張宏媛，逄煥成，盧 闖，劉 娜，張曉麗，李玉義

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CT掃描分析秸稈隔層孔隙特征及其對(duì)土壤水入滲的影響

張宏媛，逄煥成，盧 闖，劉 娜，張曉麗，李玉義※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

為闡明不同物理形態(tài)玉米秸稈建立的隔層對(duì)鹽堿土壤灌溉水入滲特征的影響機(jī)制，該文采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法，在距地表40～45 cm處均勻鋪設(shè)同一隔層厚度（5 cm）段狀秸稈（SL）、顆粒狀秸稈（SK）與粉末狀秸稈（SF），以不埋設(shè)秸稈隔層為對(duì)照（CK），并利用CT掃描和圖像處理技術(shù)，定量分析不同形態(tài)秸稈隔層內(nèi)部孔隙度、孔隙大小分布、連通度等孔隙參數(shù)及其與灌溉水入滲特征之間的關(guān)系。結(jié)果表明：與CK處理相比，不同物理形態(tài)的玉米秸稈隔層均顯著提高了40～45 cm隔層處總孔隙度，其中以SF處理最高，分別較CK、SL與SK處理顯著提高了29.25、12.09與12.61個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05），但SL與SK處理間差異不顯著。SF處理在灌溉水入滲各階段均顯著增加了孔隙直徑≤ 1 mm的孔隙度（< 0.05），入滲開(kāi)始前、結(jié)束后分別較SL與SK處理提高了19.18、17.25和9.45、9.41個(gè)百分點(diǎn)，從而增大了封閉氣體體積，導(dǎo)致灌溉水入滲速率較慢，而SL處理在灌溉水入滲開(kāi)始前孔隙直徑> 1 mm孔隙度較SK處理提高了1.04個(gè)百分點(diǎn)，但在入滲結(jié)束后SK處理孔隙直徑>1 mm孔隙度較SL處理顯著提高，這種> 1 mm大孔隙的變化導(dǎo)致SK處理出現(xiàn)濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)長(zhǎng)于SL處理，而濕潤(rùn)鋒通過(guò)隔層后至土柱底部耗時(shí)短于SL處理的現(xiàn)象。相關(guān)性分析結(jié)果表明：濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層用時(shí)與入滲開(kāi)始前、結(jié)束后隔層處總孔隙度、≤ 1 mm直徑孔隙度均呈極顯著正相關(guān)，與入滲前> 1 mm直徑孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)（< 0.01），而在入滲結(jié)束后這種大孔隙的作用減弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻滲作用依舊顯著，孔隙連通度對(duì)灌溉水入滲速率的影響較總孔隙度小?？梢?jiàn)，不同形態(tài)玉米秸稈隔層均影響灌溉水入滲過(guò)程，CT掃描技術(shù)可作為定量研究秸稈隔層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)灌溉水入滲影響機(jī)制的手段，該結(jié)果可為篩選和建立鹽堿土壤最佳灌溉淋鹽效果的物理形態(tài)秸稈隔層提供參考。

秸稈；CT；孔隙；入滲；鹽堿土壤

0 引 言

合理的灌溉洗鹽是改良干旱區(qū)鹽堿地和防止水土環(huán)境惡化的重要措施[1]。在鹽堿地改良利用過(guò)程中，如何提高單位體積水量淋鹽量，促進(jìn)根系分布層土壤脫鹽，對(duì)于提高鹽堿化耕地灌溉水效率、緩解地區(qū)水資源短缺壓力有重要意義[2]。建立隔層是改良鹽漬土壤的有效手段，也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。由于取材容易和成本低等優(yōu)點(diǎn)，秸稈作為隔層在鹽漬土改良中的作用逐漸受到重視，有研究表明，在土表下20或30 cm處鋪設(shè)秸稈層，具有阻滲洗鹽的作用，可以阻礙重力水入滲，提高上層土壤含水率，同時(shí)提高離子的浸出速率，進(jìn)而達(dá)到提高洗鹽效率的目的[4-6]。本課題組前期在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的多年研究也發(fā)現(xiàn)，在地表下40 cm處埋設(shè)作物秸稈隔層可提高單位水量脫鹽量，尤其利于苗期根系分布層土壤脫鹽，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)春季灌水量相比，在有秸稈隔層條件下，常規(guī)灌水量和90%常規(guī)灌水量處理均可提高土體脫鹽率，提高了灌水利用率[7]。目前建立秸稈隔層的技術(shù)措施在當(dāng)?shù)氐玫搅藦V泛認(rèn)可，對(duì)于進(jìn)一步改良鹽堿土壤具有重要意義。同時(shí)，課題組還針對(duì)該技術(shù)發(fā)明了便于秸稈深埋還田的犁具，在進(jìn)行翻地的過(guò)程中同時(shí)將作物秸稈與殘茬翻埋至土表下35～40 cm深處，解決了實(shí)際應(yīng)用中翻埋秸稈困難的問(wèn)題。但目前有關(guān)不同物理形態(tài)秸稈建立的隔層如何影響灌溉水入滲過(guò)程仍不清楚，制約利用秸稈隔層結(jié)合灌溉淋鹽效果的發(fā)揮。因此開(kāi)展不同物理形態(tài)玉米秸稈隔層對(duì)灌溉水入滲的影響及秸稈隔層內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)水分入滲的影響機(jī)制研究具有重要理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。

