CT扫描技术研究有机物料还田深度对黑土孔隙结构影响

邱 琛，韩晓增，陈 旭，陆欣春，严 君，冯玉钿，甘佳伟，邹文秀※，刘国辉

（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081；2.中国科学院大学，北京 100049；3.黑龙江省农业环境与耕地保护站，哈尔滨 150090）

0 引 言

土壤结构是土壤固体颗粒和孔隙在不同尺度上的三维排列，它能够调控土壤的持水能力、降水入渗过程、气体交换、有机质和养分的动态变化和根系生长等[1]。土壤结构的可视化和定量化一直是土壤学研究的热点[2-3]。然而由于土壤组成物质的复杂性和结构的易破碎性，导致直接研究土壤结构非常困难[4]。Petrovic等[5]在1982年将 CT扫描技术应用到土壤容重的测定中，随后开启了CT扫描技术在土壤结构研究中的大量应用[5-7]。土壤结构的稳定性受生物和非生物因素的综合影响，包括气候条件、土壤矿物组成、有机质含量、植物根系、真菌菌丝、土壤动物等[8]，其中农田管理方式是土壤结构最直接的影响因素，它通过耕作、轮作和有机物料还田等方式调控土壤结构的形成与破坏[6-10]。房焕等[11]利用CT扫描技术定量研究了稻麦轮作下秸秆还田对土壤结构的影响，发现秸秆还田通过增加土壤有机碳含量，促进微生物和真菌活动，能够显著提高土壤大孔隙度及各个孔径下的孔隙度[12]。耕作通过增加对土壤的扰动减少了土壤中大孔隙数量和孔隙度，增加了小孔隙的数量[9]；通过破除土壤孔隙间的孤立性，增加了土壤孔隙的连通性，有利于土壤中水分传导，促进作物对水分的吸收[2]。此外，许多研究利用 CT扫描技术和图像分析技术来量化与土壤孔隙结构相关的特征参数，例如孔隙体积、表面积、孔喉数、成圆率、分形维数、拓扑结构等[2,12]，它们对土壤溶液的流动速度和流通量分布的均匀性产生直接影响，同时控制着土壤中水分、溶质、气体的运移和扩散；特别是土壤中大孔隙的存在能够增加土壤的通气性，提高降水入渗率，具有减少地表径流、促进作物水分吸收和提高作物产量的重要作用[13-14]。

黑土是中国重要的耕作土壤，自然黑土因土壤肥沃、结构良好而著称[15]。但是黑土开垦以后由于过度垦殖和用养失调导致耕作层变薄、犁底层上移，土壤结构恶化等问题[16-17]。黑土开垦 20世纪 80年以后，土壤容重增加了59.5%，总孔隙度和通气孔隙度分别下降了17.2和7.81个百分点[16]，土壤硬度增加了 15.54%～21.62%[18]。为了改善黑土物理性质，研究学者们开展了大量的研究工作，例如通过深松打破犁底层，减少土壤硬度和容重[19]，改善土壤孔隙组成，增加土壤有效孔隙比例[20]。现阶段应用 CT扫描技术开展的关于土壤孔隙结构的定量化研究主要集中在对比分析免耕与传统耕作的差异上[2,21]。以前的研究已经证明，将有机物料深混还到0～35 cm土层，构建肥沃耕层，在打破犁底层的基础上，能够降低土壤容重，增加孔隙度，尤其是通气孔隙增加了 24.30%～43.00%，土壤饱和导水率增加了 10.91%～12.76%[22]。研究还发现，有机物料施用能够显著影响0～20 cm土层的大孔隙数量[7]、成圆率[23]、欧拉数、各向异性和分形维数[3,24]，但是关于有机物料深混到0～35 cm土层后土壤孔隙结构的定量化分析还鲜有报道。本研究基于有机物料（玉米秸秆和有机肥）深混还田定位试验，分析有机物料还田深度对土壤物理性质的影响，利用CT扫描技术定量分析土壤孔隙结构变化，量化土壤孔隙结构参数对土壤物理性质的贡献，通过此项研究优化有机物料还田方式，为改良东北黑土物理性质提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于黑龙江省海伦市光荣村（N47°21′，E126°50′），土壤类型为薄层黑土。研究区域属于温带大陆性季节气候，年平均气温 1.5 ℃，年平均日照时长2 700 h，无霜期130 d。年均降水量500～600 mm，70%以上集中在7—9月份。土壤质地黏重，成土母质为黄土状黏土，砂粒、粉砂和黏粒质量分数分别为 33.98%、31.94%和34.08%[22]。

