有機(jī)物料改良土壤結(jié)構(gòu)及其定量化研究方法綜述

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(jī)物料改良土壤結(jié)構(gòu)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(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）

【目的】秸稈、有機(jī)肥、生物炭等眾多有機(jī)物料被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)之中，改良土壤結(jié)構(gòu)是其主要效用之一。在此基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)改良效果成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)?！痉椒ā勘疚尼槍?duì)不同有機(jī)物料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效應(yīng)及其定量化評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了歸納和評(píng)述?！窘Y(jié)果】在低溫干旱地帶，有機(jī)肥和聚丙烯酰胺對(duì)土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)土壤結(jié)構(gòu)；木本泥炭適用于改良細(xì)質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)；為多尺度、定量化地評(píng)價(jià)有機(jī)改良劑對(duì)土壤結(jié)構(gòu)特性的影響，土壤原狀結(jié)構(gòu)的無損獲取技術(shù)以及相對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像處理方法成了當(dāng)下和未來的主要研究手段。【結(jié)論】在今后的研究中應(yīng)當(dāng)根據(jù)土壤的理化性質(zhì)合理選擇改良物料，通過多學(xué)科交叉對(duì)各尺度的土壤物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)未來研究土壤結(jié)構(gòu)的新方法等作了展望。

土壤結(jié)構(gòu)；土壤改良；有機(jī)物料；定量研究

0 引 言

目前，由于土壤功能退化而導(dǎo)致的作物生長不良、病蟲害嚴(yán)重、作物品質(zhì)以及產(chǎn)量降低等問題日益嚴(yán)重，究其原因很大程度上是土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞。土壤結(jié)構(gòu)可以反映土體中水分和養(yǎng)分庫容大小以及運(yùn)移的能力，并為根系、微生物等土壤生物提供活動(dòng)的場所，與土壤水分運(yùn)動(dòng)、作物養(yǎng)分供應(yīng)、根系生長發(fā)育等重要的生態(tài)過程都密切相關(guān)。改良土壤結(jié)構(gòu)、修復(fù)退化土壤、保護(hù)土壤健康已經(jīng)到了刻不容緩的地步。有機(jī)肥、秸稈、生物炭等有機(jī)物料作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要肥源，不僅可以增加土壤有機(jī)碳量，優(yōu)化土壤的結(jié)構(gòu)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(duì)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(diǎn)關(guān)注了國內(nèi)外關(guān)于有機(jī)物料改良土壤物理結(jié)構(gòu)的研究及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的體現(xiàn)，并歸納了土壤結(jié)構(gòu)研究方法與相關(guān)進(jìn)展，對(duì)今后該領(lǐng)域的研究方向和熱點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 土壤結(jié)構(gòu)與土壤功能的概念

1.1 土壤結(jié)構(gòu)

土壤結(jié)構(gòu)是構(gòu)成土壤肥力和維持農(nóng)田生產(chǎn)力的關(guān)鍵要素，通常是指由土壤顆?；驁F(tuán)聚體與土壤孔隙所組成的三維結(jié)構(gòu)，其優(yōu)劣常以團(tuán)聚體（尤其是大團(tuán)聚體）的數(shù)量和質(zhì)量指標(biāo)來判斷[3]。通常情況下，將>0.25 mm的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，其量越高說明團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)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(tuán)聚體的數(shù)量指標(biāo)評(píng)價(jià)中，常用>0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。除此以外，團(tuán)聚體的直徑也應(yīng)受到重視Bavel[5]采用加權(quán)求和方法提出了結(jié)構(gòu)體平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter, MWD）的概念，Gardener[6]在此基礎(chǔ)上提出了幾何平均直徑（Geometric mean diameter, GMD）的概念，二者作為團(tuán)聚體狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用。

