CT扫描分析秸秆隔层孔隙特征及其对土壤水入渗的影响

张宏媛，逄焕成，卢 闯，刘 娜，张晓丽，李玉义



CT扫描分析秸秆隔层孔隙特征及其对土壤水入渗的影响

张宏媛，逄焕成，卢 闯，刘 娜，张晓丽，李玉义※

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

为阐明不同物理形态玉米秸秆建立的隔层对盐碱土壤灌溉水入渗特征的影响机制，该文采用室内模拟试验方法，在距地表40～45 cm处均匀铺设同一隔层厚度（5 cm）段状秸秆（SL）、颗粒状秸秆（SK）与粉末状秸秆（SF），以不埋设秸秆隔层为对照（CK），并利用CT扫描和图像处理技术，定量分析不同形态秸秆隔层内部孔隙度、孔隙大小分布、连通度等孔隙参数及其与灌溉水入渗特征之间的关系。结果表明：与CK处理相比，不同物理形态的玉米秸秆隔层均显著提高了40～45 cm隔层处总孔隙度，其中以SF处理最高，分别较CK、SL与SK处理显著提高了29.25、12.09与12.61个百分点（< 0.05），但SL与SK处理间差异不显著。SF处理在灌溉水入渗各阶段均显著增加了孔隙直径≤ 1 mm的孔隙度（< 0.05），入渗开始前、结束后分别较SL与SK处理提高了19.18、17.25和9.45、9.41个百分点，从而增大了封闭气体体积，导致灌溉水入渗速率较慢，而SL处理在灌溉水入渗开始前孔隙直径> 1 mm孔隙度较SK处理提高了1.04个百分点，但在入渗结束后SK处理孔隙直径>1 mm孔隙度较SL处理显著提高，这种> 1 mm大孔隙的变化导致SK处理出现湿润锋通过秸秆隔层耗时长于SL处理，而湿润锋通过隔层后至土柱底部耗时短于SL处理的现象。相关性分析结果表明：湿润锋通过秸秆隔层用时与入渗开始前、结束后隔层处总孔隙度、≤ 1 mm直径孔隙度均呈极显著正相关，与入渗前> 1 mm直径孔隙度呈极显著负相关（< 0.01），而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著，孔隙连通度对灌溉水入渗速率的影响较总孔隙度小。可见，不同形态玉米秸秆隔层均影响灌溉水入渗过程，CT扫描技术可作为定量研究秸秆隔层内部孔隙结构及其对灌溉水入渗影响机制的手段，该结果可为筛选和建立盐碱土壤最佳灌溉淋盐效果的物理形态秸秆隔层提供参考。

秸秆；CT；孔隙；入渗；盐碱土壤

0 引 言

合理的灌溉洗盐是改良干旱区盐碱地和防止水土环境恶化的重要措施[1]。在盐碱地改良利用过程中，如何提高单位体积水量淋盐量，促进根系分布层土壤脱盐，对于提高盐碱化耕地灌溉水效率、缓解地区水资源短缺压力有重要意义[2]。建立隔层是改良盐渍土壤的有效手段，也是近年来国内外研究的热点[3]。由于取材容易和成本低等优点，秸秆作为隔层在盐渍土改良中的作用逐渐受到重视，有研究表明，在土表下20或30 cm处铺设秸秆层，具有阻渗洗盐的作用，可以阻碍重力水入渗，提高上层土壤含水率，同时提高离子的浸出速率，进而达到提高洗盐效率的目的[4-6]。本课题组前期在内蒙古河套灌区的多年研究也发现，在地表下40 cm处埋设作物秸秆隔层可提高单位水量脱盐量，尤其利于苗期根系分布层土壤脱盐，与当地常规春季灌水量相比，在有秸秆隔层条件下，常规灌水量和90%常规灌水量处理均可提高土体脱盐率，提高了灌水利用率[7]。目前建立秸秆隔层的技术措施在当地得到了广泛认可，对于进一步改良盐碱土壤具有重要意义。同时，课题组还针对该技术发明了便于秸秆深埋还田的犁具，在进行翻地的过程中同时将作物秸秆与残茬翻埋至土表下35～40 cm深处，解决了实际应用中翻埋秸秆困难的问题。但目前有关不同物理形态秸秆建立的隔层如何影响灌溉水入渗过程仍不清楚，制约利用秸秆隔层结合灌溉淋盐效果的发挥。因此开展不同物理形态玉米秸秆隔层对灌溉水入渗的影响及秸秆隔层内部结构对水分入渗的影响机制研究具有重要理论与实践指导意义。

