丁天宇 ，郭自春 ，錢(qián)泳其 ，王玥凱 ，黃先金 ，張中彬 ，彭新華

（1. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的核心，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用[1]。SOC 通常劃分成顆粒態(tài)有機(jī)碳（particulate organic carbon，POC）和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（mineral-associated organic carbon，MAOC）兩部分[2]。POC 是由未分解或半分解的植物殘?bào)w和部分微生物分解產(chǎn)物組成的一種混合物[3]，具有比重?。ㄐ∮?.85 g/cm3）、顆粒大（53～2 000 μm）、C/N 比高（10～40）、周轉(zhuǎn)快（幾年至幾十年）、易被微生物分解的特征，是土壤有機(jī)質(zhì)最活躍的組分。POC 對(duì)土地利用方式或管理措施變化的響應(yīng)比SOC 和MAOC 更加敏感[4]，其微小的變化將會(huì)對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生顯著影響，此外，POC 具有明顯改善土壤結(jié)構(gòu)的作用[5]。

秸稈是POC 的主要來(lái)源，不同還田方式對(duì)POC 的含量影響存在差異。嚴(yán)昌榮等[6]發(fā)現(xiàn)，與旋耕還田相比，免耕覆蓋還田使褐土0～5、＞5～10 cm 土層POC 含量均提高了15%；姬強(qiáng)等[7]報(bào)道了免耕還田較旋耕還田，使褐土＞10～20 cm 土層POC 含量顯著提高了16.1%，0～10、＞10～30 cm 土層POC 含量則無(wú)顯著性差異；崔思遠(yuǎn)[8]研究發(fā)現(xiàn)與旋耕還田相比，深翻還田使水稻土0～5 cm 土層POC 含量減少了9.1%，使＞10～20 cm 土層POC 增加了6.2%。因此，不同秸稈還田方式影響土壤中POC 含量和分布，但在不同土壤類(lèi)型、耕作方式和氣候等條件下，秸稈還田量及分解轉(zhuǎn)化過(guò)程存在差異，對(duì)POC 的影響結(jié)果并不一致。

不同秸稈還田方式也會(huì)對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生不同的影響。錢(qián)泳其等[9]發(fā)現(xiàn)與旋耕還田相比，免耕還田使砂姜黑土0～20 cm 土層內(nèi)，＞60 μm 孔隙度降低了65.8%，深翻還田則提高了23.4%；邱琛等[10]發(fā)現(xiàn)與旋耕還田相比，深翻還田使黑土0～15 cm 土層＜500、＞500～1 000 和＞1 000 μm 的孔隙度分別降低了14.2%、47.6%、23.9%。由于不同耕作方式對(duì)于土壤的擾動(dòng)方式不同，而當(dāng)秸稈還至不同深度后，其對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改善程度會(huì)存在顯著差異[11]。然而，上述研究多集中在0～20 cm 土層，有關(guān)＞20～40 cm 土層內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)變化特征鮮有報(bào)道。

