低场核磁探测水稻田改蔬菜地土壤水分的相态变化

孔 超，王美艳，史学正，郭乃嘉，于全波



低场核磁探测水稻田改蔬菜地土壤水分的相态变化

孔 超1,2，王美艳1※，史学正1，郭乃嘉1,2，于全波1,2

（1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008； 2. 中国科学院大学，北京 100049）

为了解水稻土转变为设施蔬菜地后土壤水分的相态变化，该研究在田间土壤调查的基础上，结合低场核磁测氢技术，评价了田间状态的水稻土和不同转化年限设施蔬菜地土壤水分的相态分布情况。结果表明：随着转化时间的延长，耕层土壤大孔隙吸持的自由水比重下降，土壤小孔隙吸持的束缚水比重上升，犁底层土壤水分的相态分布却无明显变化，土壤水分吸持性能在转化时间序列上呈现下降的趋势，但长期施用有机肥可以优化耕层质量，提升土壤大孔隙吸持自由水的能力，改善土壤水分供释性能；水稻土转化为设施蔬菜地土壤2 a后，出现新犁底层，使得原有的耕层土壤变薄，土壤水分吸持性能下降。核磁共振作为一种新的技术手段，可以实现实时、快速、准确地检测土壤水分的相态变化，可为设施农业的可持续管理提供新的技术支持。

核磁共振；土壤；水分；水稻田；蔬菜地；T2谱

0 引 言

土壤水作为水资源的一个重要组成部分，是一切陆生植物赖以生存的基础，同时也是溶质和热量在土壤中传输的主要载体。所以，土壤水的数量和相态分布极大地影响着土壤中其他环境因子，进而影响植物和土壤生物的生存状况[1]。在中国长江中下游地区，城市化的快速扩张使得分布在城郊的肥沃老蔬菜地被迫转化为城市用地。为满足人们对蔬菜产品日益增加的需求，城郊原有的水稻田转成新蔬菜地。水稻田转成设施菜地后，耕作方式由季节性水-旱轮作转变为常年旱耕，常年高强度的耕作和施肥以及无降水、高蒸发量的环境条件致使土壤环境在短时间内发生剧烈变化：土壤水的数量和形态迅速改变，盐分表聚现象频现，土壤板结退化严重[2]。因此，研究水稻田转化为设施菜地后土壤持水性能的演变，尤其是土壤水分的相态分布的演变，对实现设施菜地土壤可持续管理具有重要意义。

近年来国内外学者针对水稻田转化为设施菜地土壤质量的演变进行了相关研究，按研究侧重点不同大致分为3个方面：土壤物理性质、土壤化学性质和土壤生物学性质演变。在土壤物理性质的演变方面，孙艳[3]对水稻田和种植年限分别为<5、5～10、>10 a的温室菜地土壤耕层容重研究发现，水稻田土壤容重为1.35 g/cm3，不同转化年限设施菜地的土壤容重分别为1.40、1.55、1.56 g/cm3，在时间序列上呈现递增趋势。蔡彦明等[4]对天津不同种植年限蔬菜地研究发现，随着蔬菜种植年限的延长，土壤的容重变大，土壤结构性变差，土壤饱和含水量、田间持水量、有效水含量及萎蔫含水量均呈现不同程度的下降，土壤水分的吸持性能和供释能力变差。在土壤化学和生物学性质的演变研究方面，Ge等[5-6]对水稻田转化后的设施菜地土壤研究发现土壤盐渍化、酸化、养分累积、微生物活性降低等现象频现。近年来，随着核磁共振技术的不断发展，研究者结合先进的核磁扫描和成像技术，实现了低场核磁测氢技术在农业领域、生命科学领域、石油/多孔介质领域、食品/药品领域、高分子材料领域、轻工纺织领域的应用[7-12]。一方面，由于低场核磁具备场强低（<0.5 T）、磁场稳定、均匀性好等优势，对Fe2+、Fe3+、Mn6+等含量较高的土壤磁化作用较小，从而可以精准检出土壤含水率[13]。另外，由于低场核磁探测设备具有体积小、质量轻、易携带等特点，可以实时、动态、快速、准确地监测田间土壤水分相态的变化，这对于研究农田水分变化规律以及分析和计算农田灌溉用水量具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国江苏省南京市谷里镇设施蔬菜基地（31°52′27″N，118°39′15″E），地处长江下游，境内地势平坦，年均温为15.7 ℃，年均降水量1 072.9 mm，成土母质为混杂下蜀黄土的河流冲积物，土壤类型为水稻土，农田以稻麦轮作为主。本研究所选取的蔬菜基地，历史上一直是稻/麦轮作，2005年由水稻田转化为设施菜地。平均每年种植蔬菜3～4茬，主要的蔬菜品种为上海青和西兰花。

