土壤孔隙作为土壤结构的重要组成部分,能够真实地反映土壤内部空间状况^[1]。定量研究土壤孔隙特征,对获取土壤内部空间结构信息,改善土壤环境,指导作物种植具有重要意义。土壤孔隙的几何形态是影响土壤中水分运动和溶质运移的关键因子之一,孔隙的大小、形状以及连通度等会对土壤溶液的流动速度和通量分布的均匀性产生直接影响^[2]。耕作过程会扰动土壤的孔隙结构,间接影响土壤中水分的分布和运移。然而不同的耕作措施对土壤产生的扰动不同,对土壤性质的影响也不同^[3]。免耕对土壤扰动很少,使得土壤容重显著增大,土壤有机质、有效磷也会在表层富集^[4]。深松能打破犁底层,增加耕层厚度,改变耕层土壤的紧实度和容重^[5-6]。而长期翻耕和旋耕能提高土壤孔隙度和养分含量,增强了土壤通气性,但这会使得耕层变浅,养分库容降低^[7]。事实上由不同耕作措施所带来的各种效应,都可以归结为土壤结构的变化,从而间接地改变土壤的理化性能^[8]。

早期土壤孔隙结构的研究主要以室内试验和模型模拟的方法间接地研究土壤孔隙,在尺度上和仿真性上存在一定欠缺^[2]。相比之下,X射线CT扫描技术以其无破坏性、直接、快捷等优点被逐渐应用于土壤孔隙的定量化和可视化研究中^[9-11]。早在1982年国外学者就将CT扫描技术应用于土壤容重和土壤大孔隙的三维图像获取研究中,并分析大孔隙的几何结构^[12-13]。国内学者从1988年开始利用CT扫描测定土壤结构及其内部发育过程^[14],CT技术也开始被研究人员熟知在土壤结构领域的应用,后被逐渐广泛应用于土壤的孔隙曲折度、孔隙网络结构特征、渗透率和土壤水分特征曲线分析等研究中^[15]。目前关于土地耕作方式对土壤理化性质、结构等影响,国内学者在南方红壤区、黄土高原区、干热河谷区等水土流失严重的地区进行了大量研究^[16-18]。相比之下,作为我国甘蔗主产区之一的广西气候温暖、雨水丰沛、光照充足,区内土壤性质与北方和南方的其他地区有所不同。研究区又是广西甘蔗主产地,区内不同耕作方式对甘蔗地土壤结构的影响会间接影响甘蔗的生长及其产量,而目前不同土地处理方式对广西区甘蔗土壤孔隙结构的影响研究也相对较少^[19-20]。为此,本研究基于CT扫描和图像处理技术,深入研究广西区不同耕作方式下的甘蔗地土壤孔隙特征,可为该地区甘蔗种植过程中改善土壤结构、调整合理的种植模式提供理论参考。

在本研究中,耕作使得土壤容重降低、有机质含量增加、而对土壤质地组成影响有限。这主要是翻耕的作用使得土壤疏松,降低了土壤的容重,而随着土层深度增加,耕作对土壤容重的影响也逐渐减小,因为土壤容重受其他因素的影响会使得耕作带来的容重差异降低。前人研究表明人为活动压实、降雨、自然升温等作用都会对土壤容重产生影响^[30]。土壤在耕作后短期内较为疏松,但随着时间推移,降雨等击散作用会使得土壤细颗粒随水流下渗进入大孔隙,使容重增加。升温等作用又加速植物的蒸腾和根系吸水作用,使土壤的含水量降低,促使容重增大。可见这些作用会使耕作后的疏松土壤,变得更加紧实,降低耕作带来的容重差异。而水分胁迫作用和疏松的土壤条件下作物根系会更容易下扎^[31],进一步使得深层含水量降低,并且细颗粒随水流不断运移到下层土壤,从而使得表层土壤容重的差异相对较小。翻耕作用使上下层土壤混合,同时也使表层较多的植物残体被翻到下层土壤空间,因为植物残体会成为有机质的一个重要来源^[32],所以使得下层土壤有机质含量增加。表层土壤的有机质主要来源应是甘蔗拔节生长过程中不断的剥叶产生的植物残体。相比之下耕作处理土壤拥有更多的有机质来源,所以表层有机质含量较高。有研究表明有机质的分布可间接地影响土壤孔隙结构,改变土壤理化性质^[33],改善土壤的孔隙状况^[34]。前人在多种土壤组成的有机质分布研究中发现有机质随土层深度增加呈减小趋势^[35],这在本研究中也是一致的。而在本研究中耕作主要通过改变有机质的来源分布,间接改变有机质的分布,总体增加了有机质的含量,从而改善了土壤的性质。此外相关研究也证明耕作能影响土壤理化及生物学特性,提高土壤透气性,增加土壤中有机质的含量^[36]。