土壤水分的運(yùn)動(dòng)速度和方向主要取決于土壤孔隙的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征[8-9]，如孔隙大小、孔隙數(shù)量和連通性等[10]。土壤孔隙與水分入滲特性具有密切關(guān)系[11]，在土壤水分傳導(dǎo)、溶質(zhì)運(yùn)移和植物生長(zhǎng)等方面具有重要作用。目前，研究土壤孔隙的方法主要有染色示蹤法、氣體吸附法（N2）、壓汞法和CT斷層掃描法等，其中CT掃描技術(shù)可快速獲取原狀土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，是非破壞性檢測(cè)土壤孔隙3D結(jié)構(gòu)的一種新興手段[12-15]。秸稈隔層的存在必定影響水分的入滲[5]。秸稈可以通過(guò)不同的處理方法得到不同的產(chǎn)品，如可切割為段狀、粉碎為碎末、制成顆粒等，研究表明，段狀秸稈可以有效降低土壤鹽度，從而增加作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，秸稈粉末可以增加土壤飽和含水量與保水供水能力[2,16]。而在同一秸稈隔層厚度下，不同物理形態(tài)秸稈建立的隔層由于堆積密度、粒徑、承重能力的差異而造成其孔隙結(jié)構(gòu)（總孔隙度、孔隙大小，連通性等）的不同可能影響到水鹽運(yùn)移特征，但目前有關(guān)不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙特征及其對(duì)灌溉水入滲過(guò)程的影響及機(jī)制缺乏報(bào)道。因此，本研究基于室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，采用顯微CT掃描和圖像分析技術(shù)研究不同物理形態(tài)的玉米秸稈隔層的孔隙特征，并分析其與灌溉水入滲特征的關(guān)系，旨在為下一步篩選和建立適合鹽堿土壤最佳灌溉淋鹽效果的物理形態(tài)秸稈隔層提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料制備

供試土壤取自內(nèi)蒙古五原縣隆興昌鎮(zhèn)（41°07′N(xiāo)，108°00′E，海拔1 022 m），采樣深度為0～40 cm，土壤質(zhì)地為粉砂壤土，按鹽土分類(lèi)屬于氯化物—硫酸鹽土，平均含鹽量為4 g/kg，采集土壤的基本理化性狀見(jiàn)表1，其中土壤機(jī)械組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為保證室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)土壤符合當(dāng)?shù)刂兄囟塞}堿地表層土壤鹽分高、下層鹽分低的分布特點(diǎn)，將過(guò)2 mm篩風(fēng)干土壤按質(zhì)量均勻分成5份，其中3份直接放置備用，1份土壤根據(jù)鹽分基礎(chǔ)值均勻添加在當(dāng)?shù)厝〉柠}結(jié)皮（鹽分含量經(jīng)混勻后一致）將含鹽量調(diào)至10 g/kg，另1份調(diào)至6 g/kg，從而制成4、6、10 g/kg 3種鹽分含量的土壤。

供試秸稈樣品為當(dāng)?shù)禺?dāng)季（2016年秋季）風(fēng)干玉米秸稈，用鍘刀將整株秸稈均勻切成5 cm長(zhǎng)度放置備用（葉和稈混合），取部分5 cm秸稈用JL-1000型號(hào)秸稈粉碎機(jī)（河南九龍機(jī)械制造有限公司）研磨過(guò)2 mm篩，制備為秸稈粉末；再取部分粉末狀秸稈，隨后添加質(zhì)量比為30%～35%的蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍瑪嚢杈鶆蚝笥肕ZLH420型號(hào)秸稈顆粒機(jī)（溧陽(yáng)市金億機(jī)械有限公司）常溫?cái)D壓，制備為直徑4 mm，長(zhǎng)度為4～6 cm的圓柱狀秸稈顆粒。

表1 試驗(yàn)區(qū)供試土壤0～40 cm理化性狀背景值

1.2 土柱模擬試驗(yàn)處理及操作過(guò)程

用有機(jī)玻璃柱（高135 cm、內(nèi)徑20 cm、外徑21 cm）裝填100 cm高土柱。有機(jī)玻璃柱底部封閉，中間位置設(shè)有圓形排氣孔，自底端向上15、25、35、45、55、70、80、90、100 cm處分別設(shè)置3個(gè)取樣孔，均勻分布在同一水平面上，孔徑均為2 cm，試驗(yàn)時(shí)用橡皮塞封閉，用于試驗(yàn)中采集土壤樣品。為了在入滲過(guò)程中提供一個(gè)氣流順暢的入滲環(huán)境，填裝土壤前，先于土柱底部裝填厚度為5 cm的干凈砂石（2～5 mm）作為反濾層；在砂石層上平鋪2層與土柱橫截面大小相同的尼龍布，防止其上部土壤顆粒進(jìn)入砂石層。在裝土過(guò)程中，模擬當(dāng)?shù)刂兄囟塞}堿地表層土壤含鹽量高、容重小，下層土壤含鹽量低、容重大的特點(diǎn)，土柱0～20 cm按含鹽量10 g/kg、土壤容重1.3 g/cm，>20～40 cm按含鹽量6 g/kg、土壤容重1.4 g/cm，>45～100 cm層次按含鹽量4 g/kg、土壤容重1.4 g/cm分別裝填過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土壤。填土后在土柱上部留有30 cm積水層，以便模擬大田漫灌方式。