土壤水分的运动速度和方向主要取决于土壤孔隙的几何形态和结构特征[8-9]，如孔隙大小、孔隙数量和连通性等[10]。土壤孔隙与水分入渗特性具有密切关系[11]，在土壤水分传导、溶质运移和植物生长等方面具有重要作用。目前，研究土壤孔隙的方法主要有染色示踪法、气体吸附法（N2）、压汞法和CT断层扫描法等，其中CT扫描技术可快速获取原状土壤内部孔隙结构，是非破坏性检测土壤孔隙3D结构的一种新兴手段[12-15]。秸秆隔层的存在必定影响水分的入渗[5]。秸秆可以通过不同的处理方法得到不同的产品，如可切割为段状、粉碎为碎末、制成颗粒等，研究表明，段状秸秆可以有效降低土壤盐度，从而增加作物产量，提高经济效益，秸秆粉末可以增加土壤饱和含水量与保水供水能力[2,16]。而在同一秸秆隔层厚度下，不同物理形态秸秆建立的隔层由于堆积密度、粒径、承重能力的差异而造成其孔隙结构（总孔隙度、孔隙大小，连通性等）的不同可能影响到水盐运移特征，但目前有关不同物理形态的秸秆隔层孔隙特征及其对灌溉水入渗过程的影响及机制缺乏报道。因此，本研究基于室内土柱模拟试验，采用显微CT扫描和图像分析技术研究不同物理形态的玉米秸秆隔层的孔隙特征，并分析其与灌溉水入渗特征的关系，旨在为下一步筛选和建立适合盐碱土壤最佳灌溉淋盐效果的物理形态秸秆隔层提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料制备

供试土壤取自内蒙古五原县隆兴昌镇（41°07′N，108°00′E，海拔1 022 m），采样深度为0～40 cm，土壤质地为粉砂壤土，按盐土分类属于氯化物—硫酸盐土，平均含盐量为4 g/kg，采集土壤的基本理化性状见表1，其中土壤机械组成为质量分数。为保证室内土柱模拟试验土壤符合当地中重度盐碱地表层土壤盐分高、下层盐分低的分布特点，将过2 mm筛风干土壤按质量均匀分成5份，其中3份直接放置备用，1份土壤根据盐分基础值均匀添加在当地取的盐结皮（盐分含量经混匀后一致）将含盐量调至10 g/kg，另1份调至6 g/kg，从而制成4、6、10 g/kg 3种盐分含量的土壤。

供试秸秆样品为当地当季（2016年秋季）风干玉米秸秆，用铡刀将整株秸秆均匀切成5 cm长度放置备用（叶和秆混合），取部分5 cm秸秆用JL-1000型号秸秆粉碎机（河南九龙机械制造有限公司）研磨过2 mm筛，制备为秸秆粉末；再取部分粉末状秸秆，随后添加质量比为30%～35%的蒸馏水搅拌均匀，搅拌均匀后用MZLH420型号秸秆颗粒机（溧阳市金亿机械有限公司）常温挤压，制备为直径4 mm，长度为4～6 cm的圆柱状秸秆颗粒。

表1 试验区供试土壤0～40 cm理化性状背景值

1.2 土柱模拟试验处理及操作过程

用有机玻璃柱（高135 cm、内径20 cm、外径21 cm）装填100 cm高土柱。有机玻璃柱底部封闭，中间位置设有圆形排气孔，自底端向上15、25、35、45、55、70、80、90、100 cm处分别设置3个取样孔，均匀分布在同一水平面上，孔径均为2 cm，试验时用橡皮塞封闭，用于试验中采集土壤样品。为了在入渗过程中提供一个气流顺畅的入渗环境，填装土壤前，先于土柱底部装填厚度为5 cm的干净砂石（2～5 mm）作为反滤层；在砂石层上平铺2层与土柱横截面大小相同的尼龙布，防止其上部土壤颗粒进入砂石层。在装土过程中，模拟当地中重度盐碱地表层土壤含盐量高、容重小，下层土壤含盐量低、容重大的特点，土柱0～20 cm按含盐量10 g/kg、土壤容重1.3 g/cm，>20～40 cm按含盐量6 g/kg、土壤容重1.4 g/cm，>45～100 cm层次按含盐量4 g/kg、土壤容重1.4 g/cm分别装填过2 mm筛的风干土壤。填土后在土柱上部留有30 cm积水层，以便模拟大田漫灌方式。

