深松結(jié)合秸稈還田對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

楊建君，蓋浩，張夢(mèng)璇，蔡育蓉，王力艷，王立剛

深松結(jié)合秸稈還田對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2青岡縣氣象局，黑龍江青岡 151600

【目的】東北黑土實(shí)施深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響的研究缺乏明確性結(jié)論，為此開展本研究，旨在研究深松結(jié)合秸稈還田對(duì)黑土結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，為合理耕層創(chuàng)建提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā坷迷跂|北典型黑土區(qū)——黑龍江省綏化市青岡縣開展的5年田間定位試驗(yàn)為平臺(tái)，設(shè)置農(nóng)民常規(guī)耕作（FP）、單獨(dú)深松25 cm（T2）、深松25 cm結(jié)合秸稈還田（T3）和深松35 cm結(jié)合秸稈還田（T4）等處理，采用CT掃描技術(shù)開展土壤孔隙結(jié)構(gòu)可視化和定量化研究，并結(jié)合田間持水量和容重等指標(biāo)，探究深松結(jié)合秸稈還田對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)的影響。【結(jié)果】通過土壤孔隙二維和三維圖像可以清晰看出，各處理0—20 cm土層孔隙分布均明顯少于20—40 cm土層，深松結(jié)合秸稈還田（T3、T4）的孔隙分布明顯多于FP，增加了結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的大孔隙。定量化分析表明，相較于FP，單獨(dú)深松25 cm（T2）顯著提高20—30 cm土層總孔隙度103.0%（＜0.05），主要通過顯著提高小孔隙（孔隙直徑d≤0.50 mm）孔隙度91.3%和中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）孔隙度143.5%來實(shí)現(xiàn)（＜0.05）；而深松結(jié)合秸稈還田（T3、T4）則可顯著提高0—30 cm土層總孔隙度109.8%—382.7%（＜0.05），主要通過顯著提高大孔隙（d＞1.00 mm）孔隙度221.5%—661.7%和中孔隙孔隙度105.4%—544.9%來實(shí)現(xiàn)（＜0.05）。T3、T4還顯著提高了0—30 cm土層孔隙的分形維數(shù)9.9%—17.7%（＜0.05），降低了歐拉數(shù)32.4%—66.4%（＜0.05），顯著提高田間持水量24.2%—40.6%（＜0.05）。進(jìn)一步分析得出不同孔徑孔隙度、總孔隙度與田間持水量、分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與歐拉數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01）。【結(jié)論】深松結(jié)合秸稈還田能夠提高黑土大中孔隙的孔隙度、改善孔隙結(jié)構(gòu)和連通性、增加田間持水量，尤以深松35 cm結(jié)合秸稈還田的效果最為顯著，可作為東北黑土合理耕層構(gòu)建的推薦措施。

東北黑土；深松結(jié)合秸稈還田；CT掃描技術(shù)；土壤孔隙結(jié)構(gòu)