在40～45 cm層次根據(jù)試驗(yàn)處理均勻鋪設(shè)不同物理形態(tài)的秸稈，分別為5 cm長(zhǎng)度段狀秸稈（SL）、秸稈顆粒（SK）和秸稈粉末（SF），另外設(shè)置無(wú)秸稈隔層處理（CK），各處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。3個(gè)秸稈隔層處理壓實(shí)后隔層厚度均為5 cm（與大田試驗(yàn)最佳施用秸稈隔層厚度一致，在土柱試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中隔層厚度基本沒(méi)有變化）。由于不同形態(tài)秸稈密度不同，SL、SK、SF處理土柱中秸稈質(zhì)量分別為0.16、1.26、0.24 kg，這個(gè)用量是基于試驗(yàn)開(kāi)始前預(yù)先裝填模擬試驗(yàn)的結(jié)果（通過(guò)在直徑為20 cm，高度為45 cm小土柱，分別將5 cm長(zhǎng)度段狀秸稈、秸稈顆粒與秸稈粉末裝填到小土柱底部壓實(shí)到厚度均為5 cm，直至無(wú)法再下壓為止，然后稱(chēng)每種形態(tài)的秸稈質(zhì)量）。

土柱裝填完成后進(jìn)行垂直一維土柱積水入滲試驗(yàn)，灌溉水為去離子水。土壤初始含水率采用烘干法測(cè)定平均土壤含水率為3.24%，根據(jù)土壤飽和含水量、土壤容重等參數(shù)計(jì)算，每個(gè)土柱總灌水量為14 L，該灌水量也正好能滿足入滲過(guò)程中1 m土體鹽分淋洗的要求。各土柱均加水至保持土面水層10 cm高度，放置馬氏瓶于土柱頂部，控制馬氏瓶的高度，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持不變，記錄試驗(yàn)過(guò)程中馬氏瓶水位。灌水后開(kāi)始記錄濕潤(rùn)鋒位置，濕潤(rùn)鋒到達(dá)秸稈隔層上層之前，每5 min記錄1次；濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層過(guò)程中，每10 min記錄1次；濕潤(rùn)鋒到達(dá)秸稈層下層之后每30 min記錄1次；濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱50 cm深度后，每2 h記錄1次，直至濕潤(rùn)鋒到達(dá)100 cm土柱底端。用乳膠管連接土柱底部排氣孔和容器接滲漏液，記錄出水時(shí)刻及停止出水時(shí)刻，在灌溉水停止?jié)B出時(shí)，即入滲過(guò)程結(jié)束。

1.3 CT掃描和圖像處理過(guò)程

在灌溉水入滲前后，以電鋸切割的方式，截取40～45 cm區(qū)域原狀土柱，進(jìn)行CT掃描，土柱直徑20 cm，長(zhǎng)度5 cm。采用GE公司phoenix v|tome x m多功能X射線微聚焦CT系統(tǒng)進(jìn)行掃描。掃描參數(shù)：掃描電壓（voltage）為230 kV，掃描電流（current）為160 mA，各處理分辨率（resolution）為0.107 mm。投影數(shù)據(jù)采用背投算法重建，總共獲得約1 500張32位tiff格式圖像，再利用Image J軟件轉(zhuǎn)存為8位tiff格式圖像，灰度值范圍為0～255。

利用Image J軟件進(jìn)行圖像處理：1）圖像增強(qiáng)：調(diào)節(jié)圖像亮度與對(duì)比度；2）圖像去噪：通過(guò)中值濾波平滑圖像；3）選擇感興趣區(qū)域：為了避免邊界部分的影響，利用方形工具選取土柱中心區(qū)域進(jìn)行分析；4）二值分割：本研究利用目視法確定圖像的分割閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；5）圖像分析與可視化：對(duì)于分割后的二值圖像，進(jìn)行顆粒分析獲取每個(gè)土層的孔隙面積和孔隙度，利用Bone J插件的Thickness工具計(jì)算孔隙大小分布及連通度，孔隙的可視化通過(guò)3D viewer插件實(shí)現(xiàn)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Office Excel 2016進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于CT掃描不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙形態(tài)特征目視分析

不同處理土柱40～45 cm隔層的孔隙形態(tài)特征如圖1所示，不同處理孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差異。在入滲開(kāi)始前與結(jié)束后，秸稈隔層內(nèi)部孔隙分布密度均明顯高于CK處理，在入滲結(jié)束后，不同秸稈隔層處理內(nèi)部孔隙分布密度均低于入滲開(kāi)始前。

a. 入滲開(kāi)始前二值圖像 a. Binary image before infiltrationb. 入滲開(kāi)始前三維可視化圖像 b. 3D visualization before infiltrationc. 入滲結(jié)束后二值圖像 c. Binary image after infiltrationd. 入滲結(jié)束后三維可視化圖像d. 3D visualization after infiltration

注：CK為無(wú)秸稈隔層（對(duì)照），SL為段狀（5 cm長(zhǎng)）秸稈隔層，SK為秸稈顆粒隔層，SF為秸稈粉末隔層。下同。圖a和圖c中黑色部分代表孔隙，白色部分代表秸稈或土壤基質(zhì)，圖b和圖d中正好相反。

Note: CK, no straw interlayer; SL, segmented straw interlayer with 5 cm length; SK, straw pellets interlayer; SF, straw powder interlayer. Same as below. In Fig.a and Fig.c, black portion represents pores, and white portion represents straw or soil matrix, which is opposite in Fig.b and Fig.d.

