Figure 6 PCA loading 3-D plot

3 結(jié)論

（1）基于顯微CT 的37 a定位試驗表明，有機肥配施處理可增加土壤有機質(zhì)含量，無論在容重、孔隙度和含水量等基本性質(zhì)方面，還是在孔隙連通性和分形維數(shù)等形態(tài)方面，均明顯優(yōu)于對照和無機肥處理；與對照相比，有機肥配施處理的大孔隙度和大孔隙數(shù)量分別增加6～10 個百分點和26.8%～41.5%。因此，長期進行有機肥和無機肥配施，可明顯改善砂姜黑土大孔隙形態(tài)和數(shù)量特征，尤以高氮條件下處理效果最佳，而單施無機肥的改良效果則不明顯。

（2）回歸分析和主成分分析表明，土壤過程（土壤粒徑分布、容重變化、有機質(zhì)動態(tài)、土壤水分運移）對土壤孔隙結(jié)構(gòu)（孔徑分布和孔隙形態(tài)等）具有較大影響，因此，土壤孔隙結(jié)構(gòu)可作為砂姜黑土長期施肥效應的敏感性評價指標，分形維數(shù)和連通性可作為砂姜黑土障礙因子診斷和地力提升的敏感性定量評價指標。