1.2 试验设计

试验始于2019年春季，设有4个处理，秸秆浅混（T1，还田深度为0～15 cm），秸秆深混（T2，还田深度为0～35 cm），秸秆和有机肥深混（T3，还田深度为0～35 cm），常规耕作（CK，耕作深度0～15 cm，无秸秆还田）；每个处理，4次重复，随机排列。T1，T2和T3处理的秸秆还田量为 10 000 kg/hm2，T3处理有机肥施用量为30 000 kg/hm2。在秸秆和有机肥还田小区，首先使用铁锹挖相应深度的一条“堑沟”，然后将粉碎后的玉米秸秆或者玉米秸秆和有机肥平铺在“堑沟”的横截面上，再用铁锹挖土盖在铺了秸秆或秸秆和有机肥的横截面上，最后将秸秆或秸秆和有机肥与土壤进行充分混匀，以此类推，完成整个小区的秸秆或秸秆和有机肥还田工作。每个小区面积12 m2（4 m×3 m）。供试玉米品种为垦沃6号，播种密度8万株/hm2。每个小区的化肥施肥量：氮肥（N）150.0 kg/hm2，磷肥（P2O5）70.0 kg/hm2，钾肥（K2O）50.0 kg/hm2。除有机物料施用以外的田间管理与当地相同。2019年降水量为663 mm，试验区是雨养农业、无灌溉。

1.3 样品采集及测定

2019年10月10 日（作物收获后），在每个小区随机选择1个采样点，使用PVC环刀（内径50 mm，高度60 mm）分层采集0～15 cm和＞15～35 cm土层的原状土。取样之前，将 PVC环刀的一端打磨成刀口，便于样品的采集；采集完后用锡箔纸包裹 PVC环刀，防止由于水分散失导致的土壤结构破坏，随后将 PVC环刀放入装有缓冲材料的塑料盒中，带回实验室，并放入 4℃的冰箱里待测。在PVC环刀样品采集和运输的过程中尽量防止土体的晃动，避免影响CT扫描结果。同时在每个小区随机选择3个采样点，使用环刀采集0～15 cm和＞15～35 cm土层的土壤样品，用于容重、饱和导水率和田间持水量的测定。

原状土柱采用天津三英精密仪器股份有限公司的nanoVoxel-4000显微CT进行扫描，土壤容重、饱和导水率和田间持水量的测定参考文献[22]。

1.4 CT扫描与图像处理

nanoVoxel-4000显微 CT扫描峰值电压设定为150 kV，电流设定为90μA，曝光时间0.2 s，分辨率31μm。扫描方式：将样品放在样品台上，进行 360°旋转，得到细节和低噪音图像，图像重建用AVIZO9.0软件获得，之后得到体素为1 628×1 630×1 997的扫描图像。将得到的raw.格式CT图像保存在计算机中，采用Imagej-win64软件对 CT图像进行图像分析。因为在原状土采集的过程中，土体的周围都不可避免的受到一定程度的扰动，在图像进行预处理时，首先选择位于图像中心体素为638×638×957（实际土壤体积大小 2 cm×2 cm×3 cm）的部分，然后将图像转化为 8位图像，之后进行图像归一化处理、中值滤波进行降噪以及平滑，使得图像中的孔隙结构更加的清晰，最后依据目视法，进行图像的分割，设定阈值大小为 75。图像分割以后，得到黑白二值图，白色的为孔隙部分，黑色的为土壤基质。

土壤孔隙可视化采用软件AVIZO.2019.1版本获得。孔隙体积、周长、面积和数量用Imagej中3D object counter插件完成计算；分形维数和各向异性，用Bonej插件完成；欧拉数用particle analyzer完成。成圆率、孔隙度和当量孔径参考文献[23，25]计算