0 引言

【研究意義】東北黑土區(qū)作為我國重要商品糧生產(chǎn)基地，自開墾以來，隨著連年高強(qiáng)度的開發(fā)利用，機(jī)械作業(yè)的連年壓實(shí)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)變差，嚴(yán)重影響了黑土的肥力供給和產(chǎn)能提升，甚至威脅到我國的糧食安全[1]。因此，如何保護(hù)黑土地，提高黑土耕地質(zhì)量，成為黑土地保護(hù)亟待解決的首要問題[2]【前人研究進(jìn)展】眾多學(xué)者針對(duì)于黑土結(jié)構(gòu)變差的問題提出了不同解決措施，包括改進(jìn)耕作措施[3-4]、秸稈還田[5-6]、施用生物炭[7]等，結(jié)果證實(shí)均可以不同程度改善黑土結(jié)構(gòu)，有利于黑土合理耕層的構(gòu)建，其中深松和秸稈還田措施是公認(rèn)為具有降低土壤容重[8]、增加耕層厚度[9]、改善孔隙分布[5]的效應(yīng)，若將兩者結(jié)合，則可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，改善土壤理化性狀[10-11]，有效改良黑土結(jié)構(gòu)。當(dāng)前研究多通過測(cè)定土壤有機(jī)碳含量、土壤容重、貫入阻力等基礎(chǔ)理化性狀[6,10,12]來探究深松和秸稈還田措施對(duì)黑土的影響，鮮有從土壤孔隙結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行研究，特別是缺乏可視化和定量化相結(jié)合的方法，對(duì)其改善土壤性狀的效果難以有科學(xué)直觀的判斷與評(píng)價(jià)。土壤孔隙結(jié)構(gòu)指土壤孔隙的形態(tài)大小、數(shù)量搭配及其分布狀況，包括孔隙度、孔隙半徑、孔隙大小分布等形態(tài)和數(shù)量特征，以及孔隙的相互連通狀況和孔隙之間相關(guān)性等空間分布特征，是土壤結(jié)構(gòu)的重要方面[13]，孔隙結(jié)構(gòu)直接影響土壤持水能力[5,14]和土壤肥力[15]。因此，對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究具有重要的實(shí)踐意義和指導(dǎo)作用。CT技術(shù)，即X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-ray computed tomography）技術(shù)[16]，可以快速獲取原狀土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是非破壞性檢測(cè)土壤孔隙3D結(jié)構(gòu)的一種新興手段[17]，可以實(shí)現(xiàn)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的可視化與定量化[18-19]，與傳統(tǒng)基本理化性狀指標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著CT掃描技術(shù)及后續(xù)分析手段的發(fā)展進(jìn)步，近年來已經(jīng)有不少學(xué)者利用這一方式進(jìn)行土壤孔隙可視化與定量化研究。邱琛等[5]2019年利用CT掃描技術(shù)研究有機(jī)物料還田深度對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)影響，結(jié)果顯示秸稈淺混還田、秸稈深混還田和秸稈配合有機(jī)肥深混還田處理對(duì)0—15 cm土層＞500 μm孔隙數(shù)量和孔隙度分別顯著增加了18.1%—179.9%和69.2%—256.0%（＜0.05），表明施用有機(jī)物料能夠增加相應(yīng)土層的孔隙數(shù)量，改善孔隙分布，增加孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且在土壤中出現(xiàn)了交叉孔隙和細(xì)長孔隙，提高了孔隙的連通性。王憲玲等[20]基于CT技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)相比單施化肥，有機(jī)無機(jī)肥配施可以提高20—40 cm土層大孔隙度91.7%（＜0.05），增加大孔隙數(shù)量54.8%，土壤持水和導(dǎo)水性也能明顯提高。房煥等[21]基于CT技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)稻麥輪作區(qū)進(jìn)行全量秸稈還田能夠降低土壤容重19.4%，增大土壤大孔隙度110.6%，改善水稻土物理結(jié)構(gòu)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前基于CT掃描技術(shù)的研究多是探究免耕、有機(jī)肥替代化肥、秸稈還田與常規(guī)耕作措施之間的土壤孔隙結(jié)構(gòu)差異[20-25]，而關(guān)于深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)的研究鮮有報(bào)道，且缺乏系統(tǒng)性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】針對(duì)上述現(xiàn)狀和問題，本研究利用在東北典型黑土區(qū)開展的田間定位試驗(yàn)，通過CT掃描技術(shù)開展土壤孔隙結(jié)構(gòu)可視化與定量化的研究，探究深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)東北黑土土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以期為深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)黑土物理結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制研究及合理耕層的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在黑龍江省綏化市青岡縣民政鎮(zhèn)進(jìn)化村（126°11′3.14″N，46°42′42.11″E）。該地處于松嫩平原腹地，是典型東北黑土區(qū)域，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔457 m，年平均氣溫2.4—2.6℃，全年無霜期130 d左右。試驗(yàn)開展期間（2017—2021年）年降水量為614—753 mm，且降雨主要集中在6—8月，占全年降雨量60%—80%；2020年試驗(yàn)地點(diǎn)遭遇極端臺(tái)風(fēng)天氣，9月又發(fā)生多次強(qiáng)降雨（月總降水量達(dá)220.7 mm），全年降雨量達(dá)到753 mm。供試土壤為黏壤質(zhì)黑鈣土，0—100 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2017年，采用大區(qū)設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)處理面積為1 200 m2（50 m×24 m）。共設(shè)置4個(gè)處理，分別是農(nóng)民常規(guī)耕作（FP，旋耕）、單獨(dú)深松25 cm（T2）、深松25 cm結(jié)合秸稈還田（T3）、深松35 cm結(jié)合秸稈還田（T4），T3、T4處理均為秸稈全量還田，試驗(yàn)田及取樣點(diǎn)布置如圖1所示。

每年秋季玉米收獲后，深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）地塊首先用秸稈碎混機(jī)進(jìn)行秸稈原位碎混（碎混至秸稈長度小于5 cm），每兩年進(jìn)行一次相應(yīng)深度的深松（每次深松位置基本一致），之后使用翻地機(jī)器將粉碎后的秸稈翻到20—25 cm土層，用耙地機(jī)器打碎土塊后旋耕起壟（作業(yè)機(jī)械類型及流程如圖2所示）。單獨(dú)深松處理（T2）：玉米收獲后將秸稈移出試驗(yàn)田，每兩年進(jìn)行一次深松，之后旋耕起壟。農(nóng)民常規(guī)耕作（FP）：玉米收獲后將秸稈移出試驗(yàn)田，進(jìn)行旋耕起壟。所有深松作業(yè)均使用德國LEMKEN公司的Karat 9深松機(jī)進(jìn)行，深松深度通過儀器數(shù)字電控；所有旋耕作業(yè)深度一致，均約15 cm。T2、T3、T4處理于2017、2019、2021年秋季分別進(jìn)行相應(yīng)的深松，2020年秋季由于受到臺(tái)風(fēng)和土壤濕度太大的影響，未進(jìn)行翻地、起壟等措施，于2021年春季進(jìn)行了相應(yīng)的耕作措施。

