CT掃描技術研究有機物料還田深度對黑土孔隙結構影響

邱 琛，韓曉增，陳 旭，陸欣春，嚴 君，馮玉鈿，甘佳偉，鄒文秀※，劉國輝

（1.中國科學院東北地理與農業生態研究所，哈爾濱 150081；2.中國科學院大學，北京 100049；3.黑龍江省農業環境與耕地保護站，哈爾濱 150090）

0 引 言

土壤結構是土壤固體顆粒和孔隙在不同尺度上的三維排列，它能夠調控土壤的持水能力、降水入滲過程、氣體交換、有機質和養分的動態變化和根系生長等[1]。土壤結構的可視化和定量化一直是土壤學研究的熱點[2-3]。然而由于土壤組成物質的復雜性和結構的易破碎性，導致直接研究土壤結構非常困難[4]。Petrovic等[5]在1982年將 CT掃描技術應用到土壤容重的測定中，隨后開啟了CT掃描技術在土壤結構研究中的大量應用[5-7]。土壤結構的穩定性受生物和非生物因素的綜合影響，包括氣候條件、土壤礦物組成、有機質含量、植物根系、真菌菌絲、土壤動物等[8]，其中農田管理方式是土壤結構最直接的影響因素，它通過耕作、輪作和有機物料還田等方式調控土壤結構的形成與破壞[6-10]。房煥等[11]利用CT掃描技術定量研究了稻麥輪作下秸稈還田對土壤結構的影響，發現秸稈還田通過增加土壤有機碳含量，促進微生物和真菌活動，能夠顯著提高土壤大孔隙度及各個孔徑下的孔隙度[12]。耕作通過增加對土壤的擾動減少了土壤中大孔隙數量和孔隙度，增加了小孔隙的數量[9]；通過破除土壤孔隙間的孤立性，增加了土壤孔隙的連通性，有利于土壤中水分傳導，促進作物對水分的吸收[2]。此外，許多研究利用 CT掃描技術和圖像分析技術來量化與土壤孔隙結構相關的特征參數，例如孔隙體積、表面積、孔喉數、成圓率、分形維數、拓撲結構等[2,12]，它們對土壤溶液的流動速度和流通量分布的均勻性產生直接影響，同時控制著土壤中水分、溶質、氣體的運移和擴散；特別是土壤中大孔隙的存在能夠增加土壤的通氣性，提高降水入滲率，具有減少地表徑流、促進作物水分吸收和提高作物產量的重要作用[13-14]。

黑土是中國重要的耕作土壤，自然黑土因土壤肥沃、結構良好而著稱[15]。但是黑土開墾以后由于過度墾殖和用養失調導致耕作層變薄、犁底層上移，土壤結構惡化等問題[16-17]。黑土開墾 20世紀 80年以后，土壤容重增加了59.5%，總孔隙度和通氣孔隙度分別下降了17.2和7.81個百分點[16]，土壤硬度增加了 15.54%～21.62%[18]。為了改善黑土物理性質，研究學者們開展了大量的研究工作，例如通過深松打破犁底層，減少土壤硬度和容重[19]，改善土壤孔隙組成，增加土壤有效孔隙比例[20]。現階段應用 CT掃描技術開展的關于土壤孔隙結構的定量化研究主要集中在對比分析免耕與傳統耕作的差異上[2,21]。以前的研究已經證明，將有機物料深混還到0～35 cm土層，構建肥沃耕層，在打破犁底層的基礎上，能夠降低土壤容重，增加孔隙度，尤其是通氣孔隙增加了 24.30%～43.00%，土壤飽和導水率增加了 10.91%～12.76%[22]。研究還發現，有機物料施用能夠顯著影響0～20 cm土層的大孔隙數量[7]、成圓率[23]、歐拉數、各向異性和分形維數[3,24]，但是關于有機物料深混到0～35 cm土層后土壤孔隙結構的定量化分析還鮮有報道。本研究基于有機物料（玉米秸稈和有機肥）深混還田定位試驗，分析有機物料還田深度對土壤物理性質的影響，利用CT掃描技術定量分析土壤孔隙結構變化，量化土壤孔隙結構參數對土壤物理性質的貢獻，通過此項研究優化有機物料還田方式，為改良東北黑土物理性質提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于黑龍江省海倫市光榮村（N47°21′，E126°50′），土壤類型為薄層黑土。研究區域屬于溫帶大陸性季節氣候，年平均氣溫 1.5 ℃，年平均日照時長2 700 h，無霜期130 d。年均降水量500～600 mm，70%以上集中在7—9月份。土壤質地黏重，成土母質為黃土狀黏土，砂粒、粉砂和黏粒質量分數分別為 33.98%、31.94%和34.08%[22]。