在土壤結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究中，團(tuán)聚體作為大尺度指標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注的是土壤的固相，而微觀尺度上的孔隙結(jié)構(gòu)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(jìn)行相關(guān)研究時(shí)也必須將孔隙結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)。土壤孔隙結(jié)構(gòu)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(duì)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(gè)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]。通常采用孔隙度、孔隙形狀、孔隙分布等作為土壤結(jié)構(gòu)的數(shù)量以及形態(tài)學(xué)特征指標(biāo)。在評(píng)價(jià)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(shí)，常常采用孔喉的相關(guān)指標(biāo)，例如孔喉數(shù)、有效喉道體積、孔喉大小分布等，以及相關(guān)的諸如孔隙連通性（三維歐拉數(shù)）、飽和導(dǎo)水率等評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-9]。通過以上圍繞團(tuán)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(duì)土壤結(jié)構(gòu)從宏觀至微觀有一個(gè)較為全面而系統(tǒng)的認(rèn)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(guān)的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)[10]。數(shù)年來相關(guān)專家學(xué)者對(duì)土壤功能的內(nèi)容進(jìn)行了多次的補(bǔ)充與完善，1992年在美國召開的土壤質(zhì)量會(huì)議，認(rèn)為土壤的主要功能包括3個(gè)方面：①生產(chǎn)力；②環(huán)境質(zhì)量；③動(dòng)物健康[11]。2002年歐洲委員會(huì)將土壤功能分為糧食和其他生物的生產(chǎn)功能、存儲(chǔ)過濾和轉(zhuǎn)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(dòng)計(jì)劃中，則將土壤主要功能分為6個(gè)，即生產(chǎn)功能、土壤對(duì)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(tái)功能、提供原料功能和文化遺產(chǎn)保護(hù)功能[13]。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤功能是土壤物質(zhì)儲(chǔ)存、傳輸、轉(zhuǎn)化過程的外在體現(xiàn)，而土壤結(jié)構(gòu)作為植物根系、動(dòng)物以及微生物的活動(dòng)場所，改善結(jié)構(gòu)可以使得土壤功能的優(yōu)化體現(xiàn)在水肥高效利用、促進(jìn)作物生長等方面。改善了土壤結(jié)構(gòu)，也就改善了農(nóng)業(yè)土壤的功能。

2 常見有機(jī)改良劑及其效果

土壤有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的主要膠結(jié)劑，通過施加有機(jī)物料不僅可以增加土壤中有機(jī)質(zhì)量，同時(shí)可以進(jìn)一步促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)與分解，使其在分解轉(zhuǎn)化過程中膠結(jié)不同粒級(jí)的團(tuán)聚體，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改良土壤結(jié)構(gòu)，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(nóng)業(yè)生產(chǎn)上直接體現(xiàn)為作物的增產(chǎn)增收[4,14]。因此，以土壤有機(jī)質(zhì)管理為中心，通過施入作物秸稈、有機(jī)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(jìn)土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合，同時(shí)利用保護(hù)性耕作減少物理性擾動(dòng)，是目前改良土壤結(jié)構(gòu)的主要調(diào)控措施，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定起到至關(guān)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(zhì)素和蛋白等構(gòu)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(zhuǎn)化得到的腐殖酸可以與土壤中的鈣、鎂離子結(jié)合形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而改善土壤的理化性狀[16]。眾多學(xué)者在秸稈還田影響土壤結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)動(dòng)、作物產(chǎn)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(jìn)一步提高土壤孔隙度。于博等[18]在內(nèi)蒙古沙壤土上進(jìn)行定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多年秸稈深翻還田可提高土壤的累計(jì)入滲量和平均入滲速率。周延輝等[19]對(duì)多篇田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)，秸稈還田技術(shù)在潮土、塿土和水稻土上對(duì)小麥的增產(chǎn)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(chǎn)量，但卻未觀察到其對(duì)小麥產(chǎn)量的顯著影響。許多學(xué)者有試驗(yàn)表明農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)秸稈還田的輕微負(fù)面反應(yīng)，多數(shù)減產(chǎn)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(guān)鍵在于秸稈的腐解程度。綜上，建議運(yùn)用免耕和翻耕的耕作技術(shù)。將秸稈還田多應(yīng)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?zé)岢睗竦哪戏?，并針?duì)土壤類型、作物種類和種植方式，應(yīng)對(duì)秸稈的管理做更多綜合的調(diào)查和評(píng)價(jià)。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(jié)合等等也應(yīng)引起重視。