图3 不同耕作方式下土柱孔隙三维图

尽管目前孔隙的大小分级尚缺乏统一标准,不同分级名称和阈值存在一定差异,但可根据大多数学者研究将其大致分为大、中、小孔隙类型^[37]。其中大孔隙和中孔隙主要为传输孔隙,小孔隙为储存孔隙。在本研究中,耕作主要改变了土壤大孔隙和中孔隙的分布,使得大孔隙减少,中孔隙增加,而对小孔隙的影响有限。前人也在南方坡耕地土壤研究中发现深松和翻耕对小孔隙的增加并不显著现象^[38]。而相较耕作而言,前人研究也表明免耕会使得土壤小孔隙增加,而大、中孔隙明显减少^[39]。这说明耕作在对土壤的储水功能影响不大的基础上,提高了土壤传输水与溶质的能力。对于大、中孔隙的分布,相关学者也在多种土壤类型的孔隙分布研究中发现耕层的大孔隙明显减少,而中孔隙增加,这充分说明了耕作在减少大孔隙,增加中孔隙过程中的显著作用^[40]。也有学者在分析轮耕对土壤物理性状及水稻产量影响的研究中认为,翻耕和旋耕等作用对耕层土壤的储水功能有提高作用^[41],即对小孔隙的改变作用,这可能与研究土壤类型、种植作物类型以及耕作管理模式等有关。

在本研究中,免耕与耕作处理下孔隙面密度和复杂度都存在趋于稳定的趋势,但二者的“稳定状态”有所不同,免耕处理趋于一种波幅较小的“静态稳定”,而耕作处理则趋于一种波幅较大的“动态稳定”。两种处理下不同的稳定状态可说明两种处理下相应土层深度范围内孔隙分别以不同的状态持续存在。土壤表层受外界(如降水、太阳辐射等)直接作用和干湿循环过程会导致土壤易干裂收缩产生孔隙^[42],耕作过程通过改变土壤孔隙的界面形态特征使得土壤疏松多孔,这些作用使得土壤通透性增加,土壤动物活动强度增大,而土壤动物活动形成的大孔隙又经常与植物根系交错连通到土壤表面^[43],所以两种处理下土壤表层孔隙应具有较其他深度大的形态变化。而免耕土壤结构基本保持原有状态,随土层深度的增加受外界的影响在逐渐减小,土壤孔隙面密度和复杂度波动也逐渐降低,这与前人研究发现免耕土壤中孔隙变异系数随深度减小趋势一致^[44]。另外免耕过程会增加土壤表面的机械阻力,限制根系的分布和下扎^[45],从而对孔隙二维形态改变有限,这与前人研究中免耕区根系穿插对孔隙复杂度的影响偏低结论也一致^[46],所以免耕土壤孔隙复杂度并未随深度增加产生较大变化。这也说明免耕土壤中水分与溶质需要经过比较复杂路径才能到达甘蔗根系的生长区,这对甘蔗根系生长吸收养分的过程产生阻力。

