改良性分段深松耕作对沙质土壤亚表层孔隙结构的长期改善作用

《Geoderma》：Long-term improvement of subsoil pore structure in sandy soils by meliorative fractional deep tillage

本研究针对农业土壤板结制约生产力的问题，探讨了改良性分段深松耕作(mFDT)在应用40余年后对亚表层土壤结构的长期影响。通过X射线计算机断层扫描(X-ray CT)和土壤化学分析，发现mFDT能显著改善沙质土壤的宏观孔隙度和孔隙连通性，促进生物孔隙形成，并增加颗粒有机质(POM)和土壤有机碳(SOC)含量，为缓解土壤板结、增强根系穿透力和促进亚表层碳稳定提供了长期有效的解决方案。

　　

在现代农业发展中，土壤板结已成为制约农业生产力的重要因素。自20世纪中期以来，随着农业机械重量的不断增加，土壤压实问题日益严重。虽然深松耕作传统上被用于缓解板结，但其长期效果往往因田间作业导致的再压实而受限。特别是在沙质土壤中，亚表层结构稳定性差，更容易出现板结问题。为了寻找可持续的解决方案，研究人员将目光投向了改良性分段深松耕作(meliorative fractional deep tillage, mFDT)这一历史技术。

mFDT技术起源于前德意志民主共和国，其核心思想是通过创建深入亚表层的"竖井"，将富含碳的表层土壤材料转移到亚表层，同时保持竖井之间的土壤不受扰动，从而提高土壤稳定性。这种技术被认为能够改善根系生长条件，增加土壤有机质储量，但对其长期效果的研究一直缺乏。直到最近，研究人员重新发现了1977-1984年间建立的历史田间试验点，为研究mFDT的长期效应提供了难得的机会。

这项发表在《Geoderma》上的研究，通过现代分析技术对40多年前实施的mFDT效果进行了系统评估。研究人员在德国东部的四个历史试验点采集土壤样本，运用X射线计算机断层扫描(X-ray CT)技术分析孔隙结构，并结合土壤化学分析，探究mFDT对亚表层土壤性质的长期影响。

研究采用的主要技术方法包括：野外采样技术，在四个历史试验点按不同土壤层次（耕作层Ap、改良竖井S、原状亚表层OS）系统采集样品；X射线计算机断层扫描技术，对土壤样品进行三维结构成像；图像分析技术，使用专门开发的算法定量分析孔隙大小分布和连通性；以及常规土壤化学分析，测定土壤有机碳(SOC)、颗粒有机质(POM)和养分含量。

孔隙结构和连通性

研究结果显示，mFDT对土壤孔隙结构产生了显著的长期影响。在沙质土壤占主导的Tempelberg和Eggersdorf试验点，改良竖井区域的大孔隙（>0.25毫米）体积明显高于周围原状亚表层。通过欧拉数密度分析发现，这些大孔隙通过0.25-0.1毫米的中等孔隙相互连接，形成了良好的孔隙网络。特别是在Eggersdorf点，改良竖井区域的生物孔隙体积和长度都达到了与耕作层相当的水平，表明这些区域已成为根系生长的活跃区域。

生物孔隙形成

生物孔隙的形成是mFDT长期效果的重要体现。在沙质土壤中，改良竖井区域的生物孔隙体积和长度都比周围原状亚表层高出近十倍，这与耕作层的水平相当。相比之下，在质地较细的Wolfshagen点，由于原状亚表层已经存在稳定的生物孔隙系统，mFDT的改良效果不明显。这一发现说明mFDT的效果与土壤质地密切相关，在沙质土壤中的改良效果最为显著。

土壤有机碳和大量营养素

化学分析结果表明，改良竖井区域的颗粒有机质(POM)和土壤有机碳(SOC)含量都显著高于周围原状亚表层。在所有试验点，改良竖井区域的POM含量都与耕作层相当，而SOC含量虽然略低于耕作层，但明显高于原状亚表层。同时，植物可利用的氮、磷、钾等养分在改良竖井区域也保持较高水平，为根系生长提供了良好的营养环境。

研究讨论部分指出，mFDT通过创建结构改良的竖井区域，为根系深入亚表层提供了通道。在沙质土壤中，这种效果尤为明显，因为原本致密的亚表层缺乏稳定的孔隙结构。根系在竖井区域的优先生长不仅改善了土壤结构，还通过根际沉积和根系残留物增加了有机质输入。颗粒有机质(POM)的积累表明这些区域持续发挥着碳库功能，有助于土壤碳的长期稳定。

该研究的重要意义在于证实了mFDT技术能够产生长达40年以上的持久改良效果。特别是在沙质土壤中，mFDT能够显著改善亚表层孔隙结构，促进根系生长，提高养分利用效率，同时增强土壤碳固存能力。这些发现为可持续土壤管理提供了重要依据，表明mFDT可以作为一种有效的长期土壤改良措施，在应对土壤板结和促进农业可持续发展方面发挥重要作用。

研究还指出，mFDT的效果与土壤质地密切相关，在沙质土壤中的效果最为显著，而在原本就具有较好结构的壤质土壤中效果有限。这一认识有助于针对不同土壤类型制定个性化的土壤管理策略，提高土壤改良措施的针对性和有效性。

总之，这项研究通过现代分析技术验证了历史土壤改良技术的长期效果，为理解人为干预对土壤生态系统的影响提供了重要见解，对推动可持续农业发展具有重要的理论和实践意义。