圖1 試驗(yàn)田及取樣點(diǎn)布置示意圖

表1 2017年試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性狀

圖2 深松結(jié)合秸稈還田耕作流程

各處理均于5月初播種，10月初收獲。供試品種為天澤703，播種行間距66 cm，株間距25 cm，種植密度約為6萬株/hm2。

1.3 樣品采集與測(cè)定

本研究于2021年8月進(jìn)行原狀土柱取樣（圖2）。目前關(guān)于CT技術(shù)的前期取樣尚未有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，但都是以獲取原狀土體，盡量減少取樣過程對(duì)所取原狀土體的擾動(dòng)為原則。一些學(xué)者使用PVC管進(jìn)行原狀土壤取樣[23,26]，本題組在2019年也嘗試?yán)迷摲椒ㄟM(jìn)行取樣，但效果不理想，表明在東北質(zhì)地較為黏重的黑土使用PVC管取樣難度較大且取樣過程易發(fā)生較大的擾動(dòng)，進(jìn)而影響測(cè)定的準(zhǔn)確性，因此本課題組采用定制的白鋼取樣盒進(jìn)行剖面取樣（取樣盒長、寬、高參數(shù)為50 cm×10 cm×10 cm，50 cm×10 cm的一面可開合，如圖3所示）。

每個(gè)試驗(yàn)大區(qū)取3個(gè)原狀土柱作為重復(fù)，取樣點(diǎn)布置如圖1所示。由于本研究采用大區(qū)試驗(yàn)，耕作措施均由中型及大型機(jī)械進(jìn)行，機(jī)械壓實(shí)及深松尺作業(yè)均主要作用于壟溝，故取樣點(diǎn)均布設(shè)在壟溝。原狀土柱取樣時(shí)，先在取樣地塊挖出長約60 cm，寬約40 cm，深約60 cm的長方體剖面，將取樣盒扣在取樣剖面（寬40 cm，深60 cm的一面，要保證此面較平滑，豎直方向垂直地面），然后在取樣盒底部墊上厚木板（減少擾動(dòng)以及防止取樣盒受敲擊變形），用錘子擊打厚木板直至將取樣盒完全扣入土體，在側(cè)面用鐵鍬將裝有原狀土柱的取樣盒挖出，挖出后用刮刀將多余土壤去掉，扣上蓋子，用膠帶密封，盡量減少水分蒸發(fā)散失，使用氣柱包裝袋將裝有原狀土體的取樣盒包好，立即送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行CT掃描。取樣及運(yùn)輸過程盡量減少對(duì)原狀土柱的擠壓、碰撞等擾動(dòng)。掃描樣品完成后，用體積100 cm3的環(huán)刀分別在原狀土柱0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層取原狀土，用于田間持水量、容重指標(biāo)的測(cè)定[27]，并取0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土樣，風(fēng)干測(cè)土壤有機(jī)碳含量。

圖3 取樣盒示意圖

原狀土柱CT掃描委托英華檢測(cè)（上海）有限公司分析測(cè)試中心測(cè)定，采用GE公司的phoenix v | tome x m多功能X射線微聚焦CT系統(tǒng)，掃描參數(shù)：掃描電壓為220 kV，掃描電流為230 μA，分辨率為100 μm，為避免取樣及運(yùn)輸對(duì)兩端的擾動(dòng)，原狀土柱最上端3 cm及最下端7 cm不進(jìn)行掃描，僅掃描其余40 cm原狀土柱，掃描結(jié)束每個(gè)原狀土柱獲取約4 000張16位tiff格式圖像。

