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摘 要： 摘 要：為探明不同土壤結構改良措施(秸稈覆蓋、免耕、有機肥、保水劑)對土壤孔隙特征及分布的影響，采用計算機斷層(computed tomography，CT)掃描法定量分析了土壤孔隙的數目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。結果表明：不同措施均提高了土壤總孔隙數、大孔隙數
摘 要：為探明不同土壤結構改良措施(秸稈覆蓋、免耕、有機肥、保水劑)對土壤孔隙特征及分布的影響，采用計算機斷層(computed tomography，CT)掃描法定量分析了土壤孔隙的數目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。結果表明：不同措施均提高了土壤總孔隙數、大孔隙數及 0.13～1.0 mm 孔隙數，且其孔隙度也相應提高。同時孔隙成圓率也得到了改善。各處理中以有機肥和免耕處理效果較佳，其次為保水劑和秸稈覆蓋，對照最低。此外，不同措施顯著提高了土壤的田間持水量和>0.25 mm 水穩性團聚體含量，降低了土壤容重，且各處理中，仍以有機肥和免耕處理效果最佳，其田間持水量分別較對照提高了 15.9%和 16.4%，而土壤容重較對照降低了 6.8% 和 8.8%。相關分析表明：田間持水量、容重和>0.25 mm 水穩性團聚體含量與土壤總孔隙度和大孔隙度呈顯著或極顯著正相關;而土壤容重對于總孔隙度和大孔隙度及孔隙成圓率呈顯著負相關。
關鍵詞：土壤，秸稈，土壤水分，土壤改良，CT 掃描，土壤孔隙，定量分析
0 引 言
近年來，應用 CT 掃描技術進行土壤孔隙度[1-3] 和土壤孔隙空間分布狀況等研究，已成為研究土壤孔隙特征的新方法[4-8]。與常規方法相比，CT 掃描法具有不破壞土體和分析精度高(mm 至 μm 尺度)[9] 等優點。相關研究[10-12]表明，利用 CT 掃描法可研究土壤孔隙度、孔隙表面分形維數、土壤孔隙的分布特征、土壤密度和土壤含水量空間分布，以及非飽和導水率等土壤性質。同時，CT 掃描技術能夠準確揭示大孔隙(直徑>1 mm)的數目、大小及位置[10]，且由土壤容重計算獲得的總孔隙度與 CT 掃描技術得到的結果較為一致[13]。此外，學者們[7-8,14] 對含有各種大孔隙的原狀土柱或填充土柱[15]進行了 CT 掃描研究，得到了土壤大孔隙數目、大小、形狀及連通性等在土柱橫斷面或縱斷面上的分布特征。
免耕、秸稈覆蓋、有機肥與表土作業等土壤結構改良措施可增加土壤有機質，改良土壤結構[16]，提高土壤肥力[17]和土壤孔隙度，降低容重，促進作物生長[18]。Eduardo 等[19]研究發現，長年免耕能夠提高土壤團聚體穩定性，且 0～5 cm 的土層作用效果更為明顯。Antonio 等[20]經過 3 a 的連續試驗發現，秸稈覆蓋改善了土壤理化性質，土壤孔隙度及土壤團聚體穩定性均得到了提高，土壤有效水含量及導水能力也均顯著提高。而劉定輝等[21]研究發現，秸稈還田結合免耕可增加 10～20 cm 土層通氣孔隙的孔徑，降低了無效孔隙的孔徑，改善心土層的土壤結構，提高耕層土壤的持水性能，增加土壤水分庫容量。同時，有機肥或有機無機肥混施能夠顯著提高土壤和團聚體中的有機碳含量，從而提高團聚體穩定性[22-25]。而堆肥和農家肥可增加有機質含量[22,26]，并有利于大團聚體的形成，從而提高團聚體穩定性[27]，增加土壤蓄存水分和保持水土的能力。作為具有改善土壤結構的保水劑，其可促進團粒形成[28]，且可改善土壤孔隙特征[15]，增加土壤毛管孔隙度和總孔隙度[29]，提高土壤入滲能力[30]，還可抑制表土結皮和土面蒸發等。有關這方面的研究已屢見不鮮，但不同措施對土壤孔隙數量、大小及在土壤剖面上的分布的影響如何仍不清楚，而定量分析不同土壤結構改良措施對土壤孔隙的影響，對闡明其對土壤孔隙的作用機理具有重要的科學意義。
