秸秆覆盖对广西甘蔗地土壤水分与结构变化的影响

甘磊 张俊 郑思文 韦本辉 李健 李帅 邓婉珍

摘要：【目的】探討秸秆覆盖对广西甘蔗地土壤孔隙结构、孔隙数量、连通性等性质的影响，分析土壤孔隙结构特点及水分运移通道特征，为广西地区甘蔗生产中的科学合理种植提供理论依据。【方法】设秸秆覆盖（SM）与无秸秆覆盖对照（CK）2种处理，利用CT扫描成像技术和ImageJ软件获取土壤孔隙结构数据并测定土壤有机质，结合原位监测获得的5、20、40 cm深度的土壤含水量数据，对比分析不同处理的孔隙结构特点及土壤水分运移通道特征。【结果】SM处理0～10 cm土层的有机质含量显著高于CK（P<0.05，下同）;相同深度下SM处理的土壤含水量均高于CK。0～40 cm土层中，SM处理的土壤孔隙面密度显著大于CK，而CK的土壤孔隙复杂度显著高于SM处理。SM处理的孔隙数量（19190个）、直径≥1 mm孔隙数量（952个）、孔隙度（0.07%）及比表面积（1.64 mm-1）均显著大于CK对应值（9415个，690个，0.06%，1.43 mm-1）。土壤孔隙三维结构显示，CK的总孔隙数量少且多分散在0～20 cm土层，空间分布呈明显的分层现象;而SM处理的总土壤孔隙数量多且均匀分布在整个空间，无明显孔隙分布分层现象，且其连通性孔隙发育较完善。【结论】秸秆覆盖处理可有效提高广西甘蔗地的土壤含水量，增加土壤孔隙数量，从而整体提高土壤孔隙连通性，对土壤孔隙结构改善有一定积极影响，有利于促进甘蔗根系的生长发育。

关键词： 秸秆覆盖;土壤孔隙;CT扫描;土壤水分;甘蔗

中图分类号： S152.7                                    文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）07-1745-08

Effects of straw mulching on the change of soil moisture and structure in sugarcane field in Guangxi

GAN Lei1，2， ZHANG Jun3， ZHENG Si-wen2， WEI Ben-hui4*， LI Jian2，

LI Shuai3， DENG Wan-zhen2

（1Guilin University of Technology/Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety

in Karst Area，Guilin， Guangxi  541004， China; 2Guilin University of Technology/Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi  541004， China; 3Guilin University of Technology/Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science

and Education Combined with Science and Technology Innovation Base， Guilin， Guangxi  541004， China;

4Institute of Economic Crops，Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning  530007， China）

Abstract：【Objective】The effects of straw mulching on the properties of soil pore structure， pore quantity and connectivity of sugarcane field in Guangxi were investigated to analyze the characteristics of soil pore structure and water transport channel， which provided theoretical basis for scientificand rational planting of sugarcane in Guangxi. 【Method】Two treatments including straw mulching （SM） and no straw mulching（CK） were set up to obtain soil pore structure data by CT scanning imaging technology and ImageJ software. Meanwhile the soil organic matter and soil water content at 5， 20 and 40 cm depth in-situ were measured. These data were used to analyze the pore structure characteristics and soil water movement channels in different treatments. 【Result】The organic matter content of 0-10 cm soil layer in SM was significantly greater than that of CK（P<0.05， the same below）. The soil water content under SM treatment was significantly higher than that of CK at the same depth. In 0-40 cm soil layer， the soil pore surface density of SM was significantly greater than that of CK， while the soil pore complexity of CK was significantly higher than that of SM treatment. The quantity of pores （19190） and pores with diameter ≥1 mm（952）， porosity（0.07%） and specific surface area（1.64 mm-1） treated by SM were all significantly higher than those treated by CK（9415， 690， 0.06%， 1.43 mm-1）， respectively. The three-dimensional structure of soil pores showed that the relative few pores were mostly dispersed in the 0-20 cm soil layer within obvious stratification in spatial distribution in CK. However， However， the soil pore number treated with SM were large and evenly distributed throughout the space， the obvious stratification of pore distribution was not observed in SM. The relative more pores were distributed in the whole space which induced the well-developed connectivity. 【Conclusion】Straw mulching can effectively increase soil water content and quantity of soil pores，  results in the better soil pore connectivity， which can improve the soil structure， finally promote the development of root system for sugarcane.