2.2 有機(jī)肥

有機(jī)肥可促進(jìn)大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的形成，提高團(tuán)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(chǔ)存與運(yùn)動(dòng)、養(yǎng)分傳輸以及作物增產(chǎn)。肖慶禮等[23]在黃壤中施加牛糞有機(jī)肥，發(fā)現(xiàn)隨著其用量增加可以降低土壤體積質(zhì)量、殘余含水率（r）和進(jìn)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(dǎo)水率（s）。Wang等[24]對(duì)中國北方的田間試驗(yàn)進(jìn)行meta分析發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥料可以提高谷物20%的產(chǎn)量而不影響蒸發(fā)量，進(jìn)而增加土壤水分利用率。任科宇等[25]通過對(duì)我國不同地區(qū)添加有機(jī)肥后的作物產(chǎn)量分析發(fā)現(xiàn)，玉米的增產(chǎn)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(yàn)得出施肥，尤其是施加有機(jī)改良劑，不僅顯著提高了作物的生產(chǎn)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(jié)果有出入：在形成土壤微生物群落時(shí)，作物的生育階段以及時(shí)間變化是比短期施加有機(jī)肥更強(qiáng)的影響因素。

通過眾多研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥是改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)田水養(yǎng)運(yùn)移，提高作物產(chǎn)量的有效途徑。與短期施用相比，長期添加有機(jī)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(fēng)區(qū)的旱作作物上，例如玉米和小麥，而對(duì)高溫潮濕的亞熱帶季風(fēng)區(qū)主要作物水稻則增產(chǎn)效果一般。

2.3 生物炭

生物炭（Biochar）也稱為生物質(zhì)炭，是生物質(zhì)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(zhì)[29]。當(dāng)土壤中施加生物炭后，土壤的相關(guān)物理性質(zhì)發(fā)生變化，其作用機(jī)制仍有待深入，不同的研究者得出的結(jié)論并不一致，這可能與生物炭性質(zhì)、施用量、土壤特性及試驗(yàn)周期等有關(guān)。Burrell等[30]應(yīng)用盆栽試驗(yàn)探究生物炭對(duì)黑鈣土、雛形土、粗質(zhì)地的黏磐土的物理性質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)在黏磐土中體積質(zhì)量和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性改良效果最好，得出生物炭在質(zhì)地粗糙的土壤中對(duì)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(huì)提高微孔比例。王浩等[32]試驗(yàn)結(jié)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(duì)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(chǎn)，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(chǎn)量提高[33]。

關(guān)于施加生物炭后土壤和作物對(duì)其的響應(yīng)，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(zhì)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(dāng)前的眾多研究中我們對(duì)生物炭制備的熱化學(xué)過程知之甚少，且許多結(jié)論都是在短期試驗(yàn)之后得到的。因此今后相關(guān)學(xué)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(jié)構(gòu)等）對(duì)生物炭進(jìn)行定向制備，并根據(jù)不同類型土壤進(jìn)行長期的附加研究才能真正達(dá)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?bào)w長期處于潮濕缺氧環(huán)境中經(jīng)厭氧菌不完全分解而形成的產(chǎn)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(nèi)外應(yīng)用較多的為草本泥炭和蘚類泥炭，對(duì)于木本泥炭的相關(guān)研究應(yīng)用很少，國內(nèi)近幾年才出現(xiàn)相關(guān)研究報(bào)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(zhì)量，提高其孔隙度，進(jìn)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(huì)降低玉米產(chǎn)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(nóng)業(yè)土壤中添加木本泥炭均會(huì)提高小麥產(chǎn)量，在紅壤地區(qū)格外顯著，但是在粗質(zhì)地土壤中有機(jī)質(zhì)的下降速度要遠(yuǎn)高于細(xì)質(zhì)地土壤。

