《Smart Agricultural Technology》：X-ray CT-derived pore structure determines soil gas transport under high soil water content in clayey but not sandy soils
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本研究聚焦高水分条件下（土壤水势-1~-330 hPa），X射线计算机断层扫描（CT）获取的土壤孔隙结构特征对不同质地土壤（粘性土与砂性土）中气体传输参数（如相对气体扩散率Ds/D0和空气渗透率Ka）的预测价值。通过8年田间试验，研究人员发现，在粘性土中，CT衍生的>100 μm孔隙度等参数与气体传输显著正相关，气体传输受结构限制；而在砂性土中，这种关系不显著，气体传输主要受水分限制。研究结果为针对不同质地土壤优化耕作与秸秆管理策略以改善通气或保水提供了科学依据。
想象一下，一场暴雨过后，农田里的土壤被水浸透。对于依赖土壤呼吸的作物根系和微生物来说，这不仅仅是“喝饱了水”那么简单，更可能是一场“窒息”危机。因为水分会挤占土壤颗粒间的空气通道，阻碍氧气（O2）的扩散和流通，直接影响作物生长、温室气体排放以及污染物降解等一系列重要的生物地球化学过程。特别是在华北平原这样的主要农业区，频繁的极端降雨事件使得土壤在接近或高于田间持水量的高水分状态下运行成为常态，此时土壤的通气能力变得至关重要。然而，一个关键的科学问题尚未完全阐明：在高水分条件下，究竟是什么样的土壤内部结构在主导着气体的运移？这种主导作用是否因土壤质地的不同（例如粘重的粘土与疏松的砂土）而存在差异？
传统上，研究人员通过测量相对气体扩散率（Ds/D0，表征扩散能力）和空气渗透率（Ka，表征对流能力）来评估土壤通气性。X射线计算机断层扫描（CT）技术的兴起，使得我们能够像给土壤做“三维体检”一样，非破坏性地量化其内部的孔隙结构特征，包括孔隙度、孔隙大小分布、连通性以及更复杂的骨架化参数（如分支数、节点数）。一些研究已经尝试将CT参数与气体传输联系起来，但由于土壤质地在很大程度上决定了孔隙结构和水分保持特性，水分对孔隙网络行为的影响在不同质地间存在差异，这使得建立孔隙结构与气体传输之间的普适性关系变得复杂。尤其是在高水分条件下，这种关系在粘性土和砂性土中是否一致，尚不清楚。
为了回答这些问题，来自中国科学院南京土壤研究所的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表了一项研究。他们在华北平原的两个典型土壤上（安徽淮远的粘土——砂姜黑土，以及山东临沂的砂土——潮土）设立了为期8年的平行田间试验。试验设置了两种耕作方式（免耕，NT；旋耕，RT）和两种秸秆管理方式（秸秆还田，S；秸秆移除，RS）的组合处理。研究人员在玉米收获前采集了原状土芯，利用高分辨率工业X射线CT系统对土芯进行扫描，量化了图像孔隙度、孔隙大小分布、欧拉数、水力半径以及分支数、节点数等一系列孔隙结构参数。随后，他们在-1、-10、-100和-330 hPa四个土壤水势下，测定了土芯的相对气体扩散率（Ds/D0）、空气渗透率（Ka），并计算了有效氧扩散系数（D）。通过统计分析，系统探究了这些CT衍生的孔隙参数与气体传输参数之间的关系，并评估了不同管理措施在两种土壤中的农学表现。
为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：首先，在安徽和山东两地建立了长达8年的田间定位试验，设置了耕作与秸秆管理的双因子设计，并采用随机区组设计。其次，使用高分辨率工业X射线CT对采集的原状PVC土芯进行扫描，并利用机器学习和图像分析软件（如Ilastik, Fiji）进行孔隙的精确分割与三维结构参数提取。最后，通过稳态法等实验手段，系统测定了不同土壤水势条件下的气体传输参数，并进行了系统的统计学与相关性分析。
3.1. 有效氧扩散系数（D）
研究结果显示，在粘性土中，旋耕结合秸秆移除（RTRS）处理在0-10厘米表层的D值在多个水势下显著高于旋耕秸秆还田（RTS）。在10-20厘米亚表层，免耕秸秆还田（NTS）的D值在所有水势下均持续低于RTRS。在砂性土中，旋耕总体上提高了表层的D值。无论土壤类型如何，D值与充气孔隙度（AFP）均呈极显著正相关。这表明D主要反映了土壤的充气潜力，但未能完全捕捉孔隙路径的连通性细节。
3.2. 相对气体扩散率（Ds/D0）