圖1 不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙目視圖

Fig. 1 Visual figure of macropores within different straw layer forms

不同物理形態(tài)的秸稈隔層處理在灌溉水入滲前、結(jié)束后孔隙形態(tài)特征一致。從孔隙形態(tài)來(lái)看，SL處理存在更多細(xì)長(zhǎng)的大孔隙，呈片堆結(jié)構(gòu)，單元呈片狀，連接較強(qiáng)，SK處理隔層中顆粒之間主要以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，呈單粒結(jié)構(gòu)，而SF處理的孔隙數(shù)量較多，分布均勻，呈現(xiàn)明顯的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，有利于得到疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)；從孔隙密度來(lái)看，SF處理土層孔隙分布最密，SL處理與SK處理間不易直觀判斷；從孔隙大小來(lái)看，SL處理孔隙整體較大，SK處理次之，SF處理最小。

2.2 不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙特征參數(shù)分析

2.2.1 基于CT掃描秸稈隔層孔隙特征

不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙參數(shù)情況如表2所示，本研究中顯微CT設(shè)置的分辨率為107m，總孔隙度包括當(dāng)量直徑> 107m的所有孔隙。入滲開(kāi)始前，處理間的孔隙參數(shù)差異較大，SF處理較CK、SL與SK處理分別顯著提高了29.25、12.09與12.61個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05）；入滲后各處理孔隙度較入滲開(kāi)始前均呈下降趨勢(shì)，但整體SF處理孔隙度仍最高，較CK、SL與SK分別顯著提高了23.99、7.72與6.63個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05）。入滲前、后SL與SK處理間總孔隙度差異均不顯著。

表2 不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙2D幾何特征分析結(jié)果

注：表中同一列不同的小寫(xiě)字母表示處理間的差異達(dá)到顯著水平（< 0.05）。

Note: Different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.

孔隙連通性是評(píng)價(jià)多孔介質(zhì)及散體介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要參數(shù)。由表2可知，入滲開(kāi)始前，不同物理形態(tài)的秸稈隔層孔隙連通性表現(xiàn)為SL > SF > SK > CK，秸稈隔層處理孔隙連通度顯著高于對(duì)照處理，其中SL處理連通度最高，分別是CK、SK與SF處理20.76、1.82和1.69倍（< 0.05）；入滲結(jié)束后，不同處理孔隙連通性表現(xiàn)為SK > SL > SF > CK，SK處理顯著高于其他處理，分別是CK、SL與SF處理93.26、7.08和10.17倍（< 0.05）。

總體來(lái)看，不同秸稈隔層的存在顯著增加了40～45 cm隔層總孔隙度，其中秸稈粉末隔層處理在入滲前、后孔隙度增加均最為顯著。此外，段狀秸稈隔層在入滲開(kāi)始前一定程度上提高了孔隙連通度，但在入滲結(jié)束后顆粒秸稈隔層明顯提高了孔隙連通度，這也為水分傳輸及保存提供了良好條件。

2.2.2 基于CT掃描秸稈隔層孔隙度的垂直分布特征

圖2是灌溉水入滲開(kāi)始前與結(jié)束后截取不同物理形態(tài)的32 mm厚度秸稈隔層處的孔隙度隨深度變化特征?？紤]秸稈隔層上下與土壤接觸的2個(gè)界面有土壤顆粒摻入，因此剔除了上下截面處部分切片圖像孔隙度數(shù)據(jù)，保留了中間部分32 mm厚度來(lái)描述不同形態(tài)秸稈隔層孔隙的分布情況。在入滲開(kāi)始前，CK處理孔隙度變化范圍介于4.38%～5.77%，顯著低于不同形態(tài)秸稈隔層處理，而SF處理孔隙度變化范圍介于16.21%～42.38%，顯著高于SL（14.78%～31.55%）與SK（16.31%～29.79%）處理。相較于入滲前，入滲結(jié)束后各處理隔層孔隙度均有一定程度上的下降，CK處理孔隙度變化范圍介于2.02%～3.65%，依然顯著低于不同形態(tài)秸稈隔層處理，SL處理孔隙度介于7.76%～27.03%，SK處理孔隙度介于18.03%～23.68%，SF處理孔隙度介于8.26%～32.25%。

圖2 入滲前后秸稈隔層孔隙度隨深度變化

2.2.3 基于CT掃描秸稈隔層孔隙頻率分布

在灌溉水入滲過(guò)程中，不同處理40～45 cm隔層處孔隙頻率分布情況也有一定差異（圖3），在入滲前、后CK處理孔隙直徑均≤ 1 mm，且孔隙度顯著低于秸稈隔層處理（< 0.05）。灌溉水入滲開(kāi)始前，SF處理孔隙直徑≤ 1 mm孔隙度較SL與SK處理顯著高19.18和17.25個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05），但SL與SK處理間差異不顯著；>1～2 mm直徑孔隙中SL處理孔隙度顯著高于SK與SF處理3.21與5.94個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05）；>2～3 mm直徑孔隙中SK處理與SL處理差異不顯著；僅有SK處理存在> 3 mm直徑孔隙。入滲結(jié)束后，SF處理孔隙直徑≤1 mm孔隙度降低，但仍顯著高于SL與SK處理，分別提高了9.45和9.41個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05），SL與SK處理間無(wú)顯著差異；>1～2 mm直徑孔隙中SK與SF處理孔隙度分別顯著高于SL處理1.15與1.57個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05）；>2～3 mm直徑孔隙中SL與SK處理孔隙度較SF分別顯著提高了2.12和1.95個(gè)百分點(diǎn)（< 0.05）；>3～4 mm與> 4 mm直徑孔隙僅有SL與SK處理，且差異不顯著。