1.2 試驗設計

試驗始于2019年春季，設有4個處理，秸稈淺混（T1，還田深度為0～15 cm），秸稈深混（T2，還田深度為0～35 cm），秸稈和有機肥深混（T3，還田深度為0～35 cm），常規耕作（CK，耕作深度0～15 cm，無秸稈還田）；每個處理，4次重復，隨機排列。T1，T2和T3處理的秸稈還田量為 10 000 kg/hm2，T3處理有機肥施用量為30 000 kg/hm2。在秸稈和有機肥還田小區，首先使用鐵鍬挖相應深度的一條“塹溝”，然后將粉碎后的玉米秸稈或者玉米秸稈和有機肥平鋪在“塹溝”的橫截面上，再用鐵鍬挖土蓋在鋪了秸稈或秸稈和有機肥的橫截面上，最后將秸稈或秸稈和有機肥與土壤進行充分混勻，以此類推，完成整個小區的秸稈或秸稈和有機肥還田工作。每個小區面積12 m2（4 m×3 m）。供試玉米品種為墾沃6號，播種密度8萬株/hm2。每個小區的化肥施肥量：氮肥（N）150.0 kg/hm2，磷肥（P2O5）70.0 kg/hm2，鉀肥（K2O）50.0 kg/hm2。除有機物料施用以外的田間管理與當地相同。2019年降水量為663 mm，試驗區是雨養農業、無灌溉。

1.3 樣品采集及測定

2019年10月10 日（作物收獲后），在每個小區隨機選擇1個采樣點，使用PVC環刀（內徑50 mm，高度60 mm）分層采集0～15 cm和＞15～35 cm土層的原狀土。取樣之前，將 PVC環刀的一端打磨成刀口，便于樣品的采集；采集完后用錫箔紙包裹 PVC環刀，防止由于水分散失導致的土壤結構破壞，隨后將 PVC環刀放入裝有緩沖材料的塑料盒中，帶回實驗室，并放入 4℃的冰箱里待測。在PVC環刀樣品采集和運輸的過程中盡量防止土體的晃動，避免影響CT掃描結果。同時在每個小區隨機選擇3個采樣點，使用環刀采集0～15 cm和＞15～35 cm土層的土壤樣品，用于容重、飽和導水率和田間持水量的測定。

原狀土柱采用天津三英精密儀器股份有限公司的nanoVoxel-4000顯微CT進行掃描，土壤容重、飽和導水率和田間持水量的測定參考文獻[22]。

1.4 CT掃描與圖像處理

nanoVoxel-4000顯微 CT掃描峰值電壓設定為150 kV，電流設定為90μA，曝光時間0.2 s，分辨率31μm。掃描方式：將樣品放在樣品臺上，進行 360°旋轉，得到細節和低噪音圖像，圖像重建用AVIZO9.0軟件獲得，之后得到體素為1 628×1 630×1 997的掃描圖像。將得到的raw.格式CT圖像保存在計算機中，采用Imagej-win64軟件對 CT圖像進行圖像分析。因為在原狀土采集的過程中，土體的周圍都不可避免的受到一定程度的擾動，在圖像進行預處理時，首先選擇位于圖像中心體素為638×638×957（實際土壤體積大小 2 cm×2 cm×3 cm）的部分，然后將圖像轉化為 8位圖像，之后進行圖像歸一化處理、中值濾波進行降噪以及平滑，使得圖像中的孔隙結構更加的清晰，最后依據目視法，進行圖像的分割，設定閾值大小為 75。圖像分割以后，得到黑白二值圖，白色的為孔隙部分，黑色的為土壤基質。