1.2 样地选择与采样设计

本研究选择4种类型，长期种植水稻的水稻田和不同转化年限设施蔬菜地。水稻田作为演变起点（0 a），设施蔬菜地转化年限分别为2、6和8 a，根据实地考察和以往的研究资料确定采样典型样地。样品采集于2015年底，每种类型设3个采样点，采样深度为0～30 cm，水稻田按耕层和犁底层采样；蔬菜地老犁底层之上增加一个新犁底层，即按耕层、新犁底层、老犁底层采样。每层采集3个土壤环刀样、3个原状土柱样和1.0 kg理化分析样。土壤环刀样用于测定采样状态时土壤容重；分析样用于测定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量、pH值和土壤有机质等[14]。

1.3 核磁扫描与图谱简介

原状土柱扫描利用上海市纽迈电子科技有限公司自主研发的23 MHz MesoMR23-060H-I 中尺寸核磁共振分析与成像系统（线圈直径60 mm，磁场强度（0.52±0.05）T，图谱分析采用纽迈电子科技有限公司自主研发的核磁共振分析应用软件Ver 1.0。

原状土柱扫描前，首先将标准油样放入磁体箱中，这样可以调整射频脉冲频率使其达到与磁体箱频率一致，即寻找中心频率。该步骤完成后将原状土柱放入磁体箱中，在核磁共振分析应用软件中设置：接受死机时间（Receiver dead time）为20s，硬脉冲90度脉宽（P1）为16s，硬脉冲180度脉宽（P2）为30s，重复采样等待时间（TW）为2 000 ms，信号采样点数（TD）为120 000，回波个数（NECH）为3 000，重复采样次数（NS）为32，接受机带宽（SW）为250 kHz，点击确定按钮采集脉冲信号。最后将所得的土壤扫描数据进行一百万次反演，在Origin9.0软件中作图，得到横向弛豫时间T2图谱。

1.4 测定方法的进步

相比于经典的土壤水分测量方法，基于低场核磁的土壤水分相态分布探测技术具有操作步骤简单、测试过程便捷、成本投入较低的优势。另外，它还有专用的土壤水分测量软件，实现了参数设置、定标、测量、数据上传、查询过程的一体化，可以直接将测试结果实时传输到电脑终端，结合自动灌溉系统，实现了设施菜地土壤管理的科学化和自动化。另外，由于核磁共振测氢技术可以很好地区分不与固体颗粒或溶剂相互作用的自由水和结晶水，以及物理化学键结合的结合水或不易移动水[15]，并且可以通过横向弛豫特征峰面积与土壤含水率之间的线性关系推算出土壤含水量[16]，从而可为土壤水分相态分布的检出提供新的技术支持。

2 结果与讨论

2.1 不同类型土壤基本理化性质的变化

各类型土壤的基本理化性质如表1所示。水稻土和设施菜地土壤质地均属于粉砂质黏壤土（silty clay loam）[17-18]，质地最大的特点是粉粒含量很高。就耕层而言，水稻土有机质质量分数为37.3 g/kg，不同转化年限设施菜地土壤有机质质量分数分别为27.0、23.6、32.2 g/kg，随着种植年限的增长，土壤有机质质量分数总体呈现下降的趋势，但8 a大棚土壤有机质质量分数却高于其他年限大棚土壤，呈现出相反的趋势；水稻土容重为1.25 g/cm3，不同转化年限设施菜地的土壤容重分别为1.28、1.36、1.22 g/cm3，随着种植年限的增长，土壤容重总体呈现增加的趋势，但8 a大棚土壤容重明显降低，而且是这4种年限土壤中最低的；水稻土pH值为5.0，不同转化年限设施菜地的土壤pH值分别为4.6、4.2、5.1，土壤pH值总体呈现降低的趋势，但8 a大棚土壤的pH为5.1，甚至高于水稻土。由此可见，水稻田改设施蔬菜种植后，随着种植年限的增长，土壤质量总体下降，但8 a大棚土壤却有所改善。

表1 不同转化年限土壤基本理化性质

注：同列中平均数后不同小写字母表示耕层或（新、旧）犁底层处理间差异在<0.05水平显著。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference in plough layer or plow pan (new or old) at 0.05 level.

