随着目前世界农业发展遇到的耕地面积减少，土地退化等问题，世界各国都重点关注通过盐碱地的改良利用来提高土壤耕地面积。吉林省西部盐碱土属于内陆苏打型，是盐碱土类型中改良利用难度最大的土壤类型^[1]。松嫩平原西部盐碱地面积从1954年到2005年面积增加了69.597hm²，保持了每年1%的增长^[2]。科学研究和生产实践表明，通过在苏打盐碱地种植水稻是一条行之有效的方法。通过种植水稻能够分解土壤中的有机物，产生大量有机酸及中间代谢产物，中和土壤的碱性^[3]。种植水稻过程中保持淹水条件不仅可以起到压盐排碱的作用，通过保持水层还可以减少盐分蒸发向上迁移^[4]。水稻种植期间的耕作、灌排等能够有利于土壤耕层的淡化。我国从1953年开始在吉林省前郭县研究种稻改良试验，陈恩凤等^[5]的研究表明通过种稻改良，“排水洗盐”效果明显，土壤含盐量和矿化度均呈现降低趋势。20世纪70年代，尚庆昌等^[6]进行了水稻育秧床土调酸技术研究，极大推动了苏打盐碱地种稻改良技术。赵兰坡等^[7]通过在前郭县盐碱地的研究，提出了建立盐碱地“淡化表层”的评价体系。Hayward和Wadleigh ^[8]探究了在滨海盐碱土中燕麦糠减少植物盐离子胁迫的潜在价值。目前，对于土壤入渗问题的研究大多以非盐碱土居多。解文艳和樊贵盛^[9]针对土壤结构和质地对入渗速率的影响进行研究。袁建平等^[10]针对黄土高原小流域进行了入渗试验，研究了不同耕作方式对土壤入渗的影响。王雪和樊贵盛^[11]认为在原生盐碱荒地的土壤中掺入石膏对入渗性能提高最大，不过该研究改变了原生土壤结构，属于扰动土壤的入渗研究。

对于盐碱地而言，不同土壤孔径的组成和分布直接影响了土壤结构的好坏，进而影响土壤入渗性能，决定土壤淋洗排盐的效率^[12]。土壤孔隙能够真实反映土壤结构状况，应作为土壤结构研究的重点^[13]。随着技术的发展，土壤孔隙的测定也由之前的间接计算变为直接测定方法，具体包括土壤切片分析、X射线扫描土壤断面、压汞法，气体吸附法测定等^[14]。王清和王剑平^[15]应用分形几何的无标度概念，实测了土壤的孔隙分布情况，提出黏性土的孔隙划分界限。熊承仁等^[16]利用SEM照片获取了黏性土的孔隙结构参数。冯杰和郝振纯^[17]利用CT扫描得到了土壤断面大孔隙的分形维数，分析了分形维数随土壤深度的变化。

本文通过对比不同种稻年限的盐碱土壤的孔隙组成和入渗性能指标，探究不同种稻年限对盐碱土壤孔隙和入渗性能的影响，进一步探究种稻对苏打盐碱土的改良作用机理，为改良盐碱地提供技术支撑。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于吉林省白城市通榆县境内，属中温带半干旱大陆性季风气候区，年均气温5.1℃，春秋干旱多风，夏季炎热多雨。年均降水407.6mm，春冬降水少，夏秋降水集中，尤其是7、8月份占全年降水的70%左右，“十春九旱”构成了通榆气候的特点^[18]。该地地下水埋深为1~3 m，矿化度为0.5~3.0g ·L^–1，属于弱矿化类型^[19]。供试土壤质地为砂质黏壤土^[20]，砂粒占比54.12%，粉粒占比18%，黏粒占比27.88%，土壤容重为1.57g·cm^–3，比重为2.65g·cm^–3。该试验区为典型的苏打盐碱土，主要盐分为CO₃^2–、HCO₃^–等离子。该试验区荒地pH为10.08，EC为0.42 mS·cm^–1，碱化度为39.83%。当地基本于每年5月底进行灌水泡田，6月初进行插秧，复合肥（12-19-14）用作底肥，水稻不同生育期用硫酸铵进行追肥，期间正常田间管理。

1.2 试验设计

田间试验：通过走访当地群众选取取样地块，保证相同的考虑地形等外部环境因素。对同一农户种植的不同开发年限的盐碱地水稻田块进行取样，保证了不同地块种植条件差异较小。采集的土壤种稻年限分别为：1a、3a、5a、7a。于2018年9月25日水稻收获之后各随机选取10 m×10 m地块，对不同地块沿对角线用环刀进行三次取样，取样深度为0~20 cm，取样完成用塑料薄膜包裹环刀，运输过程中防止挤压土壤，在实验室通过压汞法对土壤孔隙进行测定。

土柱实验：用PVC管（高度20 cm，内径10 cm）对选取的10 m×10 m地块耕层土壤和未开发的荒地（CK）进行取样，沿对角线取样三次，用塑料薄膜进行封口，带回实验室装填进有机玻璃管内（高度40 cm，内径10 cm）。用200目的滤布封住有机玻璃管底口，在滤布上垫少量石英砂作为反滤层。利用马氏瓶稳定供水，保持土层上4 cm的供水水头，测定土壤入渗的相关数据。该实验进行三次重复。