土壤孔隙可視化采用軟件AVIZO.2019.1版本獲得。孔隙體積、周長、面積和數量用Imagej中3D object counter插件完成計算；分形維數和各向異性，用Bonej插件完成；歐拉數用particle analyzer完成。成圓率、孔隙度和當量孔徑參考文獻[23，25]計算

式中C為成圓率，其值介于1和0之間；A為孔隙面積，mm2；L為孔隙周長，mm。

式中P為孔隙度，%；V1孔隙體積，mm3；V2圖形體積，mm3。

式中ED為當量直徑，mm。

鑒于本研究中使用nanoVoxel-4000顯微CT的分辨率為31μm，參考Wang等[26]提出的劃分方法對土壤孔徑進行劃分，即將孔徑＜500μm 劃分為小孔隙，500～1 000μm劃分為中孔隙，＞1 000μm劃分為大孔隙。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2017對試驗數據進行整理，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析（one-way ANOVA），分析試驗處理對土壤物理性質及土壤孔隙結構參數的影響，并用LSD法進行多重比較（α=0.05）。采用 Origin 2019畫圖。采用SPSS 19.0軟件進行土壤物理性質與土壤結構參數之間的Pearson相關性分析，和土壤孔隙結構參數對土壤容重、田間持水量和飽和導水量影響的回歸分析，通過計算不同因子標準化系數絕對值與所有因子標準化系數絕對值之和的比值，評價不同因子對土壤物理性質的貢獻。

2 結果與分析

2.1 有機物料還田對土壤物理性質的影響

有機物料還田顯著改善了相應土層的土壤物理性質（表1）。在0～15 cm土層，與CK處理相比，T1、T2和 T3處理土壤容重分別顯著降低了 5.66%、3.77%和 4.72%（P＜0.05），有機物還田處理間差異不顯著。與CK處理相比，T1、T2和T3處理土壤飽和導水率分別增加了5.00倍、2.40倍和2.20倍，其中T2和T3處理間差異不顯著。與CK處理相比，T1、T2和T3處理土壤田間持水量顯著增加了 7.65%、6.91%和 11.01%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土層，雖然CK和T1處理間，T2和T3處理間土壤容重差異不顯著（P＞0.05），但是T2和 T3處理較 CK和 T1處理顯著降低了土壤容重（P＜0.05）。不同處理間＞15～35 cm土層土壤飽和導水率和田間持水量表現出與土壤容重相似的變化趨勢。與CK和T1處理相比，T2和T3處理土壤飽和導水率顯著增加了 1.50倍和 1.00倍，田間持水量顯著增加了17.22%～21.19%。

表1 有機物料還田對不同土層土壤物理性質的影響Table 1 Effects of organic amendments on soil physical properties at different layers

2.2 有機物料還田對土壤孔隙結構的影響

2.2.1 土壤二維和三維孔隙結構可視化

有機物料施用對0～35 cm土層土壤孔隙二維結構的影響見圖1。

由圖1可知，與CK處理相比，T1、T2和T3處理明顯增加了0～15 cm土層土壤孔隙數量，且T2和T3處理土壤中出現了較大的孔隙；在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理明顯增加了較大土壤孔隙，而CK和T1處理土壤中小孔隙較多，說明有機物料施用能夠增加土壤孔隙數量，改善土壤孔隙分布。

不同處理土壤三維結構的可視化見圖2。

由圖2可知，在0～15 cm土層，與T1、T2、T3處理相比可以看到，CK小孔隙較多，孔隙整體分布較為分散。在有機物料施用處理中土壤小孔隙減少、大孔隙增多、孔隙分布密集。在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理增加了土壤孔隙數，其中T2處理土壤孔隙分布呈現復雜的網絡結構，交叉孔隙較多，同時可以觀察到連續性較好的細長孔隙。