Key words： straw mulching; soil pores; CT scan; soil moisture; sugarcane

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（42067002，41761048）; Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFAA380197， 2019GXNSFDA245013）

0 引言

【研究意义】蔗糖业是广西重要的经济产业，甘蔗作物的生长发育状况对该产业的发展有着重要影响。广西地处岩溶区，复杂而脆弱的岩溶环境及降雨时空分布不均的条件，导致该地区甘蔗种植生产受到干旱等灾害影响，农业用水短缺问题日益严峻。此外，近年不合理的种植及过度开垦也造成土壤质量不断退化（仝金辉等，2017）。土壤结构是农业土壤质量的重要体现，良好的土壤结构具有调节土壤水气平衡的作用（张维俊等，2019），土壤孔隙的几何结构、空间分布特性及连通程度均会对土壤的水分运移与保持产生重要影响（Li et al.，2017），而土壤水分与土壤结构对于作物种植有着重要影响。秸秆覆盖作为一种改善土壤性状、促进作物生长和维持土壤中水分含量稳定的有效措施（Zhang et al.，2015），已在多种作物种植中应用，研究发现，表层覆盖秸秆能明显抑制水分蒸发（张金珠等，2015），改善表层土壤团粒结构，增加保水能力（陈帅等，2016）。因此，研究秸秆覆盖对广西甘蔗种植过程中土壤孔隙结构及水分变化的影响，对广西甘蔗生产中的科学合理种植具有重要意义。【前人研究进展】目前，有关秸秆覆盖的研究主要集中在不同覆盖条件对土壤水分和温度（付强等，2014;孙红霞等，2014）、土壤团聚体特征和有机碳（周泉等，2019）及土壤理化性质（宁东贤等，2020）等的影响。张金霞（2012）研究发现，秸秆覆盖能有效缓解因雨水击溅产生的土壤分散及渗流作用对土壤孔隙分布的影响。同时，秸秆覆盖具有增温保墒作用，可稳定土壤中的水分及温度，为土壤孔隙结构的发育及作物根系生长延伸提供适宜的环境（宁东贤等，2020）。张万锋等（2020）分析了耕作方式与秸秆覆盖对夏玉米根系分布及产量的影响，结果表明，秸秆覆盖处理能显著提高夏玉米的深层根长密度、产量及水分利用效率。Thidar等（2020）研究发现，秸秆覆盖能改善玉米种植中的土壤水分状况及玉米根系水分的运移情况。赵长坤等（2021）研究表明，秸秆覆盖对土壤孔隙结构及土壤水分的空间分布存在一定影响，能提高土壤水分及根系的水分运移，促进作物根系生长发育，进而对土壤孔隙结构产生影响。【本研究切入点】前人关于甘蔗的相关研究多集中于甘蔗品质等生化指标，而针对秸秆覆盖对广西甘蔗种植中土壤物理指标，特别是土壤结构的研究报道相对较少。【拟解决的关键问题】通过CT扫描技术与土壤水分监测数据，研究秸秆覆盖对广西甘蔗地土壤孔隙结构、孔隙数量、连通性等性质的影响，分析土壤孔隙结构特点及水分运移通道特征，以期为广西地区甘蔗生产中的科学合理种植提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料及试验区概况

供试甘蔗品种为桂柳05-136。试验区位于广西农业科学院里建科研基地（东经108°02′，北纬23°14′），海拔高度120 m，土壤母质为第四纪红土，基部岩层为石灰岩。年平均气温21.6 ℃，年平均相对湿度79.0%，年平均降水量1304.2 mm，属于中亚热带季风气候。土壤类型为石灰土及红壤土，经人工管理后地势平坦。