有多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)木本泥炭在提高土壤孔隙度、有機(jī)質(zhì)量以及作物產(chǎn)量等方面有一定的效用，尤其對(duì)紅壤等細(xì)質(zhì)地土壤的改良效果顯著，但是對(duì)木本泥炭自身的理化性質(zhì)、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(jìn)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(jié)構(gòu)中的基鍵與土壤顆粒產(chǎn)生吸附力，使土壤顆粒膠結(jié)形成大團(tuán)聚體，從而起到改善土壤結(jié)構(gòu)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(tuán)聚體的數(shù)量明顯增加，小團(tuán)聚體（<0.25 mm）數(shù)量逐漸減少，同時(shí)降低了團(tuán)聚體分形維數(shù)，其施用的最優(yōu)濃度約為1 g/kg。紀(jì)立東等[41]在賀蘭山的淡灰鈣土區(qū)域配施有機(jī)肥和PAM，結(jié)果表明可以提高該地區(qū)土壤的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和儲(chǔ)水能力。Wei等[42]研究表明在整個(gè)玉米生長過程中，PAM處理的0～100 cm土壤含水率比對(duì)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(chǎn)率，但是其節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

圖1 陰離子型PAM改良土壤結(jié)構(gòu)原理

PAM由于其良好的膠結(jié)性和吸附性，可以有效應(yīng)用于干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高該區(qū)域土壤的持水性能。一般來說PAM對(duì)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(chǎn)物是否一致還無相關(guān)研究，同時(shí)由于PAM價(jià)格較高，建議應(yīng)用在具有較高附加值的經(jīng)濟(jì)作物上。

3 土壤結(jié)構(gòu)的定量化研究

3.1 土壤結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)獲取技術(shù)

通過團(tuán)聚體的抗水化和抗機(jī)械破碎的能力來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，進(jìn)行定量分級(jí)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(jì)30年代Yoder就提出了篩分法，但是該方法耗時(shí)耗力，且在處理和表達(dá)結(jié)果時(shí)有一定的局限[43]。而后McCalla等提出使用水滴法來評(píng)價(jià)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但其精準(zhǔn)度不高[44]；在田間試驗(yàn)中常常采用人工模擬降雨法[45]。在20世紀(jì)20年代末，Le Bissonnais法在前人的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，成了較統(tǒng)一的團(tuán)聚體的研究方法[46]，卻仍舊沒有突破會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)的局限。

針對(duì)土壤微觀孔隙結(jié)構(gòu)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(jì)，但是這種間接方法耗時(shí)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(xué)的興起，相關(guān)學(xué)者制備土壤切片，并使用數(shù)碼相機(jī)掃描電鏡（SEM）等技術(shù)手段觀察其圖像來對(duì)土壤孔隙進(jìn)行研究。劉建立等[49]使用數(shù)碼相機(jī)拍攝砂壤土的切面，由此建立了土壤的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型并對(duì)其水力學(xué)特性進(jìn)行了預(yù)測。耿雨晗等[50]結(jié)合SEM與壓汞試驗(yàn)，得出了黃河三角洲鹽堿土結(jié)構(gòu)性和滲透性較差的結(jié)論。但是上述2種方法切片制作過程復(fù)雜，且仍存在破壞土壤孔隙結(jié)構(gòu)的可能。