在40～45 cm层次根据试验处理均匀铺设不同物理形态的秸秆，分别为5 cm长度段状秸秆（SL）、秸秆颗粒（SK）和秸秆粉末（SF），另外设置无秸秆隔层处理（CK），各处理均设置3个重复。3个秸秆隔层处理压实后隔层厚度均为5 cm（与大田试验最佳施用秸秆隔层厚度一致，在土柱试验进行过程中隔层厚度基本没有变化）。由于不同形态秸秆密度不同，SL、SK、SF处理土柱中秸秆质量分别为0.16、1.26、0.24 kg，这个用量是基于试验开始前预先装填模拟试验的结果（通过在直径为20 cm，高度为45 cm小土柱，分别将5 cm长度段状秸秆、秸秆颗粒与秸秆粉末装填到小土柱底部压实到厚度均为5 cm，直至无法再下压为止，然后称每种形态的秸秆质量）。

土柱装填完成后进行垂直一维土柱积水入渗试验，灌溉水为去离子水。土壤初始含水率采用烘干法测定平均土壤含水率为3.24%，根据土壤饱和含水量、土壤容重等参数计算，每个土柱总灌水量为14 L，该灌水量也正好能满足入渗过程中1 m土体盐分淋洗的要求。各土柱均加水至保持土面水层10 cm高度，放置马氏瓶于土柱顶部，控制马氏瓶的高度，并在整个试验过程中保持不变，记录试验过程中马氏瓶水位。灌水后开始记录湿润锋位置，湿润锋到达秸秆隔层上层之前，每5 min记录1次；湿润锋通过秸秆隔层过程中，每10 min记录1次；湿润锋到达秸秆层下层之后每30 min记录1次；湿润锋到达土柱50 cm深度后，每2 h记录1次，直至湿润锋到达100 cm土柱底端。用乳胶管连接土柱底部排气孔和容器接渗漏液，记录出水时刻及停止出水时刻，在灌溉水停止渗出时，即入渗过程结束。

1.3 CT扫描和图像处理过程

在灌溉水入渗前后，以电锯切割的方式，截取40～45 cm区域原状土柱，进行CT扫描，土柱直径20 cm，长度5 cm。采用GE公司phoenix v|tome x m多功能X射线微聚焦CT系统进行扫描。扫描参数：扫描电压（voltage）为230 kV，扫描电流（current）为160 mA，各处理分辨率（resolution）为0.107 mm。投影数据采用背投算法重建，总共获得约1 500张32位tiff格式图像，再利用Image J软件转存为8位tiff格式图像，灰度值范围为0～255。

利用Image J软件进行图像处理：1）图像增强：调节图像亮度与对比度；2）图像去噪：通过中值滤波平滑图像；3）选择感兴趣区域：为了避免边界部分的影响，利用方形工具选取土柱中心区域进行分析；4）二值分割：本研究利用目视法确定图像的分割阈值，对图像进行二值化处理；5）图像分析与可视化：对于分割后的二值图像，进行颗粒分析获取每个土层的孔隙面积和孔隙度，利用Bone J插件的Thickness工具计算孔隙大小分布及连通度，孔隙的可视化通过3D viewer插件实现。

1.4 数据统计分析

采用Office Excel 2016进行基本数据处理，SPSS 22.0统计分析软件进行方差分析与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 基于CT扫描不同物理形态的秸秆隔层孔隙形态特征目视分析

不同处理土柱40～45 cm隔层的孔隙形态特征如图1所示，不同处理孔隙结构存在明显差异。在入渗开始前与结束后，秸秆隔层内部孔隙分布密度均明显高于CK处理，在入渗结束后，不同秸秆隔层处理内部孔隙分布密度均低于入渗开始前。

a. 入渗开始前二值图像 a. Binary image before infiltrationb. 入渗开始前三维可视化图像 b. 3D visualization before infiltrationc. 入渗结束后二值图像 c. Binary image after infiltrationd. 入渗结束后三维可视化图像d. 3D visualization after infiltration

注：CK为无秸秆隔层（对照），SL为段状（5 cm长）秸秆隔层，SK为秸秆颗粒隔层，SF为秸秆粉末隔层。下同。图a和图c中黑色部分代表孔隙，白色部分代表秸秆或土壤基质，图b和图d中正好相反。

Note: CK, no straw interlayer; SL, segmented straw interlayer with 5 cm length; SK, straw pellets interlayer; SF, straw powder interlayer. Same as below. In Fig.a and Fig.c, black portion represents pores, and white portion represents straw or soil matrix, which is opposite in Fig.b and Fig.d.

