深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响

杨建君，盖浩，张梦璇，蔡育蓉，王力艳，王立刚

深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2青冈县气象局，黑龙江青冈 151600

【目的】东北黑土实施深松结合秸秆还田对土壤孔隙结构影响的研究缺乏明确性结论，为此开展本研究，旨在研究深松结合秸秆还田对黑土结构的影响机制，为合理耕层创建提供科学依据。【方法】利用在东北典型黑土区——黑龙江省绥化市青冈县开展的5年田间定位试验为平台，设置农民常规耕作（FP）、单独深松25 cm（T2）、深松25 cm结合秸秆还田（T3）和深松35 cm结合秸秆还田（T4）等处理，采用CT扫描技术开展土壤孔隙结构可视化和定量化研究，并结合田间持水量和容重等指标，探究深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响。【结果】通过土壤孔隙二维和三维图像可以清晰看出，各处理0—20 cm土层孔隙分布均明显少于20—40 cm土层，深松结合秸秆还田（T3、T4）的孔隙分布明显多于FP，增加了结构更为复杂的大孔隙。定量化分析表明，相较于FP，单独深松25 cm（T2）显著提高20—30 cm土层总孔隙度103.0%（＜0.05），主要通过显著提高小孔隙（孔隙直径d≤0.50 mm）孔隙度91.3%和中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）孔隙度143.5%来实现（＜0.05）；而深松结合秸秆还田（T3、T4）则可显著提高0—30 cm土层总孔隙度109.8%—382.7%（＜0.05），主要通过显著提高大孔隙（d＞1.00 mm）孔隙度221.5%—661.7%和中孔隙孔隙度105.4%—544.9%来实现（＜0.05）。T3、T4还显著提高了0—30 cm土层孔隙的分形维数9.9%—17.7%（＜0.05），降低了欧拉数32.4%—66.4%（＜0.05），显著提高田间持水量24.2%—40.6%（＜0.05）。进一步分析得出不同孔径孔隙度、总孔隙度与田间持水量、分形维数呈极显著正相关，与欧拉数呈极显著负相关（＜0.01）。【结论】深松结合秸秆还田能够提高黑土大中孔隙的孔隙度、改善孔隙结构和连通性、增加田间持水量，尤以深松35 cm结合秸秆还田的效果最为显著，可作为东北黑土合理耕层构建的推荐措施。