因此，應用 CT 掃描技術對土壤孔隙進行掃描，并對其圖像孔隙參數進行比較與分析，可研究不同土壤結構改良措施對土壤的孔隙分布狀況的影響，為不同土壤改善措施的合理應用及闡明其對土壤孔隙的作用機理提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
試驗設在河南省開封市通許縣朱砂鎮演武崗村進行，演武崗地處暖溫帶大陸性季風氣候，全年太陽輻射總量 512.9 kJ/cm2，年平均光照時數 2 428 h，日照百分率為 55%;年平均氣溫 14.2℃，>10℃的有效積溫 446℃，無霜期 222 d，多年平均降水量 682.4 mm，其中 7～9 3 個月降水量占全年降水量的 60%，年蒸發量為 1 936 mm，蒸發量是降水量的 3～4 倍。存在較嚴重的春旱和伏旱;土壤為砂質潮土，土壤母質為河流沖積物，該地區地勢平坦，海拔 60 m，耕層有機質 11.98 g/kg、全 N 0.85 g/kg、全 P 0.78 g/kg、水解氮 55.89 mg/kg、速效磷 15.91 mg/kg、速效鉀 69.4 mg/kg。土壤容重 1.32 g/cm3 ，土壤機械組成為：砂粒(2～0.02 mm)占 82.0%，粉粒(0.02～0.002 mm)占 8.3%，黏粒(<0.002 mm)占 8.7%。
1.2 材料與方法
1.2.1 試驗設計
采用大田試驗，研究設置：處理 1：常規耕作(對照)、處理 2：保水劑(聚丙烯酰胺類，60 kg/hm2 )、處 理 3 ：秸稈覆蓋(玉米秸稈粉碎 1 cm ， 4 500 kg/hm2 )、處理 4：有機肥(雞糞，750 kg/hm2 ，氮、磷、鉀質量分數分別為 1.5%、1.2%、0.8%)、處理 5：免耕，共 5 個處理。3 次重復，隨機區組排列。播種前用普通過磷酸鈣(P2O5 90 kg/hm2 )作肥底;N 肥 225 kg/hm2 ，底施 50%，分別在小麥拔節期追施 30%和灌漿期 20%。本試驗于 2009 年 10 月開始進行定位試驗觀測，試驗處理為每年小麥播種前(10 月 25 日)進行，試驗地塊為小麥、玉米輪作制。小區面積 4 m×8 m=32 m2 。于 2012 年 6 月 6 日小麥收獲后進行原狀土柱(0～13 cm)、環刀樣(0～13 cm，)及原狀土(0～13 cm)的采集。
1.2.2 CT 掃描測定方法
1)原狀土柱的采集
原狀土柱采用內直徑為 50 mm，厚度 2 mm，長度 130 mm 的 PVC 硬質管材進行采集。取樣前，將 PVC 管的一端打磨成刀口，以便取樣。分別在大田試驗中不同處理中取土柱 3 個重復。帶回實驗室后，放置于 4℃左右的冰箱里待用。室內準備 2 根直徑分別為 2.0 和 2.4 mm 的鋼條，直立在 PVC 管中，并裝入與原狀土柱容重一致的土壤，填滿后再將鋼條拔出，制作出 2 個已知直徑的大孔隙作為對照[7-8]，以確定孔隙閾值。
2)CT 掃描