透过表2孔隙数据和图3孔隙分布图,本研究中免耕土壤孔隙数(度)虽然高于耕作土壤,但后者孔隙的连通度和弯曲度情况均优于前者。相关研究指出孔隙连通度和弯曲度对土壤导水透气性有着重要影响,对于相同饱和度的土壤,孔隙连通度越高其导水透气性越好,弯曲度则相反^[47]。因此相较免耕而言,本研究中耕作土壤孔隙的连通和弯曲情况更有利于促进土壤的导水透气性。前人研究也发现免耕虽对土壤结构具有改善作用,但是并不能提高孔隙连通性和增加土壤的导水能力,反而降低孔隙的连通性和土壤水分累积入渗量^[48-49]。但也有研究认为免耕通过减少耕翻次数减轻对土壤的扰动,保留土壤大孔隙,能提高土壤贮水量,尤其在降水较少地区该作用尤为明显,但对于降水较丰沛的地区而言,免耕土壤的水分利用率却低于耕作处理^[50]。究其原因主要是因为免耕处理随着年限的增加土壤容重增大,土壤紧实度增加,导致通水通气性能下降。而对于高含水率的土壤,孔隙的分布其实也制约着其导水透气性^[47]。本研究中耕作土壤30 cm土层以上分布有较多直径较大、连通性较好、呈长条或细管状的孔隙,这些大而连通的孔隙对土壤的导水透气性的贡献会更多。这些孔隙的存在很大程度上应归功于耕作带来的综合作用,使得土壤中动植物活动增强,进而形成的较大生物性孔隙(根孔和虫洞)。该现象的发现也正好回应了前述孔隙二维分布特征中孔隙面密度和复杂度的变化情况,但仍然值得注意的是这些大孔隙形成的基础应该是耕作改变原有土壤孔隙分布后形成的较疏松多孔的土壤结构,进一步为土壤中生物活动提供有利条件,生物活动作用又反过来使得土壤可形成更多的生物性孔隙,这种程度在免耕区是体现不出的。前人研究也说明类似本研究中耕作土壤的网络型孔隙结构对于作物根系的生长和根系对养分的吸收具有良好的综合效益^[49,51]。

单从土壤结构的二维特征和一些孔隙量化数据上,无法完全理清两种耕作方式下土壤孔隙结构的差异性,而借助CT扫描技术及重构土壤孔隙三维图,能直观和清晰地辨明两种耕作方式下土壤孔隙结构的差异,很好地解释土壤孔隙结构的相关参数之间的差异。但是由于本研究中扫描设备的精度问题,只能扫描和重构土壤孔隙中的“大孔隙”。尽管由于仪器精度问题的限制无法得到采集土柱中的全部孔隙影像,但从图3中可以确定的是在广西甘蔗地土壤中,耕作带来了土壤多个生物性孔隙的形成以及更好的骨架型孔隙网络结构,这要比免耕土壤更利于水肥的运移和作物根系的生长发育,进而促进甘蔗产量的提升。因此,与免耕处理相比,在广西甘蔗种植中耕作处理下的土壤具有较好的结构性。

(1)耕作对广西旱地甘蔗种植土壤质地组成影响有限,但能降低耕层土壤容重,促进土壤中有机质的含量提高。(2)耕作措施将大孔隙破碎成中孔隙,降低大孔隙,增加中孔隙。(3)耕作改变土壤原有大孔隙结构,在二维截面上增加孔隙的面密度,增加孔隙复杂度波动程度。在三维空间上改变土壤孔隙分布,降低孔隙的弯曲度,提高孔隙的连通度,增加土壤表层生物性大孔隙。综上,耕作使得土壤孔隙网络结构性增强,这种网络型结构能满足土壤的导水透气需求,促进水分和养分的快速运移至甘蔗根系生长区。因此,在广西地区的甘蔗种植过程中,耕作措施可促进土壤结构和水肥运移通道的改善,有利于甘蔗的生长发育。