砂姜黑土是中國(guó)典型的中低產(chǎn)田土壤類(lèi)型之一，雖然土體顏色黑，但SOC 含量偏低（＜ 1.5%），腐殖化程度高，質(zhì)量差[12]。耕層容重高，其范圍一般在1.22～1.65 g/cm3[13]。通過(guò)區(qū)域采樣分析，發(fā)現(xiàn)SOC 和容重是限制其作物產(chǎn)量的關(guān)鍵障礙因子[13]。淮北平原普遍實(shí)行冬小麥-夏玉米輪作制度，具有豐富的秸稈資源。在過(guò)量施用化學(xué)肥料和有機(jī)肥投入嚴(yán)重不足的條件下，秸稈作為一種重要的外源有機(jī)物料，還田后不僅能有效增加土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)能夠顯著降低土壤容重[14]。目前，砂姜黑土區(qū)還田的方式主要有：免耕覆蓋還田、淺旋耕還田、深耕翻埋還田。不同耕作方式對(duì)土壤的擾動(dòng)方式不同，因而對(duì)有機(jī)碳組分和孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響存在較大差異。此外，以往的研究多集中在耕層，對(duì)于亞耕層的研究報(bào)道還缺乏系統(tǒng)比較。因此，本研究利用砂姜黑土連續(xù)6 a 耕作還田定位試驗(yàn)，探究不同秸稈還田方式（免耕還田、旋耕還田、深翻還田）對(duì)砂姜黑土不同土層（0～10、＞10～20、＞20～40 cm）有機(jī)碳組分和孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以期為砂姜黑土區(qū)中低產(chǎn)田改良和秸稈資源綜合利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)位于安徽懷遠(yuǎn)龍亢農(nóng)場(chǎng)（33°32′N(xiāo)，115°59′E），該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫14.8 ℃，年均降水量912 mm。土壤類(lèi)型為河湖相石灰性沉積物發(fā)育的砂姜黑土，含砂粒8.0%、粉粒54.1%、黏粒37.9%，在美國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中屬于變性土。試驗(yàn)開(kāi)始前，耕層土壤容重為1.35 g/cm3，有機(jī)碳11.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.39 g/kg，全鉀7.91 g/kg，堿解氮146 mg/kg，有效磷18.9 mg/kg，速效鉀162 mg/kg，pH 值為7.24。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)地自2015 年實(shí)行冬小麥-夏玉米輪作制度，小麥（6 月）和玉米（10 月）收獲后全量粉碎還田。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置免耕還田（NTS），旋耕還田（RTS）和深翻還田（DPS）3 個(gè)處理，3 次重復(fù)，共9 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為80 m2（10 m×8 m）。

如圖1 所示，免耕還田（NTS）：全年不耕作，玉米和小麥?zhǔn)斋@后秸稈粉碎覆蓋在土壤表層，采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的免耕播種機(jī)一次性完成播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)。旋耕還田（RTS）：玉米收獲后秸稈粉碎還田，采用1GKN-200H 型旋耕機(jī)旋耕2 遍，作業(yè)深度15 cm；小麥?zhǔn)斋@后秸稈粉碎覆蓋還田并進(jìn)行免耕播種。深翻還田（DPS）：玉米收獲后秸稈粉碎還田，采用1 LFT-435 型翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行25～30 cm 深翻作業(yè)，并淺旋10 cm 以打碎大土塊；小麥?zhǔn)斋@后秸稈粉碎覆蓋還田并進(jìn)行免耕播種。試驗(yàn)地施用的化肥為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀，每季基肥施用量N 為 100 kg/hm2、P2O5為60 kg/hm2、K2O 為90 kg/hm2，小麥、玉米拔節(jié)期各追施N 為 110 kg/hm2。

圖1 不同秸稈還田方式作業(yè)原理及施用的農(nóng)機(jī)具Fig.1 Operating principle of different straw return methods and agricultural machinery

1.3 樣品采集

在2021 年9 月下旬玉米收獲時(shí)采集土壤樣品。樣品采集方法：玉米收獲后利用PVC 環(huán)刀（內(nèi)徑5 cm、高5 cm）隨機(jī)采集3 個(gè)土層（0～10、＞10～20 和＞20～40 cm）原狀土樣，用保鮮膜包裹（防止水分蒸發(fā)）帶回實(shí)驗(yàn)室。原狀環(huán)刀樣品先置于超純水中充分飽和，再置于壓力膜儀中，在33 kPa 水吸力（田間持水量）下達(dá)到水分平衡后取出進(jìn)行CT 掃描。在原狀土附近采集混合土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后用于測(cè)定SOC 及其組分。同時(shí)每個(gè)小區(qū)采用體積為100 cm3的環(huán)刀分層采集原狀土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，采用烘干法測(cè)定土壤容重。

1.4 CT 掃描與圖像處理

利用顯微CT（Phoenix Nanotom，Germany）掃描原狀土柱樣品，掃描電壓為100 kV，電流為90 μA，曝光時(shí)間為1.25 s，每個(gè)土柱在樣品臺(tái)勻速旋轉(zhuǎn) 360°，在此過(guò)程中共采集2 303 幅圖，圖像分辨率為25 μm。利用Datos | x2 Rec 軟件進(jìn)行圖像重建，得到2 303 張8 位灰度圖像，存儲(chǔ)為tiff 格式。