本試驗采用新型美國 CE 公司的 PET-CT (DISCOVERYST16)256 層極速 CT 掃描儀。掃描土柱前，需重新設定醫用 CT 裝置的掃描參數。掃描峰值電壓設定為 120 kV，電流設定為 110 mA，掃描時間設定為 1 s，掃描厚度為 1 mm，從距離土柱頂端 20 mm 處開始掃描，每隔 5 mm 掃描一個橫截面，每個土柱掃描 20 幅橫截面圖片，共 15 個土柱(5 個處理，3 個重復)，總共得到 300 幅掃描圖像。掃描土柱不同土壤密度區在圖像中以不同亮度表示，土壤大孔隙從圖像中可清晰地顯示出來[14]。圖片中密度越小的區域越黑，密度越大就越白。
3)圖像分析
將得到的 CT 掃描圖片保存到計算機中，得到 JPG 格式的灰度圖像。采用 ImageJ 1.44 版本軟件[31] 對 CT 掃描圖片進行圖像分析。分析圖像的尺寸選擇 50 mm×50 mm，其面積為 2 500 mm2 。圖片分析前，首先要將所得 CT 圖像轉換為 8 位圖像，之后再進行圖像分割。根據已知的大孔隙，設定其分割閾值，選取閾值為 70。圖像分割后，得到黑白二值圖像，白色部分為土壤基質，黑色部分為土壤孔隙。分析得到的孔隙特征參數為：孔隙數目、面積、周長及成圓率等。
至今，對大孔隙孔徑的劃分及其對大孔隙最小值的定義均沒有得到一致的結論。Warner[10]和 Luxmoore[32]認為當量孔徑(與一定的土壤水吸力相當的孔徑)>1mm 的孔隙是大孔隙;而 Beven[33]認為當量直徑大于 0.03 mm 的孔隙為大孔隙。 Warner[10]利用 CT 掃描技術，準確獲得了>1 mm 的大孔隙。本試驗中所能辨別的最小當量孔徑為 0.13 mm。
因此，本研究的孔隙可分為大孔隙(當量直徑 ≥1 mm)和當量直徑為 0.13～1 mm 孔隙 2 類。CT 測得的總孔隙數為大孔隙數與當量直徑為 0.13～ 1 mm 孔隙之和。CT 測定的大孔隙度或 0.13～1 mm 孔隙度為大孔隙或 0.13～1 mm 孔隙的面積占圖像面積的百分數，總孔隙度為大孔隙度和 0.13～1 mm 孔隙度之和。
1.2.3 田間持水量、土壤容重和水穩性團聚體含量測定
田間持水量和土壤容重采用環刀法，水穩性團聚體含量測定采用濕篩法[34]，取樣土層深度為0～13 cm。
1.2.4 數據統計方法
全土壤剖面的孔隙參數、容重、田間持水量等為不同土層的平均值。不同土柱參數值均為 3 次重復的算術平均值。分析所得的數據應用統計學及相關的數理統計軟件(DPS10.0)進行方差分析與處理。
2 結果與分析
2.1 不同處理對土壤總孔隙(>0.13 mm)、大孔隙(>1.0 mm)和 0.13～1.0 mm 孔隙特征的影響
從表 1 可知，不同處理均提高了土壤總孔隙、大孔隙和 0.13～1.0 mm 孔隙數目，其中有機肥處理的各孔隙數目最多，其次為免耕、保水劑和秸稈覆蓋，對照最少，其中大孔隙數分別比對照孔隙數目增加了 197.7%、146.8%、89.5%、58.3%。而不同處理的土壤總孔隙度和大孔隙度均表現為：免耕>有機肥>秸稈覆蓋>保水劑>對照(P <0.05)。其中，免耕和有機肥處理的總孔隙度分別較對照高 272.5%、242.5%，而其大孔隙度分別較對照高 343.1%、302.7%。與大孔隙相比， 0.13～1.0 mm 孔隙數目雖明顯多于大孔隙，但 0.13～1.0 mm 孔隙度所占比例卻較低。因此，土壤總孔隙度的大小主要由大孔隙決定。各處理中以有機肥和免耕處理對于土壤孔隙數或孔隙度的提高幅度較大。