图1 不同物理形态的秸秆隔层孔隙目视图

Fig. 1 Visual figure of macropores within different straw layer forms

不同物理形态的秸秆隔层处理在灌溉水入渗前、结束后孔隙形态特征一致。从孔隙形态来看，SL处理存在更多细长的大孔隙，呈片堆结构，单元呈片状，连接较强，SK处理隔层中颗粒之间主要以点对点接触，呈单粒结构，而SF处理的孔隙数量较多，分布均匀，呈现明显的复杂多孔结构，有利于得到疏松多孔的土壤结构；从孔隙密度来看，SF处理土层孔隙分布最密，SL处理与SK处理间不易直观判断；从孔隙大小来看，SL处理孔隙整体较大，SK处理次之，SF处理最小。

2.2 不同物理形态的秸秆隔层孔隙特征参数分析

2.2.1 基于CT扫描秸秆隔层孔隙特征

不同物理形态的秸秆隔层孔隙参数情况如表2所示，本研究中显微CT设置的分辨率为107m，总孔隙度包括当量直径> 107m的所有孔隙。入渗开始前，处理间的孔隙参数差异较大，SF处理较CK、SL与SK处理分别显著提高了29.25、12.09与12.61个百分点（< 0.05）；入渗后各处理孔隙度较入渗开始前均呈下降趋势，但整体SF处理孔隙度仍最高，较CK、SL与SK分别显著提高了23.99、7.72与6.63个百分点（< 0.05）。入渗前、后SL与SK处理间总孔隙度差异均不显著。

表2 不同物理形态的秸秆隔层孔隙2D几何特征分析结果

注：表中同一列不同的小写字母表示处理间的差异达到显著水平（< 0.05）。

Note: Different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.

孔隙连通性是评价多孔介质及散体介质孔隙结构特征的一个重要参数。由表2可知，入渗开始前，不同物理形态的秸秆隔层孔隙连通性表现为SL > SF > SK > CK，秸秆隔层处理孔隙连通度显著高于对照处理，其中SL处理连通度最高，分别是CK、SK与SF处理20.76、1.82和1.69倍（< 0.05）；入渗结束后，不同处理孔隙连通性表现为SK > SL > SF > CK，SK处理显著高于其他处理，分别是CK、SL与SF处理93.26、7.08和10.17倍（< 0.05）。

总体来看，不同秸秆隔层的存在显著增加了40～45 cm隔层总孔隙度，其中秸秆粉末隔层处理在入渗前、后孔隙度增加均最为显著。此外，段状秸秆隔层在入渗开始前一定程度上提高了孔隙连通度，但在入渗结束后颗粒秸秆隔层明显提高了孔隙连通度，这也为水分传输及保存提供了良好条件。

2.2.2 基于CT扫描秸秆隔层孔隙度的垂直分布特征

图2是灌溉水入渗开始前与结束后截取不同物理形态的32 mm厚度秸秆隔层处的孔隙度随深度变化特征。考虑秸秆隔层上下与土壤接触的2个界面有土壤颗粒掺入，因此剔除了上下截面处部分切片图像孔隙度数据，保留了中间部分32 mm厚度来描述不同形态秸秆隔层孔隙的分布情况。在入渗开始前，CK处理孔隙度变化范围介于4.38%～5.77%，显著低于不同形态秸秆隔层处理，而SF处理孔隙度变化范围介于16.21%～42.38%，显著高于SL（14.78%～31.55%）与SK（16.31%～29.79%）处理。相较于入渗前，入渗结束后各处理隔层孔隙度均有一定程度上的下降，CK处理孔隙度变化范围介于2.02%～3.65%，依然显著低于不同形态秸秆隔层处理，SL处理孔隙度介于7.76%～27.03%，SK处理孔隙度介于18.03%～23.68%，SF处理孔隙度介于8.26%～32.25%。

图2 入渗前后秸秆隔层孔隙度随深度变化

2.2.3 基于CT扫描秸秆隔层孔隙频率分布

在灌溉水入渗过程中，不同处理40～45 cm隔层处孔隙频率分布情况也有一定差异（图3），在入渗前、后CK处理孔隙直径均≤ 1 mm，且孔隙度显著低于秸秆隔层处理（< 0.05）。灌溉水入渗开始前，SF处理孔隙直径≤ 1 mm孔隙度较SL与SK处理显著高19.18和17.25个百分点（< 0.05），但SL与SK处理间差异不显著；>1～2 mm直径孔隙中SL处理孔隙度显著高于SK与SF处理3.21与5.94个百分点（< 0.05）；>2～3 mm直径孔隙中SK处理与SL处理差异不显著；仅有SK处理存在> 3 mm直径孔隙。入渗结束后，SF处理孔隙直径≤1 mm孔隙度降低，但仍显著高于SL与SK处理，分别提高了9.45和9.41个百分点（< 0.05），SL与SK处理间无显著差异；>1～2 mm直径孔隙中SK与SF处理孔隙度分别显著高于SL处理1.15与1.57个百分点（< 0.05）；>2～3 mm直径孔隙中SL与SK处理孔隙度较SF分别显著提高了2.12和1.95个百分点（< 0.05）；>3～4 mm与> 4 mm直径孔隙仅有SL与SK处理，且差异不显著。