2.2.2 土壤孔隙數量和孔隙度

不同處理對 0～15 cm 土層＞1 000μm 和 500～1 000μm孔隙數量的影響如圖3。

由圖3a可知，與CK處理相比，T1、T2和T3處理＞1 000μm孔隙數量分別顯著增加了179.9%、32.0%和 75.7%，500～1 000μm 孔隙數量分別顯著增加了44.7%、18.1%和30.5%（P＜0.05），其中 T2和T3處理500～1 000μm孔隙數量差異不顯著（P＞0.05）。CK處理＜500μm孔隙數量較 T1、T2和T3處理顯著增加了 7.59%～15.6%（P＜0.05）。＞15～35 cm 土層，＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔隙數量顯著高于 0～15 cm土層（P＜0.05）（圖3b）。在＞15～35 cm土層，與CK和T1處理相比，T2和T3處理＞1 000μm、500～1 000μm 和＜500μm 孔隙數量顯著增加了 22.7%～150%（P＜0.05），而CK和T1處理間，T2和T3處理間差異不顯著。

有機物還田顯著影響了土壤不同孔徑孔隙度（圖4）。

由圖4可知，在0～15 cm土層，施用有機物料處理顯著增加了＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔徑孔隙度（P＜0.05）。不同處理＞1 000μm 孔徑孔隙度表現為T1＞T2＞T3＞CK，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別增加了156%、95.7%和69.2%；不同處理500～1 000μm孔徑孔隙度表現為T1＞T3＞T2＞CK，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別增加了256%、88.2%和173%。不同處理＜500μm孔徑孔隙度表現出與＞1 000μm孔徑孔隙度相似的趨勢，但是僅T1和T2處理較CK處理顯著增加了128%和92.9%（P＜0.05）。＞15～35 cm土層各孔徑孔隙度顯著小于0～15 cm土層（圖4）。在有機物料施用和作物根系的雙重影響下[27]，＞15～35 cm土層＞1 000μm孔徑孔隙度表現為T2＞T3＞T1＞CK，與CK處理相比，T1、T2和 T3處理＞1 000μm 孔徑孔隙度分別顯著增加了89.4%、196.2%和 152%（P＜0.05）。與其他處理相比，T2處理 500～1 000μm孔徑孔隙度顯著增加了 38.4%～248%（P＜0.05）；T1和T3處理較CK處理顯著增加了118%和 152%（P＜0.05），T1和 T3處理間差異不顯著（P＞0.05）。與CK處理相比，T2處理＜500μm孔徑孔隙度顯著增加了134%（P＜0.05）；T2處理與T1和T3處理間差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.3 土壤孔隙結構特征

有機物料還田對土壤孔隙結構的影響見表2。成圓率是表征孔隙形態特征的參數之一，其數值越接近于1，表示孔隙形態越接近于圓[12]。大量研究認為成圓率可以判斷土壤孔隙的大小，孔隙越趨于規則，越利于水分在土壤中的傳輸、保存及作物吸收和利用[12]。在0～15 cm土層，成圓率在 0.72～0.85之間，不同處理間差異不顯著（P＞0.05）。在＞15～35 cm土層，成圓率在0.74～0.85，不同處理間表現為，T2和T3處理較CK和T1處理顯著增加了9.21%～14.9%（P＜0.05）。

表2 有機物料施用對土壤孔隙結構特征參數的影響Table 2 Effects of organic amendments on parameters of soil pore structure

分形維數是土壤孔隙大小和孔隙與固體顆粒接觸界限不規則的綜合反映，可用于表征土壤孔隙結構的復雜性，分形維數越大，孔隙狀況越好[27]。在0～15 cm土層，與 CK、T2和T3處理相比，T1處理分形維數顯著增加了1.5%、0.5%和1.5%（P＜0.05）；在＞15～35 cm土層，與CK處理相比，T1、T2和T3處理分形維數顯著增加了 10.0%、13.9%和 12.8%（P＜0.05），說明有機物料的施用增加了土壤孔隙結構的復雜性，尤其是15～35 cm。

各向異性表征子結構之間的形狀，數值在0（完全各向同結構）和1（各向異結構）之間變化，孔隙越接近于球體，各向異性越接近于0[2]。在0～15 cm土層，各向異性在0.09～0.24之間，與其他處理相比，T3處理各向異性顯著增加了167%、71.4%和100%（P＜0.05），CK、T1和T2處理間差異不顯著。在＞15～35 cm土層，各向異性在0.10～0.21之間。與其他處理相比，T3處理顯著增加了110%，23.5%，40.0%（P＜0.05）；與CK處理相比，T1和T2處理顯著增加了70.0%和50.0%（P＜0.05）。