1.4 圖像處理及數(shù)據(jù)獲取

圖像處理采用image J軟件進(jìn)行，主要處理過程如下[17]：（1）導(dǎo)入圖像。為更直觀整體展現(xiàn)原狀土柱孔隙結(jié)構(gòu)，可視化對(duì)象為整個(gè)原狀土柱?；谟?jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，可視化過程采取隔一選一的方式（Increment=2），每個(gè)土樣選取約2 000張灰度圖像進(jìn)行處理；定量化過程分層進(jìn)行處理（10 cm/層），每層選取對(duì)應(yīng)約1 000張灰度圖像進(jìn)行處理（Increment=1）；（2）圖像增強(qiáng)。調(diào)節(jié)圖像亮度、對(duì)比度；（3）圖像去噪。通過中值濾波平滑圖像；（4）選擇分析區(qū)域。為了避免邊界部分的影響，利用方形工具選取未受擾動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分析，本研究中可視化與定量化均選取200像素×200像素的分析區(qū)域，換算實(shí)際土樣切面面積大小為2 cm×2 cm；（5）二值分割。目視法確定圖像的分割閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；（6）孔隙可視化及定量化。對(duì)于分割后的二值圖像，進(jìn)行顆粒分析獲取每個(gè)土層的孔隙面積和孔隙度，利用Bone J插件獲取孔隙大小分布、分形維數(shù)及歐拉數(shù)，孔隙的可視化通過3D viewer插件實(shí)現(xiàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析，分析比較深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理性質(zhì)的影響，并用Duncan法進(jìn)行多重比較（α=0.05）。采用Origin 2021作圖。采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行土壤物理性質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 土壤孔隙二維和三維結(jié)構(gòu)可視化特征 不同處理土壤孔隙二維結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，農(nóng)民常規(guī)耕作處理（FP）整體大孔隙較少，更多是較小的孔隙，且較為分散，相互之間缺乏連通性，而經(jīng)過深松的T2、T3、T4處理二維圖像都直觀地反映出土壤大、中孔隙數(shù)量有不同程度的增加，且深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）孔隙改良效果更明顯，在二維圖像中體現(xiàn)為土壤大孔隙變多，孔隙性狀變復(fù)雜，孔隙和孔隙之間的連通也清晰可見。

圖中白色部分為孔隙，黑色部分為土壤基質(zhì)，實(shí)際尺寸為2 cm×2 cm

從不同處理土壤孔隙三維結(jié)構(gòu)來看，0—20 cm土層孔隙數(shù)量及分布明顯少于20—40 cm土層，這在未進(jìn)行秸稈還田的FP處理和單獨(dú)深松25 cm的T2處理表現(xiàn)尤為突出（圖5），證實(shí)了東北黑土存在耕層結(jié)構(gòu)變差的問題。T2處理0—20 cm土層孔隙大小分布及復(fù)雜程度相較于FP處理差異較小，但在20—40 cm土層，T2處理土壤孔隙復(fù)雜程度有所提高。而T3和T4處理對(duì)比FP處理，在0—30 cm土層（T3、T4），甚至30—40 cm土層（T4），孔徑較大的孔隙都明顯增多，且結(jié)構(gòu)看起來更為復(fù)雜，分布更為密集，表明深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)其作業(yè)深度及以上土層孔隙作用效果明顯，有效增加了大孔隙分布，提高了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

圖中長方體內(nèi)紅色部分為孔隙，其余部分為土壤基質(zhì), 實(shí)際尺寸為2 cm×2 cm×40 cm

2.1.2 土壤不同直徑孔隙分布特征 從總孔隙度分析表明，相較于FP處理，T3和T4處理對(duì)0—30 cm土層總孔隙度產(chǎn)生較為顯著的影響，分別顯著提高128.4%—382.7%和109.8%—339.3%（＜0.05），T4處理對(duì)30—40 cm土層孔隙也產(chǎn)生較大影響，較FP處理顯著提高總孔隙度152.3%（＜0.05，圖6）。單獨(dú)深松25 cm（T2）僅對(duì)深松作業(yè)深度土層（20—30 cm）產(chǎn)生顯著影響，較FP處理顯著提高總孔隙度103.0%（＜0.05）。從中可以看出，深松結(jié)合秸稈還田措施可以有效提高其作業(yè)深度土層孔隙度，為土體適宜的“三相比”的形成奠定了土壤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[28-29]。

