温带粉壤土中亚土壤压实与蚯蚓生物孔对土壤水物理性质及根系密度的遗留效应

《Soil and Tillage Research》：Legacy effects of subsoil compaction and earthworm biopores on soil hydrophysical properties and root density in a temperate silt loam soil

　　

亚土壤压实对结构性质的影响在28年后仍然持续。冬小麦根系密度、蚯蚓数量和饱和水力传导度（K_s）未受到显著影响。充气孔隙度（ε_a）和土壤结构质量仍然降低。无论有无生物孔，通气性和气体传输的恢复都快于穿透阻力（PR）。蚯蚓生物孔的存在增强了孔隙连通性和通气性的恢复。

农业机械作业引发的土壤压实是温带农田土壤物理退化的主要形式之一，尤其是亚土壤压实，因其发生在耕层以下，难以通过常规耕作措施修复，自然恢复过程极为缓慢。已有研究多关注短期（<5年）和中长期（5–10年）效应，而对超过20年的长期遗留效应了解极为有限。传统评估压实恢复的指标如容重（BD）对孔隙连通性和功能恢复不敏感，可能低估实际恢复程度。蚯蚓作为生态系统工程师，其生物孔道可能对压实土壤的结构恢复具有关键作用，但这一作用在数十年尺度上缺乏实证。为此，研究人员依托德国哥廷根大学Garte-Süd长期田间试验（始建于1995年），系统评估了一次性压实事件（5 Mg轮载、6次通过）28年后对温带粉壤土水物理性质和根系密度的遗留效应，以及蚯蚓生物孔在其中的调节与恢复贡献。该研究发表于《Soil and Tillage Research》。

研究方法上，研究人员于2023年（压实后28年）进行了现场测量与实验室分析。现场测量包括：自动锥形贯入仪测定穿透阻力（PR）、SATURO入渗仪测定饱和水力传导度（K_s）、手拣法调查蚯蚓数量、SubVESS法评价土壤结构质量（Ssq）。实验室分析基于30–35 cm深度采集的100 cm³原状土柱，测定水分保持特征、充气孔隙度（ε_a）、相对气体扩散率（D_s/D₀）、BD和孔隙弯曲度（τ），并根据土柱中是否可见蚯蚓生物孔将样品分为有可见生物孔和无可见生物孔两组。

**亚土壤压实的遗留效应**：压实处理28年后，BD仍显著高于对照7.4%，总孔隙度和土壤水分含量在pF 0.5–2.0范围内显著降低，ε_a在各基质势下均显著降低（pF 2.0时降低31.6%）。SubVESS评估显示压实处理的Ssq评分显著高于对照（高约133%）。PR在20–30 cm和30–40 cm深度平均高出对照78%，部分超过2.5–3.0 MPa的根系生长阈值。然而，冬小麦根系密度、K_s和蚯蚓数量在处理间无显著差异，可能与根系优先利用现存生物孔道有关。

**可见生物孔对压实效应的影响**：在含可见蚯蚓生物孔的样品中，压实处理与对照在BD、总孔隙度、水分含量、ε_a、D_s/D₀、τ和扩散渗透阈值（DPT）上均无显著差异；而不含生物孔的样品在pF 2.0时除τ外所有水物理性质在处理间均存在显著差异。生物孔的存在总体上使ε_a和D_s/D₀分别提高约21.7%和9.2%。孔隙结构指数N的降低进一步表明生物孔简化了土壤结构，增加了连通孔隙的比例。

**有/无蚯蚓生物孔条件下土壤物理性质的潜在恢复**：与1995年压实后立即测量（Ehlers等）相比，2023年ε_a和D_s/D₀的压实效应相对差异分别缩小约10%和41%，表明充气和气体传输功能部分恢复；而PR的相对差异反而扩大约36%，说明机械强度恢复有限甚至恶化。在含可见蚯蚓生物孔的样品中，BD、ε_a和D_s/D₀的相对差异分别较1995年缩小2.6%、30%和65%，恢复程度显著高于不含生物孔的样品（分别约为?1%、15%和20%），表明蚯蚓生物孔在长期恢复中发挥关键作用。

讨论指出，压实对BD和PR等容重性指标的影响可延续数十年，而气体扩散和孔隙连通性等功能性指标恢复较快。冻融循环、干湿交替和根系生长可逐渐恢复孔隙连续性，蚯蚓活动则通过主动挖掘形成稳定大孔隙，促进空气和水分传输及根系深入