注：同一柱子上不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。

2.3 入渗过程中不同物理形态的秸秆隔层对湿润锋运移的影响

图4描绘了不同物理形态的秸秆隔层对湿润锋运移随时间变化的影响情况。均质土壤在灌溉水入渗过程中的湿润锋推进速度随深度变化呈光滑递减趋势，无突增或突降情况，而秸秆隔层处理湿润锋不再符合此特征，其湿润锋运移速度与均质土壤明显不同。入渗过程开始时由于土壤表层比较干燥，土层含水率较小，水势梯度较大，土壤入渗较快。在0～40 cm土层内，秸秆隔层各处理与对照处理湿润锋运移速度基本一致，曲线重叠性较高。随着灌水量的增加湿润锋向下继续运移至40 cm秸秆隔层处这一阶段，各秸秆隔层处理湿润锋运移速度变缓，处理间出现明显差异，且湿润锋不稳定，水分沿指状流动，引发优先流现象，但这种湿润锋的不均匀性随入渗深度增加而逐渐减弱，在灌溉水入渗过程中通过观测记录了湿润锋消失的位置，当SL、SK与SF处理湿润锋运移分别至约76、71与63 cm处时，优先流现象消失。不同处理湿润锋通过秸秆隔层（至45 cm）用时依次排序为：SF>SK>SL>CK，通过粉末、颗粒、段状秸秆隔层用时分别较对照处理显著增加了12.55、8.06和4.56 h（< 0.05）。湿润锋到达土柱底部（至100 cm）耗时排序为SF > SL > SK > CK。SF处理湿润锋运移速度依然最慢，到达土柱底层用时最长，耗时203.20 h，较SL、SK与CK处理分别增加了48.95、63.10与134.30 h；与通过秸秆隔层耗时相比不同的是，SK处理入渗总耗时长（140.10 h）显著低于SL处理（154.24 h）（< 0.05）。

图4 不同处理土壤湿润锋深度随时间变化

总体来看，灌溉水入渗过程中，不同物理形态的秸秆隔层各处理总用时均显著高于对照处理，其中SF处理在各个阶段用时均较长，而SK处理湿润锋通过秸秆隔层耗时长于SL处理，但其后期入渗速度提高，待湿润锋到达土柱底部总耗时短于SL处理。

2.4 湿润锋运移用时与孔隙参数的相关性分析

对湿润锋运移用时情况与显微CT扫描测得的孔隙参数（总孔隙度、≤ 1 mm孔隙度、> 1 mm孔隙度和孔隙连通度）进行相关性分析，结果如表3。由表可知，通过秸秆隔层用时与入渗开始前、结束后总孔隙度、≤ 1 mm直径孔隙度均呈极显著正相关（< 0.01），与入渗开始前> 1 mm孔隙度呈极显著负相关（< 0.01）。湿润锋到达土柱底端用时与入渗开始前、结束后总孔隙度均呈极显著正相关（< 0.01），分别与入渗开始前≤ 1 mm孔隙度呈显著正相关（< 0.05）、与> 1 mm孔隙度呈极显著负相关（< 0.01），分别与入渗结束后≤ 1 mm孔隙度呈极显著正相关（< 0.01）、与> 1 mm孔隙度呈显著负相关（< 0.05）；湿润锋到达土柱底端用时还与入渗开始前、结束后孔隙连通度呈极显著负相关（< 0.01）。

表3 入渗前后秸秆隔层孔隙参数与入渗特征指标相关性分析

注：** 相关性在0.01水平显著；*相关性在0.05水平显著。

Note: ** Significant at the 0.01 probability level; * significant at the 0.05 probability level.

