低場核磁探測水稻田改蔬菜地土壤水分的相態變化

孔 超，王美艷，史學正，郭乃嘉，于全波

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低場核磁探測水稻田改蔬菜地土壤水分的相態變化

孔 超1,2，王美艷1※，史學正1，郭乃嘉1,2，于全波1,2

（1. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008； 2. 中國科學院大學，北京 100049）

為了解水稻土轉變為設施蔬菜地后土壤水分的相態變化，該研究在田間土壤調查的基礎上，結合低場核磁測氫技術，評價了田間狀態的水稻土和不同轉化年限設施蔬菜地土壤水分的相態分布情況。結果表明：隨著轉化時間的延長，耕層土壤大孔隙吸持的自由水比重下降，土壤小孔隙吸持的束縛水比重上升，犁底層土壤水分的相態分布卻無明顯變化，土壤水分吸持性能在轉化時間序列上呈現下降的趨勢，但長期施用有機肥可以優化耕層質量，提升土壤大孔隙吸持自由水的能力，改善土壤水分供釋性能；水稻土轉化為設施蔬菜地土壤2 a后，出現新犁底層，使得原有的耕層土壤變薄，土壤水分吸持性能下降。核磁共振作為一種新的技術手段，可以實現實時、快速、準確地檢測土壤水分的相態變化，可為設施農業的可持續管理提供新的技術支持。

核磁共振；土壤；水分；水稻田；蔬菜地；T2譜

0 引 言

土壤水作為水資源的一個重要組成部分，是一切陸生植物賴以生存的基礎，同時也是溶質和熱量在土壤中傳輸的主要載體。所以，土壤水的數量和相態分布極大地影響著土壤中其他環境因子，進而影響植物和土壤生物的生存狀況[1]。在中國長江中下游地區，城市化的快速擴張使得分布在城郊的肥沃老蔬菜地被迫轉化為城市用地。為滿足人們對蔬菜產品日益增加的需求，城郊原有的水稻田轉成新蔬菜地。水稻田轉成設施菜地后，耕作方式由季節性水-旱輪作轉變為常年旱耕，常年高強度的耕作和施肥以及無降水、高蒸發量的環境條件致使土壤環境在短時間內發生劇烈變化：土壤水的數量和形態迅速改變，鹽分表聚現象頻現，土壤板結退化嚴重[2]。因此，研究水稻田轉化為設施菜地后土壤持水性能的演變，尤其是土壤水分的相態分布的演變，對實現設施菜地土壤可持續管理具有重要意義。

近年來國內外學者針對水稻田轉化為設施菜地土壤質量的演變進行了相關研究，按研究側重點不同大致分為3個方面：土壤物理性質、土壤化學性質和土壤生物學性質演變。在土壤物理性質的演變方面，孫艷[3]對水稻田和種植年限分別為<5、5～10、>10 a的溫室菜地土壤耕層容重研究發現，水稻田土壤容重為1.35 g/cm3，不同轉化年限設施菜地的土壤容重分別為1.40、1.55、1.56 g/cm3，在時間序列上呈現遞增趨勢。蔡彥明等[4]對天津不同種植年限蔬菜地研究發現，隨著蔬菜種植年限的延長，土壤的容重變大，土壤結構性變差，土壤飽和含水量、田間持水量、有效水含量及萎蔫含水量均呈現不同程度的下降，土壤水分的吸持性能和供釋能力變差。在土壤化學和生物學性質的演變研究方面，Ge等[5-6]對水稻田轉化后的設施菜地土壤研究發現土壤鹽漬化、酸化、養分累積、微生物活性降低等現象頻現。近年來，隨著核磁共振技術的不斷發展，研究者結合先進的核磁掃描和成像技術，實現了低場核磁測氫技術在農業領域、生命科學領域、石油/多孔介質領域、食品/藥品領域、高分子材料領域、輕工紡織領域的應用[7-12]。一方面，由于低場核磁具備場強低（<0.5 T）、磁場穩定、均勻性好等優勢，對Fe2+、Fe3+、Mn6+等含量較高的土壤磁化作用較小，從而可以精準檢出土壤含水率[13]。另外，由于低場核磁探測設備具有體積小、質量輕、易攜帶等特點，可以實時、動態、快速、準確地監測田間土壤水分相態的變化，這對于研究農田水分變化規律以及分析和計算農田灌溉用水量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國江蘇省南京市谷里鎮設施蔬菜基地（31°52′27″N，118°39′15″E），地處長江下游，境內地勢平坦，年均溫為15.7 ℃，年均降水量1 072.9 mm，成土母質為混雜下蜀黃土的河流沖積物，土壤類型為水稻土，農田以稻麥輪作為主。本研究所選取的蔬菜基地，歷史上一直是稻/麥輪作，2005年由水稻田轉化為設施菜地。平均每年種植蔬菜3～4茬，主要的蔬菜品種為上海青和西蘭花。