注：同一柱子上不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（P < 0.05）。

2.3 入滲過(guò)程中不同物理形態(tài)的秸稈隔層對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

圖4描繪了不同物理形態(tài)的秸稈隔層對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移隨時(shí)間變化的影響情況。均質(zhì)土壤在灌溉水入滲過(guò)程中的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度隨深度變化呈光滑遞減趨勢(shì)，無(wú)突增或突降情況，而秸稈隔層處理濕潤(rùn)鋒不再符合此特征，其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與均質(zhì)土壤明顯不同。入滲過(guò)程開(kāi)始時(shí)由于土壤表層比較干燥，土層含水率較小，水勢(shì)梯度較大，土壤入滲較快。在0～40 cm土層內(nèi)，秸稈隔層各處理與對(duì)照處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度基本一致，曲線重疊性較高。隨著灌水量的增加濕潤(rùn)鋒向下繼續(xù)運(yùn)移至40 cm秸稈隔層處這一階段，各秸稈隔層處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度變緩，處理間出現(xiàn)明顯差異，且濕潤(rùn)鋒不穩(wěn)定，水分沿指狀流動(dòng)，引發(fā)優(yōu)先流現(xiàn)象，但這種濕潤(rùn)鋒的不均勻性隨入滲深度增加而逐漸減弱，在灌溉水入滲過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)記錄了濕潤(rùn)鋒消失的位置，當(dāng)SL、SK與SF處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移分別至約76、71與63 cm處時(shí)，優(yōu)先流現(xiàn)象消失。不同處理濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層（至45 cm）用時(shí)依次排序?yàn)椋篠F>SK>SL>CK，通過(guò)粉末、顆粒、段狀秸稈隔層用時(shí)分別較對(duì)照處理顯著增加了12.55、8.06和4.56 h（< 0.05）。濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部（至100 cm）耗時(shí)排序?yàn)镾F > SL > SK > CK。SF處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度依然最慢，到達(dá)土柱底層用時(shí)最長(zhǎng)，耗時(shí)203.20 h，較SL、SK與CK處理分別增加了48.95、63.10與134.30 h；與通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)相比不同的是，SK處理入滲總耗時(shí)長(zhǎng)（140.10 h）顯著低于SL處理（154.24 h）（< 0.05）。

圖4 不同處理土壤濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化

總體來(lái)看，灌溉水入滲過(guò)程中，不同物理形態(tài)的秸稈隔層各處理總用時(shí)均顯著高于對(duì)照處理，其中SF處理在各個(gè)階段用時(shí)均較長(zhǎng)，而SK處理濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)長(zhǎng)于SL處理，但其后期入滲速度提高，待濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部總耗時(shí)短于SL處理。

2.4 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移用時(shí)與孔隙參數(shù)的相關(guān)性分析

對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移用時(shí)情況與顯微CT掃描測(cè)得的孔隙參數(shù)（總孔隙度、≤ 1 mm孔隙度、> 1 mm孔隙度和孔隙連通度）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3。由表可知，通過(guò)秸稈隔層用時(shí)與入滲開(kāi)始前、結(jié)束后總孔隙度、≤ 1 mm直徑孔隙度均呈極顯著正相關(guān)（< 0.01），與入滲開(kāi)始前> 1 mm孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)（< 0.01）。濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底端用時(shí)與入滲開(kāi)始前、結(jié)束后總孔隙度均呈極顯著正相關(guān)（< 0.01），分別與入滲開(kāi)始前≤ 1 mm孔隙度呈顯著正相關(guān)（< 0.05）、與> 1 mm孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)（< 0.01），分別與入滲結(jié)束后≤ 1 mm孔隙度呈極顯著正相關(guān)（< 0.01）、與> 1 mm孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)（< 0.05）；濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底端用時(shí)還與入滲開(kāi)始前、結(jié)束后孔隙連通度呈極顯著負(fù)相關(guān)（< 0.01）。

表3 入滲前后秸稈隔層孔隙參數(shù)與入滲特征指標(biāo)相關(guān)性分析

注：** 相關(guān)性在0.01水平顯著；*相關(guān)性在0.05水平顯著。

Note: ** Significant at the 0.01 probability level; * significant at the 0.05 probability level.