3.2 土壤結(jié)構(gòu)的無損獲取技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前無損技術(shù)常用的有X射線斷層掃描技術(shù)（CT）以及核磁共振技術(shù)（NMR）等。計(jì)算機(jī)斷層掃描是一種非破壞性成像技術(shù)，可以真實(shí)地獲取毫米到微米尺度的土壤孔隙特征[51]。同時(shí)，CT技術(shù)也已經(jīng)被應(yīng)用于表征微生物群落結(jié)構(gòu)、作物根系形態(tài)與分布[52]、以及溶質(zhì)運(yùn)移[53]等與土壤功能相關(guān)的參數(shù)之中。例如，Hamamoto等[54]研究了CT技術(shù)所測得的土壤顆粒尺寸和形狀、總孔隙度對(duì)孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，以及孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳質(zhì)參數(shù)之間的聯(lián)系。Liang等[55]結(jié)合SEM、CT以及磷脂脂肪酸（PLFA）測量結(jié)合提供了一種通過將土壤結(jié)構(gòu)與土壤微生物特性聯(lián)系起來以研究土壤有機(jī)碳變化機(jī)制的新方法。Zhou等[56]利用CT可視化并量化土壤結(jié)構(gòu)和小麥根系，研究結(jié)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(xué)學(xué)者想探究更小尺度的土壤結(jié)構(gòu)，例如團(tuán)聚體內(nèi)部的相關(guān)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(shù)，該技術(shù)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(shù)，使大團(tuán)聚體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可視化，以此探究其對(duì)長期施肥的響應(yīng)。吳呈峰等[58]結(jié)合同步輻射與土壤團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像，揭示了紅壤團(tuán)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(shù)研究表明凍融次數(shù)與黑土團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙度成正比。

與CT相比，核磁共振技術(shù)分辨率較高，可以觀測多孔介質(zhì)中孔隙的結(jié)構(gòu)、大小分布以及孔隙中流體的流速等[60]。在土壤物理學(xué)的研究中常被用于研究土壤孔隙水以及有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如固態(tài)13C核磁共振技術(shù)（13C-NMR）可以根據(jù)不同有機(jī)質(zhì)量的黑土碳結(jié)構(gòu)來建立不同有機(jī)質(zhì)梯度的黑土分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[61]。Dong等[62]利用核磁共振技術(shù)研究干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土結(jié)構(gòu)特性的影響，結(jié)果表明循環(huán)次數(shù)主要增加土壤大孔隙，而對(duì)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(zhuǎn)NMR結(jié)合偶極去相技術(shù)，定量地表征出各腐殖質(zhì)組分的化學(xué)性質(zhì)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(guān)。

圖2總結(jié)了以上3種土壤結(jié)構(gòu)無損獲取技術(shù)的主要適用對(duì)象，相關(guān)學(xué)者應(yīng)當(dāng)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(duì)于小樣品也可以達(dá)到亞微米級(jí)的分辨率，因此適用于大多數(shù)土壤科學(xué)的研究中。同步輻射微納米CT可以實(shí)現(xiàn)同軸相襯成像，對(duì)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(shí)間太長。核磁共振技術(shù)可以探究到更小尺度的土壤結(jié)構(gòu)，例如微團(tuán)聚體間孔隙以及顆粒間孔隙，并且可以確定多孔介質(zhì)中的流域性質(zhì)，但受限于其昂貴的成本，當(dāng)前無法進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

圖2 土壤結(jié)構(gòu)主要無損獲取技術(shù)及其適用對(duì)象

3.3 數(shù)字圖像處理與三維形態(tài)重構(gòu)方法

上述無損研究方法往往獲取到的是土壤原狀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像，若想對(duì)其進(jìn)行定量化分析，則必須掌握數(shù)字圖像的處理技術(shù)。在該領(lǐng)域的探索初期，大多運(yùn)用數(shù)學(xué)方法提取數(shù)字圖像中的土壤結(jié)構(gòu)信息。Peyton等[64]對(duì)X射線CT數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)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(jì)算機(jī)模擬生成了土壤的分形結(jié)構(gòu),并且模擬了土壤的水力性質(zhì)及其漲縮過程。張萌等[66]結(jié)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(luò)及其均勻性。以上對(duì)數(shù)字圖像的處理方法大多數(shù)是間接獲取土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)并粗略估計(jì)其物理特性，有一定概率對(duì)結(jié)果做出錯(cuò)誤的推斷，如今已經(jīng)難以滿足土壤科學(xué)的研究需求。