式中C为成圆率，其值介于1和0之间；A为孔隙面积，mm2；L为孔隙周长，mm。

式中P为孔隙度，%；V1孔隙体积，mm3；V2图形体积，mm3。

式中ED为当量直径，mm。

鉴于本研究中使用nanoVoxel-4000显微CT的分辨率为31μm，参考Wang等[26]提出的划分方法对土壤孔径进行划分，即将孔径＜500μm 划分为小孔隙，500～1 000μm划分为中孔隙，＞1 000μm划分为大孔隙。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2017对试验数据进行整理，采用SPSS 20.0进行单因素方差分析（one-way ANOVA），分析试验处理对土壤物理性质及土壤孔隙结构参数的影响，并用LSD法进行多重比较（α=0.05）。采用 Origin 2019画图。采用SPSS 19.0软件进行土壤物理性质与土壤结构参数之间的Pearson相关性分析，和土壤孔隙结构参数对土壤容重、田间持水量和饱和导水量影响的回归分析，通过计算不同因子标准化系数绝对值与所有因子标准化系数绝对值之和的比值，评价不同因子对土壤物理性质的贡献。

2 结果与分析

2.1 有机物料还田对土壤物理性质的影响

有机物料还田显著改善了相应土层的土壤物理性质（表1）。在0～15 cm土层，与CK处理相比，T1、T2和 T3处理土壤容重分别显著降低了 5.66%、3.77%和 4.72%（P＜0.05），有机物还田处理间差异不显著。与CK处理相比，T1、T2和T3处理土壤饱和导水率分别增加了5.00倍、2.40倍和2.20倍，其中T2和T3处理间差异不显著。与CK处理相比，T1、T2和T3处理土壤田间持水量显著增加了 7.65%、6.91%和 11.01%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土层，虽然CK和T1处理间，T2和T3处理间土壤容重差异不显著（P＞0.05），但是T2和 T3处理较 CK和 T1处理显著降低了土壤容重（P＜0.05）。不同处理间＞15～35 cm土层土壤饱和导水率和田间持水量表现出与土壤容重相似的变化趋势。与CK和T1处理相比，T2和T3处理土壤饱和导水率显著增加了 1.50倍和 1.00倍，田间持水量显著增加了17.22%～21.19%。

表1 有机物料还田对不同土层土壤物理性质的影响Table 1 Effects of organic amendments on soil physical properties at different layers

2.2 有机物料还田对土壤孔隙结构的影响

2.2.1 土壤二维和三维孔隙结构可视化

有机物料施用对0～35 cm土层土壤孔隙二维结构的影响见图1。

由图1可知，与CK处理相比，T1、T2和T3处理明显增加了0～15 cm土层土壤孔隙数量，且T2和T3处理土壤中出现了较大的孔隙；在＞15～35 cm土层，与CK和T1处理相比，T2和T3处理明显增加了较大土壤孔隙，而CK和T1处理土壤中小孔隙较多，说明有机物料施用能够增加土壤孔隙数量，改善土壤孔隙分布。

不同处理土壤三维结构的可视化见图2。

由图2可知，在0～15 cm土层，与T1、T2、T3处理相比可以看到，CK小孔隙较多，孔隙整体分布较为分散。在有机物料施用处理中土壤小孔隙减少、大孔隙增多、孔隙分布密集。在＞15～35 cm土层，与CK和T1处理相比，T2和T3处理增加了土壤孔隙数，其中T2处理土壤孔隙分布呈现复杂的网络结构，交叉孔隙较多，同时可以观察到连续性较好的细长孔隙。