东北黑土；深松结合秸秆还田；CT扫描技术；土壤孔隙结构

0 引言

【研究意义】东北黑土区作为我国重要商品粮生产基地，自开垦以来，随着连年高强度的开发利用，机械作业的连年压实导致其结构变差，严重影响了黑土的肥力供给和产能提升，甚至威胁到我国的粮食安全[1]。因此，如何保护黑土地，提高黑土耕地质量，成为黑土地保护亟待解决的首要问题[2]【前人研究进展】众多学者针对于黑土结构变差的问题提出了不同解决措施，包括改进耕作措施[3-4]、秸秆还田[5-6]、施用生物炭[7]等，结果证实均可以不同程度改善黑土结构，有利于黑土合理耕层的构建，其中深松和秸秆还田措施是公认为具有降低土壤容重[8]、增加耕层厚度[9]、改善孔隙分布[5]的效应，若将两者结合，则可以充分发挥两者的优势，改善土壤理化性状[10-11]，有效改良黑土结构。当前研究多通过测定土壤有机碳含量、土壤容重、贯入阻力等基础理化性状[6,10,12]来探究深松和秸秆还田措施对黑土的影响，鲜有从土壤孔隙结构的角度进行研究，特别是缺乏可视化和定量化相结合的方法，对其改善土壤性状的效果难以有科学直观的判断与评价。土壤孔隙结构指土壤孔隙的形态大小、数量搭配及其分布状况，包括孔隙度、孔隙半径、孔隙大小分布等形态和数量特征，以及孔隙的相互连通状况和孔隙之间相关性等空间分布特征，是土壤结构的重要方面[13]，孔隙结构直接影响土壤持水能力[5,14]和土壤肥力[15]。因此，对土壤孔隙结构的研究具有重要的实践意义和指导作用。CT技术，即X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography）技术[16]，可以快速获取原状土壤内部结构，是非破坏性检测土壤孔隙3D结构的一种新兴手段[17]，可以实现土壤孔隙结构的可视化与定量化[18-19]，与传统基本理化性状指标监测技术相比具有不可比拟的优势。随着CT扫描技术及后续分析手段的发展进步，近年来已经有不少学者利用这一方式进行土壤孔隙可视化与定量化研究。邱琛等[5]2019年利用CT扫描技术研究有机物料还田深度对黑土孔隙结构影响，结果显示秸秆浅混还田、秸秆深混还田和秸秆配合有机肥深混还田处理对0—15 cm土层＞500 μm孔隙数量和孔隙度分别显著增加了18.1%—179.9%和69.2%—256.0%（＜0.05），表明施用有机物料能够增加相应土层的孔隙数量，改善孔隙分布，增加孔隙结构的复杂性，并且在土壤中出现了交叉孔隙和细长孔隙，提高了孔隙的连通性。王宪玲等[20]基于CT技术研究发现相比单施化肥，有机无机肥配施可以提高20—40 cm土层大孔隙度91.7%（＜0.05），增加大孔隙数量54.8%，土壤持水和导水性也能明显提高。房焕等[21]基于CT技术研究发现稻麦轮作区进行全量秸秆还田能够降低土壤容重19.4%，增大土壤大孔隙度110.6%，改善水稻土物理结构。【本研究切入点】目前基于CT扫描技术的研究多是探究免耕、有机肥替代化肥、秸秆还田与常规耕作措施之间的土壤孔隙结构差异[20-25]，而关于深松结合秸秆还田措施对黑土孔隙结构的研究鲜有报道，且缺乏系统性。【拟解决的关键问题】针对上述现状和问题，本研究利用在东北典型黑土区开展的田间定位试验，通过CT扫描技术开展土壤孔隙结构可视化与定量化的研究，探究深松结合秸秆还田措施对东北黑土土壤孔隙结构的影响，以期为深松结合秸秆还田措施对黑土物理结构的影响机制研究及合理耕层的构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在黑龙江省绥化市青冈县民政镇进化村（126°11′3.14″N，46°42′42.11″E）。该地处于松嫩平原腹地，是典型东北黑土区域，温带大陆性季风气候，平均海拔457 m，年平均气温2.4—2.6℃，全年无霜期130 d左右。试验开展期间（2017—2021年）年降水量为614—753 mm，且降雨主要集中在6—8月，占全年降雨量60%—80%；2020年试验地点遭遇极端台风天气，9月又发生多次强降雨（月总降水量达220.7 mm），全年降雨量达到753 mm。供试土壤为黏壤质黑钙土，0—100 cm土层基础理化性状如表1所示。

1.2 试验设计

试验开始于2017年，采用大区设计，每个试验处理面积为1 200 m2（50 m×24 m）。共设置4个处理，分别是农民常规耕作（FP，旋耕）、单独深松25 cm（T2）、深松25 cm结合秸秆还田（T3）、深松35 cm结合秸秆还田（T4），T3、T4处理均为秸秆全量还田，试验田及取样点布置如图1所示。

每年秋季玉米收获后，深松结合秸秆还田处理（T3、T4）地块首先用秸秆碎混机进行秸秆原位碎混（碎混至秸秆长度小于5 cm），每两年进行一次相应深度的深松（每次深松位置基本一致），之后使用翻地机器将粉碎后的秸秆翻到20—25 cm土层，用耙地机器打碎土块后旋耕起垄（作业机械类型及流程如图2所示）。单独深松处理（T2）：玉米收获后将秸秆移出试验田，每两年进行一次深松，之后旋耕起垄。农民常规耕作（FP）：玉米收获后将秸秆移出试验田，进行旋耕起垄。所有深松作业均使用德国LEMKEN公司的Karat 9深松机进行，深松深度通过仪器数字电控；所有旋耕作业深度一致，均约15 cm。T2、T3、T4处理于2017、2019、2021年秋季分别进行相应的深松，2020年秋季由于受到台风和土壤湿度太大的影响，未进行翻地、起垄等措施，于2021年春季进行了相应的耕作措施。