連通性用歐拉數來表示，歐拉數越高，連通性越低；歐拉數越低，連通性越高[24]。在0～15 cm土層，歐拉數表現為T1＜T3＜T2＜CK，不同處理間差異顯著（P＜0.05），表明有機物料施用顯著增加了土壤孔隙的連通性。與CK相比，T1、T2和T3處理歐拉數分別顯著降低了54.3%、21.7%和46.1%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土層，不同處理歐拉數表現為 T3＜T2＜T1＜CK，處理間差異顯著（P＜0.05），與CK處理相比，T1、T2和T3處理分別減少了40.4%、65.9%和70.5%。

2.3 土壤物理性質與孔隙結構參數間的相關性分析

采用Pearson相關系數衡量了土壤物理性質與孔隙結構參數之間的相關性（表3）。

由表3可知，在0～15 cm土層，容重（BD）與飽和導水率（HC）、田間持水量（FC）、不同孔徑孔隙度呈極顯著負相關、與歐拉數（EN）呈極顯著正相關（P＜0.01），歐拉數與除了BD、分形維數（FD）、成圓率（C）和各向異性（AN）以外的所有指標均呈極顯著負相關（P＜0.01），HC與不同孔徑孔隙度、FD呈極顯著正相關（P＜0.01），FC 與＞1 000μm（LP）和 500-1 000μm（MP）孔徑孔隙度、AN呈極顯著正相關，LP與除了FC、AN和C以外的所有指標呈極顯著正相關，LP僅與FD和C不相關（P＞0.05），＜500μm（SP）孔隙度僅與FC和AN不相關（P＞0.05）。在＞15～35 cm土層，BD與除AN和EN以外的所有指標均呈極顯著（P＜0.01）或顯著（500～1 000μm 和＜500μm 孔隙度）（P＜0.05）負相關，EN 與除BD以外的指標呈極顯著或顯著（SP和AN）負相關，HC與除了BD、AN和EN以外的所有指標呈極顯著或顯著（FD）正相關系，FC與HC、不同孔徑孔隙度、FD和C呈極顯著正相關關系（P＜0.01），不同孔徑孔隙度與HC、FC和C均呈極顯著正相關關系（P＜0.01），FD和C與除SP和AN以外指標呈極顯著相關性（P＜0.01）。

表3 土壤物理性質與孔隙結構之間的相關性Table 3 Correlation between soil physical properties and parameters of soil pore structure

2.4 土壤孔隙結構對土壤物理性質的貢獻

土壤孔隙度和結構參數對容重、飽和導水率和田間持水量的貢獻見表4。歐拉數（EN）對土壤容重（BD）的貢獻度最大，在0～15 cm和＞15～35 cm土層分別達到了31.9%和41.7%；＞1 000μm孔隙度（LP）對0～15 cm和＞15～35 cm土層飽和導水率（HC）貢獻度最大，分別到達了35.3%和29.2%；在0～15 cm土層，各向異性（AN）和EN分別對0～15 cm和＞15～35 cm土層對田間持水量（FC）的貢獻最大，分別為 22.5%和43.7%。

表4 土壤孔隙結構對土壤物理性質的貢獻Table 4 The contribution of soil porosity structure on soil physical properties %

