新型多孔改良劑增強黃壤通氣性能研究①

孫益權，王美艷，黃化剛，夏庚瑞，史學正，張忠啟，徐勝祥，孫維俠，蔡良海，班國軍，陳 垚，夏中文

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新型多孔改良劑增強黃壤通氣性能研究①

孫益權1,3，王美艷1*，黃化剛2，夏庚瑞1,3，史學正1，張忠啟3，徐勝祥1，孫維俠1，蔡良海2，班國軍2，陳 垚2，夏中文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貴州省煙草公司畢節市公司，貴州畢節 551700；3江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇徐州 221116)

為探索新型多孔改良劑對黃壤通氣性能的影響，本文以貴州省畢節市植煙黃壤為研究對象，通過摻入不同比例的新型多孔改良劑，研究貴州黏重黃壤物理結構的變化。結果表明：隨著添加新型多孔改良劑比例的增加，土壤總孔隙度及土壤通氣孔隙度均隨之增加。與對照相比，3個處理(新型多孔改良劑添加比例分別為7.5%、15.0% 和22.5%)的總孔隙度分別增加了2.7%、3.1% 和3.2%，通氣孔隙度分別增加了2.7%、8.6% 和10.6%；對照和3個處理加水飽和之后，分別需要130、52、34和37 h提供足夠的氧氣，以保證作物正常生長。總之，新型多孔改良劑能夠有效增加黏重黃壤通氣孔隙，達到了增強土壤通氣性能的目的，為黏重土壤改良提供了新的途徑與思路。

新型多孔改良劑；黃壤；土壤通氣性；畢節

貴州地形以高原山地和丘陵為主[1]，黃壤為該地區的主要土壤類型[2-3]。由于煙區種植模式單一，長期施用化肥等原因，導致該地區土壤板結嚴重[4]，使得土壤通氣孔隙銳減，不利于水分下滲，也不利于土壤通氣，進而影響作物根系生長[5-6]。因此貴州板結土壤改良對于當前煙葉生產具有重要意義。

關于板結土壤的改良研究，國內外已經開展了較多的工作，概括起來主要有以下幾種措施，即摻沙子[7-9]、增施有機肥[10-12]和添加化學改良劑[13-15]。首先，在摻入沙子改良土壤結構方面，藺亞莉等[7]在內蒙古河套平原進行了黏性堿化鹽土中摻沙試驗，研究表明，黏性堿化鹽土中摻入25% 沙子后，其土壤通氣孔隙度增加了11.34%，土壤的全鹽量和堿化度均有所降低，使得玉米產量約由2 100 kg/hm2增加至9 100 kg/hm2，增加了335%。其次，在施用有機肥改良方面，施用有機肥不僅可以增加土壤透氣和透水性，還可以提高土壤肥力。羅興錄等[10]于廣西大學科研基地進行施用有機肥試驗，作物種植前施入450 ~ 900 kg/hm2的生物有機肥，使得作物在生育期內的土壤通氣孔隙度大約增加了2% ~ 6%。第三，在添加化學改良劑方面，康倍銘等[13]研究表明，在陜西楊凌土中添加0.1% 的聚丙烯酰胺(PAM)，在氣候培養箱中培養60 d，可以增加2.1%土壤孔隙度。

雖然傳統改良劑在土壤改良方面取得了一些成果，但也存在一些問題。如沙子為實心材料，缺乏內部孔隙，通過添加沙子改良板結土壤，其通氣孔隙的增加幅度有限。隨著社會經濟的發展，勞動力成本大幅增加，有機肥資源有限，因此在大宗糧食作物上，如水稻、小麥和玉米上已很少使用有機肥；另一方面，由于有機肥易于分解，需要長期施用才能起到改良板結土壤的作用。化學改良劑則存在成本較高而時效性較短、適用性有限的問題。因此，板結土壤的改良需要尋找一種成本低、時效長、不易分解且環保的材料。基于這個設想，中國科學院南京土壤研究所研發了一種新型多孔礦質材料，這種材料具有高度發達的內部孔隙結構，其生產成本較低，環境友好，使得這種材料用于板結土壤改良成為可能。本研究通過在貴州畢節黃壤中添加不同體積比例的新型多孔材料，研究其對供試土壤通氣孔隙度的影響，以揭示多孔材料添加比例與黃壤通氣性能改良效果之間的關系，為貴州煙區板結黃壤改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自貴州省畢節市黔西縣林泉科技園，土壤類型為黃壤，質地偏黏，為粉砂質黏壤土，保水性較好，但通透性較差，容易發生板結，是目前影響該地區優質煙葉生產的主要土壤問題。試驗土壤風干后過2 mm篩作為盆栽用土，其理化性質見表1。

