《Smart Agricultural Technology》：X-ray CT-derived pore structure determines soil gas transport under high soil water content in clayey but not sandy soils
編輯推薦：
本研究聚焦高水分條件下（土壤水勢-1~-330 hPa），X射線計算機斷層掃描（CT）獲取的土壤孔隙結構特征對不同質地土壤（粘性土與砂性土）中氣體傳輸參數（如相對氣體擴散率Ds/D0和空氣滲透率Ka）的預測價值。通過8年田間試驗，研究人員發現，在粘性土中，CT衍生的>100 μm孔隙度等參數與氣體傳輸顯著正相關，氣體傳輸受結構限制；而在砂性土中，這種關系不顯著，氣體傳輸主要受水分限制。研究結果為針對不同質地土壤優化耕作與秸稈管理策略以改善通氣或保水提供了科學依據。
想象一下，一場暴雨過后，農田里的土壤被水浸透。對于依賴土壤呼吸的作物根系和微生物來說，這不僅僅是“喝飽了水”那么簡單，更可能是一場“窒息”危機。因為水分會擠占土壤顆粒間的空氣通道，阻礙氧氣（O2）的擴散和流通，直接影響作物生長、溫室氣體排放以及污染物降解等一系列重要的生物地球化學過程。特別是在華北平原這樣的主要農業區，頻繁的極端降雨事件使得土壤在接近或高于田間持水量的高水分狀態下運行成為常態，此時土壤的通氣能力變得至關重要。然而，一個關鍵的科學問題尚未完全闡明：在高水分條件下，究竟是什么樣的土壤內部結構在主導著氣體的運移？這種主導作用是否因土壤質地的不同（例如粘重的粘土與疏松的砂土）而存在差異？
傳統上，研究人員通過測量相對氣體擴散率（Ds/D0，表征擴散能力）和空氣滲透率（Ka，表征對流能力）來評估土壤通氣性。X射線計算機斷層掃描（CT）技術的興起，使得我們能夠像給土壤做“三維體檢”一樣，非破壞性地量化其內部的孔隙結構特征，包括孔隙度、孔隙大小分布、連通性以及更復雜的骨架化參數（如分支數、節點數）。一些研究已經嘗試將CT參數與氣體傳輸聯系起來，但由于土壤質地在很大程度上決定了孔隙結構和水分保持特性，水分對孔隙網絡行為的影響在不同質地間存在差異，這使得建立孔隙結構與氣體傳輸之間的普適性關系變得復雜。尤其是在高水分條件下，這種關系在粘性土和砂性土中是否一致，尚不清楚。
為了回答這些問題，來自中國科學院南京土壤研究所的研究團隊在《Smart Agricultural Technology》上發表了一項研究。他們在華北平原的兩個典型土壤上（安徽淮遠的粘土——砂姜黑土，以及山東臨沂的砂土——潮土）設立了為期8年的平行田間試驗。試驗設置了兩種耕作方式（免耕，NT；旋耕，RT）和兩種秸稈管理方式（秸稈還田，S；秸稈移除，RS）的組合處理。研究人員在玉米收獲前采集了原狀土芯，利用高分辨率工業X射線CT系統對土芯進行掃描，量化了圖像孔隙度、孔隙大小分布、歐拉數、水力半徑以及分支數、節點數等一系列孔隙結構參數。隨后，他們在-1、-10、-100和-330 hPa四個土壤水勢下，測定了土芯的相對氣體擴散率（Ds/D0）、空氣滲透率（Ka），并計算了有效氧擴散系數（D）。通過統計分析，系統探究了這些CT衍生的孔隙參數與氣體傳輸參數之間的關系，并評估了不同管理措施在兩種土壤中的農學表現。
為開展此項研究，作者主要運用了以下關鍵技術方法：首先，在安徽和山東兩地建立了長達8年的田間定位試驗，設置了耕作與秸稈管理的雙因子設計，并采用隨機區組設計。其次，使用高分辨率工業X射線CT對采集的原狀PVC土芯進行掃描，并利用機器學習和圖像分析軟件（如Ilastik, Fiji）進行孔隙的精確分割與三維結構參數提取。最后，通過穩態法等實驗手段，系統測定了不同土壤水勢條件下的氣體傳輸參數，并進行了系統的統計學與相關性分析。
3.1. 有效氧擴散系數（D）
研究結果顯示，在粘性土中，旋耕結合秸稈移除（RTRS）處理在0-10厘米表層的D值在多個水勢下顯著高于旋耕秸稈還田（RTS）。在10-20厘米亞表層，免耕秸稈還田（NTS）的D值在所有水勢下均持續低于RTRS。在砂性土中，旋耕總體上提高了表層的D值。無論土壤類型如何，D值與充氣孔隙度（AFP）均呈極顯著正相關。這表明D主要反映了土壤的充氣潛力，但未能完全捕捉孔隙路徑的連通性細節。
3.2. 相對氣體擴散率（Ds/D0）