整体看，秸秆隔层总孔隙度对阻碍灌溉水入渗的影响显著，其中≤ 1 mm孔隙对水分入渗有显著阻碍效果，> 1 mm孔隙会产生大孔隙流加速水分入渗，孔隙连通度也显著促进了水分入渗，但根据相关系数来看，总孔隙度对灌溉水入渗速率的影响较孔隙连通度显著。

3 讨 论

在灌溉水入渗过程中，均质土壤处理中湿润锋推进速度均匀，原因是其水势逐渐降低，符合达西定律，水流能顺利渗透并向下运移[17]。赵永敢等[16]认为埋设秸秆隔层后等同于非均质土壤，湿润锋在到达秸秆隔层时推进速度变缓慢，是由于秸秆隔层大孔隙的存在造成导水能力的差异，使土水势在土壤与秸秆隔层的交界面发生突变，导致水分入渗形式发生变化[18]。从本研究结果来看，不同物理形态的玉米秸秆隔层内部孔隙结构的差异也的确影响了这种阻水减渗的效果。土壤内部孔隙结构主要包括：总孔隙度、孔隙数量、孔隙直径大小及孔隙连通度等数量与空间的分布特征。土壤孔隙结构直接影响水分在土体内的运移，并且其与土壤表面径流及渗透性之间具有密切相关[19]。本研究通过CT扫描技术定量分析不同物理形态的秸秆隔层处孔隙特征发现，无论在入渗开始前，还是入渗结束后，与对照处理相比，不同形态秸秆的存在均使40～45 cm隔层总孔隙度显著增加。在水流推进过程中，隔层孔隙中的空气不能完全排出或来不及排出入渗表面就被积水禁锢在土体内部，形成封闭气泡，使其水分含量未达到饱和状态，此时秸秆隔层的导水率低于上层土壤，结果导致隔层与上层土壤的水势差在短时间内无法达到平衡，水分运动速度降低[16,20]，阻碍了灌溉水的入渗进程，增加了灌溉水在隔层以上土层的停留时间，提高了上层土壤含水率，从而促进了离子间的交换、吸附和解析等作用，提高盐分淋洗效果[21]。其中SF处理秸秆隔层内部结构复杂，具有较大的比表面积，并且通过孔隙定量化分析，其总孔隙度最大，隔层中封闭气泡体积较大，连通性较SL处理低，灌溉水在隔层之间流动绕过的路径弯曲程度较大，并且气体的逸出率较小[22]，导致其孔隙中气体体积随之增加，进而增加了其中封闭气泡体积。此外，由于秸秆粉碎后，物理结构发生相应变化，增大了比表面积，且破坏了秸秆表皮的蜡质层结构，增大了对水分的黏附力。因此SF处理秸秆隔层与土层交界面处的水势差维持时间较长，导致湿润锋到达土柱底部耗时最长。本研究还发现，相较于入渗开始前，入渗结束后各处理隔层孔隙度均有一定程度上的下降，其原因是灌溉水入渗过程中，秸秆上层土体在水流的带动及重力作用下，部分土壤颗粒会进入到秸秆隔层内部，填充部分孔隙。

土壤饱和导水率大小与土壤总孔隙度变化密切相关，其中有效大孔隙的数量和大小起决定性作用[23]。大孔隙也是形成优先流的主要原因，本试验也发现3种形态秸秆隔层处理都存在明显的优先流现象。入渗水流进入秸秆隔层后，由于隔层内大孔隙的存在使水流优先迁移，优先到达秸秆隔层与其下层土壤交界面，而隔层内的封闭气体使湿润锋前部的空气压力增加，从而产生速度差异较大的“非均匀流场”[24]，出现优先流现象；本研究中3种处理秸秆隔层内总孔隙度和大孔隙随其深度变化不一致（图2），造成灌溉水入渗过程中，湿润锋通过秸秆隔层后优先流现象的时间长短也不一致[2]，其中5 cm段状秸秆隔层（SL处理）孔隙度随深度变化波动较大，有利于优先流路径的形成[25]，导致其优先流现象最为明显，持续时间较长。由于土壤大孔隙的形成因素多样且空间分布复杂，导致其几何形状的多样性，很难对大孔隙进行严格的定义。长期以来，研究者根据研究目的，采用了不同方法来定义大孔隙。Luxmoore[26]从流域水文的研究角度，根据水的表面张力和毛管上升力方程计算，建议将当量孔径> 1 mm的孔隙定义为大孔隙；Singh等[27]应用AUTOCAD和自动图像分析仪研究免耕与常规翻耕条件下大孔隙性质差异时，将当量孔径> 1 600m的孔隙定义为大孔隙；冯杰等[28]为研究土壤大孔隙结构，根据CT扫描仪的精度，将直径> 187.8m的孔隙定义为大孔隙。本文主要研究隔层孔隙对灌溉水入渗速度的影响，因此借鉴水流动力学角度对大孔隙的定义，将> 1 mm当量孔径的孔隙划分为可产生大孔隙流的孔隙范围[26]。本研究进一步发现，入渗开始前SL处理> 1 mm孔隙度较SK处理高（表4），主要是由于段状秸秆较长，而由于这种大孔隙流的存在，灌溉水开始入渗时，SL处理水分入渗能力较强[29]，导致SL处理秸秆隔层处导水率较SK高，交界面处的水势差下降速度较快，因此，其湿润锋通过秸秆隔层耗时较SK处理短；在湿润锋通过秸秆隔层后，SK处理由于吸水膨胀，SK处理孔隙直径> 1 mm的孔隙度显著升高（表4），其孔隙直径> 1 mm的水分通道增加，而SL处理秸秆隔层处密度较小，承重能力较差，受上层土层挤压影响较大，此外灌溉水向下运动将一部分土壤颗粒带到秸秆隔层处，导致了其孔隙直径> 1 mm的孔隙度出现减小，进而在湿润锋通过隔层后，到达土柱底部的过程中，SK处理入渗能力较好，湿润锋运移速度较SL处理快。因此出现了SK处理湿润锋通过秸秆隔层耗时显著长于SL处理，而通过隔层后湿润锋推进速度提升，湿润锋到达土柱底部总用时较SL处理短的现象。

