《Soil and Tillage Research》：Black soil degradation enhances soil pore anisotropy and drives directional hydraulic conductivity
编辑推荐：
黑土退化加剧孔隙各向异性导致水平向水力传导率显著高于垂直向，CT分析揭示严重退化土壤（D3）总孔隙率下降88.6%，水平孔隙连通性（CD）较垂直高32%-45%。
何阳波|程晓辉|彭丽娟|陈俊熙|陈家洲|蔡崇发
中国农业农村部耕地保护（长江中下游）重点实验室，华中农业大学资源与环境学院，武汉，湖北430070
摘要
长期集约化耕作加速了中国东北黑土（莫利索尔土）的退化，改变了孔隙结构并影响了水分传输。了解孔隙结构的各向异性及其与水流的功能联系对于可持续的土壤管理至关重要。因此，本研究旨在量化水平和垂直方向上的孔隙特性如何在不同退化程度下影响饱和水力传导率（Ks）。实验处理包括作为对照的森林土壤（CK）以及三种耕作退化程度（D1、D2和D3），其中D3的有机质含量最低、黑土层最薄、渗透阻力最大、耕作时间最长。在0–15厘米和15–30厘米深度采集未受干扰的土壤芯样，用于X射线计算机断层扫描（CT）分析总孔隙度（TP）、孔隙数量、孔隙大小分布、孔隙形态和连通性（CD）。使用恒定水头法测量两种方向上的Ks。退化显著降低了TP、大孔隙度（>100 μm）、长孔隙（EP）和连通性（CD）。在严重退化的土壤（D2、D3）中，水平样本的大孔隙度、EP和CD显著高于垂直样本（p < 0.05），而CK在垂直方向上的大孔隙度和连通性显著更高。Ks随退化程度的增加而降低（CK > D1 > D2 > D3），在两个方向上都是如此。例如，0–15厘米垂直层的Ks从CK降至D3时下降了88.6%。耕作土壤的水平Ks大于垂直Ks（Ks_h/Ks_v > 1），而CK的水平Ks较低（Ks_h/Ks_v = 0.49–0.54）。EP、CD和大孔隙度与Ks呈正相关，有利于水分流动。这些发现表明，农业集约化加剧了孔隙各向异性，破坏了垂直排水，并促进了侧向流动。在退化土壤的可持续管理模型和策略中必须考虑这种微观尺度的土壤结构演变。
引言
土壤孔隙结构在调节土壤水分保持和运动、养分循环、气体扩散以及最终决定作物产量方面起着关键作用（Dlapa等人，2020年；Fu等人，2024年；Pires等人，2024年）。土壤孔隙结构还对调节水分入渗和径流生成起着重要作用，从而直接影响土壤水蚀的强度（Orlowski等人，2019年；Wang等人，2023年）。然而，包括不可持续的土地利用、过度耕作和土壤扰动在内的集约化农业实践加速了土壤退化过程，显著影响了土壤孔隙结构（Baumhardt等人，2015年；Kopittke等人，2019年）。
土壤退化可能导致土壤结构发生显著变化，并迅速导致养分耗竭和水污染问题。中国东北的黑土（莫利索尔土）地区正面临严重的退化，表现为土壤有机碳（SOC）快速下降、表土变薄和水蚀加剧三个关键趋势（Li等人，2025年；Zhang和Jiao，2020年）。自开始耕作以来，东北黑土的SOC减少了30–50%（Zhang和Jiao，2020年）。40%的耕作区表土厚度减少了10–20厘米，长期耕作（70–100年）后表土厚度降至20厘米以下（Jing等人，2008年）。当前的侵蚀率在700至4200 km^-2年^-1之间，直接决定了不同的表土变薄速率（Li等人，2021年；Li等人，2020年）。集约化耕作方式，特别是机械化引起的土壤压实，进一步加剧了土壤退化——这一现象在北美等黑土丰富的地区也有发生（Jabro等人，2014年；Lerohl和van Kooten，1995年）。这些复合效应导致土壤结构恶化，威胁了这些重要农业资源的长期可持续性。