1. 2 试验方法

试验设2个处理：秸秆覆盖（SM）和无秸秆覆盖对照（CK）。每处理各设3个重复，分别记为SM-1、SM-2、SM-3和CK-1、CK-2、CK-3。每个试验区长7.0 m，宽6.5 m，种植间距1.3 m。2个处理均采用粉垄耕作方式，耕作深度为30 cm。秸秆覆盖区利用甘蔗收割后的甘蔗叶片进行机械粉碎覆盖，粉碎后的秸秆叶片平均长度10 cm，覆盖厚度2 cm，覆盖重量2.9 kg/m2。综合甘蔗根系的生长深度及覆盖情况，在各试验区分别开挖50 cm边长的正立方体土壤剖面，在0～40 cm深度土层，以10 cm为间距，使用体积100 cm3的环刀在每层随机取6个重复原状土壤样品，同时采集散装土壤1 kg，用于测量土壤基本理化性质。CT成像土壤样品采用高40 cm、内径10 cm的PVC管进行采集，其中PVC管的取土端打磨成刀口，从土壤表层以敲击取样法打入土层采集土柱，每处理各随机取3个重复，共6个土柱。以上土壤样品在甘蔗伸长期内（2019年8月20日—8月25日）集中采集。同时在每个处理区选取3个重复剖面，每个剖面的5、20和40 cm深度分别以水平方式埋设水分探头（Type ML2x，Delta-T Devices，Cambridge），将探头连接到数据采集器对土壤水分进行定位监测，仪器采集数据间隔时间1 h，并在监测前对探头进行校准。土壤水分监测时间为2018年3月1日—2019年3月1日。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 土壤理化性质测定 使用体积100 cm3的环刀以10 cm为间距采集0～40 cm深度原状土，用于测定土壤容重，取出后用保鲜膜封口缠绕防止水分蒸发。以梅花点法采集相同土壤深度的扰动土样用于測定土壤质地及有机质含量。土壤容重采用烘干法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;土壤质地采用马尔文激光粒度仪测定。

1. 3. 2 土壤孔隙结构测定 CT（美国GE公司生产，型号Discovery CT 750 HD）扫描模式为GSI（宝石能谱成像），管电压为120 kV，管电流为600 mA。土柱扫描后获得的切片间距为0.0625 mm，分辨率为512×512，共计640张，格式为DICOM。使用ImageJ软件对输出的DICOM格式原图像进行降噪等处理后，利用内置相关插件统计和计算获得土壤孔隙的二维及三维参数，并对土壤孔隙进行三维重建。根据前人研究成果（Luxmoor et al.，1990）并结合本研究内容，将当量孔径大于1 mm以上的孔隙定义为大孔隙。相关参数计算如下：

（1）二维图像处理与数据提取

孔隙面密度可使用孔隙面积与总面积的比值定量评价，M值越高表明孔隙占比越大，土壤越疏松。公式如下：

MZ=[APA] （1）

式中，MZ为深度Z处孔隙面密度，AP为深度Z处的孔隙总面积，A为深度Z处孔隙和土壤总面积。

孔隙复杂度可用孔隙周长与面积的比值定量评价，D值越高表明孔隙的扭曲程度高，孔隙结构复杂，因此D值是每个完整切片上所有孔隙的复杂度，而不是单个孔隙的复杂度。公式如下：

DZ=[2lgPPlgAP]                 （2）

式中，DZ为深度Z处的孔隙复杂度，PP为深度Z处的孔隙周长，AP为深度Z处的孔隙面积。

（2）三维可视化与数据提取

孔隙的比表面积反映单位体积上内孔壁对水分和溶质运动的阻挡能力，可用内表面积和体积比进行定量评价。公式如下：

S=[WPVP] （3）

式中，S为孔隙的比表面积，WP为孔隙内壁表面积，VP为孔隙体积。

孔隙弯曲度是孔隙沿中轴上两点之间的实际长度与两点之间最短长度之比，可表征孔隙的空间形态;孔隙弯曲度可量化孔隙网络结构，表示孔隙在土壤空间中的影响范围，T值越大，孔隙通道及网络越复杂，水和溶质通过的实际路程越曲折，孔隙的传导能力弱、通透性差。公式如下：