新型多孔改良劑是一種新型礦質土壤結構改良材料，通過特殊工藝制成。它具有孔隙發達，容重小，通氣性能良好等優點。其pH為9.2，松散容重為0.26 g/cm3，粒徑為5 ~ 10 mm。施入土壤后除正常風化外，變化微小，因此是一種長效的土壤結構改良材料。

表1 供試土壤的理化性質

1.2 試驗設計與樣品采集

新型多孔改良劑摻入量對比試驗共設4個處理(表2)，分別為CK、T1、T2和T3，每個處理3次重復，合計12盆。按照表2的設計要求，將土壤與新型多孔改良劑混合均勻，然后裝填至試驗盆中，裝盆容積為19 L。裝填結束后，對每個處理進行均勻澆水，直至底部流出少量水，待土體無明顯下沉時確定為平衡狀態，土體穩定后種植蔬菜。

表2 土壤改良試驗處理

蔬菜收獲后，將盆栽土壤表面鏟平。每個處理取1個PVC管樣(直徑50 mm，高度50 mm)，采樣深度為3 ~ 8 cm，共取12個PVC管樣，用于CT掃描，以觀察土壤結構和計算土壤通氣孔隙度。每個盆取2個環刀樣品(直徑50.46 mm，高度50 mm)，采樣深度為3 ~ 8 cm，共取24個環刀樣品，分別用于測定土壤總孔隙度和時間序列下的土壤通氣孔隙度。

1.3 土壤通氣孔隙測定

本研究通過CT技術獲取原狀土柱掃描圖像，基于圖形處理與分析計算土壤通氣孔隙度。試驗所使用的CT掃描儀器是美國GE公司生產的CT掃描儀，原狀土柱掃描電壓為110 kV，分辨率為25 μm × 25 μm，間隔掃描獲取不同位置圖像100張。掃描后的圖像利用ImageJ軟件進行處理和分析[16]。

采用全局闕值法對灰度圖像做分割處理以獲取孔隙(黑色)和固體顆粒以及土壤基質(白色)的黑白二值圖像(圖1)。選取3 cm í 3 cm的興趣區，將切割圖像存儲為8位(256級)的灰度圖像。計算孔隙部分面積占圖像總面積的比例，作為CT孔隙度，最小孔徑為50 μm。目前有關通氣孔隙的研究并未給出嚴格的孔徑范圍，本研究將孔徑大于50 μm的孔隙定義為通氣孔隙[17]。

圖1 灰度圖像的二值化處理

1.4 土壤通氣孔隙演變時間序列測定

在實驗室用100目紗布和濾紙封住下刀口，之后將環刀浸入水中，浸水時保持水面與環刀上口齊平且水面不超過環刀上口，浸泡時間為24 h；當土壤飽和后取出環刀原狀土樣，放置在密閉空間，分別于2、24、48、96和192 h稱重，用于測定時間序列下的土壤通氣孔隙度。土壤總孔隙度(%)和時間序列下的土壤通氣孔隙度(%)計算公式如下：

土壤總孔隙度：

土壤持水孔隙度：

土壤通氣孔隙度：

式中：為土壤密度(取平均土壤密度2.65 g/cm3)；為土壤容重；為平均飽和持水量；為環刀體積。

2 結果與討論

2.1 新型多孔改良劑對土壤總孔隙度的影響

土壤孔隙度是反映土壤物理狀況的重要指標，也是土壤水分、空氣的通道和貯存場所[18]。土壤總孔隙度反映了土壤孔隙總體狀況。土壤總孔隙度隨著新型改良劑添加量的增加而增加，見圖2。與CK處理相比，添加新型改良劑處理土壤總孔隙度均顯著增加，其中CK處理的土壤總孔隙度最低，為55.2%；T3處理土壤總孔隙度最高，為58.4%，相較于CK處理增加3.2%；T1與T2處理相較于CK處理分別增加2.7% 和3.1%。數據表明，新型改良劑對土壤總孔隙度有直接影響，添加新型改良劑的處理與CK之間具有差異顯著性(<0.05)，不同改良劑處理之間差異不顯著(>0.05)。