图1 试验田及取样点布置示意图

表1 2017年试验区土壤基础理化性状

图2 深松结合秸秆还田耕作流程

各处理均于5月初播种，10月初收获。供试品种为天泽703，播种行间距66 cm，株间距25 cm，种植密度约为6万株/hm2。

1.3 样品采集与测定

本研究于2021年8月进行原状土柱取样（图2）。目前关于CT技术的前期取样尚未有统一的技术规范，但都是以获取原状土体，尽量减少取样过程对所取原状土体的扰动为原则。一些学者使用PVC管进行原状土壤取样[23,26]，本题组在2019年也尝试利用该方法进行取样，但效果不理想，表明在东北质地较为黏重的黑土使用PVC管取样难度较大且取样过程易发生较大的扰动，进而影响测定的准确性，因此本课题组采用定制的白钢取样盒进行剖面取样（取样盒长、宽、高参数为50 cm×10 cm×10 cm，50 cm×10 cm的一面可开合，如图3所示）。

每个试验大区取3个原状土柱作为重复，取样点布置如图1所示。由于本研究采用大区试验，耕作措施均由中型及大型机械进行，机械压实及深松尺作业均主要作用于垄沟，故取样点均布设在垄沟。原状土柱取样时，先在取样地块挖出长约60 cm，宽约40 cm，深约60 cm的长方体剖面，将取样盒扣在取样剖面（宽40 cm，深60 cm的一面，要保证此面较平滑，竖直方向垂直地面），然后在取样盒底部垫上厚木板（减少扰动以及防止取样盒受敲击变形），用锤子击打厚木板直至将取样盒完全扣入土体，在侧面用铁锹将装有原状土柱的取样盒挖出，挖出后用刮刀将多余土壤去掉，扣上盖子，用胶带密封，尽量减少水分蒸发散失，使用气柱包装袋将装有原状土体的取样盒包好，立即送到实验室进行CT扫描。取样及运输过程尽量减少对原状土柱的挤压、碰撞等扰动。扫描样品完成后，用体积100 cm3的环刀分别在原状土柱0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层取原状土，用于田间持水量、容重指标的测定[27]，并取0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土样，风干测土壤有机碳含量。

图3 取样盒示意图

原状土柱CT扫描委托英华检测（上海）有限公司分析测试中心测定，采用GE公司的phoenix v | tome x m多功能X射线微聚焦CT系统，扫描参数：扫描电压为220 kV，扫描电流为230 μA，分辨率为100 μm，为避免取样及运输对两端的扰动，原状土柱最上端3 cm及最下端7 cm不进行扫描，仅扫描其余40 cm原状土柱，扫描结束每个原状土柱获取约4 000张16位tiff格式图像。

1.4 图像处理及数据获取

图像处理采用image J软件进行，主要处理过程如下[17]：（1）导入图像。为更直观整体展现原状土柱孔隙结构，可视化对象为整个原状土柱。基于计算机计算能力的限制，可视化过程采取隔一选一的方式（Increment=2），每个土样选取约2 000张灰度图像进行处理；定量化过程分层进行处理（10 cm/层），每层选取对应约1 000张灰度图像进行处理（Increment=1）；（2）图像增强。调节图像亮度、对比度；（3）图像去噪。通过中值滤波平滑图像；（4）选择分析区域。为了避免边界部分的影响，利用方形工具选取未受扰动区域进行分析，本研究中可视化与定量化均选取200像素×200像素的分析区域，换算实际土样切面面积大小为2 cm×2 cm；（5）二值分割。目视法确定图像的分割阈值，对图像进行二值化处理；（6）孔隙可视化及定量化。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插件获取孔隙大小分布、分形维数及欧拉数，孔隙的可视化通过3D viewer插件实现。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019对试验数据进行整理，采用SPSS 21.0进行单因素方差分析，分析比较深松结合秸秆还田措施对土壤孔隙结构参数及物理性质的影响，并用Duncan法进行多重比较（α=0.05）。采用Origin 2021作图。采用SPSS 21.0 软件进行土壤物理性质与土壤结构参数之间的Pearson相关性分析。