圖6 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)不同深度土壤總孔隙度的影響

不同處理在不同土層對(duì)大、中、小孔隙的孔隙度具有不同的影響效果（圖7）。在0—30 cm土層，與農(nóng)民常規(guī)耕作（FP）相比，深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）都能顯著提高中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）和大孔隙（d＞1.00 mm）的孔隙度，但T3和T4處理之間差異不顯著；在30—40 cm土層，只有T4較FP處理顯著提高小孔隙（d≤0.50 mm）和中孔隙的孔隙度，T3處理作用效果則不顯著。T2處理主要作用效果體現(xiàn)在20—30 cm土層的小孔隙和中孔隙，且效果弱于T3和T4處理。在0—10 cm土層，T3、T4較FP處理分別顯著提高小孔隙、中孔隙和大孔隙孔隙度231.3%、544.9%、661.7%和246.5%、406.2%、586.7%（＜0.05）；在10—20 cm土層，T3、T4處理分別較FP處理顯著提高中孔隙和大孔隙孔隙度161.4%、571.6%和138.8%、523.3%（＜0.05），小孔隙孔隙度有提高趨勢(shì)，但差異不顯著（＞0.05）；在20—30 cm土層，相較于FP處理，T3、T4處理分別顯著提高小孔隙、中孔隙和大孔隙孔隙度143.1%、155.2%、287.1%和158.2%、105.4%、221.5%（＜0.05）。T4處理在30—40 cm土層主要作用效果體現(xiàn)在小孔隙和中孔隙孔隙度，較FP處理分別顯著提高63.0%和91.3%（＜0.05）。T2處理主要作用于10—20 cm土層的中孔隙孔隙度，以及20—30 cm土層小孔隙和中孔隙孔隙度，較FP處理分別顯著提高151.6%、91.3%和143.5%（＜0.05）。

圖7 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)不同深度土層各孔徑孔隙度的分布

2.1.3 土壤孔隙分形維數(shù)和歐拉數(shù) 孔隙分形維數(shù)綜合反映了土壤孔隙的大小與形狀，其值越大，孔隙的狀況越為優(yōu)越[5,30]。與農(nóng)民常規(guī)耕作（FP）相比，深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）土壤孔隙分形維數(shù)有顯著提高，且主要體現(xiàn)在機(jī)械作業(yè)深度及以上的土層（0—30 cm），而單獨(dú)深松25 cm處理T2與FP處理相比雖然有提高趨勢(shì)，但并未表現(xiàn)出顯著性差異（表2）。在0—30 cm土層，T3、T4處理的分形維數(shù)較FP顯著提高9.9%—17.7%（＜0.05），但兩處理間未表現(xiàn)出顯著差異。在30—40 cm土層，僅有T4處理的分形維數(shù)顯著高于FP處理9.5%（＜0.05）。

表2 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤孔隙分形維數(shù)和歐拉數(shù)的影響

歐拉數(shù)可以用來表征土壤孔隙的連通性，其值越低，表示孔隙連通性越好[31]。本研究中0—40 cm土層范圍內(nèi)，相較于FP處理，T2、T3、T4處理的歐拉數(shù)均顯著降低（表2），其中以T3處理降低幅度最大，降低了40.1%—66.4%（＜0.05）；T4處理次之，降低了32.4%—56.3%（＜0.05），T2處理降低了32.2%—38.3%（＜0.05）。這也表明深松結(jié)合秸稈還田不僅提高了相應(yīng)土層孔隙度的大中孔隙孔隙度，還能改善孔隙的結(jié)構(gòu)特征，提高孔隙連通性，有利于土壤水分的運(yùn)移和保存[17]。

2.2 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤物理性狀的影響

對(duì)比FP處理，T2、T3、T4處理均有降低土壤容重的趨勢(shì)，但均尚未達(dá)到顯著水平（圖8）。T2、T3、T4處理均不同程度提高了土壤田間持水量，其中T3和T4處理效果最為顯著。在0—30 cm土層，相較于FP處理，T3、T4田間持水量分別顯著提高了20.7%—40.6%和24.2%—35.0%（＜0.05），T2處理較FP處理顯著提高了0—10和10—20 cm土層田間持水量18.9%和26.3%（＜0.05）。在30—40 cm土層深度，T2、T3、T4處理較FP處理均有提高趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平（＞0.05）。

2.3 土壤孔隙結(jié)構(gòu)與物理性狀的相關(guān)性

對(duì)各土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和土壤物理性狀參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析表明，不同孔徑孔隙度、總孔隙度均與歐拉數(shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），與分形維數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（＜0.01）（圖9）。小孔隙、中孔隙、大孔隙孔隙度、總孔隙度、分形維數(shù)均與土壤容重呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），與田間持水量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（＜0.01），即土壤孔隙分布及結(jié)構(gòu)會(huì)影響到土壤容重及田間持水量。

