李 奕 房 煥 彭顯龍 周 虎

（1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

（2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤結(jié)構(gòu)對氮素的周轉(zhuǎn)起著重要的作用［1］。土壤團(tuán)聚體的破碎和團(tuán)聚過程通常伴隨著土壤有機(jī)氮的礦化和累積。土壤孔隙的數(shù)量、大小和形態(tài)等直接影響著水分、空氣的運(yùn)動(dòng)以及土壤微生物的活動(dòng)［2］，孔隙結(jié)構(gòu)的變化對土壤氮素周轉(zhuǎn)過程也具有重要影響。有研究發(fā)現(xiàn)，土體經(jīng)過不同方式擾動(dòng)后，產(chǎn)生的氮礦化量高于原土體［3-5］。但也有一些研究報(bào)道土體擾動(dòng)后產(chǎn)生的氮礦化量并無顯著增加［6-7］。攪漿是稻田耕作的重要方式，這個(gè)過程會(huì)改變土壤的團(tuán)聚體和孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可能影響氮轉(zhuǎn)化過程。但是，有關(guān)水稻土結(jié)構(gòu)改變對有機(jī)氮礦化的影響尚不明確。

由于研究方法的限制，對水稻土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究比較困難［8］。近年來，高分辨率X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)快速發(fā)展，可以快速、定量地分析土壤內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)［9-11］。本研究通過室內(nèi)攪動(dòng)模擬稻田打漿，利用顯微CT技術(shù)和常規(guī)分析方法，研究水稻土經(jīng)攪拌后的孔隙形態(tài)和團(tuán)聚體分布與有機(jī)氮礦化的關(guān)系，旨在探明土壤結(jié)構(gòu)對稻田土壤供氮能力的影響，為稻田科學(xué)耕作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站宜興基地。于2016年5月作物收獲后采集稻田表層土壤（0～15 cm）。土樣在室溫下風(fēng)干，挑去細(xì)根后過5 mm篩。供試土壤為湖白土型水稻土。砂粒（0.2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）、黏粒（＜0.002 mm）的含量分別為83 g?kg-1、815 g?kg-1和102 g?kg-1。有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為15.4 g?kg-1和1.79 g?kg-1，pH為6.05，陽離子交換量為10.65 cmol?kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室內(nèi)用攪拌器模擬稻田土壤攪漿，設(shè)置不攪動(dòng)（CK）、低強(qiáng)度攪動(dòng)（LIS，200 r?min-1，攪動(dòng)3 min）和高強(qiáng)度攪動(dòng)（HIS，200 r?min-1，攪動(dòng)10 min）3個(gè)處理。由于培養(yǎng)試驗(yàn)采用的土柱（高7 cm，內(nèi)徑2.2 cm，聚氯乙烯（PVC）材質(zhì)）較小，不能在其中開展攪漿操作，所以先在大土柱（高19.5 cm，內(nèi)徑15 cm，PVC材質(zhì)）內(nèi)攪漿，然后在其中采集小土柱樣品用于后期試驗(yàn)。詳細(xì)過程如下：首先將過5 mm篩的風(fēng)干土樣填裝于3個(gè)大土柱中（每個(gè)大土柱填裝1 700 g，土壤高度約為8 cm），然后加水浸泡48 h。之后開始攪拌處理，其中1個(gè)大土柱不攪動(dòng)（CK），另外2個(gè)大土柱用數(shù)顯電動(dòng)攪拌器攪動(dòng)土壤，攪拌器轉(zhuǎn)速為200 r?min-1，攪動(dòng)時(shí)間分別為3 min（LIS處理）和10 min （HIS處理）。攪動(dòng)結(jié)束后將大土柱置于沙箱上平衡（-10 cm水勢）24 h。然后用小土柱采集大土柱內(nèi)原狀土樣，采樣深度為0～4.5 cm，每個(gè)大土柱內(nèi)采集15個(gè)小土柱樣品。采樣后迅速用保鮮膜包裹小土柱防止水分蒸發(fā)。每個(gè)處理隨機(jī)選3個(gè)小土柱進(jìn)行CT掃描，另外12個(gè)小土柱用于培養(yǎng)法測定礦化量（具體方法見下文）。培養(yǎng)期間4次取樣，每次取3個(gè)重復(fù)。大土柱內(nèi)剩余土樣用于團(tuán)聚體分布、含水量和初始無機(jī)氮含量的測定。

土壤有機(jī)氮礦化培養(yǎng)：采用改進(jìn)的Waring和Bremner［12］連續(xù)淹水密閉法。將原狀小土柱裝入50 mL離心管中，管中加入25 mL的蒸餾水，使水層淹沒土層3 cm左右，擰好蓋子，隨機(jī)排列，于25 ℃恒溫培養(yǎng)28 d，每處理三次重復(fù)。于培養(yǎng)后7 d、14 d、21 d和28 d取樣，將離心管中的水和小土柱中土一并轉(zhuǎn)入150 mL三角瓶中，用75 mL 2.68 mol?L-1的KCl沖洗離心管3次，150 r?min-1震蕩40 min，過濾，收集上清液，測定培養(yǎng)后的無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）。