在所有處理和深度中，Ds/D0值隨土壤水勢降低（絕對值增加）而增加，砂性土中的增幅大于粘性土。處理間對比顯示，在粘性土10-20厘米深度、-330 hPa條件下，RTS處理的Ds/D0顯著高于NTS處理。而在砂性土中，耕作或秸稈管理對Ds/D0均未產生顯著影響。一個有趣的發現是，在相同水勢下，NTS處理維持了與RTS處理相當甚至略高的Ds/D0，盡管其充氣孔隙度更低，這暗示了處理間孔隙連續性或曲折度的差異。
3.3. 空氣滲透率（Ka）
在粘性土0-10厘米表層，NTS處理的Ka值在-100和-330 hPa下顯著高于免耕秸稈移除（NTRS）。RTRS處理的Ka在所有水勢下均顯著高于NTRS。在砂性土中，NTS處理在-10 hPa下顯著提高了0-10厘米和10-20厘米土層的Ka。與Ds/D0類似，NTS處理維持了與RTS處理相當的Ka水平，盡管充氣孔隙度較低。
3.4. 不同土壤水勢下的土壤含水量
隨著土壤水勢從-1 hPa降至-330 hPa，兩種土壤的含水量均下降。砂性土的含水量下降幅度（約0.10 cm3 cm?3）明顯大于粘性土，表明砂性土持水能力較弱，水分更容易流失。
3.5. 孔隙結構
三維孔隙網絡重建顯示，在表層（0-10厘米），所有處理的孔隙網絡都較為廣闊和高度連通。在亞表層（10-20厘米），粘性土比砂性土擁有更多圓柱狀、細長的生物孔隙（如根道和動物孔道）。具體參數上，在粘性土中，RTRS處理顯著增加了0-10厘米土層的100-500 μm孔隙度和圖像孔隙度，并在10-20厘米土層增加了所有尺寸的孔隙度。與NTS相比，RTS處理增加了亞表層100-500 μm孔隙度、總孔隙度、水力半徑、分支數和節點數。在砂性土中，NTS處理顯著提高了表層60-100 μm孔隙度、圖像孔隙度、分支數、節點數和分支長度密度。RTS處理則顯著增加了亞表層總孔隙度、圖像孔隙度、分支數、節點數、分支長度密度以及100-300 μm的孔隙度。
3.6. 孔隙特征與氣體傳輸的關聯
這是本研究的核心發現。在粘性土中，D、Ds/D0和Ka在四個測試水勢下均與>100 μm的各級孔隙度、連通概率、分支數、節點數、分支長度密度、水力半徑及總孔隙度呈顯著正相關。這表明，在粘性土中，連通的大孔隙主導了高水分條件下的氣體擴散和對流傳輸，氣體傳輸是“結構限制型”的。然而，在砂性土中，Ds/D0或Ka與各級孔隙度之間大多未發現顯著相關關系（-300 hPa除外）。D在砂性土中與部分孔隙參數（水力半徑、分支數、節點數）呈正相關，但因其計算僅基于總孔隙度和含水量，無法充分反映孔隙拓撲結構。當將兩種土壤的數據合并分析時，在-100和-330 hPa下，Ds/D0和Ka與所有孔隙級別的孔隙度以及分支數、節點數等參數呈正相關，這突顯了質地對這種關系的調控作用。
研究在結論與討論部分深入闡釋了上述發現的意義。對于粘性的砂姜黑土，其固有的高粘粒含量、容重和土壤強度使其在夏季強降雨期間容易出現漬水和短暫缺氧，限制玉米生長。本研究表明，提高連通的大孔隙度可以有效改善高水分條件下的Ds/D0和Ka。旋耕結合秸稈還田（RTS）通過打破土塊、重組顆粒、創造新的孔隙空間，并借助秸稈促進形成穩定的團聚體孔隙，顯著提高了亞表層的大孔隙連通性和孔隙度。這些結構改善直接緩解了砂姜黑土因固有孔隙連通性差而在高水分條件下導致的氣體限制，為氣體交換和氧氣供應提供了暢通的路徑。因此，采用旋耕結合秸稈還田是改善此類粘重土壤結構和通氣性的推薦策略。
對于砂性的潮土，限制生產力的主要因素并非過高的水分和通氣不良，而是較低的持水和持肥能力。本研究測量到砂性土在水勢增加時水分快速流失，這與養分淋失風險一致。旋耕雖略微增加了亞表層孔隙度，但并未轉化為更高的氣體傳導性，反而可能加速團聚體破壞和碳損失。相比之下，免耕結合秸稈覆蓋（NTS）在維持與旋耕處理相當氣體傳輸能力的同時，增強了碳固存和水分保持能力。盡管免耕減少了亞表層孔隙度，但它仍能在高土壤水分條件下維持有效的氣體交換，顯示出平衡砂性土中空氣和水動力學的能力。因此，對于砂性潮土，優先考慮免耕結合秸稈覆蓋作為保護性策略是合適的，并需配合相應的養分管理以減輕淋失。
總之，這項研究揭示了在高水分條件下，土壤氣體傳輸的制約機制存在顯著的質地依賴性：在粘性土中為“結構限制”，在砂性土中為“水分限制”。X射線CT衍生的孔隙參數（>100 μm孔隙度、連通性、分支結構等）能夠強有力地預測粘性土中的氣體傳輸，但在砂性土中預測能力有限。這一認識為針對不同質地土壤制定差異化的耕作與秸稈管理措施提供了關鍵理論依據——在粘重土壤上可通過旋耕配施秸稈來優化結構、增強通氣；在砂性土壤上則宜采用免耕覆蓋以保育水土、維持生產。研究深化了對土壤物理過程的理解，對應對氣候變化下的極端降雨事件、實現農業可持續發展具有重要的實踐指導意義。