1.2 樣地選擇與采樣設計

本研究選擇4種類型，長期種植水稻的水稻田和不同轉化年限設施蔬菜地。水稻田作為演變起點（0 a），設施蔬菜地轉化年限分別為2、6和8 a，根據實地考察和以往的研究資料確定采樣典型樣地。樣品采集于2015年底，每種類型設3個采樣點，采樣深度為0～30 cm，水稻田按耕層和犁底層采樣；蔬菜地老犁底層之上增加一個新犁底層，即按耕層、新犁底層、老犁底層采樣。每層采集3個土壤環刀樣、3個原狀土柱樣和1.0 kg理化分析樣。土壤環刀樣用于測定采樣狀態時土壤容重；分析樣用于測定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量、pH值和土壤有機質等[14]。

1.3 核磁掃描與圖譜簡介

原狀土柱掃描利用上海市紐邁電子科技有限公司自主研發的23 MHz MesoMR23-060H-I 中尺寸核磁共振分析與成像系統（線圈直徑60 mm，磁場強度（0.52±0.05）T，圖譜分析采用紐邁電子科技有限公司自主研發的核磁共振分析應用軟件Ver 1.0。

原狀土柱掃描前，首先將標準油樣放入磁體箱中，這樣可以調整射頻脈沖頻率使其達到與磁體箱頻率一致，即尋找中心頻率。該步驟完成后將原狀土柱放入磁體箱中，在核磁共振分析應用軟件中設置：接受死機時間（Receiver dead time）為20s，硬脈沖90度脈寬（P1）為16s，硬脈沖180度脈寬（P2）為30s，重復采樣等待時間（TW）為2 000 ms，信號采樣點數（TD）為120 000，回波個數（NECH）為3 000，重復采樣次數（NS）為32，接受機帶寬（SW）為250 kHz，點擊確定按鈕采集脈沖信號。最后將所得的土壤掃描數據進行一百萬次反演，在Origin9.0軟件中作圖，得到橫向弛豫時間T2圖譜。

1.4 測定方法的進步

相比于經典的土壤水分測量方法，基于低場核磁的土壤水分相態分布探測技術具有操作步驟簡單、測試過程便捷、成本投入較低的優勢。另外，它還有專用的土壤水分測量軟件，實現了參數設置、定標、測量、數據上傳、查詢過程的一體化，可以直接將測試結果實時傳輸到電腦終端，結合自動灌溉系統，實現了設施菜地土壤管理的科學化和自動化。另外，由于核磁共振測氫技術可以很好地區分不與固體顆粒或溶劑相互作用的自由水和結晶水，以及物理化學鍵結合的結合水或不易移動水[15]，并且可以通過橫向弛豫特征峰面積與土壤含水率之間的線性關系推算出土壤含水量[16]，從而可為土壤水分相態分布的檢出提供新的技術支持。

2 結果與討論

2.1 不同類型土壤基本理化性質的變化

各類型土壤的基本理化性質如表1所示。水稻土和設施菜地土壤質地均屬于粉砂質黏壤土（silty clay loam）[17-18]，質地最大的特點是粉粒含量很高。就耕層而言，水稻土有機質質量分數為37.3 g/kg，不同轉化年限設施菜地土壤有機質質量分數分別為27.0、23.6、32.2 g/kg，隨著種植年限的增長，土壤有機質質量分數總體呈現下降的趨勢，但8 a大棚土壤有機質質量分數卻高于其他年限大棚土壤，呈現出相反的趨勢；水稻土容重為1.25 g/cm3，不同轉化年限設施菜地的土壤容重分別為1.28、1.36、1.22 g/cm3，隨著種植年限的增長，土壤容重總體呈現增加的趨勢，但8 a大棚土壤容重明顯降低，而且是這4種年限土壤中最低的；水稻土pH值為5.0，不同轉化年限設施菜地的土壤pH值分別為4.6、4.2、5.1，土壤pH值總體呈現降低的趨勢，但8 a大棚土壤的pH為5.1，甚至高于水稻土。由此可見，水稻田改設施蔬菜種植后，隨著種植年限的增長，土壤質量總體下降，但8 a大棚土壤卻有所改善。

表1 不同轉化年限土壤基本理化性質

注：同列中平均數后不同小寫字母表示耕層或（新、舊）犁底層處理間差異在<0.05水平顯著。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference in plough layer or plow pan (new or old) at 0.05 level.

