亚热带红壤中三种渗透孔隙介导的水分储存与运移的权衡关系：基于11年耕作实验的X射线CT证据

《Soil and Tillage Research》：Trade-offs between water storage and transport mediated by three percolating pores in subtropical red soils: X-ray CT evidence from an 11-year tillage experiment

　　

• 11年耕作：孔隙特征控制深度相关的水力特性；水分传输与储存之间存在强烈的权衡关系。
• 深耕增强了0–30 cm范围内的孔隙连通性和大孔隙度；但效果在亚表层土壤减弱。
• 长期免耕保持了生物孔隙的连续性，并维持了20–40 cm层的亚表层水力传导性。
• 大孔隙主导水分传输，而中孔隙/微孔隙主导水分保持。

引言
红壤广泛分布于全球湿润亚热带地区，是支撑作物生产和区域粮食安全的基础（Baquy et al., 2017）。中国南方拥有最大面积的连片红壤，其可持续管理尤为重要（Baquy et al., 2017）。然而，红壤固有的有机质含量低、团聚体稳定性弱、易压实和保水性差等限制因素，制约了其对干旱和结构退化的韧性（Leng et al., 2023）。此外，在干旱频率增加和农业干扰加剧的背景下，土壤水分调节功能的下降已成为红壤地区可持续生产的主要挑战，尤其是在中国南方（Zhong et al., 2025）。

土壤结构主要通过控制水分流动路径的连续性和连通性来决定其水分保持和传输能力（Fukumasu et al., 2024）。因此，耕作是通过结构改造增强土壤水力功能的基本管理措施（Schneider et al., 2017）。各种耕作体系通过不同机制重塑土壤结构。旋耕（RT）是主要的传统耕作方式，它破坏耕层内的团聚体并重新分配孔隙空间（Zhu et al., 2022）。深耕（DP）打破压实的亚耕层，并在初期增加大孔隙度、入渗和通气（Liu et al., 2021, Schlüter et al., 2018）。相比之下，免耕（NT）最小化机械扰动，并通过根系生长和土壤动物活动促进生物孔隙网络的逐步发育（Oliveira et al., 2024）。尽管耕作导致的这些不同结构响应已得到广泛认可，但多维度的关键知识空白仍然阻碍了对耕作措施与土壤水力功能之间机制联系的全面理解（K?hne et al., 2009）。传统土壤水力评估的一个主要局限在于其依赖于大尺度指标，如容重、饱和水力传导率和田间持水量，这些指标描述了整体水力性能，但仅能提供关于潜在孔隙结构的间接和不完整信息（Schneider et al., 2017）。特别是，这些指标无法明确解析关键的微观结构属性，包括孔隙大小分布、孔隙连通性和三维网络拓扑（Rabot et al., 2018）。因此，不同管理措施下相异水力响应背后的孔隙尺度机制仍然理解不足。这一局限在亚热带红壤中尤为关键，红壤极易压实、结构退化和周期性干旱胁迫（Zhong et al., 2025, Bassiouni et al., 2023）。

在亚热带红壤农业生态系统中，季节性水分亏缺常常与亚表层压实同时发生，共同限制根系穿透、根系发育并最终影响作物产量（Zhong et al., 2025）。优化的耕作措施可通过重塑土壤孔隙结构和改善水力特性来缓解这些限制（Schneider et al., 2017）。然而，长期耕作如何在整个土壤剖面中重塑孔隙网络以缓解这些区域特定限制仍知之甚少。尽管如此，深耕、免耕和旋耕的水力响应在不同研究中存在差异（Strudley et al., 2008），主要取决于实验持续时间和测量深度。深耕可能增强水分传输但减少耕作层内的水分储存，而免耕可能通过生物孔隙维持亚表层连通性，旋耕则可能主要增加表层土壤的植物可利用水。这些取决于深度和持续时间的影响在亚热带红壤中仍理解不足。尽管已有大量研究考察了耕作引起的土壤水力行为变化（Schneider et al., 2017），但不同耕作体系如何通过重组三维孔隙网络来调节水分传输与储存之间固有权衡的机制仍不清楚。这一知识空白制约了基于过程的优化耕作策略框架的发展，以改善红壤农业生态系统中水分利用效率和干旱韧性。因此，三个关键科学问题仍未解决。

第一，整个土壤剖面中水分传输和保持的协同调节很少被量化。大多数研究分别处理水力传导率和水分保持，对耕作驱动的孔隙重组如何在三维网络尺度上控制其功能平衡提供的机制见解有限（Rabot et al., 2018, Jha et al., 2023）。因此，不同耕作制度如何同时优化水流效率和储存能力仍不清楚。

第二，研究主要集中在0–20 cm表层土壤，对20–40 cm亚表层土壤关注不足，尽管该层对深层水分储存、根系吸收和垂直水力连续性至关重要（Huang et al., 2023）。此外，旋耕（浅层扰动）、深耕（强烈结构破坏）和免耕（逐步生物孔隙形成）下特定深度的孔隙演化尚未明确区分，导致亚表层水文学的拓扑控制约束不足（Huang et al., 2023）。