1.3 CT掃描與圖形處理

利用X射線顯微CT（NanotomS，GE，Sensing and Inspection Technologies, GmbH,Wunstorf，德國）掃描原狀小土柱。電壓110 kV，電流110 μA，曝光時(shí)間1.25 s。將小土柱固定于樣品臺上，從0到360°勻速旋轉(zhuǎn)，在此過程中采集1 200幅投影圖像。然后利用Datosx2 Rec軟件進(jìn)行圖像重建，再利用VG Studio Max2.2軟件生成2 302張8位灰度圖像（分辨率為0.013 mm），存儲(chǔ)為tiff格式。利用ImageJ軟件進(jìn)行圖像處理。為了避免采樣過程對樣品邊緣的影響，僅選擇三維圖像中部的800×800×800體元作為感興趣區(qū)域（Region of interest, ROI），ROI實(shí)際大小為10.4 mm×10.4 mm×10.4 mm。利用目視法進(jìn)行圖像分割。圖像二值化后，土柱孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化通過ImageJ軟件的3Dviewer插件實(shí)現(xiàn)。利用Quantim軟件（www.quantim.ufz.de）分析土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，包括孔隙度、孔隙大小分布和連通性。其中，孔隙度為孔隙所占體素圖像數(shù)量與樣品大小的比例，孔隙大小分布利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開運(yùn)算（Opening）來獲取?？紫断到y(tǒng)的連通性采用歐拉值（Euler number）來表示，歐拉值越小則孔隙連通性越高。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

團(tuán)聚體分級采用改進(jìn)的Le Bissonnais［13］方法進(jìn)行測定。室溫下，稱取25 g土樣于蒸發(fā)皿中用95%酒精浸泡10 min，然后轉(zhuǎn)移至套篩上，自上而下篩子孔徑分別為1.0 mm、0.25 mm、0.053 mm。套篩上下振動(dòng)每分鐘20次（振幅為2 cm），震蕩2 min。收集各級土篩上的土壤，獲得大于1 mm、1～0.25 mm和0.25～0.053 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，小于0.053 mm的團(tuán)聚體通過沉降法收集。將各級篩上團(tuán)聚體全部沖洗至已知質(zhì)量的鋁盒中，40 ℃干燥箱中干燥，稱重，準(zhǔn)確至0.01 g。每個(gè)樣品重復(fù)三次。根據(jù)各級團(tuán)聚體所占比例計(jì)算平均重量直徑（Mean weight diameter，MWD）：

式中，n為篩子的個(gè)數(shù)；ri為第i個(gè)篩子孔徑，mm；ri-1為第i-1個(gè)篩子孔徑，mm；mi為第i個(gè)篩子的團(tuán)聚體重量所占比例，%。

土壤全氮、無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）分別采用微量凱氏法和連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國布朗盧比公司）測定。

有機(jī)氮礦化模型是由Stanford和Smith［14］通過長期間歇淋洗培養(yǎng)法獲得的，用來描述累積礦化氮量與時(shí)間關(guān)系的模型，其積分形式為

式中，t為培養(yǎng)天數(shù)，d；Nt為培養(yǎng)t d后的累積礦化氮量，g?kg-1；N0為土壤氮素礦化勢，是指一定條件下土壤中易礦化的有機(jī)態(tài)氮數(shù)量的最大值，用來表示土壤供氮潛力；k0為一階相對礦化速率常數(shù)，d-1［15］，表示單位時(shí)間內(nèi)礦化氮量占土壤可礦化氮量總量的比值，是衡量土壤中有機(jī)氮礦化快慢的參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)處理間差異采用單因素方差分析（One-way ANOVA），并用最小差異顯著（LSD）法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為5%。相關(guān)分析采用皮爾森（Pearson）雙側(cè)檢驗(yàn)法。

2 結(jié) 果

2.1 攪拌對團(tuán)聚體分布的影響

攪拌處理顯著降低土壤的大團(tuán)聚體數(shù)量和平均重量直徑MWD（表1）。與CK處理相比，LIS處理中大于1 mm大團(tuán)聚體含量降低60.6%（P＜0.05）、1～0.25 mm團(tuán)聚體含量降低5.3%（P＞0.05），0.25～0.053 mm和小于0.053 mm的微團(tuán)聚體含量分別增加了12.4%和4.4%；HIS處理中大于1 mm大團(tuán)聚體含量降低74.7%（P＜0.05）、1～0.25 mm團(tuán)聚體含量降低7.9%（P＞0.05），0.25～0.053 mm和小于0.053 mm的微團(tuán)聚體含量分別增加2.6%和12.8%。CK處理的MWD值分別為LIS和HIS處理的1.8倍和2.2倍。