2.2 不同類型土壤耕層土壤水分的相態變化

目前認為分布在土壤中的水主要存在2種相態：束縛水（包括吸濕水和膜狀水）和自由水（包括毛管水、重力水和地下水）。束縛水是被緊緊地吸附在土壤顆粒表面的水分，很難被植物根系吸收；而自由水是土壤中移動較快的水分，易被植物吸收，且與養分在土壤中的遷移轉化密切相關[17]。所以，土壤吸持自由水的比重越高，代表土壤吸持水分的有效性越強。

對常規水稻土和不同轉化年限設施蔬菜地耕層土壤進行即時掃描得到的T2譜線如圖1所示。T2圖譜中橫坐標反映橫向弛豫時間T2，T2值越大，土壤孔隙半徑越大；縱坐標反映核磁共振信號強度，信號越強檢出的氫質子數量越多[19]。圖中特征峰主要由左側大峰和右側小峰2部分組成，特征峰面積反映土壤含水量，且峰面積與土壤飽和含水量呈線性正相關關系（2=0.962)[16]；圖中左側大峰弛豫時間取值范圍較小，反映土壤小孔隙；右側小峰弛豫時間取值范圍較大，反映土壤大孔隙[19-20]。但是，由于土壤本身結構的易松散性，很難建立橫向弛豫時間T2與孔隙半徑之間的定量關系，所以本文簡要地將土壤孔隙劃分為大孔隙和小孔隙進行討論[21]。

各轉化年限土壤T2譜線峰面積統計結果（表2）顯示：水稻土譜線中，小峰面積為11 706.2，主峰面積為27 752.3，分別占整個峰面積的29.7%和70.3%；2 a大棚土壤譜線中，小峰面積為8 327.7，主峰面積為32 157.8，分別占整個峰面積的20.6%和79.4%；6 a大棚土壤譜線中，小峰面積為5 650.3，主峰面積為32 235.9，分別占整個峰面積的14.9%和85.1%；8 a大棚土壤譜線中，小峰面積為10 682.3，主峰面積為28 508.3，分別占整個峰面積的27.3%和72.7%。隨著種植年限的增長，小峰面積呈現消減的趨勢，主峰面積呈現增加的趨勢。綜合研究區各類型土壤吸持自由水和束縛水比重隨轉化時間的變化特征可知，總體來講，耕層土壤吸持自由水的性能降低，吸持束縛水的性能提高，土壤吸持水分的有效性下降。這可能是由于大棚土壤耕作次數較少，且多為淺耕，肥料多為表施，灌水次數多，土壤長期保持濕潤狀態，使得土壤非水穩性團粒結構遭受破壞，通透性變差；無降水、高蒸發量的環境條件導致鹽分上升累積，造成土壤板結退化，繼而降低了耕層土壤水分的吸持性能[22]。

表2 不同轉化年限耕層土壤特征峰的峰面積分布狀況

值得注意的是，相比其他年限大棚耕層土壤，8 a大棚土壤吸持自由水比重最高，吸持束縛水的比重最低，在轉化時間序列上，呈現出了相反的變化趨勢。本文認為這可能與有機肥的施用有關，施肥量調查結果顯示：2、6、8 a大棚土壤有機肥的年均施用量分別為46.5、36、144 t/hm2，8 a大棚的有機肥年均施用量最高，分別是2、6 a的3.1和4倍，有機肥的高投入保證了最優的耕層質量，提高了土壤中自由水的比重，提升了土壤大孔隙的持水能力，有利于蔬菜作物對土壤水分的吸收利用，已有的研究也證實了這一說法。Abdollahi等[23-24]研究表明，長期施用有機肥增加了土壤大孔隙的數量，拓寬了孔隙分布范圍，進而提高了土壤水分的吸持性能和供釋能力。Wolf等[25]研究指出，田間持水量狀態的土壤每提高1%的土壤有機質含量可以增加1.5%的土壤水分。

2.3 不同類型土壤犁底層土壤水分的相態變化

對常規水稻土和不同轉化年限設施蔬菜地犁底層土壤進行即時掃描得到的T2譜線如圖2所示。無論是新犁底層還是老犁底層土壤，水稻土和大棚蔬菜地土壤T2譜線在轉化時間序列上均呈相似分布，小峰面積無明顯變化。說明水稻土和不同轉化年限大棚蔬菜地犁底層土壤之間水分的吸持性能相近，犁底層土壤水分的相態分布在轉化時間序列上并沒有發生太大變化。Berli等[26]研究表明，人為活動對土壤結構的影響更多的是集中在耕層土壤，而對犁底層土壤的影響較小，即使長期的耕作也很難改變犁底層結構。

