運用CT掃描分析改良砂姜黑土犁底層的孔隙特征

摘要：砂姜黑土質(zhì)地黏重，長期旋耕導(dǎo)致犁底層緊實，嚴(yán)重影響土壤孔隙質(zhì)量。本研究依托豫南砂姜黑土區(qū)連續(xù)3年的耕作和培肥大田改良試驗，對常規(guī)旋耕（CK）、深耕（DT）、深耕配施生物炭（DT+B）和深耕配施有機(jī)肥（DT+M）4個處理的犁底層進(jìn)行土壤x射線計算機(jī)斷層掃描（CT）及其圖像重構(gòu)軟件分析、水分入滲等物理指標(biāo)的測定，研究分析改良后犁底層土壤孔隙特性及水分入滲性能，以有助于深入認(rèn)識和評價土壤改良效果。結(jié)果表明，犁底層土壤總孔隙率和最大孔隙直徑表現(xiàn)為DT+B＞DT+M＞DT＞CK;與CK相比，DT+B處理的小直徑孔隙（＜40 μm和40- 60 μm）數(shù)量顯著降低36.6%和38. 5%，而具有導(dǎo)水和透氣功能的大直徑孔隙（200 - 300 μm和＞300 μm）數(shù)量顯著增加64.3%和69.4%。深耕培肥處理還顯著提高犁底層飽和導(dǎo)水率及改善容重、緊實度等物理指標(biāo)，提高水分入滲能力，以DT+B處理效果最佳。相關(guān)分析表明，大孔隙結(jié)構(gòu)與土壤水力學(xué)特性之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。綜上表明，深耕配施生物炭有效改善犁底層的土壤孔隙質(zhì)量及其他物理障礙。本研究結(jié)果可為砂姜黑土改良提供技術(shù)方法和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：砂姜黑土；犁底層改良；CT掃描：孔隙特征：水分入滲

中圖分類號：S156 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2024）10-0134-07

砂姜黑土是我國面積較大的中低產(chǎn)土壤之一，主要分布于蘇魯豫皖交界地域，豫南、淮北及魯南丘陵地區(qū)面積較大，“旱、澇、瘠、僵、黏”是砂姜黑土存在的主要障礙因素。長期旋耕及缺少有機(jī)物料投入的施肥習(xí)慣，使得砂姜黑土犁底層土壤愈發(fā)堅硬和緊實，土壤通透性變差，影響土壤的水養(yǎng)轉(zhuǎn)移和根系吸水，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。除了上述砂姜黑土的物理障礙，該類型土壤多分布于低洼地帶，在雨季容易排水不良導(dǎo)致澇害。

近年來，耕作配合有機(jī)物料培肥是砂姜黑土常用的改良措施。增加耕作深度可以打破犁底層，有利于降低深層土壤的容重和緊實度，有利于作物根系下扎，并協(xié)調(diào)較深根系層土壤水熱條件，提高作物產(chǎn)量。有機(jī)肥的添加可有效改善土壤化學(xué)物理性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善黏質(zhì)土壤不良通透性和僵硬性狀，并增加作物產(chǎn)量。農(nóng)田培肥所用生物炭多以秸稈為材料高溫炭化而成，具有多孔性、較大的比表面積和生物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在改善土壤物理性障礙因素方面有一定的優(yōu)勢。前人的研究報道多為單一改良措施對砂姜黑土理化性質(zhì)及產(chǎn)量性狀的影響，聚焦堅實犁底層改良前后孔隙結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行針對性改良效果評估和對比的研究報道還較為缺乏。