3 討論

3.1 深松結(jié)合秸稈還田措施下黑土孔隙結(jié)構(gòu)的可視化

CT掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的可視化[18]，以直觀了解土壤耕層孔隙狀況。本研究中，從二維和三維圖像都可以清晰看出，在0—20 cm土層，各處理均不同程度出現(xiàn)孔隙分布相對(duì)較少的情況，而20—40 cm土層孔隙分布更多，這與邱琛等[5]在黑土研究中0—15 cm土層孔隙度明顯多于15—30 cm土層孔隙度的結(jié)果有所不同，其原因在于本研究采用大區(qū)試驗(yàn)，各耕作管理措施均通過機(jī)械進(jìn)行，符合目前黑土農(nóng)機(jī)耕種的生產(chǎn)實(shí)際情況，同時(shí)取樣點(diǎn)布設(shè)在壟溝，更充分體現(xiàn)了機(jī)械對(duì)土壤一定程度壓實(shí)的作用[32]，即機(jī)械作業(yè)對(duì)上層土壤直接的碾壓作用導(dǎo)致了上層土壤孔隙，特別是大孔隙明顯減少[33]，呈現(xiàn)出上層土壤孔隙少于下層土壤孔隙的現(xiàn)象。而邱琛等開展的研究主要是通過傳統(tǒng)的小區(qū)試驗(yàn)來體現(xiàn)有機(jī)物料還田深度對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響，未充分體現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的壓實(shí)影響。本研究中，經(jīng)過5年的試驗(yàn)，單獨(dú)深松處理（T2）在0—20 cm土層孔隙分布與FP處理相比未呈現(xiàn)出明顯差異，而深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）在0—20 cm出現(xiàn)一些較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的孔隙，與FP處理相比呈現(xiàn)出較為明顯的差異，表明深松結(jié)合秸稈還田可以在一定程度上緩解機(jī)械碾壓造成上層土壤孔隙減少、土壤結(jié)構(gòu)變差的問題，這與房煥等[21]得出的秸稈還田顯著提高表層土壤孔隙度及孔隙復(fù)雜程度的研究結(jié)果基本一致。

圖8 不同深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤容重和田間持水量的影響

圖中SP、MP、LP、TP、FD、EN、BD、FC分別代表小孔隙孔隙度、中孔隙孔隙度、大孔隙孔隙度、總孔隙度、分形維數(shù)、歐拉數(shù)、容重、田間持水量。**表示在0.01水平上極顯著

關(guān)于原狀土體取樣，目前尚未有針對(duì)原狀土體取樣范圍及方式建立統(tǒng)一的規(guī)范，學(xué)者們多根據(jù)試驗(yàn)情況采取適合自己研究的方法，例如PVC管[5,21,26]等。本課題組采用定制的白鋼取樣盒進(jìn)行剖面取樣，整體效果有所改善，但仍存在原狀土柱邊緣受到擾動(dòng)破損的狀況，故本研究在最終處理時(shí)僅保留中心2 cm×2 cm×40 cm的土柱，最大限度減少了取樣擾動(dòng)的影響，保證了原狀土柱樣品分析的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，當(dāng)然，若能在取樣方式上進(jìn)一步完善改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更好的原狀土體取樣效果，將有力促進(jìn)CT掃描技術(shù)在土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究上的應(yīng)用，有利于更好呈現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)特征。

3.2 深松結(jié)合秸稈還田措施下黑土孔隙結(jié)構(gòu)的定量化

本研究中，單獨(dú)深松25 cm處理（T2）通過顯著提高了作業(yè)深度（20—30 cm）土層小孔隙和中孔隙孔隙度來提高了總孔隙度，這與李嵩等[9]提出的深松提高犁底層通氣孔隙度和總孔隙度的結(jié)論基本一致。深松在不翻轉(zhuǎn)土壤的情況下對(duì)相應(yīng)土層進(jìn)行橫向切割，活化耕層土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度[34]，但深松后土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土壤強(qiáng)度較低，易被再次壓實(shí)[35]，因此本研究中單獨(dú)深松25 cm處理（T2）作用效果主要體現(xiàn)在作業(yè)深度的小孔隙和中孔隙，并未對(duì)大孔隙產(chǎn)生顯著影響，這一結(jié)論在深松35 cm結(jié)合秸稈還田處理（T4）的30—40 cm土層也有體現(xiàn)（圖7）。但兩者在孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)方面有所不同，T4處理深松作業(yè)深度30—40 cm土層孔隙分形維數(shù)較FP處理顯著提高，而T2處理深松作業(yè)深度20—30 cm土層分形維數(shù)較FP處理并未呈現(xiàn)出顯著差異，這可能是機(jī)械碾壓對(duì)上層土壤壓實(shí)作用效果強(qiáng)于下層土壤[36]，從而導(dǎo)致上層土壤深松效果的弱化。