利用Image J 軟件（https://imagej.nih.gov/ij/）進(jìn)行圖像處理與分析。首先調(diào)節(jié)圖像亮度和對(duì)比度以增強(qiáng)圖像，并應(yīng)用半徑為2 個(gè)像素的高斯濾波器進(jìn)行濾波，降低圖像噪聲。為降低邊緣效應(yīng)，選擇圖像的中心區(qū)域作為感興趣區(qū)域（region of interest,ROI），ROI 為直徑1 770個(gè)體素、高1 700 個(gè)體素的圓柱體，實(shí)際大小為直徑44.3 mm、高42.5 mm。使用“默認(rèn)”自動(dòng)閾值進(jìn)行圖像分割，然后對(duì)二值圖像進(jìn)行分析。

孔隙結(jié)構(gòu)可視化通過(guò)軟件VG Studio Max 2022 獲得。利用Image J 軟件計(jì)算土壤大孔隙度和孔徑分布、孔隙形態(tài)參數(shù)（水力半徑、分形維數(shù)）和孔隙網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（全局連通性、最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度）[15]。水力半徑定義為土壤大孔隙體積與表面積之比，水力半徑越大，孔隙的導(dǎo)水導(dǎo)氣能力越大[9]。大孔隙度指基于CT 圖像得到的孔隙（＞50 μm）體積占ROI 總體積的百分比，本研究中識(shí)別的最小孔徑為50 μm。按照孔徑大小劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別為50～100、＞100～200、＞200～300、＞300～500和＞500 μm?？讖椒植纪ㄟ^(guò)Bone J 插件的“Thickness”計(jì)算得到。

分形維數(shù)是孔隙結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜程度的定量參數(shù)，隨著孔隙形態(tài)復(fù)雜程度的增加而增大[16]。最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度是指土壤中最大的相互連通大孔隙網(wǎng)絡(luò)的體積占ROI 體積的百分比[16]，利用“Purify”插件得到最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙。孔隙的全局連通性表示2 個(gè)孔隙為同一個(gè)孔隙的概率[17]。

式中Γ代表全局連通性，指2 個(gè)孔隙為同一個(gè)孔隙的概率；n代表孔隙的個(gè)數(shù)，Vi代表每個(gè)孔隙的體積，孔隙的數(shù)量和體積利用“Particle analyzer”插件計(jì)算。

1.5 有機(jī)碳及其組分測(cè)定

采用CAMBARDELLA 等[18]提出的方法分離POC和MAOC。具體方法如下：稱(chēng)取10 g 過(guò)2 mm 篩的土樣置于250 ml 錐形瓶中，加入150 ml 0.5%六偏磷酸鈉溶液，在往復(fù)式振蕩器上震蕩18 h，轉(zhuǎn)速為200 r/min。土壤懸液過(guò)53 μm 篩，并反復(fù)用蒸餾水沖洗。分別收集所有留在篩中的物質(zhì)（POC）和過(guò)濾到篩網(wǎng)下的物質(zhì)（MAOC），在50 ℃下烘至恒質(zhì)量，并計(jì)算其所占土壤的百分含量。將烘干樣品中的有機(jī)碳含量換算為單位質(zhì)量土壤樣品的POC 和MAOC 含量。采用重鉻酸鉀氧化-外源加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[19]。

1.6 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

土壤總孔隙度（total porosity，φ）計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中ρb表示土壤容重，g/cm3；ρs表示土粒密度，值選用2.69 g/cm3[20]。

利用 SPSS 21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著差異法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)各處理間差異；建立POC含量與土壤大孔隙度、全局連通性、最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度、水力半徑之間的線(xiàn)性回歸。采用皮爾森雙變量相關(guān)分析分別建立POC、SOC 含量與各孔徑孔隙度之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下砂姜黑土SOC 及其組分的含量

由表1 可知，不同秸稈還田方式處理下土壤有機(jī)碳（SOC）及其組分（POC、MAOC）在土層中的垂直分布存在差異。隨著深度增加，各處理SOC 及其組分含量呈降低趨勢(shì)。在＞10～20、＞20～40 cm 土層中，SOC 含量均表現(xiàn)為深翻還田最高、旋耕還田次之、免耕還田最低。相比于旋耕還田，免耕還田使＞10～20 cm 土層SOC 含量降低了14.1%，使＞20～40 cm 土層SOC 和POC 含量分別降低了23.7%和55.9%（P＜0.05）；與旋耕還田相比，深翻還田處理下＞10～20 cm 土層SOC 含量提高了12.7%，＞20～40 cm 土層SOC、POC 和MAOC含量分別提升了44.1%、116.0%和42.4%（P＜0.05）。