第三，短期实验无法将瞬时的机械引起的孔隙变化与长期的生物驱动网络发育分离，限制了对十年级结构演化和水力功能的预测（Schlüter et al., 2018）。特别是，三维证据仍不足以证实长期免耕形成的连续生物孔隙网络能否在较长时间内维持水力连通性并维持亚表层水分传输。

近年来X射线计算机断层扫描（CT）的进步为克服这些局限提供了机会，能够实现土壤孔隙结构无损三维量化，包括孔隙大小分布、连通性、各向异性和分形特征（Zhang et al., 2023, Luo et al., 2024）。这些结构属性直接调节水力过程：连通的大孔隙（>500 μm）主导优先流、饱和水力传导率（Ks）和空气渗透性（Ka），而中孔隙和微孔隙（60–500 μm）主要控制水分保持和植物可利用水（Qian et al., 2024, Xia et al., 2022）。然而，基于CT的研究大多关注单一土壤层或短期管理，很少有研究将三维孔隙结构与水力建模相结合，以量化长期耕作如何在整个土壤剖面中控制水分保持和传输。

我们提出孔隙结构是连接耕作与土壤水力功能之间缺失的机制环节。具体而言，长期耕作预计会重塑孔隙大小分布和连通性，从而调节水分传输与储存之间的权衡。深耕可能增强表层土壤的大孔隙形成和水力传导率，但由于孔隙坍塌，这些优势在亚表层逐渐丧失（Strudley et al., 2008）。相反，长期免耕可能形成连续的生物孔隙网络，在维持水力连通性的同时改善水分保持（Blanco-Canqui and Ruis, 2018），而旋耕可能优先促进中孔隙发育，最大化植物可利用水。

为检验这些假设，我们研究了红壤中长期（>10年）耕作试验，比较了免耕、旋耕和深耕在0–40 cm土壤剖面中的效果。通过整合传统土壤物理测量、van Genuchten水分保持建模、X射线CT衍生的孔隙特征化以及多变量分析（包括主成分分析、随机森林和结构方程模型），我们旨在：(i) 量化长期耕作对整个土壤剖面土壤水力特性的影响，(ii) 表征孔隙结构的深度依赖变化，(iii) 确定机制性地控制水分保持和传输的孔隙结构属性。本研究建立了"孔隙结构–水力功能"框架，推进了对长期土壤结构演化的理解，并为优化耕作体系以改善红壤农业生态系统中水分利用效率和干旱韧性提供了科学依据。

试验场地与设计
本研究在江西省瑞金市（28°19′N, 116°08′E）江西红壤与种质资源研究所的旱地长期耕作试验站进行，该站于2015年秋季建立。该地区具有典型的亚热带季风气候，年平均温度17.5 °C，年降水量1537 mm。土壤由第四纪红粘土发育而来，分类为Ultisols（美国土壤分类系统）。试验前，耕层为...

土壤容重、Ks和Ka受长期耕作措施的影响
11年连续耕作显著改变了0–40 cm剖面中的土壤物理和水力特性，其响应因各耕作体系的扰动深度而异（图1）。与主要扰动上层10–15 cm的传统旋耕（RT）相比，深耕（DP，扰动深度25–30 cm）在耕作层内产生了最大的变化，而免耕（NT）在更深层土壤中表现出逐渐更大的效应。

讨论
本研究表明，长期耕作主要通过孔隙结构的重组而非仅通过大尺度土壤性质的变化来调节土壤水力功能。通过将X射线CT衍生的孔隙特征与水力测量及多变量分析相结合，我们建立了一条将耕作引起的孔隙网络变化与土壤水分保持和传输相联系的机制路径。通过相关分析、PCA、随机森林分析和...

结论
长期耕作通过重塑整个红壤剖面中的孔隙结构来调节土壤水力功能。与传统旋耕相比，深耕通过促进连通的大孔隙网络增强了耕作层内的水力传导性，而免耕保持了生物孔隙的连续性并维持了亚表层的水力功能。相比之下，旋耕有利于中孔隙的发育，改善了土壤水分保持和植物可利用水...

CRediT作者贡献声明
江发辉：数据整理，形式分析，撰写–初稿，撰写–审阅与编辑，资金获取。
吴燕：数据整理，软件，撰写–初稿。
郭子淳：方法学，撰写–审阅与编辑。
王跃凯：数据整理，方法学，软件。
丁天雨：数据整理，方法学，软件。
钟怡君：数据整理，调查研究。
郭宇明：方法学，监督指导。
金慧芳：数据整理，监督指导。
熊鹏：调查研究，数据整理。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
本研究由中国国家重点研发计划（2023YFD1900202）、国家自然科学基金（42507429；42267055）、中国博士后科学基金（2025M782482）、国家重点研发计划（2022YFD1500703–03）和中央引导地方科技发展基金项目（2024ZY0033）资助。

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