深松結(jié)合秸稈還田作業(yè)處理（T3、T4）不僅有效提高深松作業(yè)深度的小孔隙和中孔隙孔隙度，還顯著提高了秸稈還田作業(yè)深度及以上耕層（0—30 cm）的大孔隙孔隙度，其孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表現(xiàn)也優(yōu)于單獨(dú)深松25 cm處理（T2），這與叢聰?shù)萚10]2021年在黑土區(qū)研究得出的深松配施有機(jī)物料顯著增加土壤孔隙度的結(jié)論基本一致。一方面還田的秸稈在微生物和酶的共同作用下向土壤提供了大量小于土壤密度的有機(jī)物質(zhì)，有助于土壤有機(jī)碳的固存，并與土壤顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定疏松的結(jié)構(gòu)，增大了土壤孔隙度[37-38]，促進(jìn)原有孔隙向大孔隙轉(zhuǎn)化[39]，這在本研究中也有所體現(xiàn)，T3、T4處理較FP處理顯著提高了0—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量6.6%—27.5%（＜0.05）（表3）。另一方面，秸稈還田還有利于農(nóng)田土壤生物的生存環(huán)境的維護(hù)[40]，顯著增加土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群[41]，而土壤動(dòng)物在土壤中的活動(dòng)促進(jìn)了土壤孔隙的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)[42]，這可能是T3、T4處理大孔隙孔隙度顯著提高的另一個(gè)原因。此外，T3、T4處理是通過翻耕將碎混的秸稈還到20—25 cm深度土層，每年秸稈還田都會(huì)伴隨著土層翻轉(zhuǎn)與混合，因此經(jīng)過5年的深松結(jié)合秸稈還田作業(yè)后，秸稈還田對(duì)大孔隙的作用效果可體現(xiàn)在整個(gè)0—30 cm土層，而不僅僅是秸稈還田深度土層，加之深松及翻耕過程對(duì)土壤的擾動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)了孔隙的形成，改善了孔隙狀況[28,43-44]，即深松結(jié)合秸稈還田有效發(fā)揮了深松和秸稈還田兩措施優(yōu)勢(shì)，具有改良土壤孔隙結(jié)構(gòu)的效果，促進(jìn)黑土結(jié)構(gòu)更加趨向于合理化，這就給農(nóng)作物的生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的土壤微環(huán)境。

表3 各處理0—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量

3.3 深松結(jié)合秸稈還田對(duì)黑土物理性狀的影響

本研究中，T2、T3、T4處理在不同深度耕層容重較FP處理均有降低趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平，這可能是機(jī)械的壓實(shí)作用削弱了對(duì)容重的改良效果[45]，或者是5年的作用年限相對(duì)較短，仍未充分發(fā)揮出對(duì)容重的作用效果，還需要更長年限試驗(yàn)來體現(xiàn)[46]。相較于FP處理，T3、T4處理在0—30 cm土層田間持水量均顯著提高，結(jié)合前文定量化與可視化結(jié)果中T3、T4處理大中孔隙顯著增加的結(jié)果，即土壤中混入打碎的秸稈起到“楔子”的作用，配合深松及翻耕對(duì)土壤的擾動(dòng)，改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了土壤“三相比”[47]，增加了可以儲(chǔ)存水分的孔隙[48]，從而提高了土壤的持水保水性能，這與鞠忻倪[49]等提出的土壤孔隙的數(shù)量、大小和空間結(jié)構(gòu)對(duì)土壤的持水保水性能有著重要影響的結(jié)論相吻合；另一方面，還田的秸稈轉(zhuǎn)換為土壤中的有機(jī)質(zhì)，具有巨大的比表面積、親水基團(tuán)和較強(qiáng)的吸水性，提高了土壤毛管孔隙度，增強(qiáng)了土壤的持水能力[1,50]。對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與土壤物理性狀進(jìn)行相關(guān)分析顯示，土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和土壤容重、田間持水量具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，即深松結(jié)合秸稈還田措施通過提高不同孔徑的孔隙度，改善孔隙連接性及孔隙狀況，從而降低了土壤容重，增加了田間持水量，以實(shí)現(xiàn)土壤物理性狀的改良，這與阮仁杰[51]研究結(jié)論基本一致。

本研究可視化結(jié)果明確了不同耕層的孔隙分布及目視特征，定量化結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔徑分布及孔隙結(jié)構(gòu)的定量化，后續(xù)的研究中，若能將可視化、定量化結(jié)果與更多物理化學(xué)及生物學(xué)性狀相結(jié)合，細(xì)化分析各土壤孔隙特征對(duì)土壤理化性狀等影響機(jī)制及貢獻(xiàn)程度，將極大有助于我們深入理解耕作對(duì)土壤微生態(tài)的影響。

4 結(jié)論

4.1 從二維和三維圖像中可以明顯顯示出東北黑土農(nóng)民常規(guī)耕作（FP）受到機(jī)械作業(yè)壓實(shí)的影響，0—20 cm土層孔隙分布明顯少于20—40 cm土層，深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）可以在一定程度改善這一現(xiàn)象，且增加了結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的大孔隙。