表1 不同秸稈還田方式下各土層SOC、POC、MAOC 含量和POC、MAOC 占SOC 的比例Table 1 Effects of different straw return methods on the content and proportion of SOC,POC,and MAOC in various soil layers

POC 和MAOC 占SOC 的比例受到土層深度和秸稈還田方式的影響（表1）。3 種還田方式下POC 占比均在0～10 cm 土層中最高，在＞10～20 cm 和＞20～40 cm土層中，POC 占比均為深翻還田處理最高，免耕還田最低。與旋耕還田相比，深翻還田使0～10 cm 土層POC占比降低了22.2%，使＞20～40 cm 土層POC 占比提高了49.6%（P＜0.05）。相較于旋耕還田，免耕還田使＞20～40 cm 土層POC 占比降低了42.6%（P＜0.05）。

2.2 不同秸稈還田方式下砂姜黑土孔隙結(jié)構(gòu)特征

從三維圖像來(lái)看（圖2），在表層0～10 cm 內(nèi)，3種還田方式處理下孔隙度較大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜；在＞10～40 cm 土層中，免耕還田和旋耕還田處理的孔隙尺寸較小，分布獨(dú)立，且出現(xiàn)大量管狀生物孔隙和不規(guī)則孔隙，連接程度較低，最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙也隨著深度增加趨于簡(jiǎn)單化，其貫通深度減小。與免耕還田、旋耕還田處理相比，深翻還田顯著提高了＞10～20 和＞20～40 cm 土層土壤孔隙度，管狀孔隙較少，最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙貫通了整個(gè)土層。

圖2 不同秸稈還田方式下各土層土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)的三維圖像Fig.2 Three-dimensional images of soil pore network under different straw return methods in various soil layers.

整體而言（表2），與旋耕還田相比，深翻還田顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層內(nèi)的大孔隙度（＞50 μm）（P＜0.05），分別增加了3.10 倍和2.74 倍。特別地，相比于旋耕還田，深翻還田使＞10～20、＞20～40 cm 土層內(nèi)的最大連通網(wǎng)絡(luò)的孔隙度分別增加了7.38 倍和7.08 倍。此外，與旋耕還田相比，深翻還田也顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層內(nèi)的全局連通性（P＜0.05）。深翻還田對(duì)于孔隙分形維數(shù)的影響主要集中在0～10、＞10～20 cm 土層，表明深翻還田增加了這兩個(gè)土層土壤孔隙的復(fù)雜程度。深翻還田顯著增加了＞20～40 cm 深度土壤大孔隙的水力半徑（P＜0.05），提高了深層土壤水氣運(yùn)輸能力。

表2 基于CT 圖像獲得的土壤孔隙特征參數(shù)Table 2 Soil pore characteristic parameters based on CT images.

就具體孔徑分布情況來(lái)看，不同秸稈還田方式下土壤孔徑大小分布存在顯著差異（圖3）。在0～10、＞10～20、＞20～40 cm 土層中，深翻還田處理下＞500 μm 孔隙度分別占大孔隙度（＞50 μm）的39.0%、41.5%、34.2%。與免耕還田、旋耕還田相比，深翻還田顯著提高0～10、＞200～500 μm 的孔隙度（P＜0.05），同時(shí)也顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層中＞200～500、＞500 μm 的孔隙度（P＜0.05）。與旋耕還田相比，免耕還田僅顯著降低 了＞10～20 cm 土層中50～100 μm 的孔隙度（P＜0.05），其他無(wú)顯著性差異。

圖3 不同秸稈還田方式下各土層土壤孔隙大小分布Fig.3 Distribution of soil pore sizes in various soil layers under different straw return methods