2 结果

2.1 不同深松结合秸秆还田对土壤孔隙结构的影响

2.1.1 土壤孔隙二维和三维结构可视化特征 不同处理土壤孔隙二维结构示意如图4所示，农民常规耕作处理（FP）整体大孔隙较少，更多是较小的孔隙，且较为分散，相互之间缺乏连通性，而经过深松的T2、T3、T4处理二维图像都直观地反映出土壤大、中孔隙数量有不同程度的增加，且深松结合秸秆还田处理（T3、T4）孔隙改良效果更明显，在二维图像中体现为土壤大孔隙变多，孔隙性状变复杂，孔隙和孔隙之间的连通也清晰可见。

图中白色部分为孔隙，黑色部分为土壤基质，实际尺寸为2 cm×2 cm

从不同处理土壤孔隙三维结构来看，0—20 cm土层孔隙数量及分布明显少于20—40 cm土层，这在未进行秸秆还田的FP处理和单独深松25 cm的T2处理表现尤为突出（图5），证实了东北黑土存在耕层结构变差的问题。T2处理0—20 cm土层孔隙大小分布及复杂程度相较于FP处理差异较小，但在20—40 cm土层，T2处理土壤孔隙复杂程度有所提高。而T3和T4处理对比FP处理，在0—30 cm土层（T3、T4），甚至30—40 cm土层（T4），孔径较大的孔隙都明显增多，且结构看起来更为复杂，分布更为密集，表明深松结合秸秆还田措施对其作业深度及以上土层孔隙作用效果明显，有效增加了大孔隙分布，提高了孔隙结构的复杂程度。

图中长方体内红色部分为孔隙，其余部分为土壤基质, 实际尺寸为2 cm×2 cm×40 cm

2.1.2 土壤不同直径孔隙分布特征 从总孔隙度分析表明，相较于FP处理，T3和T4处理对0—30 cm土层总孔隙度产生较为显著的影响，分别显著提高128.4%—382.7%和109.8%—339.3%（＜0.05），T4处理对30—40 cm土层孔隙也产生较大影响，较FP处理显著提高总孔隙度152.3%（＜0.05，图6）。单独深松25 cm（T2）仅对深松作业深度土层（20—30 cm）产生显著影响，较FP处理显著提高总孔隙度103.0%（＜0.05）。从中可以看出，深松结合秸秆还田措施可以有效提高其作业深度土层孔隙度，为土体适宜的“三相比”的形成奠定了土壤结构基础[28-29]。

图6 不同深松结合秸秆还田对不同深度土壤总孔隙度的影响

不同处理在不同土层对大、中、小孔隙的孔隙度具有不同的影响效果（图7）。在0—30 cm土层，与农民常规耕作（FP）相比，深松结合秸秆还田处理（T3、T4）都能显著提高中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）和大孔隙（d＞1.00 mm）的孔隙度，但T3和T4处理之间差异不显著；在30—40 cm土层，只有T4较FP处理显著提高小孔隙（d≤0.50 mm）和中孔隙的孔隙度，T3处理作用效果则不显著。T2处理主要作用效果体现在20—30 cm土层的小孔隙和中孔隙，且效果弱于T3和T4处理。在0—10 cm土层，T3、T4较FP处理分别显著提高小孔隙、中孔隙和大孔隙孔隙度231.3%、544.9%、661.7%和246.5%、406.2%、586.7%（＜0.05）；在10—20 cm土层，T3、T4处理分别较FP处理显著提高中孔隙和大孔隙孔隙度161.4%、571.6%和138.8%、523.3%（＜0.05），小孔隙孔隙度有提高趋势，但差异不显著（＞0.05）；在20—30 cm土层，相较于FP处理，T3、T4处理分别显著提高小孔隙、中孔隙和大孔隙孔隙度143.1%、155.2%、287.1%和158.2%、105.4%、221.5%（＜0.05）。T4处理在30—40 cm土层主要作用效果体现在小孔隙和中孔隙孔隙度，较FP处理分别显著提高63.0%和91.3%（＜0.05）。T2处理主要作用于10—20 cm土层的中孔隙孔隙度，以及20—30 cm土层小孔隙和中孔隙孔隙度，较FP处理分别显著提高151.6%、91.3%和143.5%（＜0.05）。