綜合圖1和圖2可知，耕層土壤小峰橫向弛豫時間集中分布在3～2 000 ms，犁底層土壤小峰橫向弛豫時間的集中分布在6～100 ms，耕層土壤分布范圍明顯大于犁底層土壤，說明耕層土壤吸持自由水的能力明顯大于犁底層土壤，即耕層土壤吸持水分的有效性更強。結合表1可知，水稻土轉化為大棚蔬菜地土壤2 a后即出現了新犁底層，使得原有的犁底層位置上移，耕層空間壓縮。Garbout等[27]認為長期的復耕壓實和黏粒淀積是產生新犁底層的主要原因。由于犁底層結構致密，會嚴重妨礙空氣和水分的運動，進而會對作物根系的延伸以及對土壤水分的吸收產生很大的影響。

a. 新犁底層土壤T2譜線

a. T2relaxation spectra of new plow pan soil

3 結 論

本文對水稻土轉化為設施蔬菜地土壤水分的相態變化進行研究，結果表明：1）隨著轉化時間的延長，耕層土壤大孔隙中自由水比重下降，土壤小孔隙中束縛水比重上升，犁底層土壤水分分布無明顯變化，土壤水分的吸持性能在轉化時間序列上呈現下降的趨勢；2）長期施用有機肥優化了耕層土壤質量，一定程度上改善了土壤水分的吸持性能和供釋能力；3）水稻田改設施蔬菜種植后耕層變薄、粘層加厚，從而導致土壤水分運移困難，作物生長受限。因此，基于低場核磁共振的測氫技術可以很好的揭示水稻土和設施菜地土壤水分的相態分布在轉化時間序列上的演變過程，可為土壤水分相態分布的檢測以及設施菜地土壤的可持續管理提供理論和技術支撐。

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Phase change of soil water of vegetable field transformed from paddy field by low field nuclear magnetic resonance

Kong Chao1,2, Wang Meiyan1※, Shi Xuezheng1, Guo Naijia1,2, Yu Quanbo1,2

(1.,,210008,;2.100049,)

Soil pore water is the important part of terrestrial water resource and the basis for plant survival. Furthermore, it is in charge of heat and solute transportation throughout soil profile. This study aimed to identify the variations of soil moisture under land use change from paddy field to greenhouse vegetable field at different time frameworks. To do so, soil samples were taken at the saturated condition of moisture capacity from both paddy and greenhouse plots. The selected greenhouse vegetable site was located in the urban area of Nanjing, China. In this region the main soil type is paddy soil coming from many-year rice-wheat rotation. A new method called low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology was adopted to acquire soil samples’ transverse relaxation time (T2)spectrum. Based on this 4 treatments were chosen, which included a long-term paddy field and 3 greenhouse vegetable sites with different transformation time. Accordingly, the paddy field was supposed to be beginning point (0 year) (PS0), and the conversion ages of the greenhouse vegetable fields were 2, 6, and 8 years (GVS2, GVS6 and GVS8, respectively). Based on the previous survey, greenhouse field in the pakchoi (L. ssp. chinensis) plantation was selected as the research site in this study. Results of soil profile survey indicated that paddy soil profile (0-30 cm) was divided into 2 layers: a plough horizon (0-15 cm) and plow pan (>15-30 cm). Since a new firm structural layer was observed in the lower part of the plough layer, we divided greenhouse vegetable soils’ profile (0-30 cm) into 3 layers: plough horizon, new plow pan, and old plow pan. Soil physicochemical properties including soil organic matter, bulk density, pH value and particle size composition were measured for selected sampling sites. The results showed that: 1) Water flow in topsoil macro pores decreased from 29.7% in PS0 to 14.9% in GVS6. In contrast, slight changes occurred in water flow across deep layers; 2) the average annual rate of organic fertilization in PS0, GVS2, GVS6 and GVS8 were 0, 46.5, 36 and 144 t/hm2, respectively. The organic fertilizer added to GVS8 was 3.1 and 4 times that of GVS2 and GVS6, respectively. Therefore, it suggests that an improvement in plough layer quality caused by heavy application of organic fertilizer can increase water flow and prevent further soil degradation; 3) Land use transformation from paddy field to greenhouse vegetable field for 2 years decreased water holding capacity due to the emergence of new plow pan. In conclusion, the findings of this study confirm that LF-NMR method can be more directly and accurately used to monitor changes in soil moisture content of each phase instantly, and hence it may provide new theoretical and technical support for scientific management of facility agriculture.

nuclear magnetic resonance; soils; moisture; paddy field; vegetable field; T2relaxation spectrum

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.016

S152

A

1002-6819(2016)-24-0124-05

2016-05-06

2016-09-15

國家自然科學基金項目（41401240；41571209）；中國科學院南京土壤所“一三五”計劃和領域前沿專項基金（ISSASIP1627）。

孔 超，主要從事土壤資源與高效利用方向的研究。南京 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），210008。Email：ckong@issas.ac.cn

王美艷，博士，助理研究員，主要從事土壤資源與高效利用方向的研究。南京 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），210008。Email：mywang@issas.ac.cn