T=[PaPb] （4）

式中，T为孔隙弯曲度，Pa为孔隙中轴线两点之间实际长度，Pb为孔隙中轴线两点之间的最短长度。

孔隙网络结构连通性可用相交点数和端点数之间的关系来定量评价。公式如下：

C=[JJ+E] （5）

式中，C为孔隙网络结构连通性，J为孔隙分枝相交点数，E为孔隙分枝端点数。

1. 4 统计分析

采用Excel 2016和SPSS 21.0进行数据统计分析，采用Origin 2017制图并以Image 10.0进行图像处理。

2 结果与分析

2. 1 秸秆覆盖对土壤基本理化性质及土壤含水量的影响

由表1可知，秸秆覆盖对土壤质地无明显影响，SM处理不同土层深度粘粒、粉粒和砂粒所占比例均与CK无显著差异（P>0.05，下同）。但秸秆覆盖对土壤容重和有机质含量的影响在不同深度土层间存在差异。CK与SM处理的土壤容重随着土壤深度增加呈先减小后增大的变化趋势，最小值均出现在20～30 cm土层，土壤容重仅在30～40 cm土层差异显著（P<0.05，下同）。SM处理的土壤有机质含量随着土层深度的增加而降低，0～20 cm土层有机质含量显著高于20～40 cm土层，CK不同深度土层的有机质含量无显著差异。相同深度下，CK與SM处理的土壤有机质含量除10～20 cm土层差异不显著外，其他土层均差异显著，其中0～10 cm土层SM处理的有机质含量显著高于CK，而20～40 cm土层的有机质含量显著低于CK。

由图1可看出，CK与SM处理的土壤含水量均随着监测时间呈阶段性的上升和下降变化，二者变化趋势基本一致，但也因覆盖方式的不同而不同。CK的土壤含水量均值随着土层深度增加而逐渐降低，20 cm土层土壤含水量较5 cm土层土壤含水量下降3.9%～6.9%，40 cm土层土壤含水量较20 cm土层土壤含水量下降4.7%～9.5%。SM处理的土壤含水量均值随着土层深度增加呈先降低后升高的变化趋势。各时期相同深度SM处理土壤含水量均高于CK处理土壤含水量。

2. 2 秸秆覆盖对土壤孔隙二维分布特征的影响

由表2可知，相同土层深度下，SM处理的土壤孔隙面密度均值均显著大于CK，而CK的土壤孔隙复杂度均值则显著大于SM处理。由图2可看出，CK的土壤孔隙面密度随着深度增加呈递减趋势，在10～40 cm间整体相对稳定;而SM处理的土壤孔隙面密度在研究深度内呈较明显的波动变化，其整体孔隙面密度数值较高。由图3可看出，CK与SM处理的土壤孔隙复杂度随着土层深度变化呈不同的变化趋势，CK的土壤孔隙复杂度变化范围约是SM处理的2倍。在整个土壤剖面中CK处理的孔隙复杂度变化范围主要在2%～8%，均值为3.32%;SM处理的孔隙复杂度呈较一致的变化规律，变化范围主要在1%～4%，均值为2.62%。

2. 3 秸秆覆盖对土壤孔隙三维分布特征的影响

由表3可知，SM处理的孔隙数量均值、直径≥1 mm孔隙数量均值和孔隙度均显著多于或大于CK，但SM处理和CK的直径≥1 mm孔隙数量占总孔隙数量的比例分别为4.96%和7.34%，后者高于前者。由于孔隙度和孔隙数量是累计参数，仅能反映不同处理区域土壤孔隙的大小与数量，为更好反映孔隙在三维空间上的分布特征，需采用孔隙的弯曲度、连通性和比表面积等参数对土壤孔隙结构进行定量分析。SM处理孔隙连通性和比表面积均值大于CK，而CK的孔隙弯曲度均值大于SM处理。由图4的土柱孔隙三维图可看出，CK中除CK-1的土壤孔隙集中分布在0～10 cm土层外，CK-2和CK-3的土壤孔隙多分布在0～10 cm和10～20 cm土层，3个土柱在20～40 cm深度仅存在零星分布的细长孔隙，说明CK处理20～40 cm深度土壤较紧实，整体连通性较差;SM处理的土壤孔隙数量较多且整体分布较均匀，未出现孔隙数量分布上下分层的现象，且能观察到较多的细长孔隙和较大的生物性孔隙。整体而言，CK与SM处理的土壤孔隙在整体空间分布上存在明显差异，CK的总孔隙数量少且多分散在0～20 cm土层，空间分布呈明显的分层现象;而SM处理的总土壤孔隙数量多且均匀分布在整个空间，其连通性孔隙发育较完善。

3 讨论

本研究结果表明，秸秆覆盖对土壤质地无明显影响，但对土壤容重和有机质含量的影响在不同深度土层间存在差异。其中，30～40 cm土层的土壤容重差异显著，而其他土层无显著差异，与徐明岗等（2006）研究指出覆盖处理对土壤容重影响不明显的结论不完全一致。此外，本研究中SM处理表层（0～10 cm）土壤的有机质含量显著高于CK，但深层（20～40 cm）土壤的有机质含量则显著低于CK。其原因可能是土壤表层覆盖的秸秆分解后，增加了土壤有机质的输入量（吴婕，2006）;而秸秆覆盖同时改善了土壤孔隙结构，有利于作物根系发育及促进作物生长，增加根系对深层土壤有机质的吸收利用（黄萍，2018），这也可从本研究CT扫描数据中SM处理的孔隙数量在空间上分布较均匀的情况得到佐证。