3 討 論

3.1 有機物料還田對土壤基本物理性質的影響

有機物料還田是改善土壤物理性質的有效措施之一[10]。它不僅可以增加土壤中大孔隙數量，使得土壤孔隙分布趨于合理，還可以提高土壤飽和導水率，提升土壤的水分運輸能力[28]。與 CK處理相比，由于有機物料的施用，T1，T2和T3處理顯著減少了0～15 cm土層的土壤容重，增加了飽和導水率和田間持水量（表1）。有機物料施用過程中由于進行了土層翻轉、土壤與有機物料混合等操作，通過增加對土壤擾動和有機物料還田[22]，改善土壤孔隙結構[29]，進而改善0～15 cm土層土壤物理性質。同時施用的秸稈或者有機肥自身就具有水分通道的作用，能夠促進土壤中水分的傳導，進一步增加了土壤的飽和導水率[30]。等量秸稈分別施入0～15 cm和0～35 cm土層后，導致秸稈在不同深度土層中的濃度產生差異[31]，是導致T1和T2處理間土壤物理性質不同的主要原因。秸稈配施有機肥處理較僅施用秸稈處理增加了有機物料在土壤的濃度，表現出了減少土壤容重，增加飽和導水率和田間持水量的趨勢，但是處理間差異不顯著（P＞0.05）（表1）。以前的研究已經證實，深翻過程中進行有機物料深混還田能夠有效減小＞15～35 cm土層的土壤容重、增加田間持水量和飽和導水率[22]，本研究得到了相似的研究結果。黑土黏粒質量分數在 40%以上，質地黏重[22]。在草甸化草原植被開墾為農田以后，由于過度墾殖和有機物料投入不足，導致土壤物理性質急劇惡化，特別是土壤耕作層逐漸變薄，犁底層已經由原來的20～25 cm上升到15～18 cm[16]，土壤容重增加并在部分地區超過了作物適應范圍，限制了水分入滲和作物根系生長[32]。因此，在質地黏重黑土上，有機物料深混還田后一年就能夠顯著改善土壤的物理性質（表1），但是此時土壤物理性質的改善主要是受耕作干擾及有機物料在土壤中作為“楔子”的物理隔離作用影響[33]。在后續研究中將重點考慮秸稈和有機物物料分解過程中產生代謝產物對土壤物理性質改善的貢獻。

3.2 有機物料還田對土壤孔隙結構的影響

應用CT掃描技術可以定量描述土壤中的孔隙數量、孔隙度及孔隙分布、成圓率等孔隙數量和形態特征[2]，以及孔隙分布、連通性和孔隙間相關性等空間特征[23]。良好的孔隙結構對土壤中的水分和熱量傳導[24]、有機碳穩定性[2]、養分有效性[1]及微生物多樣性[8]等至關重要。土壤孔隙結構除了受土壤有機質含量影響以外，也與農田管理措施、作物根系活動和土壤動物活動等密切相關[34-35]。高子勤等[36]報道了耕作方式和有機物料施用能夠改變土壤微形態結構，導致土壤顆粒和孔隙重新排列，有機物和分解或半分解狀態的有機殘體通過凝聚和侵染作用增加土壤中微團聚體和孔隙，促進土壤微結構向良好方向發育。值得一提的是，耕翻土層翻轉過程中0～15 cm和＞15～35 cm土層土壤進行充分混合，使0～15 cm土層結構較好的土壤進入＞15～35 cm土層，也是＞15～35 cm土層結構改善的原因之一[22]。根據還田深度，秸稈或秸稈配施有機肥處理顯著增加了相應土層＞1 000μm 和500～1 000μm孔徑孔隙數目和孔隙度，改善了土壤中的孔隙分布（圖3和4）。楊永輝等[23]報道了有機物料的施用通過增加土壤有機碳含量和腐殖質含量，改善團粒結構，進而增加土壤的孔隙數目和孔隙度。有機物料還田能夠促進土壤中大孔隙的形成，其效果對10 cm以下的土層尤為顯著[37]；與單獨施用化肥相比，有機無機肥配施＞20～40 cm土層土壤大孔隙度提高了91.7%，大孔隙數目提高了54.8%[7]。土壤結構改善后促進了作物根系向深層土壤伸長[38]，根系的穿插和纏繞作用及根系分泌的膠結作用是土壤結構形成的重要因素之一[39]。孟晨等[40]研究發現土壤中有機質含量、植物根系與土壤大孔隙之間呈現顯著的正相關關系，根系及土壤有機質含量越高，大孔隙含量也越多，形狀也趨于規則。