2.3 砂姜黑土POC 和孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

對(duì)POC 含量和土壤孔隙參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析（圖4），發(fā)現(xiàn)POC 含量隨著大孔隙度（＞50 μm）、全局連通性、最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度以及水力半徑的增加而增加，且均呈現(xiàn)出顯著（P＜0.05）或者極顯著（P＜0.01）的正相關(guān)關(guān)系。POC 含量與＞200～300、＞300～500 和＞500 μm孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表3），SOC 含量與＞100～200、＞200～300、＞300～500 和＞500 μm 孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；POC 和SOC 含量與50～100 μm 孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是未達(dá)顯著水平（P＞0.05）（表3）。

表3 POC 和SOC 與各孔徑孔隙度相關(guān)性系數(shù)Table 3 The correlation coefficients between POC,SOC and porosity of each pore size

圖4 POC 和土壤孔隙特征之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between POC and pore characteristics

3 討論

3.1 不同秸稈還田方式對(duì)SOC 和POC 的影響

SOC 和POC 含量受秸稈還田方式影響顯著。免耕還田下0～10 cm 土層SOC 和POC 含量與旋耕還田無(wú)顯著性差異，說(shuō)明秸稈為表層土壤有機(jī)碳積累提供了豐富的碳源[21]。但是在＞10～40 cm 土層中，免耕還田下SOC 和POC 含量均低于旋耕還田，這是因?yàn)樵跊](méi)有耕作措施的擾動(dòng)下，表層大量的有機(jī)碳和半分解或未分解的作物秸稈無(wú)法向下層土壤轉(zhuǎn)移，主要依靠植物根系腐解作為深層土壤有機(jī)碳的補(bǔ)充來(lái)源。長(zhǎng)期免耕導(dǎo)致犁底層土壤容重大、緊實(shí)度高，作物根系生長(zhǎng)受阻[22]，根茬碳投入量也會(huì)隨之減少。相比于旋耕還田，深翻還田顯著提高了＞10～40 cm 土層的SOC 和POC 含量。一方面，深翻能夠有效打破犁底層，將表層還田的秸稈轉(zhuǎn)移到深層土壤中，增加了深層土壤秸稈碳投入[10]。另一方面，深翻打破犁底層促進(jìn)了根系下扎，進(jìn)而顯著增加了根系碳投入[23]。因此，深翻還田擴(kuò)充了秸稈容納空間，對(duì)于土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義[24]。

3.2 不同秸稈還田方式對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響

不同耕作方式對(duì)土壤擾動(dòng)不同，進(jìn)而對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的差異。旋耕作為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種常規(guī)耕作方式，能夠使土壤疏松、地表平整；但旋耕作業(yè)深度較淺，僅為15 cm，且深層土壤受到表層土壤和農(nóng)機(jī)具壓實(shí)作用，導(dǎo)致容重增加、大孔隙數(shù)量減少[25]。免耕還田以盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)為基本原則，對(duì)改善表層土壤結(jié)構(gòu)具有積極作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0～10 cm 土層主要以＞500 μm 的孔隙為主導(dǎo)，一方面依靠土壤動(dòng)物的活動(dòng)和根系下扎形成大孔隙[9,26]，而表層相對(duì)適宜的養(yǎng)分和水分條件使作物根系主要集中在土壤表層[27-29]；另一方面，表層秸稈和根系腐解后會(huì)促進(jìn)孔隙網(wǎng)絡(luò)形成[30]。然而，長(zhǎng)期免耕可能會(huì)使＞10～20、＞20～40 cm 土層土壤緊實(shí)加劇、耕層變淺，作物根系下扎受阻[29]，導(dǎo)致＞500 μm 的孔隙數(shù)量較少。與旋耕還田相比，深翻還田顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層土壤大孔隙度（＞50 μm）和孔隙連通性，尤其是＞200 μm 的孔隙度。深翻還田能夠促進(jìn)大孔隙形成，一方面是因?yàn)樯罘瓕?duì)相應(yīng)土層進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)，使上下土層的土壤混合，形成了大量孔隙[11]；同時(shí)深翻改善深層土壤通氣導(dǎo)水能力，促進(jìn)秸稈和根茬腐解產(chǎn)生新孔隙，進(jìn)而增加土壤孔隙度[30]；另一方面可能是因?yàn)樯罘龠M(jìn)了作物根系向深層土壤生長(zhǎng)，根系的穿插和纏繞作用及根系分泌物的膠結(jié)作用也能夠促進(jìn)土壤中大孔隙形成[9]。