為了探究實施不同改良措施或不同土地利用方式土壤的孔隙特征，常用的傳統(tǒng)研究方法如切片法和壓汞法等均會對土壤原狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響，易導(dǎo)致分析結(jié)果有誤差。而CT掃描技術(shù)不僅克服了上述研究方法的缺陷，在不破壞土壤顆粒排列及結(jié)構(gòu)條件下，高度精細(xì)和精準(zhǔn)地獲取土壤內(nèi)部微米級復(fù)雜的3D孔隙網(wǎng)絡(luò)圖像，還能進(jìn)一步借助分析軟件獲取包括孔隙的大小、形狀、分布和連通性等土壤物理特征。近年來，該技術(shù)逐步普及應(yīng)用于土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究中。土壤CT掃描圖像數(shù)據(jù)結(jié)合三維圖像軟件分析，能夠獲取相對完整的土壤孔隙特征參數(shù)，得到土壤孔隙數(shù)量、孔隙率以及沿土壤深度的分布特征。這對于深入了解土壤孔隙特征的變化規(guī)律，評估土壤物理障礙改良效果具有重要意義。

本研究依托豫南地區(qū)一個持續(xù)3年的砂姜黑土改良定位試驗，通過犁底層土壤孔隙結(jié)構(gòu)的掃描分析和土壤水分滲透試驗，綜合評估不同土壤改良措施對堅實犁底層的改良效果，以期為犁底層土壤物理障礙改良及評估提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

犁底層改良試驗田設(shè)置在河南省西平縣師靈鎮(zhèn)白廟村（33°25＇N，113°48＇E）。該地區(qū)土壤類型以典型砂姜黑土為主，溫帶及亞熱帶季風(fēng)氣候過渡地帶，四季分明。年平均日照時間為2 157 h，年平均氣溫14.8℃，年平均降水量852 mm，高溫和降水主要集中在7-9月份，無霜期221 d。試驗地地勢平坦，連續(xù)多年冬小麥—夏玉米一年兩熟輪作種植，當(dāng)?shù)亓?xí)慣耕作模式為小麥旋耕后播種、玉米免耕播種。試驗地0- 30 cm土層土壤主要基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計及方法

砂姜黑土改良大田試驗于2018年9月至2020年6月進(jìn)行。設(shè)置4個耕作培肥處理：常規(guī)旋耕（CK）；深耕（DT）；深耕配施生物炭15 t/hm2（DT+B）；深耕配施有機(jī)肥15 t/hm2（DT+M）。小區(qū)面積為6 m×6 m= 36m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。旋耕耕深為0- 15 cm，深耕耕深為0-30 cm。小麥、玉米季化肥用量均為N 210 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣，化肥均底施，不進(jìn)行追肥。有機(jī)肥為豬糞；生物炭為玉米秸稈高溫炭化而成，購自湖北金日生態(tài)能源股份有限公司，生物炭C/N為58.0、pH值8.3、顆粒直徑10目左右。生物炭和有機(jī)肥的施用方式一致，每年在小麥播種前，將這兩種培肥物料均提前均勻撒施后進(jìn)行耕作播種，玉米季免耕種肥同播，不再進(jìn)行生物炭及有機(jī)肥的添加，其他栽培管理措施和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.3 土柱采樣及CT掃描與圖像分析

2020年6月小麥?zhǔn)斋@后，使用長50 mm、外徑50 mm、管壁厚2 mm的一端打磨鋒利的PVC圓管采集土壤樣品。挖去0-15 cm表層土壤，顯露犁底層，將PVC管底部鋒利端平放其上，然后在頂端墊一底座，用橡膠錘緩慢砸入土壤，盡量不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)，采集15 - 20 cm犁底層土壤土柱樣品，用剖面刀從PVC管中輕輕取出，獲取完整的土柱，然后小心送至實驗室，樣品測試用高分辨率工業(yè)CT（NanoVoxel- 4000，天津三英精密儀器股份有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行高質(zhì)量成像，獲得樣品內(nèi)部真實三維結(jié)構(gòu)。使用該公司自主開發(fā)的重構(gòu)軟件Voxel Studio Recon對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行算法重構(gòu)及圖像校正和處理。然后利用VolumeGraphics Studio Max、Fei Avizo、Sypi-Sore軟件對樣品重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像展示、測量、數(shù)據(jù)分析等，通過三維重建模塊重現(xiàn)孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，依賴上述軟件數(shù)據(jù)分析模塊計算獲取孔隙特征指標(biāo)，包括孔隙三維圖像、孔隙直徑分布及連通性等指標(biāo)。

