秸稈覆蓋對廣西甘蔗地土壤水分與結構變化的影響

甘磊 張俊 鄭思文 韋本輝 李健 李帥 鄧婉珍

摘要：【目的】探討秸稈覆蓋對廣西甘蔗地土壤孔隙結構、孔隙數量、連通性等性質的影響，分析土壤孔隙結構特點及水分運移通道特征，為廣西地區甘蔗生產中的科學合理種植提供理論依據。【方法】設秸稈覆蓋（SM）與無秸稈覆蓋對照（CK）2種處理，利用CT掃描成像技術和ImageJ軟件獲取土壤孔隙結構數據并測定土壤有機質，結合原位監測獲得的5、20、40 cm深度的土壤含水量數據，對比分析不同處理的孔隙結構特點及土壤水分運移通道特征。【結果】SM處理0～10 cm土層的有機質含量顯著高于CK（P<0.05，下同）;相同深度下SM處理的土壤含水量均高于CK。0～40 cm土層中，SM處理的土壤孔隙面密度顯著大于CK，而CK的土壤孔隙復雜度顯著高于SM處理。SM處理的孔隙數量（19190個）、直徑≥1 mm孔隙數量（952個）、孔隙度（0.07%）及比表面積（1.64 mm-1）均顯著大于CK對應值（9415個，690個，0.06%，1.43 mm-1）。土壤孔隙三維結構顯示，CK的總孔隙數量少且多分散在0～20 cm土層，空間分布呈明顯的分層現象;而SM處理的總土壤孔隙數量多且均勻分布在整個空間，無明顯孔隙分布分層現象，且其連通性孔隙發育較完善。【結論】秸稈覆蓋處理可有效提高廣西甘蔗地的土壤含水量，增加土壤孔隙數量，從而整體提高土壤孔隙連通性，對土壤孔隙結構改善有一定積極影響，有利于促進甘蔗根系的生長發育。

關鍵詞： 秸稈覆蓋;土壤孔隙;CT掃描;土壤水分;甘蔗

中圖分類號： S152.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：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

【研究意義】蔗糖業是廣西重要的經濟產業，甘蔗作物的生長發育狀況對該產業的發展有著重要影響。廣西地處巖溶區，復雜而脆弱的巖溶環境及降雨時空分布不均的條件，導致該地區甘蔗種植生產受到干旱等災害影響，農業用水短缺問題日益嚴峻。此外，近年不合理的種植及過度開墾也造成土壤質量不斷退化（仝金輝等，2017）。土壤結構是農業土壤質量的重要體現，良好的土壤結構具有調節土壤水氣平衡的作用（張維俊等，2019），土壤孔隙的幾何結構、空間分布特性及連通程度均會對土壤的水分運移與保持產生重要影響（Li et al.，2017），而土壤水分與土壤結構對于作物種植有著重要影響。秸稈覆蓋作為一種改善土壤性狀、促進作物生長和維持土壤中水分含量穩定的有效措施（Zhang et al.，2015），已在多種作物種植中應用，研究發現，表層覆蓋秸稈能明顯抑制水分蒸發（張金珠等，2015），改善表層土壤團粒結構，增加保水能力（陳帥等，2016）。因此，研究秸稈覆蓋對廣西甘蔗種植過程中土壤孔隙結構及水分變化的影響，對廣西甘蔗生產中的科學合理種植具有重要意義。【前人研究進展】目前，有關秸稈覆蓋的研究主要集中在不同覆蓋條件對土壤水分和溫度（付強等，2014;孫紅霞等，2014）、土壤團聚體特征和有機碳（周泉等，2019）及土壤理化性質（寧東賢等，2020）等的影響。張金霞（2012）研究發現，秸稈覆蓋能有效緩解因雨水擊濺產生的土壤分散及滲流作用對土壤孔隙分布的影響。同時，秸稈覆蓋具有增溫保墑作用，可穩定土壤中的水分及溫度，為土壤孔隙結構的發育及作物根系生長延伸提供適宜的環境（寧東賢等，2020）。張萬鋒等（2020）分析了耕作方式與秸稈覆蓋對夏玉米根系分布及產量的影響，結果表明，秸稈覆蓋處理能顯著提高夏玉米的深層根長密度、產量及水分利用效率。Thidar等（2020）研究發現，秸稈覆蓋能改善玉米種植中的土壤水分狀況及玉米根系水分的運移情況。趙長坤等（2021）研究表明，秸稈覆蓋對土壤孔隙結構及土壤水分的空間分布存在一定影響，能提高土壤水分及根系的水分運移，促進作物根系生長發育，進而對土壤孔隙結構產生影響。【本研究切入點】前人關于甘蔗的相關研究多集中于甘蔗品質等生化指標，而針對秸稈覆蓋對廣西甘蔗種植中土壤物理指標，特別是土壤結構的研究報道相對較少。【擬解決的關鍵問題】通過CT掃描技術與土壤水分監測數據，研究秸稈覆蓋對廣西甘蔗地土壤孔隙結構、孔隙數量、連通性等性質的影響，分析土壤孔隙結構特點及水分運移通道特征，以期為廣西地區甘蔗生產中的科學合理種植提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料及試驗區概況