本研究中，同时期相同土壤深度SM处理的土壤含水量均值显著大于CK。其原因除秸秆覆盖能较好地隔绝土壤表面与大气之间的热流交换，从而抑制土壤水分的蒸发损失外，还与秸秆覆盖改善土壤孔隙结构有关，SM处理较好的连通性与较低的弯曲度以及孔隙空间分布均匀有利于提高土壤水分的运输与储存。SM处理土壤含水量最小值出现在20 cm深度，上层5 cm与底层40 cm土壤含水量较高，中间层土壤在维持平均含水量的同时，将水量传输至底层40 cm层土壤中，土壤含水量增加及土壤水分分布深度下延（孙红霞等，2014）。而CK的土壤含水量随深度增加不断降低，可能是因为甘蔗地缺少秸秆覆盖，受降雨影响土壤颗粒物质由降雨入渗过程被携带进入到土壤中填充孔隙，降低了土壤孔隙连通性。受此影响CK处理土壤孔隙出现断层分布，孔隙多分布在20 cm以上土层，造成20 cm以下土层土壤水储藏空间有限，土壤水分有效性逐渐降低（王胜楠等，2015）。

秸秆覆盖能减少地表裸露，减弱外界环境的影响，有利于土壤孔隙结构的发育（吕雯等，2018）。相同深度下，SM处理的土壤孔隙面密度大于CK，且CK的总体孔隙面密度值在10～40 cm土层低于2%，缺少秸秆覆盖，CK区域在降雨影响下土壤易形成沉降，土壤颗粒物质由降雨入渗过程被携带进入到土壤中填充孔隙，降低土壤孔隙面密度（Karunatilake and van Es，2002）。此外，秸秆覆盖影响土壤湿度与温度，进而影响土壤的收缩和孔隙发育，这可能是导致CK与SM处理土壤孔隙复杂度呈现不同变化规律的原因。SM处理的土壤孔隙复杂度均值小于4%，而CK的孔隙复杂度数值高波动范围大，说明后者土壤内部孔隙连通性较差，孔隙边界的不规则性较高。

就不同处理的土柱孔隙数据与孔隙空间分布情况可知，SM处理与CK的土壤孔隙空间分布特征存在明显的差异。缺少秸秆覆盖时，易受降雨等外界环境的作用而产生土壤沉降压实等的影响，导致土壤孔隙数量及孔隙度减少，且其土壤孔隙的空间分布出现明显的上下分层现象，进而降低土壤孔隙连通性，增加孔隙弯曲度，从而影响土壤水分的空间分布及作物根系在深层（20～40 cm）的生长，这可从CK的土壤含水量数据及土壤孔隙三维图中深层（20～40 cm）土壤仅存在少量分散分布的土壤孔隙得到证实。SM处理的土壤孔隙空间分布均匀，无明显的分层现象，且各土层深度均出现一定数量的细长土壤孔隙。细长孔隙结构的发育增加了孔隙结构的分支数量，提高了水分的运输效率（Gao et al.，2019），有利于土壤水分空间的均匀分布及作物根系的生长发育。

综上所述，秸秆覆盖对广西粉垄蔗地的土壤孔隙结构改善有积极影响，主要表现在可增加土壤孔隙数量，促进孔隙发育。而土壤孔隙数量及空间上的分布情况直接影响着土壤孔隙的连通性及土壤水分有效性，使得秸秆覆盖处理的土壤水分得到更有效利用，最终将有利于甘蔗水分的高效利用与产量提升。但本研究仅从土壤结构及水分变化的角度对比了不同覆盖处理的影响，未对土壤温度及甘蔗作物的产量进行研究，且秸秆覆盖年限仅为一年，秸秆覆盖对土壤质地及甘蔗产量的影响仍需深入探讨。

4 结论

秸秆覆盖处理可有效提高广西甘蔗地的土壤含水量，增加土壤孔隙数量、孔隙面密度及孔隙度，提高土壤孔隙连通性，对土壤孔隙结构的改善有一定的积极影响，有利于促进甘蔗根系的生长发育。

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（责任编辑 王 晖）