基于X射线计算机断层扫描的豆科覆盖作物轮作对变性土孔隙特性及颗粒有机质分布的影响研究

为解决长期单一耕作导致的土壤结构退化和有机质积累不足问题，研究人员通过X射线CT技术系统研究了豆科覆盖作物轮作对变性土孔隙结构和颗粒有机质(POM)分布的影响。研究发现小麦-决明(Cassia)轮作显著提高了土壤孔隙度(207%)和POM积累(90.4%)，改善了土壤导水导气性能(Ks、Ka、Ds/D0)，为改良变性土结构提供了新思路。

　　

在农业可持续发展面临严峻挑战的背景下，长期单一耕作导致的土壤结构退化和有机质流失已成为制约作物产量的关键因素。尤其对于我国淮北平原广泛分布的变性土(Vertisol)而言，其高粘粒含量和强收缩膨胀特性更易形成致密结构，严重限制根系发育和水肥利用效率。传统的小麦-玉米轮作虽能维持产量，但对改善土壤物理性质效果有限，而豆科作物虽具固氮优势，但对变性土结构改良的研究仍存空白。

针对这一科学问题，中国科学院南京土壤研究所土壤与可持续农业国家重点实验室的研究团队创新性地将药用豆科植物决明(Cassia occidentalis)和决明子(Cassia tora Linn.)引入轮作体系，采用X射线计算机断层扫描(CT)技术结合机器学习图像分析，系统研究了不同轮作模式对土壤孔隙网络和颗粒有机质(POM)三维分布的影响。这项发表在《Geoderma》的研究为改良变性土结构提供了重要理论依据和技术支撑。

研究团队采用了多学科交叉的研究方法：通过工业级X射线CT扫描获取土壤核心三维图像(分辨率60μm)；利用Ilastik机器学习平台进行POM智能分类(准确率94.5%)；采用形态学参数将POM划分为新鲜POM、根系POM和分解POM；通过Otsu全局阈值法分割孔隙网络；结合传统土壤物理性质测定(空气渗透率K_a、相对气体扩散率D_s/D₀、饱和导水率K_s)验证CT结果。

研究结果部分：

3.1 土壤基本性质

小麦-决明轮作(WCo)使土壤有机碳(SOC)提升46.6%，显著降低容重并提高团聚体稳定性(平均重量直径MWD增加75%)。空气渗透率(K_a)和饱和导水率(K_s)分别提高31%和1.65倍。

3.2 土壤孔隙结构特征

CT三维重建显示，豆科轮作显著增加120-1000μm孔隙度，其中WCo处理的连通孔隙度提升207%。孔隙表面密度和连接概率分别达0.74 mm^-1和0.86，显著优于单作系统。

3.3 POM分布特征

WCo处理使新鲜POM体积分数增加90.4%，其中72%-82%分布于连通孔隙中。根系POM在15-18cm深层土壤显著积累，形成独特的垂直分布模式。

3.4 土壤参数关联性

新鲜POM与>1000μm孔隙度(r=0.82)和导水半径(r=0.79)呈显著正相关，而分解POM则与120-500μm孔隙分布密切相关。

讨论部分深入揭示了豆科覆盖作物改良土壤的协同机制：决明属植物发达的直根系穿透犁底层形成稳定生物孔隙，其丰富的地上部生物量(10-15cm秸秆还田)提供了充足碳源；根系分泌物促进微生物在孔隙界面形成"热点"，加速新鲜POM向分解POM转化；改善的孔隙网络(K_s提高2.1倍)又为后续作物根系生长创造了有利环境，形成"POM-孔隙"正向反馈循环。相比传统大豆轮作(WS)，决明轮作系统在提升土壤结构稳定性方面表现出独特优势，这与其较高的木质素含量和特殊的根系构型密切相关。

该研究首次从三维孔隙尺度阐明了豆科药用植物改良变性土的微观机制，为突破粘质土壤改良的技术瓶颈提供了新思路。研究建立的CT-POM分析方法为土壤有机质动态研究提供了方法学借鉴，而筛选出的决明属植物则为农田生态系统的可持续管理提供了优良的覆盖作物资源。未来研究可进一步解析不同分解阶段POM的化学组成变化及其与孔隙微生物的互作机制。