整體看，秸稈隔層總孔隙度對(duì)阻礙灌溉水入滲的影響顯著，其中≤ 1 mm孔隙對(duì)水分入滲有顯著阻礙效果，> 1 mm孔隙會(huì)產(chǎn)生大孔隙流加速水分入滲，孔隙連通度也顯著促進(jìn)了水分入滲，但根據(jù)相關(guān)系數(shù)來(lái)看，總孔隙度對(duì)灌溉水入滲速率的影響較孔隙連通度顯著。

3 討 論

在灌溉水入滲過(guò)程中，均質(zhì)土壤處理中濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度均勻，原因是其水勢(shì)逐漸降低，符合達(dá)西定律，水流能順利滲透并向下運(yùn)移[17]。趙永敢等[16]認(rèn)為埋設(shè)秸稈隔層后等同于非均質(zhì)土壤，濕潤(rùn)鋒在到達(dá)秸稈隔層時(shí)推進(jìn)速度變緩慢，是由于秸稈隔層大孔隙的存在造成導(dǎo)水能力的差異，使土水勢(shì)在土壤與秸稈隔層的交界面發(fā)生突變，導(dǎo)致水分入滲形式發(fā)生變化[18]。從本研究結(jié)果來(lái)看，不同物理形態(tài)的玉米秸稈隔層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的差異也的確影響了這種阻水減滲的效果。土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)主要包括：總孔隙度、孔隙數(shù)量、孔隙直徑大小及孔隙連通度等數(shù)量與空間的分布特征。土壤孔隙結(jié)構(gòu)直接影響水分在土體內(nèi)的運(yùn)移，并且其與土壤表面徑流及滲透性之間具有密切相關(guān)[19]。本研究通過(guò)CT掃描技術(shù)定量分析不同物理形態(tài)的秸稈隔層處孔隙特征發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在入滲開(kāi)始前，還是入滲結(jié)束后，與對(duì)照處理相比，不同形態(tài)秸稈的存在均使40～45 cm隔層總孔隙度顯著增加。在水流推進(jìn)過(guò)程中，隔層孔隙中的空氣不能完全排出或來(lái)不及排出入滲表面就被積水禁錮在土體內(nèi)部，形成封閉氣泡，使其水分含量未達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)秸稈隔層的導(dǎo)水率低于上層土壤，結(jié)果導(dǎo)致隔層與上層土壤的水勢(shì)差在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到平衡，水分運(yùn)動(dòng)速度降低[16,20]，阻礙了灌溉水的入滲進(jìn)程，增加了灌溉水在隔層以上土層的停留時(shí)間，提高了上層土壤含水率，從而促進(jìn)了離子間的交換、吸附和解析等作用，提高鹽分淋洗效果[21]。其中SF處理秸稈隔層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較大的比表面積，并且通過(guò)孔隙定量化分析，其總孔隙度最大，隔層中封閉氣泡體積較大，連通性較SL處理低，灌溉水在隔層之間流動(dòng)繞過(guò)的路徑彎曲程度較大，并且氣體的逸出率較小[22]，導(dǎo)致其孔隙中氣體體積隨之增加，進(jìn)而增加了其中封閉氣泡體積。此外，由于秸稈粉碎后，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化，增大了比表面積，且破壞了秸稈表皮的蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)，增大了對(duì)水分的黏附力。因此SF處理秸稈隔層與土層交界面處的水勢(shì)差維持時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部耗時(shí)最長(zhǎng)。本研究還發(fā)現(xiàn)，相較于入滲開(kāi)始前，入滲結(jié)束后各處理隔層孔隙度均有一定程度上的下降，其原因是灌溉水入滲過(guò)程中，秸稈上層土體在水流的帶動(dòng)及重力作用下，部分土壤顆粒會(huì)進(jìn)入到秸稈隔層內(nèi)部，填充部分孔隙。

土壤飽和導(dǎo)水率大小與土壤總孔隙度變化密切相關(guān)，其中有效大孔隙的數(shù)量和大小起決定性作用[23]。大孔隙也是形成優(yōu)先流的主要原因，本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)3種形態(tài)秸稈隔層處理都存在明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象。入滲水流進(jìn)入秸稈隔層后，由于隔層內(nèi)大孔隙的存在使水流優(yōu)先遷移，優(yōu)先到達(dá)秸稈隔層與其下層土壤交界面，而隔層內(nèi)的封閉氣體使?jié)駶?rùn)鋒前部的空氣壓力增加，從而產(chǎn)生速度差異較大的“非均勻流場(chǎng)”[24]，出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象；本研究中3種處理秸稈隔層內(nèi)總孔隙度和大孔隙隨其深度變化不一致（圖2），造成灌溉水入滲過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層后優(yōu)先流現(xiàn)象的時(shí)間長(zhǎng)短也不一致[2]，其中5 cm段狀秸稈隔層（SL處理）孔隙度隨深度變化波動(dòng)較大，有利于優(yōu)先流路徑的形成[25]，導(dǎo)致其優(yōu)先流現(xiàn)象最為明顯，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。由于土壤大孔隙的形成因素多樣且空間分布復(fù)雜，導(dǎo)致其幾何形狀的多樣性，很難對(duì)大孔隙進(jìn)行嚴(yán)格的定義。長(zhǎng)期以來(lái)，研究者根據(jù)研究目的，采用了不同方法來(lái)定義大孔隙。Luxmoore[26]從流域水文的研究角度，根據(jù)水的表面張力和毛管上升力方程計(jì)算，建議將當(dāng)量孔徑> 1 mm的孔隙定義為大孔隙；Singh等[27]應(yīng)用AUTOCAD和自動(dòng)圖像分析儀研究免耕與常規(guī)翻耕條件下大孔隙性質(zhì)差異時(shí)，將當(dāng)量孔徑> 1 600m的孔隙定義為大孔隙；馮杰等[28]為研究土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，根據(jù)CT掃描儀的精度，將直徑> 187.8m的孔隙定義為大孔隙。本文主要研究隔層孔隙對(duì)灌溉水入滲速度的影響，因此借鑒水流動(dòng)力學(xué)角度對(duì)大孔隙的定義，將> 1 mm當(dāng)量孔徑的孔隙劃分為可產(chǎn)生大孔隙流的孔隙范圍[26]。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，入滲開(kāi)始前SL處理> 1 mm孔隙度較SK處理高（表4），主要是由于段狀秸稈較長(zhǎng)，而由于這種大孔隙流的存在，灌溉水開(kāi)始入滲時(shí)，SL處理水分入滲能力較強(qiáng)[29]，導(dǎo)致SL處理秸稈隔層處導(dǎo)水率較SK高，交界面處的水勢(shì)差下降速度較快，因此，其濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)較SK處理短；在濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層后，SK處理由于吸水膨脹，SK處理孔隙直徑> 1 mm的孔隙度顯著升高（表4），其孔隙直徑> 1 mm的水分通道增加，而SL處理秸稈隔層處密度較小，承重能力較差，受上層土層擠壓影響較大，此外灌溉水向下運(yùn)動(dòng)將一部分土壤顆粒帶到秸稈隔層處，導(dǎo)致了其孔隙直徑> 1 mm的孔隙度出現(xiàn)減小，進(jìn)而在濕潤(rùn)鋒通過(guò)隔層后，到達(dá)土柱底部的過(guò)程中，SK處理入滲能力較好，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較SL處理快。因此出現(xiàn)了SK處理濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)顯著長(zhǎng)于SL處理，而通過(guò)隔層后濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度提升，濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部總用時(shí)較SL處理短的現(xiàn)象。

