X射线断层扫描揭示土壤孔隙结构与饱和导水率的关系：以稻麦轮作与梨园土壤为例

推荐：本研究通过X射线断层扫描(CT)技术量化稻麦轮作与梨园土壤孔隙形态参数，结合水文特征分析，揭示不同土地利用方式下土壤孔隙结构与饱和导水率(Ks)的关联机制。结果表明，梨园0-30 cm层CT识别孔隙度是稻麦轮作的3.5倍，Ks与>0.25 mm团聚体、连通密度(Conn. D)呈正相关，为区域农业水污染物迁移研究提供理论依据。

　　

在太湖流域的农业生态系统中，长期集约化耕作导致土壤结构退化与地下水富营养化问题日益突出。稻麦轮作与果园等不同土地利用方式如何通过改变土壤孔隙网络影响水分和溶质迁移，成为区域水环境治理的关键科学问题。中国科学院南京土壤研究所联合常熟市农业技术部门的研究团队，在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表论文，首次采用工业级X射线三维CT扫描技术（分辨率64 μm）结合传统水文测定方法，对稻麦轮作与梨园土壤剖面进行多尺度孔隙结构解析。

研究团队在常熟市（31°32′58″N, 120°44′36″E）采集0-100 cm原状土柱，通过Phoenix V|tome|x M型CT扫描获取3300-3400张断层图像，利用ImageJ软件进行三维重构和孔隙参数提取（包括孔隙度、连通密度Conn. D、分形维数FD等），同步测定饱和导水率(K_s)和土壤水分特征曲线(SWCC)。

3.1 土壤理化性质差异
稻麦轮作田表层土壤容重(BD)显著低于梨园（P<0.05），而总氮(TN)含量高出35%。梨园0-30 cm层CT孔隙度达稻麦轮作的3.5倍，但>0.25 mm团聚体含量在20-80 cm层低于稻麦轮作4.6%-36.1%。

3.2 孔隙结构特征
三维重建显示稻麦轮作土壤大孔隙多呈垂直管状分布，而梨园存在>10 mm的裂隙。孔隙度随深度递减，梨园0-30 cm层降幅达92.1%。各向异性指数(DA)0.22-0.39表明空间异质性显著。

3.3 水力特性关联
K_s与Conn. D（R=0.82）、FD呈正相关，与BD负相关。稻麦轮作田40-80 cm层K_s显著高于梨园，但表层因干湿交替和耕作导致孔隙连通性降低。

4.1 土地利用方式的影响机制
稻麦轮作频繁的干湿交替使土壤收缩裂缝再生受阻，而梨树深根系统形成稳定生物孔隙。CT技术证实孔隙连通性（而非单纯孔隙数量）是调控K_s的关键因素。

4.3 溶质迁移启示
梨园高连通孔隙可能加速硝态氮淋溶，而稻麦轮作犁底层对垂直流具有阻滞作用。该研究为建立区域农业面源污染模型提供了孔隙尺度参数依据。

这项创新性工作将微观CT表征与宏观水文过程耦合，证实土地利用变化通过重塑土壤三维孔隙网络影响水文功能。未来需结合染色示踪实验，进一步阐明不同孔隙构型对污染物迁移路径的调控机制。研究成果对优化太湖流域耕作制度、减轻地下水污染具有重要实践价值。