供試甘蔗品種為桂柳05-136。試驗區位于廣西農業科學院里建科研基地（東經108°02′，北緯23°14′），海拔高度120 m，土壤母質為第四紀紅土，基部巖層為石灰巖。年平均氣溫21.6 ℃，年平均相對濕度79.0%，年平均降水量1304.2 mm，屬于中亞熱帶季風氣候。土壤類型為石灰土及紅壤土，經人工管理后地勢平坦。

1. 2 試驗方法

試驗設2個處理：秸稈覆蓋（SM）和無秸稈覆蓋對照（CK）。每處理各設3個重復，分別記為SM-1、SM-2、SM-3和CK-1、CK-2、CK-3。每個試驗區長7.0 m，寬6.5 m，種植間距1.3 m。2個處理均采用粉壟耕作方式，耕作深度為30 cm。秸稈覆蓋區利用甘蔗收割后的甘蔗葉片進行機械粉碎覆蓋，粉碎后的秸稈葉片平均長度10 cm，覆蓋厚度2 cm，覆蓋重量2.9 kg/m2。綜合甘蔗根系的生長深度及覆蓋情況，在各試驗區分別開挖50 cm邊長的正立方體土壤剖面，在0～40 cm深度土層，以10 cm為間距，使用體積100 cm3的環刀在每層隨機取6個重復原狀土壤樣品，同時采集散裝土壤1 kg，用于測量土壤基本理化性質。CT成像土壤樣品采用高40 cm、內徑10 cm的PVC管進行采集，其中PVC管的取土端打磨成刀口，從土壤表層以敲擊取樣法打入土層采集土柱，每處理各隨機取3個重復，共6個土柱。以上土壤樣品在甘蔗伸長期內（2019年8月20日—8月25日）集中采集。同時在每個處理區選取3個重復剖面，每個剖面的5、20和40 cm深度分別以水平方式埋設水分探頭（Type ML2x，Delta-T Devices，Cambridge），將探頭連接到數據采集器對土壤水分進行定位監測，儀器采集數據間隔時間1 h，并在監測前對探頭進行校準。土壤水分監測時間為2018年3月1日—2019年3月1日。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 土壤理化性質測定 使用體積100 cm3的環刀以10 cm為間距采集0～40 cm深度原狀土，用于測定土壤容重，取出后用保鮮膜封口纏繞防止水分蒸發。以梅花點法采集相同土壤深度的擾動土樣用于測定土壤質地及有機質含量。土壤容重采用烘干法測定;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤質地采用馬爾文激光粒度儀測定。