表4 入滲前后不同處理孔隙度比較

注：表中同一行不同的小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異達(dá)顯著（< 0.05）水平。

Note: Different letters within a row indicate significant differences at 0.05 level.

孔隙連通性也是評(píng)價(jià)多孔介質(zhì)及散體介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要參數(shù)，它與灌溉水的滲流效果密切相關(guān)，在一定程度上影響到土壤的入滲性能[19,22,30]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同物理形態(tài)的秸稈隔層處理孔隙連通度均顯著高于無(wú)秸稈隔層對(duì)照，這主要因?yàn)榻斩捀魧釉黾恿舜蟪叽缈紫稊?shù)量，使孔隙曲折度相應(yīng)減小，從而連通度得以增加[31]。這與王珍等[32]研究表明秸稈加入土壤后導(dǎo)致低吸力段孔隙連通性變差的結(jié)果不符，原因是該研究是將少量秸稈混合于土壤中，秸稈的加入打破了原有土壤中的孔隙連通性，而本文是利用秸稈構(gòu)建隔層，與原狀土壤相比，顯著提高了孔隙度及連通性。相較于入滲開(kāi)始，入滲結(jié)束后SL、SF處理孔隙連通度降低，其原因是灌溉水入滲過(guò)程中，秸稈上層土體在水流的帶動(dòng)及重力作用下，部分土壤顆粒會(huì)進(jìn)入到秸稈隔層內(nèi)部，填充部分大孔隙，阻斷了孔隙間的連通；而SK處理入滲結(jié)束后孔隙連通性大幅提升，其原因主要是顆粒狀秸稈吸水膨脹，孔隙數(shù)量增加，導(dǎo)致秸稈基質(zhì)體積減小，增加了孔隙的連通性，這與楊保華等[31]研究表明孔隙數(shù)量增加使孔隙連通度增加的結(jié)果相似。

通過(guò)對(duì)灌溉水入滲過(guò)程與孔隙定量化參數(shù)的相關(guān)性分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，土柱40～45 cm秸稈隔層總孔隙度和≤1 mm孔隙度均與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移耗時(shí)成極顯著正相關(guān)，對(duì)阻礙灌溉水入滲作用顯著，但> 1 mm孔隙產(chǎn)生的大孔隙流會(huì)一定程度上加快水分入滲速率，而在入滲結(jié)束后這種大孔隙的作用減弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻滲作用依舊顯著。這與鄭健等[33]有關(guān)秸稈顆粒形態(tài)對(duì)溝灌入滲特征影響的研究得出的小孔隙數(shù)量的增加對(duì)減小水分的入滲速率影響較大的結(jié)論相似。而作為反映孔隙形態(tài)的孔隙連通度也影響灌溉入滲過(guò)程，其值越大，越利于水分在土壤中的傳輸[34-36]，促進(jìn)濕潤(rùn)鋒向土層深處運(yùn)移。

CT技術(shù)是近年來(lái)土壤物理學(xué)研究的熱點(diǎn)，本論文主要研究不同物理形態(tài)玉米秸稈建立的隔層在同一厚度條件下對(duì)灌溉水入滲特征的影響，并進(jìn)一步借助于CT掃描技術(shù)孔隙結(jié)構(gòu)的研究闡述不同形態(tài)秸稈隔層對(duì)水分入滲過(guò)程產(chǎn)生影響的機(jī)理，從而為下一步篩選和建立最佳灌溉淋鹽效果的物理形態(tài)秸稈隔層提供依據(jù)，有關(guān)不同形態(tài)的秸稈隔層對(duì)灌溉后水鹽分布、地表返鹽以及鹽分平衡情況的影響乃至最佳形態(tài)秸稈隔層處理的確定我們將進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)3D結(jié)構(gòu)重建，CT掃描技術(shù)能直觀反映不同物理形態(tài)秸稈隔層的孔隙結(jié)構(gòu)，并精確量化孔隙大小、體積以及連通性等二值化參數(shù)。相較于均質(zhì)土壤，不同物理形態(tài)的玉米秸稈隔層均顯著提高了40～45 cm隔層處總孔隙度。各處理中以秸稈粉末隔層總孔隙度最高，SF處理在灌溉水入滲各階段均是≤ 1 mm孔隙度最大，阻礙灌溉水入滲效果顯著；而SL處理在灌溉水入滲開(kāi)始前> 1 mm孔隙度大于SK處理，入滲結(jié)束后情況相反。由于這種大孔隙流發(fā)生變化導(dǎo)致SK處理濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層耗時(shí)長(zhǎng)于SL處理，但濕潤(rùn)鋒通過(guò)隔層后至土柱底部耗時(shí)短于SL處理。

