水稻种植改善盐渍化稻田大孔隙结构，缓解土壤盐碱化的机制研究

为解决土壤盐碱化影响农业生产的问题，研究人员开展了水稻种植对土壤大孔隙、盐碱化影响的研究。结果表明，水稻种植时长增加，大孔隙度等显著提升，土壤 pH、SSC 和 SAR 降低。该研究从大孔隙尺度揭示了水稻种植影响盐碱化的机制。

　　在全球范围内，土壤盐碱化问题严重影响着农业生产和经济可持续性，大约 20% 的耕地和 33% 的灌溉农业区都受到它的困扰。在中国东北的松嫩平原，这片重要的粮食产区，盐碱地面积广泛，大量的钠离子（Na⁺）、碳酸根离子（CO₃^2-）和碳酸氢根离子（HCO₃^-）在土壤表层积累，使得土壤 pH 值高、钠吸附比（SAR）高，严重阻碍了农作物的生长。为了提高盐碱地的利用率，增加粮食产量，保障国家粮食安全，科研人员一直在努力探寻有效的治理方法。

在众多的尝试中，水稻种植脱颖而出，成为了一种备受关注的生物改良策略。过去几十年的实践发现，水稻种植不仅能改善盐碱土壤的性质，还能减轻灌溉对土壤结构造成的破坏。然而，水稻种植究竟是如何缓解土壤盐碱化的，其背后的深层机制一直是个未解之谜。为了揭开这个谜团，来自吉林大安国家农业生态系统野外观测研究站的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Agricultural Water Management》上。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展这项研究。在样本采集方面，他们选取了吉林大安国家站中不同开垦年份（2011 年、2018 年和 2022 年）的相邻稻田，采集 0 - 20cm 土层的完整土壤柱和 0 - 60cm 土层的平行土壤样本。利用工业 X 射线计算机断层扫描（XCT）技术，对土壤柱进行扫描，获取土壤孔隙结构的详细信息，包括大孔隙度（MP）、水力半径（HR）等多种孔隙特征参数。同时，采用恒定水头法测定土壤饱和导水率（K_s），并通过一系列化学分析方法测定土壤 pH、土壤盐含量（SSC）和钠吸附比（SAR）等盐碱化特征参数。最后，运用结构方程模型（SEM）和方差分解分析水稻种植时长对土壤孔隙结构、盐碱化的综合影响。

研究结果表明，水稻种植对盐碱土壤的大孔隙结构有着显著影响。从土壤孔隙特征图像来看，随着水稻种植年限的增加，土壤孔隙数量明显增多，分布也更加均匀，且从表层向深层延伸。在 1 年种植处理（1a）中，大部分孔隙集中在 0 - 5cm 土层，且相互孤立、大小不一、连通性差；而在 12 年种植处理（12a）中，孔隙贯穿整个土层，形成了高密度的孔隙分布，结构疏松多孔。具体到孔隙特征参数，12a 处理的大孔隙度、水力半径、紧密度、分形维数、全局连通性、连通最大大孔隙度、最大孔径、平均孔径和比表面积等参数均显著高于 1a 和 5a 处理，而孔隙度圆度和欧拉数则显著降低。这意味着水稻种植增强了土壤孔隙传输水分和气体的能力，同时也增加了土壤孔隙的复杂性。

土壤孔隙在垂直方向上的变化也呈现出一定规律。大孔隙度和大孔隙数量总体上随深度增加而减少，但不同种植年限的变化速率有所不同。1a 处理的大孔隙度在 2 - 6cm 深度处急剧下降，5a 处理则是稳步下降，12a 处理在 2 - 12cm 土层下降较为平缓，之后逐渐下降，但始终高于 1a 和 5a 处理。大孔隙数量方面，1a 处理在 2 - 8cm 土层迅速减少，之后缓慢下降；5a 处理呈现 S 形变化；12a 处理的变化趋势与大孔隙度相似。

在土壤孔隙大小分布上，不同种植年限和土壤深度下，各孔隙类别的大孔隙度均随种植年限增加而增加。在 2 - 18cm 土层，5a 和 12a 处理中 70 - 200μm 孔隙类别的大孔隙度分别比 1a 处理增加了 19.6% 和 25.0%；200 - 1000μm 和大于 1000μm 孔隙类别的大孔隙度在各处理间也存在显著差异。从不同孔隙类别占总大孔隙度的比例来看，70 - 200μm 孔隙类别占比最大，但随着种植年限增加，200 - 1000μm 和大于 1000μm 孔隙类别的占比逐渐提高。

研究还发现，水稻种植对土壤盐碱化参数影响显著。在 0 - 20cm 表层土壤中，土壤 pH 值随着种植年限增加而降低，1a 处理时为 9.24，5a 处理降至 8.62，但 5a 和 12a 处理间差异不显著。SSC 和 SAR 也随种植年限增加而显著下降，12a 处理时 SSC 从 1a 处理的 5.64g/kg 降至 3.03g/kg。在 20 - 40cm 土层，也呈现出类似趋势；而在 40 - 60cm 土层，盐碱化参数在种植后保持不变甚至有所增加。通过相关性分析和 SEM 模型可知，大部分土壤孔隙参数与K_s呈显著正相关，与 pH、SSC、SAR 呈显著负相关。水稻种植年限通过影响土壤孔隙参数间接影响K_s，进而影响 SAR；而 SA 和 FD 是影响 SSC 的关键因素。

综合研究结论和讨论部分，水稻种植在盐碱地改良方面具有重要意义。一方面，它能够显著改善土壤大孔隙结构，增加大孔隙度、扩大孔隙尺寸，提升孔隙连通性，为水分和气体的传输提供更有利的通道，促进植物根系生长和微生物活动。另一方面，水稻种植有效降低了土壤盐碱化程度，通过淋洗作用带走土壤中的盐分，调节土壤 pH 值，减少钠离子对植物的毒害，提高土壤肥力，为农作物生长创造了良好的土壤环境。这项研究从大孔隙尺度深入揭示了水稻种植缓解土壤盐碱化的内在机制，为盐碱地的生物改良提供了科学依据，对指导盐碱地农业生产、保障粮食安全具有重要的现实意义。它不仅有助于优化盐碱地治理策略，提高盐碱地利用效率，还为后续相关研究提供了新的思路和方法。