表4 入渗前后不同处理孔隙度比较

注：表中同一行不同的小写字母表示不同处理间的差异达显著（< 0.05）水平。

Note: Different letters within a row indicate significant differences at 0.05 level.

孔隙连通性也是评价多孔介质及散体介质孔隙结构特征的一个重要参数，它与灌溉水的渗流效果密切相关，在一定程度上影响到土壤的入渗性能[19,22,30]。本研究发现，不同物理形态的秸秆隔层处理孔隙连通度均显著高于无秸秆隔层对照，这主要因为秸秆隔层增加了大尺寸孔隙数量，使孔隙曲折度相应减小，从而连通度得以增加[31]。这与王珍等[32]研究表明秸秆加入土壤后导致低吸力段孔隙连通性变差的结果不符，原因是该研究是将少量秸秆混合于土壤中，秸秆的加入打破了原有土壤中的孔隙连通性，而本文是利用秸秆构建隔层，与原状土壤相比，显著提高了孔隙度及连通性。相较于入渗开始，入渗结束后SL、SF处理孔隙连通度降低，其原因是灌溉水入渗过程中，秸秆上层土体在水流的带动及重力作用下，部分土壤颗粒会进入到秸秆隔层内部，填充部分大孔隙，阻断了孔隙间的连通；而SK处理入渗结束后孔隙连通性大幅提升，其原因主要是颗粒状秸秆吸水膨胀，孔隙数量增加，导致秸秆基质体积减小，增加了孔隙的连通性，这与杨保华等[31]研究表明孔隙数量增加使孔隙连通度增加的结果相似。

通过对灌溉水入渗过程与孔隙定量化参数的相关性分析进一步发现，土柱40～45 cm秸秆隔层总孔隙度和≤1 mm孔隙度均与湿润锋运移耗时成极显著正相关，对阻碍灌溉水入渗作用显著，但> 1 mm孔隙产生的大孔隙流会一定程度上加快水分入渗速率，而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著。这与郑健等[33]有关秸秆颗粒形态对沟灌入渗特征影响的研究得出的小孔隙数量的增加对减小水分的入渗速率影响较大的结论相似。而作为反映孔隙形态的孔隙连通度也影响灌溉入渗过程，其值越大，越利于水分在土壤中的传输[34-36]，促进湿润锋向土层深处运移。

CT技术是近年来土壤物理学研究的热点，本论文主要研究不同物理形态玉米秸秆建立的隔层在同一厚度条件下对灌溉水入渗特征的影响，并进一步借助于CT扫描技术孔隙结构的研究阐述不同形态秸秆隔层对水分入渗过程产生影响的机理，从而为下一步筛选和建立最佳灌溉淋盐效果的物理形态秸秆隔层提供依据，有关不同形态的秸秆隔层对灌溉后水盐分布、地表返盐以及盐分平衡情况的影响乃至最佳形态秸秆隔层处理的确定我们将进一步深入研究。

4 结 论

1）通过3D结构重建，CT扫描技术能直观反映不同物理形态秸秆隔层的孔隙结构，并精确量化孔隙大小、体积以及连通性等二值化参数。相较于均质土壤，不同物理形态的玉米秸秆隔层均显著提高了40～45 cm隔层处总孔隙度。各处理中以秸秆粉末隔层总孔隙度最高，SF处理在灌溉水入渗各阶段均是≤ 1 mm孔隙度最大，阻碍灌溉水入渗效果显著；而SL处理在灌溉水入渗开始前> 1 mm孔隙度大于SK处理，入渗结束后情况相反。由于这种大孔隙流发生变化导致SK处理湿润锋通过秸秆隔层耗时长于SL处理，但湿润锋通过隔层后至土柱底部耗时短于SL处理。