2.2.2 土壤孔隙数量和孔隙度

不同处理对 0～15 cm 土层＞1 000μm 和 500～1 000μm孔隙数量的影响如图3。

由图3a可知，与CK处理相比，T1、T2和T3处理＞1 000μm孔隙数量分别显著增加了179.9%、32.0%和 75.7%，500～1 000μm 孔隙数量分别显著增加了44.7%、18.1%和30.5%（P＜0.05），其中 T2和T3处理500～1 000μm孔隙数量差异不显著（P＞0.05）。CK处理＜500μm孔隙数量较 T1、T2和T3处理显著增加了 7.59%～15.6%（P＜0.05）。＞15～35 cm 土层，＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔隙数量显著高于 0～15 cm土层（P＜0.05）（图3b）。在＞15～35 cm土层，与CK和T1处理相比，T2和T3处理＞1 000μm、500～1 000μm 和＜500μm 孔隙数量显著增加了 22.7%～150%（P＜0.05），而CK和T1处理间，T2和T3处理间差异不显著。

有机物还田显著影响了土壤不同孔径孔隙度（图4）。

由图4可知，在0～15 cm土层，施用有机物料处理显著增加了＞1 000μm 和 500～1 000μm 孔径孔隙度（P＜0.05）。不同处理＞1 000μm 孔径孔隙度表现为T1＞T2＞T3＞CK，与CK处理相比，T1、T2和T3处理分别增加了156%、95.7%和69.2%；不同处理500～1 000μm孔径孔隙度表现为T1＞T3＞T2＞CK，与CK处理相比，T1、T2和T3处理分别增加了256%、88.2%和173%。不同处理＜500μm孔径孔隙度表现出与＞1 000μm孔径孔隙度相似的趋势，但是仅T1和T2处理较CK处理显著增加了128%和92.9%（P＜0.05）。＞15～35 cm土层各孔径孔隙度显著小于0～15 cm土层（图4）。在有机物料施用和作物根系的双重影响下[27]，＞15～35 cm土层＞1 000μm孔径孔隙度表现为T2＞T3＞T1＞CK，与CK处理相比，T1、T2和 T3处理＞1 000μm 孔径孔隙度分别显著增加了89.4%、196.2%和 152%（P＜0.05）。与其他处理相比，T2处理 500～1 000μm孔径孔隙度显著增加了 38.4%～248%（P＜0.05）；T1和T3处理较CK处理显著增加了118%和 152%（P＜0.05），T1和 T3处理间差异不显著（P＞0.05）。与CK处理相比，T2处理＜500μm孔径孔隙度显著增加了134%（P＜0.05）；T2处理与T1和T3处理间差异不显著（P＞0.05）。

2.2.3 土壤孔隙结构特征

有机物料还田对土壤孔隙结构的影响见表2。成圆率是表征孔隙形态特征的参数之一，其数值越接近于1，表示孔隙形态越接近于圆[12]。大量研究认为成圆率可以判断土壤孔隙的大小，孔隙越趋于规则，越利于水分在土壤中的传输、保存及作物吸收和利用[12]。在0～15 cm土层，成圆率在 0.72～0.85之间，不同处理间差异不显著（P＞0.05）。在＞15～35 cm土层，成圆率在0.74～0.85，不同处理间表现为，T2和T3处理较CK和T1处理显著增加了9.21%～14.9%（P＜0.05）。

表2 有机物料施用对土壤孔隙结构特征参数的影响Table 2 Effects of organic amendments on parameters of soil pore structure

分形维数是土壤孔隙大小和孔隙与固体颗粒接触界限不规则的综合反映，可用于表征土壤孔隙结构的复杂性，分形维数越大，孔隙状况越好[27]。在0～15 cm土层，与 CK、T2和T3处理相比，T1处理分形维数显著增加了1.5%、0.5%和1.5%（P＜0.05）；在＞15～35 cm土层，与CK处理相比，T1、T2和T3处理分形维数显著增加了 10.0%、13.9%和 12.8%（P＜0.05），说明有机物料的施用增加了土壤孔隙结构的复杂性，尤其是15～35 cm。

各向异性表征子结构之间的形状，数值在0（完全各向同结构）和1（各向异结构）之间变化，孔隙越接近于球体，各向异性越接近于0[2]。在0～15 cm土层，各向异性在0.09～0.24之间，与其他处理相比，T3处理各向异性显著增加了167%、71.4%和100%（P＜0.05），CK、T1和T2处理间差异不显著。在＞15～35 cm土层，各向异性在0.10～0.21之间。与其他处理相比，T3处理显著增加了110%，23.5%，40.0%（P＜0.05）；与CK处理相比，T1和T2处理显著增加了70.0%和50.0%（P＜0.05）。