在所有处理和深度中，Ds/D0值随土壤水势降低（绝对值增加）而增加，砂性土中的增幅大于粘性土。处理间对比显示，在粘性土10-20厘米深度、-330 hPa条件下，RTS处理的Ds/D0显著高于NTS处理。而在砂性土中，耕作或秸秆管理对Ds/D0均未产生显著影响。一个有趣的发现是，在相同水势下，NTS处理维持了与RTS处理相当甚至略高的Ds/D0，尽管其充气孔隙度更低，这暗示了处理间孔隙连续性或曲折度的差异。
3.3. 空气渗透率（Ka）
在粘性土0-10厘米表层，NTS处理的Ka值在-100和-330 hPa下显著高于免耕秸秆移除（NTRS）。RTRS处理的Ka在所有水势下均显著高于NTRS。在砂性土中，NTS处理在-10 hPa下显著提高了0-10厘米和10-20厘米土层的Ka。与Ds/D0类似，NTS处理维持了与RTS处理相当的Ka水平，尽管充气孔隙度较低。
3.4. 不同土壤水势下的土壤含水量
随着土壤水势从-1 hPa降至-330 hPa，两种土壤的含水量均下降。砂性土的含水量下降幅度（约0.10 cm3 cm?3）明显大于粘性土，表明砂性土持水能力较弱，水分更容易流失。
3.5. 孔隙结构
三维孔隙网络重建显示，在表层（0-10厘米），所有处理的孔隙网络都较为广阔和高度连通。在亚表层（10-20厘米），粘性土比砂性土拥有更多圆柱状、细长的生物孔隙（如根道和动物孔道）。具体参数上，在粘性土中，RTRS处理显著增加了0-10厘米土层的100-500 μm孔隙度和图像孔隙度，并在10-20厘米土层增加了所有尺寸的孔隙度。与NTS相比，RTS处理增加了亚表层100-500 μm孔隙度、总孔隙度、水力半径、分支数和节点数。在砂性土中，NTS处理显著提高了表层60-100 μm孔隙度、图像孔隙度、分支数、节点数和分支长度密度。RTS处理则显著增加了亚表层总孔隙度、图像孔隙度、分支数、节点数、分支长度密度以及100-300 μm的孔隙度。
3.6. 孔隙特征与气体传输的关联
这是本研究的核心发现。在粘性土中，D、Ds/D0和Ka在四个测试水势下均与>100 μm的各级孔隙度、连通概率、分支数、节点数、分支长度密度、水力半径及总孔隙度呈显著正相关。这表明，在粘性土中，连通的大孔隙主导了高水分条件下的气体扩散和对流传输，气体传输是“结构限制型”的。然而，在砂性土中，Ds/D0或Ka与各级孔隙度之间大多未发现显著相关关系（-300 hPa除外）。D在砂性土中与部分孔隙参数（水力半径、分支数、节点数）呈正相关，但因其计算仅基于总孔隙度和含水量，无法充分反映孔隙拓扑结构。当将两种土壤的数据合并分析时，在-100和-330 hPa下，Ds/D0和Ka与所有孔隙级别的孔隙度以及分支数、节点数等参数呈正相关，这突显了质地对这种关系的调控作用。
研究在结论与讨论部分深入阐释了上述发现的意义。对于粘性的砂姜黑土，其固有的高粘粒含量、容重和土壤强度使其在夏季强降雨期间容易出现渍水和短暂缺氧，限制玉米生长。本研究表明，提高连通的大孔隙度可以有效改善高水分条件下的Ds/D0和Ka。旋耕结合秸秆还田（RTS）通过打破土块、重组颗粒、创造新的孔隙空间，并借助秸秆促进形成稳定的团聚体孔隙，显著提高了亚表层的大孔隙连通性和孔隙度。这些结构改善直接缓解了砂姜黑土因固有孔隙连通性差而在高水分条件下导致的气体限制，为气体交换和氧气供应提供了畅通的路径。因此，采用旋耕结合秸秆还田是改善此类粘重土壤结构和通气性的推荐策略。
对于砂性的潮土，限制生产力的主要因素并非过高的水分和通气不良，而是较低的持水和持肥能力。本研究测量到砂性土在水势增加时水分快速流失，这与养分淋失风险一致。旋耕虽略微增加了亚表层孔隙度，但并未转化为更高的气体传导性，反而可能加速团聚体破坏和碳损失。相比之下，免耕结合秸秆覆盖（NTS）在维持与旋耕处理相当气体传输能力的同时，增强了碳固存和水分保持能力。尽管免耕减少了亚表层孔隙度，但它仍能在高土壤水分条件下维持有效的气体交换，显示出平衡砂性土中空气和水动力学的能力。因此，对于砂性潮土，优先考虑免耕结合秸秆覆盖作为保护性策略是合适的，并需配合相应的养分管理以减轻淋失。
总之，这项研究揭示了在高水分条件下，土壤气体传输的制约机制存在显著的质地依赖性：在粘性土中为“结构限制”，在砂性土中为“水分限制”。X射线CT衍生的孔隙参数（>100 μm孔隙度、连通性、分支结构等）能够强有力地预测粘性土中的气体传输，但在砂性土中预测能力有限。这一认识为针对不同质地土壤制定差异化的耕作与秸秆管理措施提供了关键理论依据——在粘重土壤上可通过旋耕配施秸秆来优化结构、增强通气；在砂性土壤上则宜采用免耕覆盖以保育水土、维持生产。研究深化了对土壤物理过程的理解，对应对气候变化下的极端降雨事件、实现农业可持续发展具有重要的实践指导意义。