2.2 不同类型土壤耕层土壤水分的相态变化

目前认为分布在土壤中的水主要存在2种相态：束缚水（包括吸湿水和膜状水）和自由水（包括毛管水、重力水和地下水）。束缚水是被紧紧地吸附在土壤颗粒表面的水分，很难被植物根系吸收；而自由水是土壤中移动较快的水分，易被植物吸收，且与养分在土壤中的迁移转化密切相关[17]。所以，土壤吸持自由水的比重越高，代表土壤吸持水分的有效性越强。

对常规水稻土和不同转化年限设施蔬菜地耕层土壤进行即时扫描得到的T2谱线如图1所示。T2图谱中横坐标反映横向弛豫时间T2，T2值越大，土壤孔隙半径越大；纵坐标反映核磁共振信号强度，信号越强检出的氢质子数量越多[19]。图中特征峰主要由左侧大峰和右侧小峰2部分组成，特征峰面积反映土壤含水量，且峰面积与土壤饱和含水量呈线性正相关关系（2=0.962)[16]；图中左侧大峰弛豫时间取值范围较小，反映土壤小孔隙；右侧小峰弛豫时间取值范围较大，反映土壤大孔隙[19-20]。但是，由于土壤本身结构的易松散性，很难建立横向弛豫时间T2与孔隙半径之间的定量关系，所以本文简要地将土壤孔隙划分为大孔隙和小孔隙进行讨论[21]。

各转化年限土壤T2谱线峰面积统计结果（表2）显示：水稻土谱线中，小峰面积为11 706.2，主峰面积为27 752.3，分别占整个峰面积的29.7%和70.3%；2 a大棚土壤谱线中，小峰面积为8 327.7，主峰面积为32 157.8，分别占整个峰面积的20.6%和79.4%；6 a大棚土壤谱线中，小峰面积为5 650.3，主峰面积为32 235.9，分别占整个峰面积的14.9%和85.1%；8 a大棚土壤谱线中，小峰面积为10 682.3，主峰面积为28 508.3，分别占整个峰面积的27.3%和72.7%。随着种植年限的增长，小峰面积呈现消减的趋势，主峰面积呈现增加的趋势。综合研究区各类型土壤吸持自由水和束缚水比重随转化时间的变化特征可知，总体来讲，耕层土壤吸持自由水的性能降低，吸持束缚水的性能提高，土壤吸持水分的有效性下降。这可能是由于大棚土壤耕作次数较少，且多为浅耕，肥料多为表施，灌水次数多，土壤长期保持湿润状态，使得土壤非水稳性团粒结构遭受破坏，通透性变差；无降水、高蒸发量的环境条件导致盐分上升累积，造成土壤板结退化，继而降低了耕层土壤水分的吸持性能[22]。

表2 不同转化年限耕层土壤特征峰的峰面积分布状况

值得注意的是，相比其他年限大棚耕层土壤，8 a大棚土壤吸持自由水比重最高，吸持束缚水的比重最低，在转化时间序列上，呈现出了相反的变化趋势。本文认为这可能与有机肥的施用有关，施肥量调查结果显示：2、6、8 a大棚土壤有机肥的年均施用量分别为46.5、36、144 t/hm2，8 a大棚的有机肥年均施用量最高，分别是2、6 a的3.1和4倍，有机肥的高投入保证了最优的耕层质量，提高了土壤中自由水的比重，提升了土壤大孔隙的持水能力，有利于蔬菜作物对土壤水分的吸收利用，已有的研究也证实了这一说法。Abdollahi等[23-24]研究表明，长期施用有机肥增加了土壤大孔隙的数量，拓宽了孔隙分布范围，进而提高了土壤水分的吸持性能和供释能力。Wolf等[25]研究指出，田间持水量状态的土壤每提高1%的土壤有机质含量可以增加1.5%的土壤水分。

2.3 不同类型土壤犁底层土壤水分的相态变化

对常规水稻土和不同转化年限设施蔬菜地犁底层土壤进行即时扫描得到的T2谱线如图2所示。无论是新犁底层还是老犁底层土壤，水稻土和大棚蔬菜地土壤T2谱线在转化时间序列上均呈相似分布，小峰面积无明显变化。说明水稻土和不同转化年限大棚蔬菜地犁底层土壤之间水分的吸持性能相近，犁底层土壤水分的相态分布在转化时间序列上并没有发生太大变化。Berli等[26]研究表明，人为活动对土壤结构的影响更多的是集中在耕层土壤，而对犁底层土壤的影响较小，即使长期的耕作也很难改变犁底层结构。