2.2 不同處理孔隙平均成圓率
孔隙成圓率表征了孔隙的形態特征，其數值越接近于 1，其孔隙形態越接近于圓。若孔隙面積相同，而孔隙周長越不規則，其成圓率則越小。不同孔隙形態特征會影響土體的通氣性能和水分的傳輸。
從表 1 中可以看出，0.13～1.0 mm 孔隙成圓率>總孔隙成圓率>大孔隙成圓率，說明，孔隙越小，其越近似圓形。總孔隙的成圓率表現為：有機肥>免耕>秸稈覆蓋>保水劑>對照(P<0.05);大孔隙的成圓率表現為：免耕>有機肥>秸稈覆蓋>保水劑>對照(P<0.05)。而 0.13～1.0 mm 孔隙成圓率表現為：有機肥>免耕>秸稈覆蓋>保水劑>對照。說明，不同土壤結構改良措施改善了土壤的孔隙形態，提高了土壤孔隙的成圓率，使土壤孔隙更接近圓形，有利于水分在土壤中的傳輸、保存及作物吸收利用。各處理中仍以免耕和有機肥處理效果較為顯著。
2.3 不同處理不同土層總孔隙數、大孔隙數及 0.13～1.0 mm 孔隙數分布特征
從圖 1 中可看出，不同土層其孔隙數目及類型存在一定的差異。隨土層的加深，總孔隙數和大孔隙數及 0.13～1.0 mm 孔隙數表現為先增加后減少的趨勢，40～55 mm 土層的孔隙數目大于其他土層。對不同土層而言，對照不同類型孔隙數目均最少，而有機肥處理的總孔隙數、大孔隙數及 0.13～ 1.0 mm 孔隙數均顯著大于其他處理，其次為免耕處理，保水劑處理的總孔隙數和大孔隙數次之，且均大于秸稈覆蓋的處理。但二者 0.13～1.0 mm 孔隙數在 35～60 mm 之間差異不顯著。表明，不同土壤結構改良措施不僅提高了土壤的大孔隙數目，且 0.13～1.0 mm 孔隙數也相應提高，因此土壤總孔隙數也相應提高，各處理中以有機肥處理的效果最佳。
2.4 不同處理不同土層總孔隙度、大孔隙度及 0.13～1.0 mm 孔隙度分布特征
從圖 2 中可知，在 25～50 mm 土層，土壤總孔隙度和大孔隙度表現為：免耕>有機肥>秸稈覆蓋>保水劑>對照(P<0.05)。到 55 mm 土層以下，秸稈覆蓋處理的總孔隙度和大孔隙度迅速降低，而保水劑處理的總孔隙度和大孔隙度雖然也有所降低，但上下土層的孔隙度介于 5%～15%。免耕和有機肥處理的總孔隙度和大孔隙度在 25～90 mm 土層中均顯著高于其他處理，其總孔隙度和大孔隙度在 15%～35%，尤其在 70～90 mm 土層，免耕處理的總孔隙度和大孔隙度大于 25%，且顯著高于有機肥的處理。而對 0.13～1.0 mm 孔隙度而言，隨土層之加深各處理均有所降低。而處理間的差異增大，尤其是秸稈覆蓋的處理變化更大。而保水劑處理 0.13～1.0 mm 孔隙度在不同土層中相對較低，但較對照高。在 65 mm 土層以上，有機肥處理較其他處理高，且在 90 mm 土層以下，其仍較高，其次為免耕、保水劑和秸稈覆蓋處理。
綜上所述，對照土壤的孔隙度在 40 mm 土層以下較為一致，其總或大孔隙度在 5%左右。而保水劑和秸稈覆蓋對于土壤孔隙改善主要體現在土壤表層，隨土層的加深，其作用效果有所降低。而免耕和有機肥處理對 50～90 mm 土層之間的土壤總孔隙度和大孔隙度的提高更為顯著。
2.5 不同處理不同土層孔隙成圓率分布特征