1. 3. 2 土壤孔隙結構測定 CT（美國GE公司生產，型號Discovery CT 750 HD）掃描模式為GSI（寶石能譜成像），管電壓為120 kV，管電流為600 mA。土柱掃描后獲得的切片間距為0.0625 mm，分辨率為512×512，共計640張，格式為DICOM。使用ImageJ軟件對輸出的DICOM格式原圖像進行降噪等處理后，利用內置相關插件統計和計算獲得土壤孔隙的二維及三維參數，并對土壤孔隙進行三維重建。根據前人研究成果（Luxmoor et al.，1990）并結合本研究內容，將當量孔徑大于1 mm以上的孔隙定義為大孔隙。相關參數計算如下：

（1）二維圖像處理與數據提取

孔隙面密度可使用孔隙面積與總面積的比值定量評價，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為深度Z處孔隙面密度，AP為深度Z處的孔隙總面積，A為深度Z處孔隙和土壤總面積。

孔隙復雜度可用孔隙周長與面積的比值定量評價，D值越高表明孔隙的扭曲程度高，孔隙結構復雜，因此D值是每個完整切片上所有孔隙的復雜度，而不是單個孔隙的復雜度。公式如下：

DZ=[2lgPPlgAP]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，DZ為深度Z處的孔隙復雜度，PP為深度Z處的孔隙周長，AP為深度Z處的孔隙面積。

（2）三維可視化與數據提取

孔隙的比表面積反映單位體積上內孔壁對水分和溶質運動的阻擋能力，可用內表面積和體積比進行定量評價。公式如下：

S=[WPVP] （3）

式中，S為孔隙的比表面積，WP為孔隙內壁表面積，VP為孔隙體積。

孔隙彎曲度是孔隙沿中軸上兩點之間的實際長度與兩點之間最短長度之比，可表征孔隙的空間形態;孔隙彎曲度可量化孔隙網絡結構，表示孔隙在土壤空間中的影響范圍，T值越大，孔隙通道及網絡越復雜，水和溶質通過的實際路程越曲折，孔隙的傳導能力弱、通透性差。公式如下：

T=[PaPb] （4）

式中，T為孔隙彎曲度，Pa為孔隙中軸線兩點之間實際長度，Pb為孔隙中軸線兩點之間的最短長度。

孔隙網絡結構連通性可用相交點數和端點數之間的關系來定量評價。公式如下：

C=[JJ+E] （5）

式中，C為孔隙網絡結構連通性，J為孔隙分枝相交點數，E為孔隙分枝端點數。

1. 4 統計分析

采用Excel 2016和SPSS 21.0進行數據統計分析，采用Origin 2017制圖并以Image 10.0進行圖像處理。

2 結果與分析

2. 1 秸稈覆蓋對土壤基本理化性質及土壤含水量的影響

由表1可知，秸稈覆蓋對土壤質地無明顯影響，SM處理不同土層深度粘粒、粉粒和砂粒所占比例均與CK無顯著差異（P>0.05，下同）。但秸稈覆蓋對土壤容重和有機質含量的影響在不同深度土層間存在差異。CK與SM處理的土壤容重隨著土壤深度增加呈先減小后增大的變化趨勢，最小值均出現在20～30 cm土層，土壤容重僅在30～40 cm土層差異顯著（P<0.05，下同）。SM處理的土壤有機質含量隨著土層深度的增加而降低，0～20 cm土層有機質含量顯著高于20～40 cm土層，CK不同深度土層的有機質含量無顯著差異。相同深度下，CK與SM處理的土壤有機質含量除10～20 cm土層差異不顯著外，其他土層均差異顯著，其中0～10 cm土層SM處理的有機質含量顯著高于CK，而20～40 cm土層的有機質含量顯著低于CK。