2）不同物理形態(tài)秸稈隔層內(nèi)總孔隙度隨其深度變化不一致，造成濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層后優(yōu)先流現(xiàn)象的時(shí)間長(zhǎng)短也不一致，其中5 cm段狀秸稈隔層孔隙度隨深度變化波動(dòng)較大，導(dǎo)致其優(yōu)先流現(xiàn)象最為明顯，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

3）秸稈隔層總孔隙度和≤ 1 mm孔隙度越高對(duì)阻礙灌溉水入滲效果越明顯，> 1 mm孔隙會(huì)產(chǎn)生大孔隙流加速水分入滲，而在入滲結(jié)束后這種大孔隙的作用減弱，但≤ 1 mm孔隙度的阻滲作用依舊顯著；同時(shí)濕潤(rùn)鋒通過(guò)秸稈隔層后，孔隙連通度對(duì)促進(jìn)水分入滲也有顯著影響。

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Pore characteristics of straw interlayer based on computed tomography images and its influence on soil water infiltration

Zhang Hongyuan, Pang Huancheng, Lu Chuang, Liu Na, Zhang Xiaoli, Li Yuyi※

(,,100081,)

In order to clarify mechanisms behind the influence of interlayer established by different physical forms of corn straw in saline-alkali soil on soil infiltration characteristics, the indoor simulation experiment method was adopted. A total of 4 treatments of different straw forms buried with the equal thickness of 5 cm at 40-45 cm under topsoil as an interlayer were designed, including no straw interlayer (CK), segmented straw with 5 cm length (SL), straw pellet (SK), and straw powder (SF). The computed tomography (CT) images were used to quantitatively analyze the pore parameters such as porosity and pore size distribution of the straw interlayer and its relationship with the infiltration rate of irrigation water. The results showed that compared to CK, the corn straw interlayer with different physical forms significantly increased the total porosity of the 40-45 cm layer, with SF as the highest, which was significantly higher than that of CK, SL and SK by 29.25, 12.09 and 12.61 percentage points (< 0.05), but the difference between SL and SK treatments was not significant (>0.05). The porosity with pore diameter ≤ 1 mm in the SF treatment significantly increased at each stage of irrigation water infiltration (< 0.05), and increased by 19.18, 17.25 and 9.45, 9.41 percentage points than that of SL and SK before and after infiltration, respectively, which thereby increased the volume of the enclosed gas and resulted in a slower infiltration rate. The porosity with pore diameter > 1 mm in the SL treatment was 1.04 percentage points higher than that of SK before infiltration, but that in the SK treatment was significantly higher than SL after infiltration. This transformation of macropores with pore diameter > 1 mm resulted that the wetting front of SK had taken longer time than SL through the straw layer, while the wetting front had taken less time than SL after passing through straw layer to the bottom of the soil column. Correlation analysis showed that there was a significant positive correlation between the time of wetting front through the straw layer and the total porosity, the porosity of pore diameter ≤ 1 mm before and after the infiltration, but there was a significant negative correlation with the porosity of pore diameter > 1 mm porosity before infiltration (< 0.01). However, the effect of this macropores weakened after the end of infiltration, the effect of ≤ 1 mm porosity in straw interlayer was still significant, and the effect of pore connectivity on the infiltration rate of irrigation water was observed. In conclusion, different forms of corn straw interlayer affected the infiltration process of irrigation water, and computed tomography (CT) images can be used as a method to quantitatively study the pore structure of straw interlayer and their influence on the infiltration characteristics of irrigation water. This study provides a method for screening and establishing an optimal physical form of straw interlayer combined with salt leaching promoted by irrigation water in saline-alkali soils.

straw; CT; pores; infiltration; saline-alkali soil

2018-09-24

2019-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（31471455、31871584）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0501302）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（1610132016051）

張宏媛，從事鹽堿地改良利用研究。 E-mail：zhanghongyuan0429@163.com

李玉義，研究員，主要從事土壤耕作與鹽堿地改良利用研究。 E-mail：liyuyi@caas.cn.

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014

S152.+7

A

1002-6819(2019)-06-0114-9

張宏媛，逄煥成，盧 闖，劉 娜，張曉麗，李玉義. CT掃描分析秸稈隔層孔隙特征及其對(duì)土壤水入滲的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：114－122. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014 http://www.tcsae.org

Zhang Hongyuan, Pang Huancheng, Lu Chuang, Liu Na, Zhang Xiaoli, Li Yuyi. Pore characteristics of straw interlayer based on computed tomography images and its influence on soil water infiltration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 114－122. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.014 http://www.tcsae.org