图7 不同深松结合秸秆还田对不同深度土层各孔径孔隙度的分布

2.1.3 土壤孔隙分形维数和欧拉数 孔隙分形维数综合反映了土壤孔隙的大小与形状，其值越大，孔隙的状况越为优越[5,30]。与农民常规耕作（FP）相比，深松结合秸秆还田处理（T3、T4）土壤孔隙分形维数有显著提高，且主要体现在机械作业深度及以上的土层（0—30 cm），而单独深松25 cm处理T2与FP处理相比虽然有提高趋势，但并未表现出显著性差异（表2）。在0—30 cm土层，T3、T4处理的分形维数较FP显著提高9.9%—17.7%（＜0.05），但两处理间未表现出显著差异。在30—40 cm土层，仅有T4处理的分形维数显著高于FP处理9.5%（＜0.05）。

表2 不同深松结合秸秆还田对土壤孔隙分形维数和欧拉数的影响

欧拉数可以用来表征土壤孔隙的连通性，其值越低，表示孔隙连通性越好[31]。本研究中0—40 cm土层范围内，相较于FP处理，T2、T3、T4处理的欧拉数均显著降低（表2），其中以T3处理降低幅度最大，降低了40.1%—66.4%（＜0.05）；T4处理次之，降低了32.4%—56.3%（＜0.05），T2处理降低了32.2%—38.3%（＜0.05）。这也表明深松结合秸秆还田不仅提高了相应土层孔隙度的大中孔隙孔隙度，还能改善孔隙的结构特征，提高孔隙连通性，有利于土壤水分的运移和保存[17]。

2.2 不同深松结合秸秆还田对土壤物理性状的影响

对比FP处理，T2、T3、T4处理均有降低土壤容重的趋势，但均尚未达到显著水平（图8）。T2、T3、T4处理均不同程度提高了土壤田间持水量，其中T3和T4处理效果最为显著。在0—30 cm土层，相较于FP处理，T3、T4田间持水量分别显著提高了20.7%—40.6%和24.2%—35.0%（＜0.05），T2处理较FP处理显著提高了0—10和10—20 cm土层田间持水量18.9%和26.3%（＜0.05）。在30—40 cm土层深度，T2、T3、T4处理较FP处理均有提高趋势，但未达到显著水平（＞0.05）。

2.3 土壤孔隙结构与物理性状的相关性

对各土壤孔隙结构参数和土壤物理性状参数进行相关分析表明，不同孔径孔隙度、总孔隙度均与欧拉数呈现极显著负相关（＜0.01），与分形维数呈现极显著正相关（＜0.01）（图9）。小孔隙、中孔隙、大孔隙孔隙度、总孔隙度、分形维数均与土壤容重呈现极显著负相关（＜0.01），与田间持水量呈现极显著正相关（＜0.01），即土壤孔隙分布及结构会影响到土壤容重及田间持水量。

3 讨论

3.1 深松结合秸秆还田措施下黑土孔隙结构的可视化

CT扫描技术可以实现对土壤孔隙结构的可视化[18]，以直观了解土壤耕层孔隙状况。本研究中，从二维和三维图像都可以清晰看出，在0—20 cm土层，各处理均不同程度出现孔隙分布相对较少的情况，而20—40 cm土层孔隙分布更多，这与邱琛等[5]在黑土研究中0—15 cm土层孔隙度明显多于15—30 cm土层孔隙度的结果有所不同，其原因在于本研究采用大区试验，各耕作管理措施均通过机械进行，符合目前黑土农机耕种的生产实际情况，同时取样点布设在垄沟，更充分体现了机械对土壤一定程度压实的作用[32]，即机械作业对上层土壤直接的碾压作用导致了上层土壤孔隙，特别是大孔隙明显减少[33]，呈现出上层土壤孔隙少于下层土壤孔隙的现象。而邱琛等开展的研究主要是通过传统的小区试验来体现有机物料还田深度对孔隙结构的影响，未充分体现农机作业的压实影响。本研究中，经过5年的试验，单独深松处理（T2）在0—20 cm土层孔隙分布与FP处理相比未呈现出明显差异，而深松结合秸秆还田处理（T3、T4）在0—20 cm出现一些较大且结构复杂的孔隙，与FP处理相比呈现出较为明显的差异，表明深松结合秸秆还田可以在一定程度上缓解机械碾压造成上层土壤孔隙减少、土壤结构变差的问题，这与房焕等[21]得出的秸秆还田显著提高表层土壤孔隙度及孔隙复杂程度的研究结果基本一致。