(圖中不同小寫字母表示處理間差異在P<0.05水平顯著；下同)

添加新型多孔改良劑增加了土壤總孔隙度，進而提升土壤持水能力，也會引起土壤導水特性發生變化[19]。張凱[20]在遼寧省北票市選擇60塊高中低產玉米地塊，土壤類型為褐土，研究遼西耕層土壤的障礙因子，結果表明土壤孔隙度的增加有利于提升土壤的蓄水能力，從而促進作物的生長。鄭存德[21]在鐵嶺市昌圖縣、沈陽市東陵區等區域選擇高產、中產和低產玉米田共23塊，土壤類型為棕壤，研究土壤物理屬性對玉米產量的影響，結果表明玉米產量與土壤總孔隙度兩者之間具有顯著正相關關系，相關系數為0.65。新型多孔改良劑對黏重黃壤孔隙度的提升效果顯著，有助于改善作物根系的生長環境，進而增加作物的產量。

2.2 新型多孔改良劑對土壤通氣孔隙度的影響

通過CT掃描計算得到不同處理的土壤通氣孔隙度，其結果如圖3A所示。土壤通氣孔隙度隨著新型改良劑添加比重的增加而增加，不同處理之間差異顯著(<0.05)。其中CK處理的通氣孔隙度最小，僅為7.8%；T3處理的通氣孔隙度最大，為18.4%，較CK處理增加了10.6%；T1和T2處理的通氣孔隙度分別為10.5%和16.4%，較CK處理分別增加了2.7% 和8.6%。新型改良劑添加比例與土壤通氣孔隙度的擬合曲線顯示(圖3B)，每增加1% 體積比的新型改良劑將會增加0.5% 土壤通氣孔隙度。Lipiec和Hatano[22]將10% 的土壤通氣孔隙度定義為作物生長的臨界值，<10% 則土壤通氣能力不足，作物生長受限，為保證作物正常生長，土壤通氣孔隙度需要>10%。當新型改良劑添加比例約為5% 時，其通氣孔隙度為10%，可以保證作物正常生長需求。日本大掘和信認為，當土壤通氣孔隙度為14% 時，煙草根系最為旺盛，最有利于煙草的正常生長[23]。據本研究結果，當新型改良劑添加比例約為12.6% 時，土壤通氣孔隙度可達14%，達到最有利于煙草生長的條件。

土壤通氣孔隙孔徑較大，是能夠優先傳導地表降水或灌溉水的物理孔隙[24]。通氣孔隙組成的空間網絡為水分和溶質快速通過的優先路徑[25]。添加土壤改良劑為增強土壤通氣性能最常用的方法，但一般情況下，通氣孔隙的增加效果有限。鄧超等[26]研究發現，在江西潴育性水稻土中長期施用有機肥(豬糞：7 900 kg/hm2)+無機肥(N 90 kg/hm2，P 19.6 kg/hm2，K 62.2 kg/hm2)，土壤通氣孔隙度增加了3.5%。可見，傳統改良劑對增加土壤通氣孔隙度雖然有一定效果，但土壤通氣孔隙度增加比例較小，本研究采用的新型改良劑對增加土壤通氣孔隙度的效果更為明顯(2.7% ~ 10.6%)，更有利于作物的生長和產量的提高。

圖3 新型多孔改良劑對土壤通氣孔隙度的影響

2.3 新型多孔改良劑對雨后土壤通氣性能的影響

畢節煙區降水量在苗期和移栽期較少，而7—8月集中降水[27]，這正是煙草生長最為關鍵的季節。煙草生育期內降水量過分集中，土壤水分飽和，通氣孔隙長時間被水分占據，造成土壤通氣不暢，不利于煙草的生長[28]。為此，本研究測定了土壤水分飽和后土壤通氣孔隙的變化過程。圖4為環刀原狀土壤樣品被水分飽和后通氣孔隙度隨時間變化的趨勢，可見，4個處理的土壤通氣孔隙度均隨著時間的推移而增加。CK處理的土壤通氣孔隙度在各個測試時間均低于添加新型多孔改良劑的處理，一直保持5% 左右的差距，而添加新型多孔改良劑的3個處理之間差異較小。