1.4 土壤飽和導(dǎo)水率、緊實度和容重測定

按照1.3的步驟用環(huán)刀采集土柱，帶回實驗室后立即用定水頭法測定犁底層15 - 20 cm土壤飽和導(dǎo)水率；采用緊實度儀（SC 900 Soil com-paction Meter，USA）大田原位測定土壤緊實度，采用環(huán)刀法測定土壤容重。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因子方差分析（ANOVA）、顯著性檢驗及不同指標(biāo)間的相關(guān)性分析，用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理犁底層土壤孔隙特征分析

表2顯示了不同耕作處理土壤犁底層的基本孔隙參數(shù)，可以看出，深耕配施生物炭和有機(jī)肥處理均顯著提高犁底層總孔隙率，其中深耕配施生物炭和有肥的DT+B和DT+M處理提升幅度較大，分別比旋耕CK顯著增加48.3%和43.2%。砂姜黑土犁底層土壤質(zhì)地黏重，孔隙率小，DT、DT+B、DT+M三個處理的平均孔隙直徑在0.076 -0.078 mm之間，處理間差異不顯著：而最大孔隙直徑和最小孔隙直徑均以DT+B處理最大，顯著高于其他處理，其最大和最小孔隙直徑分別比CK、DT、DT+M處理提高31.8%、23.2%、21.0%和25.8%、21.9%、21.9%。

2.2 不同耕作處理犁底層土壤孔隙三維圖像特征

通過分析孔隙三維空間結(jié)構(gòu)特征可以直觀地反映不同處理砂姜黑土犁底層土壤的孔隙特征。由圖1看出，不同處理的土壤孔隙三維結(jié)構(gòu)中連通孔隙和非連通孔隙存在差異，其中旋耕CK土壤中紅色斑塊表示土壤孔隙多以非連通形式存在，孔隙直徑小，很可能為無效孔隙，連通孔隙率為5.40%：深耕DT處理藍(lán)色斑紋表示連通孔隙面積明顯增加，連通孔隙率為7.30%，較CK有明顯提升：DT+B處理的連通孔隙率最大，為10.63%，其存在明顯的以藍(lán)色斑塊顯示的豎向大孔隙，連通孔隙直徑較大，分布較為均勻。DT+M處理的連通孔隙率為7 .85%，但其連通孔隙分布均勻程度不佳，上下孔隙的連通程度和孔隙直徑低于DT+B處理。

2.3 不同耕作處理犁底層土壤孔隙連通性分析

圖2顯示了不同耕作處理犁底層各水平切片上的連通孔隙占比隨土層深度的變化規(guī)律。與CK相比，深耕的3個處理均增加了15 -20 cm各個土層的連通孔隙占比。在15 - 18 cm的犁底層，DT+B處理連通孔隙比例最高值達(dá)15.0%左右，而與其緊鄰的下層土的連通孔隙率有所下降：在18 -20 cm深度，深耕的3個處理曲線重合，差異不明顯，但三者連通孔隙占比均明顯高于CK。在21 -23 cm土層深度又開始明顯上升。整體來看，連通孔隙率呈現(xiàn)出DT+B＞DT+M＞DT＞CK的趨勢。深耕配施生物炭明顯提高底層土壤連通孔隙率：而與DT處理相比，配施有機(jī)肥處理改善效果不佳，兩條曲線交織明顯，這種差異可能會影響其滲透能力，從而表現(xiàn)出截然不同的特點。