隨著越來越多種土壤結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像獲取技術(shù)的出現(xiàn)，相關(guān)配套軟件應(yīng)運(yùn)而生。這類軟件通常以三維重構(gòu)及可視化作為最大特點(diǎn)而被相關(guān)學(xué)者廣泛應(yīng)用。Image J是一個(gè)基于JAVA的開源圖形設(shè)計(jì)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(qiáng)大的圖像處理功能[67]。其安裝方便快捷，對(duì)計(jì)算平臺(tái)要求較低，可以輕松實(shí)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(duì)多張的二維圖像進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的還原并直接定量獲取相關(guān)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(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，以此探究草地向農(nóng)田轉(zhuǎn)變過程中的動(dòng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(píng)估免耕系統(tǒng)（NTS）下石灰對(duì)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(jìn)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(chǔ)的種植系統(tǒng)中用于探究耕作、輪作和殘留管理對(duì)土壤微觀結(jié)構(gòu)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(jìn)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(dòng)畫設(shè)計(jì)的表現(xiàn)也更出色。因此對(duì)計(jì)算平臺(tái)要求較高，在優(yōu)秀的工作站支持下可以計(jì)算幾十GB甚至上百GB,TB級(jí)別數(shù)據(jù)。除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，商業(yè)軟件自身以及所需高性能計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建都會(huì)產(chǎn)生高昂的費(fèi)用，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際科研需求選擇合適的數(shù)字圖像處理方法

4 結(jié)論與展望

在針對(duì)有機(jī)物料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良以及定量化評(píng)價(jià)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(jìn)展，但其中仍存在不少有待完善的方面，今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展研究：

1）充分了解被改良土壤的理化性質(zhì)，從而選取適宜的、適量的有機(jī)物料。

通過以上文獻(xiàn)總結(jié)，我們認(rèn)為在北方低溫少雨的干旱地區(qū)，施用有機(jī)肥和聚丙烯酰胺是改良該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)，而木本泥炭適用于改良細(xì)質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)。但是大多數(shù)有機(jī)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(jìn)行改良前仍應(yīng)當(dāng)做好土壤調(diào)查工作。同時(shí)，各種措施的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境友好性在實(shí)際生產(chǎn)中也應(yīng)當(dāng)被考慮。

2）多尺度、多學(xué)科交叉地綜合改良土壤結(jié)構(gòu)。

在研究施用有機(jī)物料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤功能的改良時(shí)，應(yīng)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(jī)制來闡釋其機(jī)理。不能僅關(guān)注相關(guān)物理性狀上的變化，并由此單一角度來探究其優(yōu)化機(jī)理。實(shí)際上，土壤結(jié)構(gòu)和功能的改變是土壤物理、化學(xué)、生物過程的復(fù)雜交互，在研究時(shí)需要多學(xué)科、多手段的交叉和融合，從多尺度切入，以此真正揭示其內(nèi)在的原理和機(jī)制。

3）探尋定量評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的新技術(shù)與新方法。

由于土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何全面而準(zhǔn)確地描述土壤結(jié)構(gòu)仍舊是土壤學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難題。大多數(shù)研究都是將土壤結(jié)構(gòu)作為一種靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的性狀，很少關(guān)注土壤結(jié)構(gòu)（尤其微觀孔隙結(jié)構(gòu)）對(duì)土壤水分養(yǎng)分循環(huán)、作物生長發(fā)育等動(dòng)態(tài)過程的響應(yīng)。我們期望在今后可以利用不斷進(jìn)步的數(shù)字圖像獲取手段和分析技術(shù)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(jī)物料改良土壤結(jié)構(gòu)及其定量化研究方法綜述[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 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(xué)基金項(xiàng)目（41771265）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)子課題（XDA28010400）

宣可凡（1996-），女。博士研究生，主要從事土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)運(yùn)移模型以及農(nóng)田信息獲取與監(jiān)測技術(shù)研究。E-mail: jlliu@issas.ac.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