连通性用欧拉数来表示，欧拉数越高，连通性越低；欧拉数越低，连通性越高[24]。在0～15 cm土层，欧拉数表现为T1＜T3＜T2＜CK，不同处理间差异显著（P＜0.05），表明有机物料施用显著增加了土壤孔隙的连通性。与CK相比，T1、T2和T3处理欧拉数分别显著降低了54.3%、21.7%和46.1%（P＜0.05）。在＞15～35 cm土层，不同处理欧拉数表现为 T3＜T2＜T1＜CK，处理间差异显著（P＜0.05），与CK处理相比，T1、T2和T3处理分别减少了40.4%、65.9%和70.5%。

2.3 土壤物理性质与孔隙结构参数间的相关性分析

采用Pearson相关系数衡量了土壤物理性质与孔隙结构参数之间的相关性（表3）。

由表3可知，在0～15 cm土层，容重（BD）与饱和导水率（HC）、田间持水量（FC）、不同孔径孔隙度呈极显著负相关、与欧拉数（EN）呈极显著正相关（P＜0.01），欧拉数与除了BD、分形维数（FD）、成圆率（C）和各向异性（AN）以外的所有指标均呈极显著负相关（P＜0.01），HC与不同孔径孔隙度、FD呈极显著正相关（P＜0.01），FC 与＞1 000μm（LP）和 500-1 000μm（MP）孔径孔隙度、AN呈极显著正相关，LP与除了FC、AN和C以外的所有指标呈极显著正相关，LP仅与FD和C不相关（P＞0.05），＜500μm（SP）孔隙度仅与FC和AN不相关（P＞0.05）。在＞15～35 cm土层，BD与除AN和EN以外的所有指标均呈极显著（P＜0.01）或显著（500～1 000μm 和＜500μm 孔隙度）（P＜0.05）负相关，EN 与除BD以外的指标呈极显著或显著（SP和AN）负相关，HC与除了BD、AN和EN以外的所有指标呈极显著或显著（FD）正相关系，FC与HC、不同孔径孔隙度、FD和C呈极显著正相关关系（P＜0.01），不同孔径孔隙度与HC、FC和C均呈极显著正相关关系（P＜0.01），FD和C与除SP和AN以外指标呈极显著相关性（P＜0.01）。

表3 土壤物理性质与孔隙结构之间的相关性Table 3 Correlation between soil physical properties and parameters of soil pore structure

2.4 土壤孔隙结构对土壤物理性质的贡献

土壤孔隙度和结构参数对容重、饱和导水率和田间持水量的贡献见表4。欧拉数（EN）对土壤容重（BD）的贡献度最大，在0～15 cm和＞15～35 cm土层分别达到了31.9%和41.7%；＞1 000μm孔隙度（LP）对0～15 cm和＞15～35 cm土层饱和导水率（HC）贡献度最大，分别到达了35.3%和29.2%；在0～15 cm土层，各向异性（AN）和EN分别对0～15 cm和＞15～35 cm土层对田间持水量（FC）的贡献最大，分别为 22.5%和43.7%。

表4 土壤孔隙结构对土壤物理性质的贡献Table 4 The contribution of soil porosity structure on soil physical properties %