由圖1可看出，CK與SM處理的土壤含水量均隨著監測時間呈階段性的上升和下降變化，二者變化趨勢基本一致，但也因覆蓋方式的不同而不同。CK的土壤含水量均值隨著土層深度增加而逐漸降低，20 cm土層土壤含水量較5 cm土層土壤含水量下降3.9%～6.9%，40 cm土層土壤含水量較20 cm土層土壤含水量下降4.7%～9.5%。SM處理的土壤含水量均值隨著土層深度增加呈先降低后升高的變化趨勢。各時期相同深度SM處理土壤含水量均高于CK處理土壤含水量。

2. 2 秸稈覆蓋對土壤孔隙二維分布特征的影響

由表2可知，相同土層深度下，SM處理的土壤孔隙面密度均值均顯著大于CK，而CK的土壤孔隙復雜度均值則顯著大于SM處理。由圖2可看出，CK的土壤孔隙面密度隨著深度增加呈遞減趨勢，在10～40 cm間整體相對穩定;而SM處理的土壤孔隙面密度在研究深度內呈較明顯的波動變化，其整體孔隙面密度數值較高。由圖3可看出，CK與SM處理的土壤孔隙復雜度隨著土層深度變化呈不同的變化趨勢，CK的土壤孔隙復雜度變化范圍約是SM處理的2倍。在整個土壤剖面中CK處理的孔隙復雜度變化范圍主要在2%～8%，均值為3.32%;SM處理的孔隙復雜度呈較一致的變化規律，變化范圍主要在1%～4%，均值為2.62%。

2. 3 秸稈覆蓋對土壤孔隙三維分布特征的影響

由表3可知，SM處理的孔隙數量均值、直徑≥1 mm孔隙數量均值和孔隙度均顯著多于或大于CK，但SM處理和CK的直徑≥1 mm孔隙數量占總孔隙數量的比例分別為4.96%和7.34%，后者高于前者。由于孔隙度和孔隙數量是累計參數，僅能反映不同處理區域土壤孔隙的大小與數量，為更好反映孔隙在三維空間上的分布特征，需采用孔隙的彎曲度、連通性和比表面積等參數對土壤孔隙結構進行定量分析。SM處理孔隙連通性和比表面積均值大于CK，而CK的孔隙彎曲度均值大于SM處理。由圖4的土柱孔隙三維圖可看出，CK中除CK-1的土壤孔隙集中分布在0～10 cm土層外，CK-2和CK-3的土壤孔隙多分布在0～10 cm和10～20 cm土層，3個土柱在20～40 cm深度僅存在零星分布的細長孔隙，說明CK處理20～40 cm深度土壤較緊實，整體連通性較差;SM處理的土壤孔隙數量較多且整體分布較均勻，未出現孔隙數量分布上下分層的現象，且能觀察到較多的細長孔隙和較大的生物性孔隙。整體而言，CK與SM處理的土壤孔隙在整體空間分布上存在明顯差異，CK的總孔隙數量少且多分散在0～20 cm土層，空間分布呈明顯的分層現象;而SM處理的總土壤孔隙數量多且均勻分布在整個空間，其連通性孔隙發育較完善。

3 討論

本研究結果表明，秸稈覆蓋對土壤質地無明顯影響，但對土壤容重和有機質含量的影響在不同深度土層間存在差異。其中，30～40 cm土層的土壤容重差異顯著，而其他土層無顯著差異，與徐明崗等（2006）研究指出覆蓋處理對土壤容重影響不明顯的結論不完全一致。此外，本研究中SM處理表層（0～10 cm）土壤的有機質含量顯著高于CK，但深層（20～40 cm）土壤的有機質含量則顯著低于CK。其原因可能是土壤表層覆蓋的秸稈分解后，增加了土壤有機質的輸入量（吳婕，2006）;而秸稈覆蓋同時改善了土壤孔隙結構，有利于作物根系發育及促進作物生長，增加根系對深層土壤有機質的吸收利用（黃萍，2018），這也可從本研究CT掃描數據中SM處理的孔隙數量在空間上分布較均勻的情況得到佐證。