综合图1和图2可知，耕层土壤小峰横向弛豫时间集中分布在3～2 000 ms，犁底层土壤小峰横向弛豫时间的集中分布在6～100 ms，耕层土壤分布范围明显大于犁底层土壤，说明耕层土壤吸持自由水的能力明显大于犁底层土壤，即耕层土壤吸持水分的有效性更强。结合表1可知，水稻土转化为大棚蔬菜地土壤2 a后即出现了新犁底层，使得原有的犁底层位置上移，耕层空间压缩。Garbout等[27]认为长期的复耕压实和黏粒淀积是产生新犁底层的主要原因。由于犁底层结构致密，会严重妨碍空气和水分的运动，进而会对作物根系的延伸以及对土壤水分的吸收产生很大的影响。

a. 新犁底层土壤T2谱线

a. T2relaxation spectra of new plow pan soil

3 结 论

本文对水稻土转化为设施蔬菜地土壤水分的相态变化进行研究，结果表明：1）随着转化时间的延长，耕层土壤大孔隙中自由水比重下降，土壤小孔隙中束缚水比重上升，犁底层土壤水分分布无明显变化，土壤水分的吸持性能在转化时间序列上呈现下降的趋势；2）长期施用有机肥优化了耕层土壤质量，一定程度上改善了土壤水分的吸持性能和供释能力；3）水稻田改设施蔬菜种植后耕层变薄、粘层加厚，从而导致土壤水分运移困难，作物生长受限。因此，基于低场核磁共振的测氢技术可以很好的揭示水稻土和设施菜地土壤水分的相态分布在转化时间序列上的演变过程，可为土壤水分相态分布的检测以及设施菜地土壤的可持续管理提供理论和技术支撑。

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Phase change of soil water of vegetable field transformed from paddy field by low field nuclear magnetic resonance

Kong Chao1,2, Wang Meiyan1※, Shi Xuezheng1, Guo Naijia1,2, Yu Quanbo1,2

(1.,,210008,;2.100049,)

Soil pore water is the important part of terrestrial water resource and the basis for plant survival. Furthermore, it is in charge of heat and solute transportation throughout soil profile. This study aimed to identify the variations of soil moisture under land use change from paddy field to greenhouse vegetable field at different time frameworks. To do so, soil samples were taken at the saturated condition of moisture capacity from both paddy and greenhouse plots. The selected greenhouse vegetable site was located in the urban area of Nanjing, China. In this region the main soil type is paddy soil coming from many-year rice-wheat rotation. A new method called low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology was adopted to acquire soil samples’ transverse relaxation time (T2)spectrum. Based on this 4 treatments were chosen, which included a long-term paddy field and 3 greenhouse vegetable sites with different transformation time. Accordingly, the paddy field was supposed to be beginning point (0 year) (PS0), and the conversion ages of the greenhouse vegetable fields were 2, 6, and 8 years (GVS2, GVS6 and GVS8, respectively). Based on the previous survey, greenhouse field in the pakchoi (L. ssp. chinensis) plantation was selected as the research site in this study. Results of soil profile survey indicated that paddy soil profile (0-30 cm) was divided into 2 layers: a plough horizon (0-15 cm) and plow pan (>15-30 cm). Since a new firm structural layer was observed in the lower part of the plough layer, we divided greenhouse vegetable soils’ profile (0-30 cm) into 3 layers: plough horizon, new plow pan, and old plow pan. Soil physicochemical properties including soil organic matter, bulk density, pH value and particle size composition were measured for selected sampling sites. The results showed that: 1) Water flow in topsoil macro pores decreased from 29.7% in PS0 to 14.9% in GVS6. In contrast, slight changes occurred in water flow across deep layers; 2) the average annual rate of organic fertilization in PS0, GVS2, GVS6 and GVS8 were 0, 46.5, 36 and 144 t/hm2, respectively. The organic fertilizer added to GVS8 was 3.1 and 4 times that of GVS2 and GVS6, respectively. Therefore, it suggests that an improvement in plough layer quality caused by heavy application of organic fertilizer can increase water flow and prevent further soil degradation; 3) Land use transformation from paddy field to greenhouse vegetable field for 2 years decreased water holding capacity due to the emergence of new plow pan. In conclusion, the findings of this study confirm that LF-NMR method can be more directly and accurately used to monitor changes in soil moisture content of each phase instantly, and hence it may provide new theoretical and technical support for scientific management of facility agriculture.

nuclear magnetic resonance; soils; moisture; paddy field; vegetable field; T2relaxation spectrum

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.016

S152

A

1002-6819(2016)-24-0124-05

2016-05-06

2016-09-15

国家自然科学基金项目（41401240；41571209）；中国科学院南京土壤所“一三五”计划和领域前沿专项基金（ISSASIP1627）。

孔 超，主要从事土壤资源与高效利用方向的研究。南京 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），210008。Email：ckong@issas.ac.cn

王美艳，博士，助理研究员，主要从事土壤资源与高效利用方向的研究。南京 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），210008。Email：mywang@issas.ac.cn