表1 攪動(dòng)對水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響Table 1 Effects of stirring on size distribution of water stable aggregates

2.2 攪拌對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 土壤孔隙二維和三維結(jié)構(gòu)形態(tài)特征 圖1為不同處理的二維灰度圖像、二值圖像和三維孔隙結(jié)構(gòu)圖像。灰度圖中淺色部分為土壤基質(zhì)，深色部分為土壤孔隙；二值圖像中白色部分代表孔隙，黑色部分代表土壤基質(zhì)。由于分辨率的限制，從圖像中獲取的孔隙均為大于圖像分辨率的孔隙。從灰度圖中可以看出，CK處理的大孔隙數(shù)量較多，孔隙多呈長條狀，孔隙的連通性較好。與CK處理相比，LIS和HIS兩處理土壤孔隙主要為圓形孔隙，孔隙呈孤立分散狀，連通性較差。三維圖像進(jìn)一步顯示，CK處理?xiàng)l狀大孔隙多，孔隙之間連通性高，而攪動(dòng)處理（LIS和HIS處理）孔隙多為離散球狀孔隙，連通性明顯降低。

圖1 攪動(dòng)對水稻土二維（10.4×10.4 mm）和三維（10.4×10.4×10.4 mm）結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Effects of stirring on 2-D（10.4×10.4 mm）and 3-D（10.4×10.4×10.4 mm）structure of paddy soil

2.2.2 土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征定量 孔隙大小分布如圖2所示，CK、LIS和HIS處理的累積孔隙度分別為3.32%、3.23%和3.26%，處理間差異不顯著。由孔隙分布圖可見，CK處理在當(dāng)量孔徑為130 μm時(shí)孔隙度最高，顯著高于其他處理。當(dāng)孔隙當(dāng)量直徑大于311 μm時(shí)，CK處理的各粒級孔隙度均低于LIS和HIS兩處理。LIS和HIS處理的變化趨勢大體一致。與CK相比，LIS和HIS提高了當(dāng)量直徑大于311 μm的大孔徑孔隙度。

歐拉值是表征孔隙連通性的參數(shù)，但是在圖像處理過程中，小孔隙的數(shù)量會(huì)受到分割和濾波等過程的影響，進(jìn)而對歐拉值的計(jì)算產(chǎn)生很大的干擾，導(dǎo)致不能反映孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)際連通性。因此，本研究僅針對直徑大于200 μm的孔隙進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，歐拉值指標(biāo)與孔隙形態(tài)觀察的結(jié)果一致，LIS和HIS處理歐拉值顯著高于CK處理，說明攪拌降低了孔隙的連通性。CK處理的孔隙連通性最高，更有利于水分和氣體的傳輸。

2.3 攪拌對水稻土有機(jī)氮礦化動(dòng)態(tài)的影響

在培養(yǎng)第一周時(shí)，LIS和HIS處理的礦化氮量稍高于CK處理，但是差異不顯著（圖4），隨著培養(yǎng)時(shí)間延長，CK處理礦化量增加速率高于攪拌處理，至第三周，CK處理的累積礦化氮量顯著高于攪拌處理（P＜0.05）。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CK處理較LIS和HIS處理累積礦化量分別高13.7%和19.9%。

利用一級動(dòng)力學(xué)方程，采用最小二乘法擬合了培養(yǎng)時(shí)間與累積礦化氮量的關(guān)系，決定系數(shù)均在0.98以上（表2）。與CK處理相比，LIS和HIS處理的N0分別降低15.9%和18.6%（P＜0.05）。CK處理的N0/N值顯著高于LIS和HIS處理（P＜0.05），LIS和HIS處理間差異不顯著。礦化速率常數(shù)K0的變化范圍在0.217～0.131 d-1之間，處理間差異不顯著。

圖2 攪動(dòng)對水稻土累積孔隙度和孔隙大小分布的影響Fig.2 Effects of stirring on cumulative porosity and pore size distribution in paddy soil

圖3 孔徑200 μm處的歐拉值Fig.3 Euler number at 200 μm pore size

圖4 攪動(dòng)對水稻土累積礦化氮量的影響Fig.4 Effects of stirring on cumulative nitrogen mineralization in paddy soil

表2 攪拌后土壤有機(jī)氮礦化的一級動(dòng)力學(xué)參數(shù)及N0/NTable 2 Parameters of the first-order kinetics and N0/N values of soil organic nitrogen mineralization after stirring

