南京土壤所土壤结构定量化与模型模拟研究获进展

土壤之家

近年来，随着CT技术和图像分析技术的发展，土壤结构由过去定性描述走向定量化研究，这使打破传统的“土壤黑箱”模式，直接构建土壤孔隙与水肥供应的耦合关系成为可能。　　中国科学院南京土壤研究所彭新华研究员团队联合上海光源，采用同步辐射显微CT扫描技术，结合图像处理和分析方法，揭示了水稻土结构随耕作熟化过程、有机碳的积累而发生变化。水稻土熟化过程提高了团聚体水稳定性和土壤总孔隙度，而这部分主要来自大孔隙（>50 mm）的增加。同时，该过程也提高了孔隙比表面积和连接性，形成疏松多孔的团粒状结构，利于水肥保持与供应。该结果发表在《农业工程学报》（2011,27:343-347）上。
　　随后，该课题组针对有机碳改善土壤结构这一问题，进一步分析长期施肥、植被恢复等在提升土壤有机碳的同时，对土壤结构演变过程的影响。结果发现，这两种截然不同的土地利用方式下土壤结构都有类似的趋同性，即有机碳积累提高土壤总孔隙度，且主要是大孔隙，同时增加了团聚体的水稳定性，而降低了力稳定性。在此基础上，研究者提出了一个概念模型以铁铝氧化物为主导的红壤结构较致密，力稳定性高，水稳定性差；而通过其他途径（施肥、植被恢复等）增加土壤有机碳后，转为以有机物胶结为主，或者两者兼之的红壤结构，大孔隙明显增加，连接性也相应增强，提高了水肥供应能力。同时，有机物的斥水性和胶结作用提高了团聚体水稳定，而孔隙度增加则降低其力稳定性，从而易于耕作。该研究结果分别发表在Soil & Tillage Research(2012, 124:17-23)和Geoderma上。
　　针对土壤结构随水分条件和耕作而发生变化，该课题组发现水稻土耕作层和犁底层的土壤结构与水分含量变化存在相似性。进一步分析发现，这两层之间的粘粒含量和粘土矿物组成也类似，主要差异是容重。综合前人大量研究数据，研究得出耕作压实不能改变土壤结构收缩变化的行为的结论，并提出模型模拟的方法。该研究结果发表在Soil & Tillage Research (2012, 125:89-95)。另外，通过原位研究不同干湿交替条件下水稻土裂隙产生过程，研究发现耕作时间久的水稻田裂隙具有大而少的特点，新的水稻田裂隙细而多，而且前者随水分变化较后者慢。通过一季水稻生长过程的田间观测，发现新水稻田裂隙显著提高了入渗，而老的水稻田裂隙则没有。该研究结果发表在Geoderma(2012, doi：10.1016/j.geoderma.2012.08.009)上。
　　上述部分研究尚属国内首次报道，定量化研究土壤结构为今后构建土壤孔隙与水肥供应的关系奠定了基础，土壤结构与有机碳的关系可为指导土壤固碳和地力提升提供初步理论依据。

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