不同土層土壤孔隙成圓率如圖 3。可看出，各處理的土壤孔隙成圓率在 0.65～0.90 之間。對照土壤的孔隙成圓率介于 0.65～0.75，且 85～110 mm 的孔隙成圓率顯著低于其他土層，但隨土層的加深，孔隙成圓率又增大，說明，對照土壤的孔隙成圓率波動較大。免耕和有機肥處理的成圓率介于 0.80～0.90，明顯大于秸稈覆蓋和保水劑的處理，且其上下土層的孔隙成圓率波動較小，從而有利于水分在土體中的傳輸。隨土層的加深，保水劑處理的土壤孔隙成圓率先增大后減小再增大，且在 45 mm土層以下，其成圓率均大于秸稈覆蓋的處理。而秸稈覆蓋處理的土壤孔隙成圓率在 25～90 mm 土層間保持在 0.75～0.80，但隨土層的加深，其孔隙成圓率波動較大。
說明，不同土壤結構改良措施改善了不同土層土壤孔隙的形態，使孔隙更加規則而接近于圓，有利于水分和氣體在土壤中的傳輸與交換，且利于水分向下層土壤中運移，提高土壤的入滲能力。各處理中，免耕和有機肥處理較佳。
2.6 不同處理容重、田間持水量及水穩性團聚體含量分析
從表 2 中可看出，采用不同土壤結構改良措施后，其田間持水量均顯著提高，尤其是有機肥和免耕處理，其分別較對照提高了 15.9%和 16.4%，其次為保水劑處理，較對照提高了 11.4%。而秸稈覆蓋處理與對照差異不顯著。而作為土壤容重，其大小由土壤孔隙和土壤固體的數量來決定，容重越大土壤孔隙所占比例越小，反之越大。免耕處理的土壤容重最小，其次為有機肥、保水劑、秸稈覆蓋處理，對照容重最大。表征土壤結構穩定性的>0.25 mm 水穩性團聚體含量表現為：免耕>有機肥>保水劑>秸稈覆蓋>對照。表明，不同土壤結構改良措施通過改善土壤團聚體含量，進而改善了土壤孔隙，提高了土壤田間持水量，降低了土壤容重，從而改善了作物生長的土壤環境，有利于作物的生長。
2.7 不同指標相關性分析
對田間持水量、土壤容重及>0.25 mm 水穩性團聚體含量與 CT 掃描法測得的土壤孔隙參數進行相關性分析，結果如表 3。田間持水量和>0.25 mm 水穩性團聚體含量與各孔隙參數均成正相關關系，其中，田間持水量與總孔隙度、大孔隙度、0.13～1.0 mm 孔隙度、大孔隙成圓率和 0.13～1.0 mm 孔隙成圓率呈顯著正相關(P<0.05)，>0.25 mm 水穩性團聚體含量與總孔隙度和大孔隙度成極顯著正相關(P<0.01)，其與總孔隙成圓率和大孔隙成圓率呈顯著正相關(P<0.05)，但與其他孔隙參數相關性不顯著。而各孔隙參數與容重成負相關關系，其中，容重與總孔隙度、大孔隙度、大孔隙成圓率和 0.13～1.0 mm 孔隙成圓率呈極顯著負相關(P<0.01)，與 0.13～1.0 mm 孔隙度和總孔隙成圓率呈顯著負相關(P<0.05)，而與其他孔隙參數相關性不顯著。
3 討論
土壤孔隙結構主要包括：孔隙度、孔隙數目、孔隙半徑、孔隙大小分布及成圓率等形態和數量特征，以及孔隙的空間分布，相互連通狀況和孔隙之間相關性等空間分布特征。土壤孔隙結構直接影響水分在土表及土體內的遷移途徑和方式，其與土壤表面徑流及滲透性之間具有密切關系[35]。應用 CT 掃描技術可定量分析土壤孔隙的數目、孔隙度、成圓率及其孔隙分布特征，且 CT 掃描技術還可準確揭示大孔隙的數目、大小和位置[10]。Asare 等[36]應用 CT 技術對免耕地中≥0.54 mm 大孔隙進行了研究，發現隨著深度的增加，大孔隙度降低。說明，大孔隙的形成與地上殘留物、植物根系類型及土壤動物等因素有關。楊永輝等[15]研究發現，保水劑的施用均提高了土壤剖面不同土層的土壤孔隙數目、孔隙度和孔隙成圓率，改善了土壤孔隙，提高了作物產量。