4.2 相較于FP處理，單獨(dú)深松25 cm處理（T2）顯著提高20—30 cm土層總孔隙度103.0%（＜0.05），主要通過顯著提高小孔隙（d≤0.50 mm）孔隙度91.3%和中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）孔隙度143.5%實(shí)現(xiàn)（＜0.05）；而深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）則可顯著提高0—30 cm土層的總孔隙度109.8%—382.7%（＜0.05），主要通過顯著提高大孔隙（d＞1.00 mm）孔隙度221.5%—661.7%和中孔隙孔隙度105.4%—544.9%實(shí)現(xiàn)（＜0.05）。

4.3 深松結(jié)合秸稈還田處理（T3、T4）較FP處理顯著提高了0—30 cm土層孔隙的分形維數(shù)9.9%—17.7%（＜0.05），降低了歐拉數(shù)32.4%—66.4%（＜0.05），顯著提高了田間持水量24.2%—40.6%（＜0.05），在改善孔隙狀況，提高了孔隙連通性的同時(shí)，也有增強(qiáng)土壤持水能力的體現(xiàn)。

4.4 相關(guān)分析顯示，田間持水量和不同孔徑孔隙度、總孔隙度、分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與歐拉數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，容重和不同孔徑孔隙度、總孔隙度、分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與歐拉數(shù)呈極顯著正相關(guān)（＜0.01），即田間持水量和容重受到土壤孔隙直徑分布及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

綜上所述，深松結(jié)合秸稈還田能夠提高土壤大中孔徑的孔隙度、改善孔隙結(jié)構(gòu)和連通性、增加田間持水量，可作為東北黑土合理耕層構(gòu)建的推薦技術(shù)。

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Effect of Subsoiling Combined with Straw Returning Measure on Pore Structure of Black Soil

YANG JianJun,1GAI Hao1, ZHANG MengXuan1, CAI YuRong1, WANG LiYan2, WANG LiGang1

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Non-point Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Qinggang Meteorological Bureau, Qinggang 151600, Heilongjiang

【Objective】The effect of subsoiling combined with straw returning on soil pore structure of black soil in Northeast China is lack of definite judgment. Aimed at such problem, this research was conducted in order to provide scientific basis for the influence mechanism of this measure on soil structure of black soil and the establishment of reasonable tillage.【Method】In this study, a 5-year field positioning experiment conducted in Qinggang County, Suihua City, Heilongjiang Province, a typical black soil area in Northeast China was used as a platform. Farmers’ conventional treatment (FP), 25 cm subsoiling alone treatment (T2), 25 cm subsoiling combined with straw returning treatment (T3) and 35 cm subsoiling combined with straw returning treatment (T4) were set. The visualization and quantification of soil pore structure were studied using CT scanning technology, and combined with field capacity and bulk density to explore the effect of subsoiling combined with straw returning on the pore structure of black soil. 【Result】The results showed that the two-dimensional and three-dimensional images of soil pores clearly showed that the pore distribution at 0-20 cm soil layer was significantly less than that at 20-40 cm soil layer in all treatments, while the pore distribution of suboiling combined with straw returning treatment (T3 and T4) was significantly higher than that under FP treatment, and their macropores with more complex structure were increased. Quantitative analysis showed that compared with FP treatment, the total porosity of 20-30 cm soil layer under T2 was significantly increased by 103.0% (＜0.05) , which was achieved by significantly increasing the micropores porosity(pore diameter d≤0.50 mm) by 91.3% and mesopores porosity (0.50 mm＜d≤1.00 mm) by 143.5% (＜0.05). While subsowing combined with straw returning treatments (T3 and T4) significantly increased the total porosity of 0-30 cm soil layer by 109.8%-382.7% (＜0.05), which was achieved by significantly increasing the macropores porosity (d＞1.00 mm) by 221.5%-661.7% and the mesopores porosity by 105.4%-544.9% (＜0.05). In addition, compared with FP treatment, subsoiling combined with straw returning (T3 and T4) significantly increased the fractal dimension of soil pores at 0-30cm soil layer by 9.9%-17.7% (＜0.05), decreased the Euler number by 32.4%-66.4% (＜0.05), and significantly increased the field water capacity by 24.2%-40.6% (＜0.05). Further analysis showed that the different pore size porosity and total porosity was significantly positively correlated with field capacity and fractal dimension, but significantly negatively correlated with Euler number (＜0.01). 【Conclusion】Subsoiling combined with straw returning could improve porosity of macropores and mesopores pore of black soil, improve pore structure and connectivity, and increase field capacity, especially the effect of 35 cm subsoiling combined with straw returning treatment is the most significant, which could be recommended measure for rational tillage construction in black soil of Northeast China.

Northeast black soil; subsoiling combined with straw returning; CT scanning technology; pore structure in soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.007

2022-07-11；

2022-09-14

國家自然科學(xué)基金（32171564）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CAASZDRW202202）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（BAIC08-2022）

楊建君，E-mail：officeyjj@tom.com。通信作者王立剛，E-mail：wangligang@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）