有機物料的施用能夠顯著影響土壤的孔隙結構，秸稈還田量越多，孔隙度增加越顯著，孔隙結構越復雜[11-12]。通過對比分析不同肥力土壤的微結構發現，肥力較高的土壤一般具有土壤顆粒排列疏松、多為壘結橋接狀、孔隙多、連通性好[41]。本研究通過有機物料深混還田后，發現0～35 cm相應土層土壤孔隙結構復雜、孔隙形狀規則、連通性較好，即表現出了較大的各向異性、分形維數和成圓率，較小的歐拉數（表2），說明有機物料施用可以顯著改善黑土土壤孔隙結構，進而提高土壤肥力。Ferro等[42]研究發現有機肥施用能夠改善土壤的連通性（歐拉數），進而改善土壤結構，而連通的大孔隙是土壤中氣體擴散的主要通道[3]。

3.3 土壤結構改善對黑土物理性質的貢獻

土壤孔隙結構的改善能夠促進水分入滲、氣體擴散[24]。甘磊等[9]研究發現耕作土壤中0～30 cm土層孔隙直徑較大、連通性較好，且呈長條或細管狀，這些孔隙對土壤的導水透氣性貢獻最大。土壤飽和導水率與土壤連通性和分形維數呈顯著正相關關系[43]，本研究得到了相似的結果（表3）。同時本文發現，土壤中＞1 000μm孔隙度對0～35 cm土層的飽和導水率貢獻最大，說明有機物料深混還田主要通過增加土壤中大孔隙來調控土壤的飽和導水率。王憲玲等[7]的研究也發現，有機無機肥料配施通過提高0～40 cm土層土壤大孔隙數量和大孔隙度，進而提高土壤的飽和導水率。Ferro等[42]研究已經證實，施用有機肥增加大孔隙，能夠促進土壤水分的入滲。歐拉數是表征土壤孔隙連通性的重要參數[24]，對土壤中氣體擴散、水分流動和溶質運移具有重要影響[2]，其與土壤容重、飽和導水率、田間持水量及孔隙均呈極顯著的相關性（P＜0.01），同時本研究還發現歐拉數對土壤容重的貢獻最大，說明歐拉數可以用來評價土壤容重，用以表征的土壤的松緊程度。耕作過程中進行有機物料深混還田，改變了土壤中原有的孔隙分布，形成了疏松多孔的土壤結構，特別是秸稈和有機肥自身就是容重較輕的多孔介質[29]。良好的土壤結構為土壤生物活動提供了有利場所，生物活動又促進了土壤中生物性孔隙的形成[9,24]，土壤中網絡型孔隙結構對于土壤持水能力[9]具有重要作用。本研究結果也證實了這一結論。雖然不同土層田間持水量對土壤孔隙結構參數的響應是不一致的，在 0～15 cm各向異性對田間持水量貢獻最大，而在＞15～35 cm土層歐拉數對田間持水量貢獻最大，但是研究結果均表明土壤結構越復雜、連通性越好，有利于提高土壤的田間持水量。

4 結 論

通過耕作進行秸稈或秸稈配施有機肥還田一個玉米生長季后，在0～15 cm土層能夠顯著降低土壤容重，增加田間持水量和飽和導水率，提高土壤的大孔隙數量和孔隙度，改善土壤孔隙微結構；當秸稈或秸稈和有機肥深混到0～35 cm后，在打破犁底層的同時，進一步顯著的改善了＞15～35 cm土壤物理性質和土壤孔隙分布，增加了土壤孔隙的復雜性和連通性，能夠促進土壤水分入滲和保持，形成了良好的土壤孔隙結構。

Pearson相關分析結果顯示0～35 cm土層容重、田間持水量和飽和導水率與＞1 000μm和500～1 000μm孔隙度呈極顯著（或顯著）相關性。貢獻度評價發現歐拉數和＞1 000μm孔隙度對0～35 cm土層容重和飽和導水率貢獻度最大，各向異性和歐拉數分別對0～15 cm和＞15～35 cm土層田間持水量的貢獻度最大，說明土壤孔隙結構綜合調控土壤物理性質。因此，有機物料的施用通過促進了土壤中大孔隙的形成，增加了土壤孔隙的連通性和復雜，構建土壤孔隙網絡，進而改善黑土物理性質。在未來的研究中應持續關注有機物料深混還田后產生腐殖化物質及代謝產物對土壤孔隙結構形成的影響機制。