2.4 土壤結(jié)構(gòu)與氮礦化參數(shù)的相關(guān)性

相關(guān)分析表明（表3），土壤的氮礦化勢N0與粒徑大于0.25 mm的團(tuán)聚體（A＞0.25）、當(dāng)量孔徑小于30 μm（P＜30）和30～100 μm（P30～100）的土壤孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；土壤的累積礦化氮量（N28）與當(dāng)量直徑在30～100 μm（P30～100）的孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 土壤團(tuán)聚體和孔隙大小分布與氮礦化參數(shù)的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients of soil mineralization parameters with aggregate size distribution and pore size distribution

3 討 論

稻田攪漿會(huì)改變土壤團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性，進(jìn)而對土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)產(chǎn)生影響。本研究中濕篩后大于0.25 mm大團(tuán)聚體數(shù)量與有機(jī)氮礦化潛勢N0和N0/Nt均成極顯著正相關(guān)（P＜0.01），小于0.25 mm小團(tuán)聚體數(shù)量與之成極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），可見土壤的氮礦化能力確實(shí)受團(tuán)聚體粒級分布的影響［16］。有研究［17］發(fā)現(xiàn)，土壤經(jīng)攪動(dòng)后前期礦化氮量高于未攪動(dòng)土壤，本研究中經(jīng)攪動(dòng)后的土壤在培養(yǎng)一周內(nèi)的礦化氮也表現(xiàn)出增加趨勢（圖4），這可能是由于在攪動(dòng)過程中，土壤中大團(tuán)聚體會(huì)被破碎，包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部的易礦化有機(jī)氮暴露于土壤環(huán)境中，進(jìn)而被微生物礦化［18］，導(dǎo)致短暫的礦化氮量提升。另一方面，攪動(dòng)降低了水稻土的累積礦化氮量，這與Kristensen等［7］的研究結(jié)果一致。攪動(dòng)雖然增加了微團(tuán)聚體數(shù)量，但是微團(tuán)聚體中的碳氮比較穩(wěn)定［19］，未引起累積礦化氮量的增加。

土壤孔隙的分布情況也影響著土壤的水分和空氣流通能力，進(jìn)而影響有機(jī)氮的礦化過程［20-22］。本研究中CK、LIS和HIS處理的孔隙度相差不明顯，但孔隙大小分布有明顯不同（圖2）。LIS和HIS處理在攪拌之后，土壤中原有的條狀孔隙變成球狀，呈離散分布，連通性顯著降低（圖1），這種封閉式孔隙中水流和空氣均難以進(jìn)入，使微生物對有機(jī)氮進(jìn)行分解礦化的速率降低［23］。而CK處理中連通性大孔隙的存在，能更多運(yùn)輸氧氣，水氣條件能更好地滿足好氧微生物生長［24］，促進(jìn)有機(jī)氮的礦化分解。因此，CK處理累積氮礦化量相對較高。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)，15～60 μm的孔隙可能對有機(jī)質(zhì)保護(hù)作用最差［25］，而這一范圍內(nèi)微生物豐度最高，活性最強(qiáng)［26-28］。本研究中，CK處理的30～100 μm孔隙數(shù)量顯著高于LIS和HIS處理，且與N28、N0和N0/N均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而大于100 μm孔隙的數(shù)量與各礦化參數(shù)均無顯著相關(guān)性。由此可見，在本研究中30～100 μm孔隙可能更利于微生物活動(dòng)，進(jìn)而增加有機(jī)氮礦化。

本研究證實(shí)，攪拌過程確實(shí)通過改變土壤團(tuán)聚體分布和孔隙結(jié)構(gòu)，影響有機(jī)氮的礦化過程。但根據(jù)本研究結(jié)果，尚不能得出土壤中哪種結(jié)構(gòu)因素（土壤團(tuán)聚體和孔隙）主導(dǎo)有機(jī)氮的礦化。今后需要深入研究團(tuán)聚體和孔隙結(jié)構(gòu)的改變對有機(jī)氮礦化相關(guān)土壤微生物群體的作用，進(jìn)一步揭示攪拌過程對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響。

4 結(jié) 論

稻田土壤經(jīng)攪動(dòng)后，大團(tuán)聚體數(shù)量減少，小團(tuán)聚體數(shù)量增加。土壤孔隙結(jié)構(gòu)改變，條狀大孔隙消失，產(chǎn)生很多圓形氣泡狀孔隙，孔隙連通性顯著降低。攪動(dòng)處理降低了累積礦化氮量。大團(tuán)聚體（大于0.25 mm）數(shù)量與N0、N0/N均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)量直徑在30～100 μm內(nèi)的孔隙數(shù)量與N0、N28也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究中，團(tuán)聚體與孔隙結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)生變化，尚不能區(qū)分它們在氮礦化過程中的作用，有待進(jìn)一步研究。