3.3 POC 與孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

孔隙結(jié)構(gòu)決定土壤通氣狀況和水分入滲過(guò)程，影響微生物活性，間接參與秸稈的分解過(guò)程。本研究發(fā)現(xiàn)POC 含量與最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明秸稈和根茬及其分解產(chǎn)物的分解轉(zhuǎn)化很大程度上與土壤大孔隙度（＞50 μm）及孔隙連通性有關(guān)。長(zhǎng)期免耕還田下＞10～40 cm 最大連通網(wǎng)絡(luò)的孔隙度相對(duì)較少，存在土壤通氣和滲水不良等現(xiàn)象，不利于植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，影響到根系的殘留和土壤顆粒有機(jī)碳的補(bǔ)充。深翻還田顯著提高了＞10～40 cm 最大連通網(wǎng)絡(luò)的孔隙度，有利于作物根系生長(zhǎng)，從而留下了較多作物殘?bào)w，同時(shí)表層部分秸稈翻埋至下層土壤，增加了顆粒有機(jī)碳的來(lái)源[7]。此外，孔隙的水力半徑越大越有利于POC 的累積，表明大孔隙具有良好的通氣性和導(dǎo)水性，進(jìn)一步促進(jìn)秸稈分解轉(zhuǎn)化為POC。

有研究表明SOC 含量與土壤總孔隙度[31-32]和大孔隙度（＞50 μm）[16]之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，可能是由于更大的孔隙度和孔隙連通性為微生物提供適宜條件，有利于氧氣供應(yīng)和養(yǎng)分運(yùn)輸，促進(jìn)秸稈腐解形成更多的SOC。相關(guān)分析結(jié)果顯示SOC 和POC 含量與＞200～300、＞300～500、＞500 μm 孔隙度呈極顯著（或顯著）正相關(guān)關(guān)系，表明該部分孔隙結(jié)構(gòu)是影響土壤固碳的重要因素。FUKUMASU[33]等研究發(fā)現(xiàn)POC 含量與＞480～720 μm孔隙度呈顯著正相關(guān)，這與本研究結(jié)果一致，秸稈腐解過(guò)程中POC 的分解轉(zhuǎn)化可能受到孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，同時(shí)POC 分解會(huì)促進(jìn)新孔隙的形成。因此，在未來(lái)的研究中將進(jìn)一步探究秸稈腐解過(guò)程中顆粒有機(jī)碳與孔隙結(jié)構(gòu)的互饋?zhàn)饔谩?/p>

4 結(jié)論

淮北平原以冬小麥夏-玉米輪作制度為主，具有豐富的秸稈資源，秸稈直接還田是主要途徑。經(jīng)過(guò)連續(xù)6 a秸稈還田定位試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田方式對(duì)砂姜黑土不同土層有機(jī)碳和孔隙結(jié)構(gòu)影響顯著，并得到如下結(jié)論：

1）與旋耕還田相比，免耕對(duì)土壤的擾動(dòng)較小，免耕加秸稈覆蓋可增加0～10 cm 土層有機(jī)碳的含量和大孔隙數(shù)量，但深層土壤不受擾動(dòng)，外源有機(jī)物輸入不足，不利于＞10～40 cm 土層SOC 積累和大孔隙形成；

2）深翻將聚集在表層的秸稈帶入到深層土壤，擴(kuò)增了秸稈分布空間，提高了深層土壤秸稈碳投入量，顯著促進(jìn)了＞10～40 cm 土層SOC 累積與土壤孔隙結(jié)構(gòu)改善，其中，土壤大孔隙度（＞50 μm）、孔隙連通性、＞200 μm孔隙度增加顯著（P＜0.05）。

3）相關(guān)性分析可知POC 含量與土壤大孔隙度（＞50 μm）、全局連通性、最大連通網(wǎng)絡(luò)孔隙度、水力半徑之間呈顯著線(xiàn)性正相關(guān)。其中，POC 含量與＞200 μm孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

綜上所述，深翻還田能夠促進(jìn)有效促進(jìn)深層（＞10～40 cm）土壤有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳積累以及大孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)于砂姜黑土區(qū)秸稈資源利用效率和耕地質(zhì)量協(xié)同提升量具有重要作用，可作為該區(qū)域適宜的還田方式。