图8 不同深松结合秸秆还田对土壤容重和田间持水量的影响

图中SP、MP、LP、TP、FD、EN、BD、FC分别代表小孔隙孔隙度、中孔隙孔隙度、大孔隙孔隙度、总孔隙度、分形维数、欧拉数、容重、田间持水量。**表示在0.01水平上极显著

关于原状土体取样，目前尚未有针对原状土体取样范围及方式建立统一的规范，学者们多根据试验情况采取适合自己研究的方法，例如PVC管[5,21,26]等。本课题组采用定制的白钢取样盒进行剖面取样，整体效果有所改善，但仍存在原状土柱边缘受到扰动破损的状况，故本研究在最终处理时仅保留中心2 cm×2 cm×40 cm的土柱，最大限度减少了取样扰动的影响，保证了原状土柱样品分析的准确性与科学性，当然，若能在取样方式上进一步完善改进，实现更好的原状土体取样效果，将有力促进CT扫描技术在土壤孔隙结构研究上的应用，有利于更好呈现土壤结构特征。

3.2 深松结合秸秆还田措施下黑土孔隙结构的定量化

本研究中，单独深松25 cm处理（T2）通过显著提高了作业深度（20—30 cm）土层小孔隙和中孔隙孔隙度来提高了总孔隙度，这与李嵩等[9]提出的深松提高犁底层通气孔隙度和总孔隙度的结论基本一致。深松在不翻转土壤的情况下对相应土层进行横向切割，活化耕层土壤结构，增加土壤孔隙度[34]，但深松后土壤结构不稳定，土壤强度较低，易被再次压实[35]，因此本研究中单独深松25 cm处理（T2）作用效果主要体现在作业深度的小孔隙和中孔隙，并未对大孔隙产生显著影响，这一结论在深松35 cm结合秸秆还田处理（T4）的30—40 cm土层也有体现（图7）。但两者在孔隙结构参数方面有所不同，T4处理深松作业深度30—40 cm土层孔隙分形维数较FP处理显著提高，而T2处理深松作业深度20—30 cm土层分形维数较FP处理并未呈现出显著差异，这可能是机械碾压对上层土壤压实作用效果强于下层土壤[36]，从而导致上层土壤深松效果的弱化。

深松结合秸秆还田作业处理（T3、T4）不仅有效提高深松作业深度的小孔隙和中孔隙孔隙度，还显著提高了秸秆还田作业深度及以上耕层（0—30 cm）的大孔隙孔隙度，其孔隙结构参数表现也优于单独深松25 cm处理（T2），这与丛聪等[10]2021年在黑土区研究得出的深松配施有机物料显著增加土壤孔隙度的结论基本一致。一方面还田的秸秆在微生物和酶的共同作用下向土壤提供了大量小于土壤密度的有机物质，有助于土壤有机碳的固存，并与土壤颗粒结合形成稳定疏松的结构，增大了土壤孔隙度[37-38]，促进原有孔隙向大孔隙转化[39]，这在本研究中也有所体现，T3、T4处理较FP处理显著提高了0—40 cm土层土壤有机碳含量6.6%—27.5%（＜0.05）（表3）。另一方面，秸秆还田还有利于农田土壤生物的生存环境的维护[40]，显著增加土壤动物优势类群[41]，而土壤动物在土壤中的活动促进了土壤孔隙的形成，改善土壤结构[42]，这可能是T3、T4处理大孔隙孔隙度显著提高的另一个原因。此外，T3、T4处理是通过翻耕将碎混的秸秆还到20—25 cm深度土层，每年秸秆还田都会伴随着土层翻转与混合，因此经过5年的深松结合秸秆还田作业后，秸秆还田对大孔隙的作用效果可体现在整个0—30 cm土层，而不仅仅是秸秆还田深度土层，加之深松及翻耕过程对土壤的扰动，进一步促进了孔隙的形成，改善了孔隙状况[28,43-44]，即深松结合秸秆还田有效发挥了深松和秸秆还田两措施优势，具有改良土壤孔隙结构的效果，促进黑土结构更加趋向于合理化，这就给农作物的生长发育创造了良好的土壤微环境。