3 讨 论

3.1 有机物料还田对土壤基本物理性质的影响

有机物料还田是改善土壤物理性质的有效措施之一[10]。它不仅可以增加土壤中大孔隙数量，使得土壤孔隙分布趋于合理，还可以提高土壤饱和导水率，提升土壤的水分运输能力[28]。与 CK处理相比，由于有机物料的施用，T1，T2和T3处理显著减少了0～15 cm土层的土壤容重，增加了饱和导水率和田间持水量（表1）。有机物料施用过程中由于进行了土层翻转、土壤与有机物料混合等操作，通过增加对土壤扰动和有机物料还田[22]，改善土壤孔隙结构[29]，进而改善0～15 cm土层土壤物理性质。同时施用的秸秆或者有机肥自身就具有水分通道的作用，能够促进土壤中水分的传导，进一步增加了土壤的饱和导水率[30]。等量秸秆分别施入0～15 cm和0～35 cm土层后，导致秸秆在不同深度土层中的浓度产生差异[31]，是导致T1和T2处理间土壤物理性质不同的主要原因。秸秆配施有机肥处理较仅施用秸秆处理增加了有机物料在土壤的浓度，表现出了减少土壤容重，增加饱和导水率和田间持水量的趋势，但是处理间差异不显著（P＞0.05）（表1）。以前的研究已经证实，深翻过程中进行有机物料深混还田能够有效减小＞15～35 cm土层的土壤容重、增加田间持水量和饱和导水率[22]，本研究得到了相似的研究结果。黑土黏粒质量分数在 40%以上，质地黏重[22]。在草甸化草原植被开垦为农田以后，由于过度垦殖和有机物料投入不足，导致土壤物理性质急剧恶化，特别是土壤耕作层逐渐变薄，犁底层已经由原来的20～25 cm上升到15～18 cm[16]，土壤容重增加并在部分地区超过了作物适应范围，限制了水分入渗和作物根系生长[32]。因此，在质地黏重黑土上，有机物料深混还田后一年就能够显著改善土壤的物理性质（表1），但是此时土壤物理性质的改善主要是受耕作干扰及有机物料在土壤中作为“楔子”的物理隔离作用影响[33]。在后续研究中将重点考虑秸秆和有机物物料分解过程中产生代谢产物对土壤物理性质改善的贡献。

3.2 有机物料还田对土壤孔隙结构的影响

应用CT扫描技术可以定量描述土壤中的孔隙数量、孔隙度及孔隙分布、成圆率等孔隙数量和形态特征[2]，以及孔隙分布、连通性和孔隙间相关性等空间特征[23]。良好的孔隙结构对土壤中的水分和热量传导[24]、有机碳稳定性[2]、养分有效性[1]及微生物多样性[8]等至关重要。土壤孔隙结构除了受土壤有机质含量影响以外，也与农田管理措施、作物根系活动和土壤动物活动等密切相关[34-35]。高子勤等[36]报道了耕作方式和有机物料施用能够改变土壤微形态结构，导致土壤颗粒和孔隙重新排列，有机物和分解或半分解状态的有机残体通过凝聚和侵染作用增加土壤中微团聚体和孔隙，促进土壤微结构向良好方向发育。值得一提的是，耕翻土层翻转过程中0～15 cm和＞15～35 cm土层土壤进行充分混合，使0～15 cm土层结构较好的土壤进入＞15～35 cm土层，也是＞15～35 cm土层结构改善的原因之一[22]。根据还田深度，秸秆或秸秆配施有机肥处理显著增加了相应土层＞1 000μm 和500～1 000μm孔径孔隙数目和孔隙度，改善了土壤中的孔隙分布（图3和4）。杨永辉等[23]报道了有机物料的施用通过增加土壤有机碳含量和腐殖质含量，改善团粒结构，进而增加土壤的孔隙数目和孔隙度。有机物料还田能够促进土壤中大孔隙的形成，其效果对10 cm以下的土层尤为显著[37]；与单独施用化肥相比，有机无机肥配施＞20～40 cm土层土壤大孔隙度提高了91.7%，大孔隙数目提高了54.8%[7]。土壤结构改善后促进了作物根系向深层土壤伸长[38]，根系的穿插和缠绕作用及根系分泌的胶结作用是土壤结构形成的重要因素之一[39]。孟晨等[40]研究发现土壤中有机质含量、植物根系与土壤大孔隙之间呈现显著的正相关关系，根系及土壤有机质含量越高，大孔隙含量也越多，形状也趋于规则。