本研究中，同時期相同土壤深度SM處理的土壤含水量均值顯著大于CK。其原因除秸稈覆蓋能較好地隔絕土壤表面與大氣之間的熱流交換，從而抑制土壤水分的蒸發損失外，還與秸稈覆蓋改善土壤孔隙結構有關，SM處理較好的連通性與較低的彎曲度以及孔隙空間分布均勻有利于提高土壤水分的運輸與儲存。SM處理土壤含水量最小值出現在20 cm深度，上層5 cm與底層40 cm土壤含水量較高，中間層土壤在維持平均含水量的同時，將水量傳輸至底層40 cm層土壤中，土壤含水量增加及土壤水分分布深度下延（孫紅霞等，2014）。而CK的土壤含水量隨深度增加不斷降低，可能是因為甘蔗地缺少秸稈覆蓋，受降雨影響土壤顆粒物質由降雨入滲過程被攜帶進入到土壤中填充孔隙，降低了土壤孔隙連通性。受此影響CK處理土壤孔隙出現斷層分布，孔隙多分布在20 cm以上土層，造成20 cm以下土層土壤水儲藏空間有限，土壤水分有效性逐漸降低（王勝楠等，2015）。

秸稈覆蓋能減少地表裸露，減弱外界環境的影響，有利于土壤孔隙結構的發育（呂雯等，2018）。相同深度下，SM處理的土壤孔隙面密度大于CK，且CK的總體孔隙面密度值在10～40 cm土層低于2%，缺少秸稈覆蓋，CK區域在降雨影響下土壤易形成沉降，土壤顆粒物質由降雨入滲過程被攜帶進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，秸稈覆蓋影響土壤濕度與溫度，進而影響土壤的收縮和孔隙發育，這可能是導致CK與SM處理土壤孔隙復雜度呈現不同變化規律的原因。SM處理的土壤孔隙復雜度均值小于4%，而CK的孔隙復雜度數值高波動范圍大，說明后者土壤內部孔隙連通性較差，孔隙邊界的不規則性較高。

就不同處理的土柱孔隙數據與孔隙空間分布情況可知，SM處理與CK的土壤孔隙空間分布特征存在明顯的差異。缺少秸稈覆蓋時，易受降雨等外界環境的作用而產生土壤沉降壓實等的影響，導致土壤孔隙數量及孔隙度減少，且其土壤孔隙的空間分布出現明顯的上下分層現象，進而降低土壤孔隙連通性，增加孔隙彎曲度，從而影響土壤水分的空間分布及作物根系在深層（20～40 cm）的生長，這可從CK的土壤含水量數據及土壤孔隙三維圖中深層（20～40 cm）土壤僅存在少量分散分布的土壤孔隙得到證實。SM處理的土壤孔隙空間分布均勻，無明顯的分層現象，且各土層深度均出現一定數量的細長土壤孔隙。細長孔隙結構的發育增加了孔隙結構的分支數量，提高了水分的運輸效率（Gao et al.，2019），有利于土壤水分空間的均勻分布及作物根系的生長發育。

綜上所述，秸稈覆蓋對廣西粉壟蔗地的土壤孔隙結構改善有積極影響，主要表現在可增加土壤孔隙數量，促進孔隙發育。而土壤孔隙數量及空間上的分布情況直接影響著土壤孔隙的連通性及土壤水分有效性，使得秸稈覆蓋處理的土壤水分得到更有效利用，最終將有利于甘蔗水分的高效利用與產量提升。但本研究僅從土壤結構及水分變化的角度對比了不同覆蓋處理的影響，未對土壤溫度及甘蔗作物的產量進行研究，且秸稈覆蓋年限僅為一年，秸稈覆蓋對土壤質地及甘蔗產量的影響仍需深入探討。

4 結論

秸稈覆蓋處理可有效提高廣西甘蔗地的土壤含水量，增加土壤孔隙數量、孔隙面密度及孔隙度，提高土壤孔隙連通性，對土壤孔隙結構的改善有一定的積極影響，有利于促進甘蔗根系的生長發育。

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（責任編輯 王 暉）