表3 各处理0—40 cm土层土壤有机碳含量

3.3 深松结合秸秆还田对黑土物理性状的影响

本研究中，T2、T3、T4处理在不同深度耕层容重较FP处理均有降低趋势，但未达到显著水平，这可能是机械的压实作用削弱了对容重的改良效果[45]，或者是5年的作用年限相对较短，仍未充分发挥出对容重的作用效果，还需要更长年限试验来体现[46]。相较于FP处理，T3、T4处理在0—30 cm土层田间持水量均显著提高，结合前文定量化与可视化结果中T3、T4处理大中孔隙显著增加的结果，即土壤中混入打碎的秸秆起到“楔子”的作用，配合深松及翻耕对土壤的扰动，改善了土壤的物理结构，优化了土壤“三相比”[47]，增加了可以储存水分的孔隙[48]，从而提高了土壤的持水保水性能，这与鞠忻倪[49]等提出的土壤孔隙的数量、大小和空间结构对土壤的持水保水性能有着重要影响的结论相吻合；另一方面，还田的秸秆转换为土壤中的有机质，具有巨大的比表面积、亲水基团和较强的吸水性，提高了土壤毛管孔隙度，增强了土壤的持水能力[1,50]。对土壤孔隙结构参数与土壤物理性状进行相关分析显示，土壤孔隙结构参数和土壤容重、田间持水量具有极显著的相关关系，即深松结合秸秆还田措施通过提高不同孔径的孔隙度，改善孔隙连接性及孔隙状况，从而降低了土壤容重，增加了田间持水量，以实现土壤物理性状的改良，这与阮仁杰[51]研究结论基本一致。

本研究可视化结果明确了不同耕层的孔隙分布及目视特征，定量化结果实现了对孔径分布及孔隙结构的定量化，后续的研究中，若能将可视化、定量化结果与更多物理化学及生物学性状相结合，细化分析各土壤孔隙特征对土壤理化性状等影响机制及贡献程度，将极大有助于我们深入理解耕作对土壤微生态的影响。

4 结论

4.1 从二维和三维图像中可以明显显示出东北黑土农民常规耕作（FP）受到机械作业压实的影响，0—20 cm土层孔隙分布明显少于20—40 cm土层，深松结合秸秆还田处理（T3、T4）可以在一定程度改善这一现象，且增加了结构更为复杂的大孔隙。

4.2 相较于FP处理，单独深松25 cm处理（T2）显著提高20—30 cm土层总孔隙度103.0%（＜0.05），主要通过显著提高小孔隙（d≤0.50 mm）孔隙度91.3%和中孔隙（0.50 mm＜d≤1.00 mm）孔隙度143.5%实现（＜0.05）；而深松结合秸秆还田处理（T3、T4）则可显著提高0—30 cm土层的总孔隙度109.8%—382.7%（＜0.05），主要通过显著提高大孔隙（d＞1.00 mm）孔隙度221.5%—661.7%和中孔隙孔隙度105.4%—544.9%实现（＜0.05）。

4.3 深松结合秸秆还田处理（T3、T4）较FP处理显著提高了0—30 cm土层孔隙的分形维数9.9%—17.7%（＜0.05），降低了欧拉数32.4%—66.4%（＜0.05），显著提高了田间持水量24.2%—40.6%（＜0.05），在改善孔隙状况，提高了孔隙连通性的同时，也有增强土壤持水能力的体现。