2.4 不同耕作處理犁底層土壤孔隙孔徑分布

由圖3看出，與CK相比，3個耕作處理土壤不同直徑的孔隙數(shù)量發(fā)生了變化。其中，DT+B處理的直徑＜40、40 - 60 μm和80 - 100 μm的孔隙數(shù)量顯著下降，比CK降低36.6%、38.5%和14.0%，直徑200 - 300 μm和＞300 μm的孔隙數(shù)量顯著增加64.3%和69.4%：與DT處理相比，DT+B處理也顯著降低＜40 μm和40 - 60 μm孔隙數(shù)量，分別降低21.3%和28.0%，顯著增加＞300μm的孔隙數(shù)量，增加比例為46. 8%。與CK相比，DT+M處理顯著降低40 - 60 μm并顯著增加60- 80、80 - 100 μm的孔隙數(shù)量，比例分別為15.9%和15.7%、12.4%：而與DT相比，DT+M處理僅顯著增加80 - 100 μm的孔隙數(shù)量，比例為19.6%，其直徑在100-200 μm較大孔隙數(shù)目與DT處理相比有所增加，但差異不顯著。

2.5 不同耕作處理對土壤容重、緊實度及飽和導(dǎo)水率的影響

由表3看出，深耕、深耕配施生物炭或有機(jī)肥處理均顯著降低土壤容重和緊實度（穿透阻力），顯著增加飽和導(dǎo)水率。其中深耕配施生物炭的DT+B處理提升效果最佳，DT+M處理次之。與CK相比，DT+B處理土壤容重降低6.8%、緊實度降低50.5%、飽和導(dǎo)水率增加81．0%，DT+M處理的緊實度下降32.1%，飽和導(dǎo)水率有所增加，但與DT無顯著差異。

2.6 不同耕作處理下土壤孔隙特征與容重、導(dǎo)水率等的相關(guān)性分析

土壤孔隙結(jié)構(gòu)與其他物理指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果（圖4）表明，土壤容重和緊實度分別與總孔隙率和連通孔隙率呈顯著負(fù)相關(guān)，而飽和導(dǎo)水率與二者呈顯著正相關(guān)，說明孔隙率和孔隙連通性是主要的孔隙指標(biāo)。土壤容重與60 - 80 μm和200 - 300 μm直徑孔隙均呈顯著負(fù)相關(guān)，而土壤飽和導(dǎo)水率則與這兩種直徑孔隙均呈顯著正相關(guān)。

3 討論

長期使用不同耕作措施對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生的重要影響常用土體孔隙特征、水分參數(shù)等指標(biāo)的變化來表征。土壤孔隙決定土壤持水、入滲和透氣，提高土壤孔隙質(zhì)量可以解決孔隙調(diào)節(jié)水氣的矛盾，增加土壤持水和入滲，也有利于土壤通氣。土壤的水氣狀況主要由土壤內(nèi)部孔隙的大小和數(shù)量決定，土壤持水能力主要取決于毛管孔隙，通氣性主要取決于較大非毛管孔隙：孔隙質(zhì)量可以反映在孔隙率、孔隙連通性、孔隙直徑及相應(yīng)數(shù)量等方面。

本研究結(jié)果表明，連續(xù)深耕增加孔隙率和大孔隙數(shù)量，有利于土壤透水透氣和增加作物產(chǎn)量，與前人研究結(jié)果一致。有機(jī)肥可以提高水分滲透性能，有利于改良土壤物理結(jié)構(gòu)，王憲玲等運用CT技術(shù)也證明了這一結(jié)論。近年，運用CT掃描技術(shù)研究生物炭對土壤孔隙結(jié)構(gòu)改良的研究已有報道，普遍認(rèn)為生物炭或有機(jī)肥作為改良劑都能改良土壤孔隙結(jié)構(gòu)。本研究首次運用CT顯微掃描對比兩種有機(jī)物料的田間試驗效果，進(jìn)一步證明了在質(zhì)地黏重的砂姜黑土上，生物炭顯著改善犁底層土壤大孔隙數(shù)量、孔隙率及孔隙連通性，而有機(jī)肥對孔隙連通性的改善效果并不理想。與有機(jī)肥相比，生物炭具有較大的孔隙數(shù)量和孔隙率，且生物炭礦化分解速率比有機(jī)肥慢，作為改良劑使用在黏重的砂姜黑土上效果更佳，促進(jìn)了砂姜黑土大孔隙數(shù)量及總孔隙率的增加。