有机物料的施用能够显著影响土壤的孔隙结构，秸秆还田量越多，孔隙度增加越显著，孔隙结构越复杂[11-12]。通过对比分析不同肥力土壤的微结构发现，肥力较高的土壤一般具有土壤颗粒排列疏松、多为垒结桥接状、孔隙多、连通性好[41]。本研究通过有机物料深混还田后，发现0～35 cm相应土层土壤孔隙结构复杂、孔隙形状规则、连通性较好，即表现出了较大的各向异性、分形维数和成圆率，较小的欧拉数（表2），说明有机物料施用可以显著改善黑土土壤孔隙结构，进而提高土壤肥力。Ferro等[42]研究发现有机肥施用能够改善土壤的连通性（欧拉数），进而改善土壤结构，而连通的大孔隙是土壤中气体扩散的主要通道[3]。

3.3 土壤结构改善对黑土物理性质的贡献

土壤孔隙结构的改善能够促进水分入渗、气体扩散[24]。甘磊等[9]研究发现耕作土壤中0～30 cm土层孔隙直径较大、连通性较好，且呈长条或细管状，这些孔隙对土壤的导水透气性贡献最大。土壤饱和导水率与土壤连通性和分形维数呈显著正相关关系[43]，本研究得到了相似的结果（表3）。同时本文发现，土壤中＞1 000μm孔隙度对0～35 cm土层的饱和导水率贡献最大，说明有机物料深混还田主要通过增加土壤中大孔隙来调控土壤的饱和导水率。王宪玲等[7]的研究也发现，有机无机肥料配施通过提高0～40 cm土层土壤大孔隙数量和大孔隙度，进而提高土壤的饱和导水率。Ferro等[42]研究已经证实，施用有机肥增加大孔隙，能够促进土壤水分的入渗。欧拉数是表征土壤孔隙连通性的重要参数[24]，对土壤中气体扩散、水分流动和溶质运移具有重要影响[2]，其与土壤容重、饱和导水率、田间持水量及孔隙均呈极显著的相关性（P＜0.01），同时本研究还发现欧拉数对土壤容重的贡献最大，说明欧拉数可以用来评价土壤容重，用以表征的土壤的松紧程度。耕作过程中进行有机物料深混还田，改变了土壤中原有的孔隙分布，形成了疏松多孔的土壤结构，特别是秸秆和有机肥自身就是容重较轻的多孔介质[29]。良好的土壤结构为土壤生物活动提供了有利场所，生物活动又促进了土壤中生物性孔隙的形成[9,24]，土壤中网络型孔隙结构对于土壤持水能力[9]具有重要作用。本研究结果也证实了这一结论。虽然不同土层田间持水量对土壤孔隙结构参数的响应是不一致的，在 0～15 cm各向异性对田间持水量贡献最大，而在＞15～35 cm土层欧拉数对田间持水量贡献最大，但是研究结果均表明土壤结构越复杂、连通性越好，有利于提高土壤的田间持水量。

4 结 论

通过耕作进行秸秆或秸秆配施有机肥还田一个玉米生长季后，在0～15 cm土层能够显著降低土壤容重，增加田间持水量和饱和导水率，提高土壤的大孔隙数量和孔隙度，改善土壤孔隙微结构；当秸秆或秸秆和有机肥深混到0～35 cm后，在打破犁底层的同时，进一步显著的改善了＞15～35 cm土壤物理性质和土壤孔隙分布，增加了土壤孔隙的复杂性和连通性，能够促进土壤水分入渗和保持，形成了良好的土壤孔隙结构。

Pearson相关分析结果显示0～35 cm土层容重、田间持水量和饱和导水率与＞1 000μm和500～1 000μm孔隙度呈极显著（或显著）相关性。贡献度评价发现欧拉数和＞1 000μm孔隙度对0～35 cm土层容重和饱和导水率贡献度最大，各向异性和欧拉数分别对0～15 cm和＞15～35 cm土层田间持水量的贡献度最大，说明土壤孔隙结构综合调控土壤物理性质。因此，有机物料的施用通过促进了土壤中大孔隙的形成，增加了土壤孔隙的连通性和复杂，构建土壤孔隙网络，进而改善黑土物理性质。在未来的研究中应持续关注有机物料深混还田后产生腐殖化物质及代谢产物对土壤孔隙结构形成的影响机制。