4.4 相关分析显示，田间持水量和不同孔径孔隙度、总孔隙度、分形维数呈极显著正相关，与欧拉数呈极显著负相关，容重和不同孔径孔隙度、总孔隙度、分形维数呈极显著负相关，与欧拉数呈极显著正相关（＜0.01），即田间持水量和容重受到土壤孔隙直径分布及孔隙结构的影响。

综上所述，深松结合秸秆还田能够提高土壤大中孔径的孔隙度、改善孔隙结构和连通性、增加田间持水量，可作为东北黑土合理耕层构建的推荐技术。

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Effect of Subsoiling Combined with Straw Returning Measure on Pore Structure of Black Soil

YANG JianJun,1GAI Hao1, ZHANG MengXuan1, CAI YuRong1, WANG LiYan2, WANG LiGang1

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Non-point Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Qinggang Meteorological Bureau, Qinggang 151600, Heilongjiang

【Objective】The effect of subsoiling combined with straw returning on soil pore structure of black soil in Northeast China is lack of definite judgment. Aimed at such problem, this research was conducted in order to provide scientific basis for the influence mechanism of this measure on soil structure of black soil and the establishment of reasonable tillage.【Method】In this study, a 5-year field positioning experiment conducted in Qinggang County, Suihua City, Heilongjiang Province, a typical black soil area in Northeast China was used as a platform. Farmers’ conventional treatment (FP), 25 cm subsoiling alone treatment (T2), 25 cm subsoiling combined with straw returning treatment (T3) and 35 cm subsoiling combined with straw returning treatment (T4) were set. The visualization and quantification of soil pore structure were studied using CT scanning technology, and combined with field capacity and bulk density to explore the effect of subsoiling combined with straw returning on the pore structure of black soil. 【Result】The results showed that the two-dimensional and three-dimensional images of soil pores clearly showed that the pore distribution at 0-20 cm soil layer was significantly less than that at 20-40 cm soil layer in all treatments, while the pore distribution of suboiling combined with straw returning treatment (T3 and T4) was significantly higher than that under FP treatment, and their macropores with more complex structure were increased. Quantitative analysis showed that compared with FP treatment, the total porosity of 20-30 cm soil layer under T2 was significantly increased by 103.0% (＜0.05) , which was achieved by significantly increasing the micropores porosity(pore diameter d≤0.50 mm) by 91.3% and mesopores porosity (0.50 mm＜d≤1.00 mm) by 143.5% (＜0.05). While subsowing combined with straw returning treatments (T3 and T4) significantly increased the total porosity of 0-30 cm soil layer by 109.8%-382.7% (＜0.05), which was achieved by significantly increasing the macropores porosity (d＞1.00 mm) by 221.5%-661.7% and the mesopores porosity by 105.4%-544.9% (＜0.05). In addition, compared with FP treatment, subsoiling combined with straw returning (T3 and T4) significantly increased the fractal dimension of soil pores at 0-30cm soil layer by 9.9%-17.7% (＜0.05), decreased the Euler number by 32.4%-66.4% (＜0.05), and significantly increased the field water capacity by 24.2%-40.6% (＜0.05). Further analysis showed that the different pore size porosity and total porosity was significantly positively correlated with field capacity and fractal dimension, but significantly negatively correlated with Euler number (＜0.01). 【Conclusion】Subsoiling combined with straw returning could improve porosity of macropores and mesopores pore of black soil, improve pore structure and connectivity, and increase field capacity, especially the effect of 35 cm subsoiling combined with straw returning treatment is the most significant, which could be recommended measure for rational tillage construction in black soil of Northeast China.

Northeast black soil; subsoiling combined with straw returning; CT scanning technology; pore structure in soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.007

2022-07-11；

2022-09-14

国家自然科学基金（32171564）、中国农业科学院科技创新工程项目（CAASZDRW202202）、现代农业产业技术体系北京市创新团队（BAIC08-2022）

杨建君，E-mail：officeyjj@tom.com。通信作者王立刚，E-mail：wangligang@caas.cn

（责任编辑 李云霞）