土壤持水和透氣孔隙直徑的界限是60 - 80μm。本研究發(fā)現(xiàn)長期深耕配施生物炭顯著降低直徑≤60 μm的孔隙數(shù)量，提高直徑大于200μm的孔隙數(shù)量。對于黏重的砂姜黑土來說，小于80 μm的孔隙有數(shù)量優(yōu)勢，該土壤最大的障礙因素不是持水和保水，而是排水困難。土壤孔隙直徑越大、越多，越有利于解決砂姜黑土的黏閉物理障礙問題，隨著孔隙率和孔隙直徑的增加，毛管力和摩擦力減弱，有利于土壤的透水和透氣。

土壤飽和導(dǎo)水率能直接體現(xiàn)土壤人滲性能，同一質(zhì)地類型土壤導(dǎo)水率越高，則透水能力越大。本試驗地塊處于黃淮海平原南部，夏秋季節(jié)降雨集中，土壤質(zhì)地黏重，飽和導(dǎo)水率低常造成嚴(yán)重澇害，而土壤飽和導(dǎo)水率的增加可加速無效水的入滲，并提高土壤深層儲水量。大量研究表明，生物炭可以提高土壤的人滲性能，而有機(jī)肥對水分入滲的影響研究存在不一致的結(jié)論，舒方瑜等在黃土高原的研究認(rèn)為，有機(jī)肥的施用增加水分在土壤中的時間：而王燕等在濱海鹽堿土上的研究認(rèn)為，有機(jī)肥提高土壤的入滲速率，其在影響土壤人滲能力方面與土壤性質(zhì)類型有很大關(guān)系。本研究中，深耕配施有機(jī)肥和生物炭對提高犁底層土壤飽和導(dǎo)水率均有明顯作用，且生物炭的提升效果優(yōu)于有機(jī)肥，這與直徑＞300 μm孔隙數(shù)量的增加相呼應(yīng)，飽和導(dǎo)水率的大小主要受土壤大孔隙的影響。但生物炭的顆粒直徑也會影響土壤的導(dǎo)水性，小粒徑生物炭可占據(jù)土壤大孔隙，反而不利于土壤透水。增加砂姜黑土犁底層大孔隙數(shù)量和大孔隙率的程度直接關(guān)系到土壤的改良效果。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤飽和導(dǎo)水率與直徑較大孔隙數(shù)目、總孔隙率呈顯著正相關(guān)，這意味著通過長期深耕配施生物炭，能降低犁底層直徑＜80 μm用于持水的中孔隙比例，增加直徑＞200 μm大孔隙數(shù)量和孔隙連通率，從而提高砂姜黑土飽和導(dǎo)水率。

土壤孔隙率、緊實度和容重是反映土壤孔隙的常規(guī)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和有機(jī)肥降低犁底層土壤緊實度和容重，增加總孔隙率，有利于作物根系生長和產(chǎn)量提高。綜上，深耕配施生物炭能有效改善犁底層土壤孔隙質(zhì)量、提高孔隙率，降低緊實度和容重，對砂姜黑土農(nóng)田土壤可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究表明，深耕配施生物炭和有機(jī)肥均可增加砂姜黑土犁底層土壤的總孔隙率、最大孔隙直徑，以深耕配施生物炭處理最佳，生物炭明顯改善犁底層連通孔隙率，有機(jī)肥對連通孔隙率無明顯改善效果。深耕配施生物炭顯著增加犁底層土壤飽和導(dǎo)水率，增加砂姜黑土人滲性能。深耕配施生物炭主要通過增加較大直徑（200 - 300 μm和＞300 μm）孔隙的數(shù)量，降低較?。ā?0 μm）持水孔隙的數(shù)量，提高黏重砂姜黑土孔隙質(zhì)量，改善犁底層土壤人滲性能。

基金項目：河南省自然科學(xué)基金項目面上項目（232300420167）；國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFD1901004）