圖4 新型多孔改良劑對土壤飽和持水后通氣性能的影響

由于貴州黃壤質地黏重，導致土壤的導水能力差，不能保證農作物生長所需的氧氣，容易造成農作物不能正常生長。土壤通氣孔隙度越大則吸收雨水或灌溉水的能力越強，從而減少表層徑流或土壤滯水情況的出現，并保證土壤通氣良好。劉銘等[29]認為，在淹水條件下煙草根系生長受阻，水分和礦質元素的吸收、運輸能力下降，生理機能紊亂，促使煙葉外部形態出現萎蔫、黃葉等現象，導致產量和品質的降低。其研究表明，當煙草淹水2 d后，煙草下部葉開始出現萎蔫現象，4 d后大部分煙葉均出現萎蔫現象。本研究結果顯示，未添加改良劑的CK處理，雨后土壤水分飽和后，其通氣孔隙度重新達到10% 需要130 h，超過4 d，若此時土壤上有煙草種植，煙株會長時間處于缺氧狀態，嚴重威脅其存活；T2處理和T3處理雨后土壤水分飽和后，通氣孔隙度重新達到10% 則僅需要34 h和37 h，土壤通氣不良的時間大大縮短，對煙株的生長影響較小；T1處理則需要52 h，超過2 d，土壤通氣不良狀態時間較長，將會輕微影響煙株生長。

3 結論

新型多孔改良劑改良板結土壤效果良好。添加新型多孔改良劑可以顯著增加土壤通氣孔隙度，進而有效改善土壤通氣性能。每增加1% 體積比的新型多孔改良劑，將會增加0.5% 土壤通氣孔隙度。為保證作物的正常生長所要求的10% 通氣孔隙度，需要添加5% 體積比的新型多孔改良劑；為保證煙草生長所需的最佳土壤通氣孔隙度14%，需要添加12.6% 體積比的新型多孔改良劑。為了保持雨季良好的土壤通氣性能，避免煙草長時間淹水，對煙草生長造成不可逆的傷害，需要添加15% 體積比的新型多孔改良劑。

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On Aeration Enhancement of Yellow Soil by a Novel Porous Amendment

SUN Yiquan1,3, WANG Meiyan1*, HUANG Huagang2, XIA Gengrui1,3,SHI Xuezheng1, ZHANG Zhongqi3, XU Shengxiang1, SUN Weixia1, CAI Lianghai2, BAN Guojun2, CHEN Yao2, XIA Zhongwen2

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Bijie Branch Company, Guizhou Tobacco Company, Bijie, Guizhou 551700, China; 3 School of Geography, Geomatics and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to study the effects of novel porous amendments on improving aeration of clayey yellow soil, an experiment was conducted in Bijie of Guizhou by adding different proportions of amendments to soil, and then soil porosity and aeration porosity were measured. The results showed that soil porosity and aeration porosity were increased with the increase of the proportion of novel porous amendments. Compared with CK, soil total porosities under 7.5%, 15.0% and 22.5% amendment-adding treatments increased by 2.7%, 3.1% and 3.2%, respectively, and soil aeration porosities increased by 2.7%, 8.6% and 10.6%, respectively. After the water saturation, 130 h, 52 h, 34 h and 37 h were required to provide oxygen enough to ensure the growth of the crops for CK and three amendment-adding treatments, respectively. It shows that the novel porous amendments can effectively increase soil porosity and improve soil aeration of clayey yellow soil, thus, is a new way to improve clayey soil.

Novel porous amendments; Yellow soil; Soil aeration; Bijie

貴州省煙草公司畢節市公司科技專項項目(畢節合2015-02；省市院合2015-06)資助。

通訊作者(mywang@issas.ac.cn)

孫益權(1992—)，男，江蘇豐縣人，碩士研究生，主要從事土壤資源與環境方面的研究。E-mail:sunyiquan305@163.com

S156.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.017