2）不同物理形态秸秆隔层内总孔隙度随其深度变化不一致，造成湿润锋通过秸秆隔层后优先流现象的时间长短也不一致，其中5 cm段状秸秆隔层孔隙度随深度变化波动较大，导致其优先流现象最为明显，持续时间较长。

3）秸秆隔层总孔隙度和≤ 1 mm孔隙度越高对阻碍灌溉水入渗效果越明显，> 1 mm孔隙会产生大孔隙流加速水分入渗，而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著；同时湿润锋通过秸秆隔层后，孔隙连通度对促进水分入渗也有显著影响。

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Pore characteristics of straw interlayer based on computed tomography images and its influence on soil water infiltration

Zhang Hongyuan, Pang Huancheng, Lu Chuang, Liu Na, Zhang Xiaoli, Li Yuyi※

(,,100081,)

In order to clarify mechanisms behind the influence of interlayer established by different physical forms of corn straw in saline-alkali soil on soil infiltration characteristics, the indoor simulation experiment method was adopted. A total of 4 treatments of different straw forms buried with the equal thickness of 5 cm at 40-45 cm under topsoil as an interlayer were designed, including no straw interlayer (CK), segmented straw with 5 cm length (SL), straw pellet (SK), and straw powder (SF). The computed tomography (CT) images were used to quantitatively analyze the pore parameters such as porosity and pore size distribution of the straw interlayer and its relationship with the infiltration rate of irrigation water. The results showed that compared to CK, the corn straw interlayer with different physical forms significantly increased the total porosity of the 40-45 cm layer, with SF as the highest, which was significantly higher than that of CK, SL and SK by 29.25, 12.09 and 12.61 percentage points (< 0.05), but the difference between SL and SK treatments was not significant (>0.05). The porosity with pore diameter ≤ 1 mm in the SF treatment significantly increased at each stage of irrigation water infiltration (< 0.05), and increased by 19.18, 17.25 and 9.45, 9.41 percentage points than that of SL and SK before and after infiltration, respectively, which thereby increased the volume of the enclosed gas and resulted in a slower infiltration rate. The porosity with pore diameter > 1 mm in the SL treatment was 1.04 percentage points higher than that of SK before infiltration, but that in the SK treatment was significantly higher than SL after infiltration. This transformation of macropores with pore diameter > 1 mm resulted that the wetting front of SK had taken longer time than SL through the straw layer, while the wetting front had taken less time than SL after passing through straw layer to the bottom of the soil column. Correlation analysis showed that there was a significant positive correlation between the time of wetting front through the straw layer and the total porosity, the porosity of pore diameter ≤ 1 mm before and after the infiltration, but there was a significant negative correlation with the porosity of pore diameter > 1 mm porosity before infiltration (< 0.01). However, the effect of this macropores weakened after the end of infiltration, the effect of ≤ 1 mm porosity in straw interlayer was still significant, and the effect of pore connectivity on the infiltration rate of irrigation water was observed. In conclusion, different forms of corn straw interlayer affected the infiltration process of irrigation water, and computed tomography (CT) images can be used as a method to quantitatively study the pore structure of straw interlayer and their influence on the infiltration characteristics of irrigation water. This study provides a method for screening and establishing an optimal physical form of straw interlayer combined with salt leaching promoted by irrigation water in saline-alkali soils.

straw; CT; pores; infiltration; saline-alkali soil

2018-09-24

2019-01-10

国家自然科学基金（31471455、31871584）；国家重点研发计划项目（2016YFC0501302）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（1610132016051）

张宏媛，从事盐碱地改良利用研究。 E-mail：zhanghongyuan0429@163.com

李玉义，研究员，主要从事土壤耕作与盐碱地改良利用研究。 E-mail：liyuyi@caas.cn.

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014

S152.+7

A

1002-6819(2019)-06-0114-9

张宏媛，逄焕成，卢 闯，刘 娜，张晓丽，李玉义. CT扫描分析秸秆隔层孔隙特征及其对土壤水入渗的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(6)：114－122. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014 http://www.tcsae.org

Zhang Hongyuan, Pang Huancheng, Lu Chuang, Liu Na, Zhang Xiaoli, Li Yuyi. Pore characteristics of straw interlayer based on computed tomography images and its influence on soil water infiltration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 114－122. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014 http://www.tcsae.org