长期集约化的垄作耕作导致明显的垂直孔隙异质性，由于压实和犁层形成，孔隙度、连通性和大孔隙度随深度急剧下降（Fu等人，2022年；Schlueter等人，2018年；Shah等人，2017年）。此外，在高压缩应力下，大孔隙度和连通性达到不可还原的最小值，孔隙各向异性增加（Poehlitz等人，2018年）。反复耕作操作（包括切割和压实）产生的方向应力促进了团聚体的破碎和颗粒重新排列，通过横向定向的微裂纹增强了水平孔隙连通性（Dexter，2004年；Wang等人，2018年）。在坡地上，耕作引起的颗粒分选进一步将细颗粒向下或向侧面重新分布，而较粗的颗粒在表土和垄顶富集，加剧了孔隙各向异性（Liu等人，2021年）。最近的研究还报告了在不同生物耕作植物（苜蓿、菊苣）处理下土壤孔隙结构的明显各向异性（大孔隙度、端到端连接的大孔隙总长度）（Pulido-Moncada等人，2022年）。然而，管理强度或退化阶段与垂直/水平定向孔隙特性之间的定量关系尚未明确。
土壤孔隙各向异性特征从根本上决定了农业土壤中的水分运动，结构异质性导致水分/养分分布不均（Brady和Weil，2017年；Fan等人，2004年）。尽管高大孔隙度通常有利于入渗和水力传导，但长期耕作引起的退化形成了明显的层间界面，破坏了垂直孔隙连通性，从而减少了纵向水流（Schlueter等人，2018年）。具体来说，犁层抑制了垂直水流，同时增强了耕作层内的侧向流动（Shao等人，2017年）。具有平板结构的压实土壤表现出优先水平方向的流量各向异性（Horn等人，2025年）。这种各向异性在长期耕作的黑土中尤为明显，其中水平饱和水力传导率比垂直传导率高2.2倍（Huang等人，2024年；Salazar等人，2024年），这突显了各向异性孔隙结构对水流方向的影响。
黑土（莫利索尔土）由于其高有机质含量和稳定的结构，是全球农业生产中最重要的土壤类型之一（Brady和Weil，2017年）。然而，在中国，集约化的不可持续耕作加速了其退化，降低了产量和生态功能（Li等人，2025年）。然而，退化程度对土壤孔隙各向异性的影响及其对方向性饱和水力传导率的后续控制尚不清楚。我们假设退化增加了大孔隙网络的各向异性（例如，倾向于水平方向而非垂直方向），从而导致水平饱和水力传导率（Ks_h）超过垂直传导率（Ks_v）。因此，通过研究不同退化程度下的土壤孔隙各向异性，本研究旨在阐明其对水力传导率空间方向的控制作用。
研究地点和研究设计
研究地点位于中国黑龙江省嫩江县黑山农场的小流域内（125°16' – 125°21'E，48°59' – 49°03'N），总面积为27.68平方公里。研究区域的景观为起伏的地形，坡度梯度为1°–7°，坡长通常在500–4000米之间。该地区属于大陆性季风气候，年降水量为347–775毫米。降雪主要发生在
土壤孔隙度、孔隙大小分布和孔隙形态差异
CT测量显示退化程度和采样方向对总孔隙度（TP）和孔隙数量（PN）有明显影响（图1）。未受干扰的土壤（CK）的TP从21.78%下降到退化耕作土壤（D1–D3）的13.92–27.38%，而PN从3301个孔/立方厘米下降到1532–3691个孔/立方厘米（分辨率为29微米）（图1）。退化强度显著降低了TP和PN（p < 0.05），顺序为CK > D1 > D2 > D3。例如，在0–15厘米深度
土壤退化导致土壤孔隙特性异质性
土地利用类型通过不同的机制显著影响土壤结构特性，特别是孔隙结构（Rabot等人，2018年）。在自然生态系统（如森林或草地）中，多年生植被的广泛根系促进了复杂孔隙网络的发展。具体来说，细根在草地系统中形成了连续的生物孔（>0.2毫米）或非常细的垂直定向大孔隙，这与耕作土壤不同（
结论
土壤退化通过改变孔隙方向和结构改变了Ks的各向异性。严重退化的土壤表现出更大的总孔隙度、孔隙形态、连通性和Ks各向异性，D3的Ks降低了高达88.6%。持续的退化促进了水平定向孔隙系统的形成，增加了大孔隙度、长孔隙和该方向的连通性，导致垂直Ks低于水平Ks——这与
作者贡献声明
陈俊熙：资源调查。
陈家洲：方法学。
程晓辉：可视化、调查、正式分析、数据管理。
彭丽娟：方法学、数据管理。
何阳波：写作——初稿、方法学、资金获取、概念构思。
蔡崇发：监督、方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究的资金支持来自中国国家重点研发计划（2024YFD1501202和2021YFD1500703）。