少、免耕及秸稈覆蓋能夠改善土壤結構和土壤孔隙，增加土壤水分入滲，提高土壤持水性能，防治土壤質量退化[37-39]。趙紅香等[40]研究表明，秸稈還田能增加土壤總孔隙度、降低毛管與非毛管孔隙度的比值。李江濤等[41]研究發現，長期施用畜禽糞便可顯著提高耕層土壤大孔隙和中孔隙比例，但土壤細孔隙比例降低。而陳學文等[42]研究認為，由于免耕條件下土壤的自然沉實作用，使土壤容重增大，土壤總孔隙度降低。
本研究發現，通過不同土壤結構改良措施的實施，其不僅提高了不同土層土壤的總孔隙數、大孔隙數及 0.13～1.0 mm 孔隙數，且不同類型的孔隙度也相應增加，隨土層的加深其孔隙數目及孔隙度有降低的趨勢，在各處理中以有機肥和免耕處理的孔隙數目及孔隙度較大，其次為保水劑和秸稈覆蓋的處理。說明，免耕避免了土壤中有機質的過度分解和土壤顆粒直接受到雨水打擊而分離成細小顆粒，促進土壤水穩性團聚體的形成，從而改善了土壤結構和土壤孔隙特征，提高了土壤的保水能力和水分利用效率，進而促進作物增收。而有機肥的施入，增加了土壤的有機碳和腐殖質的含量，改善了土壤的團粒結構，促進了土壤孔隙數目及其孔隙度的提高，從而有利于作物生長。保水劑具有改善土壤結構的功能，從而有利于土壤孔隙度的提高。秸稈覆蓋不但可提高土壤的腐殖質，且可使土壤疏松，促進土壤孔隙的提高。同時，秸稈覆蓋、保水劑、免耕及有機肥等措施均顯著提高了田間持水量和> 0.25 mm 水穩性團聚體含量，降低了容重，且以有機肥的效果最為顯著。
土壤孔隙形態對于水分在土壤中的傳輸與保存非常重要。孔隙形狀越不規則，越不利于水分在孔隙中的傳輸，但利于水分的保存。有研究發現[43]，當土壤孔隙直徑小于 0.99 mm 時，孔隙之間的連通性較好，有利于水分在孔隙中的傳輸。而作為反映孔隙形態的孔隙成圓率，其值越大，孔隙越近似于圓形，說明其孔隙越規則，越利于水分在土壤中的傳輸、保存及作物吸收與利用。本研究發現，不同土壤結構改良措施均有利于土壤孔隙形態的改善，提高了土壤孔隙的成圓率，各處理中仍以免耕和有機肥處理效果為佳。
4 結 論
1)不同土壤結構改良措施均提高了土體和不同土層的土壤總孔隙數目、大孔隙數、0.13～1.0 mm 孔隙數和總孔隙度、大孔隙度、0.13～1.0 mm 孔隙度及孔隙成圓率。各處理中以免耕和有機肥處理效果較佳，其次為保水劑和秸稈覆蓋的處理。其中，免耕和有機肥處理的總孔隙度分別較對照高 272.5%、242.5%，大孔隙度分別較對照提高了 343.1%、302.7%。
2)不同土壤結構改良措施均顯著提高了土壤田間持水量和水穩性團聚體含量，降低了容重，且各處理中，以有機肥和免耕處理效果最佳，其田間持水量較對照分別提高了 15.9%和 16.4%，其次為保水劑處理，較對照田間持水量提高了 11.4%。秸稈覆蓋處理與對照之間差異不顯著。而免耕處理的容重最小，其次為有機肥、保水劑、秸稈覆蓋處理，對照容重最大。
3)土壤總孔隙度和大孔隙度對于田間持水量、容重和>0.25 mm 水穩性團聚體含量的影響非常顯著，且土壤總孔隙度和大孔隙度越大，田間持水量和>0.25 mm 水穩性團聚體含量就越高。而容重對于總孔隙度和大孔隙度及孔隙成圓率的影響最為顯著，但容重越大總孔隙度和大孔隙度及孔隙成圓率越小，表明容重的增加不僅降低了土壤孔隙度，且影響了土壤孔隙的形狀。
4)本文采用 CT 掃描技術所能觀測到的最小孔隙為 0.13 mm，其所測得的土壤總孔隙度與常規方法相比，如環刀法所得到的土壤絕對總孔隙度有一定的差異，需要提高 CT 掃描的分辨率使土壤總孔隙度與實際值更為接近。——論文作者：楊永輝 1,2，武繼承 1,2，毛永萍 3 ，韓慶元 4 ，何 方 1,2