1.3 测定指标和方法

土壤孔隙：压汞法测定原理大致认为多孔材料的内部孔隙分布是呈现大小不等的连通性的圆柱状，每条孔隙均能达物品外表面，能够与汞蒸汽直接接触，使汞蒸气能够进入孔隙，根据Washburn^[21]公式进行孔隙度计算：

$ r = \frac{{ - 4\beta \cos \theta }}{P} $

式中，r为孔径（nm）；P为进汞压力（MPa）；$\beta $为汞的表面张力（0.485N·m^–1）；$\theta $为汞与孔隙接触角（140°）。

入渗特征指标：不饱和土壤的入渗速率、土壤湿润锋深度、稳定入渗速率。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2013进行处理，采用SPSS软件进行数据分析统计，试验结果采用Origin8.1作图。

2 结果与讨论 2.1 不同种植年限对土壤孔隙的影响

土壤孔隙是水分运动和储存的场所，直接影响土壤入渗性能，针对盐碱地而言，良好的土壤孔隙分布能够有效地增加盐分的淋洗，提高土壤表层脱盐速率，毛管孔隙的减少，能破坏盐分上行的通道，有效防止土壤返盐的发生^[22]。土壤孔隙的变化情况是盐碱地改良的重要指标之一。

表 1是通过压汞法测定的关于不同种植年限下的0~200 μm的微观孔隙的比表面积、平均孔径、孔隙率等的参数。土壤平均孔径不断增加，种植3a、5a、7a较1a分别增加了0.07 μm、0.25 μm、0.808 μm，其中种植1a和3a差异不明显，种植5a和7a较1a和3a年限差异明显。土壤比表面积随种植年限的增加不断降低，种植3a、5a、7a的比表面积较第1年的降低了0.024 m²·g^–1、0.056 m²·g^–1、0.087 m²·g^–1，其中种植1a和3a差异不明显，种植5a和7a较1a和3a差异明显。随着种植年限的增加，土壤孔隙率不断增加，种植3a、5a、7a较1a分别增加了5.05%、7.21%、8.35%，且与1a均差异明显，种植5a和7a之间差异不明显。其中，种植7a孔隙率较5a虽然只增加了1.14%，平均孔径却从0.406μm增加到0.964 μm，说明可能是由于中小孔隙逐渐转变为大孔隙。

图 1可以较为直观地表征土壤孔径的分布情况。峰值所对应的数值可以认为是土壤多数孔径的分布情况。从图中可以看出，随着种植年限的增加，峰值不断右移，说明土壤孔径不断增大。种植7 a的土壤孔径两个峰值分别对应20 μm和40 μm，说明种植7 a的土壤孔隙集中分布于20 μm和40 μm。

图 2是通过压汞法测定土壤孔隙后，参考美国土壤学会土壤分级占比对土壤孔隙进行分类^[23]。从图中可以看出，在0.01~0.1 μm土壤孔隙范围内所占比例分别为10.42%、5.32%、5.26%、5.83%，随着种植年限的增加，集中在这一范围内的小孔隙数量不断减少；在0.1~5μm范围内，变化规律同上，种植7a土壤孔隙所占比例最小，为12.96 %；在5~30μm范围内，不同种植年限的土壤孔隙占比差别不大，种植3 a和5 a的土壤孔隙占比较1a增加了10.22%和10.65%；在30~75 μm范围内，种植7 a的土壤在这一范围内的孔隙占比较其他年限分别提高了23.77%、16.31%、8.9%；在75~200 μm范围内，种植7a的土壤在这一范围内的孔隙占比较其他种植年限分别提高了12.19%、6.89%、3.37%。种植7a的土壤在30~75 μm和75~200 μm的范围内的占比最大，分别为28.25%和12.45%。

通过分析不同种植年限土壤的孔隙分布和占比可以发现，随着种植年限的增加，土壤中的无效孔隙（当量孔径＜2μm）占比不断减小，大中孔隙占比不断增加，其中种植7a的土壤大孔隙所占比例最高。

通过对土壤质地进行测定，分析表 2可以发现土壤黏粒含量随种稻年限增加不断降低，土壤粉粒含量不断增加，土壤砂粒含量变化不明显。其中，种植5a以上的土壤粉粒和黏粒含量较其他年限的土壤差异显著，种植5a和7a的土壤颗粒组成差异不明显。说明一方面随着种稻年限的增加，可能导致土壤颗粒不断团聚，小颗粒逐渐团聚成大中颗粒。另一方面可能是种稻淹水条件下土壤小颗粒被淋洗至下部，大颗粒的比例增加。随着小颗粒占比的不断减少，土壤比表面积不断降低。土壤孔隙的增多和孔隙率增加，能够有效改善土壤结构。黏粒含量降低，土壤胶结能力减弱，有利于土壤孔隙的形成，小孔隙减少，大中孔隙增加。另一方面，随种稻年限的增加，土壤盐碱胁迫不断减弱，有利于水稻生长和水稻根系的延伸发育，形成一定规模的根系，能够增加土壤大孔隙数量。

2.2 不同种植年限对土壤入渗特征指标的影响

土壤入渗是指水分从土壤表面渗入土壤内部的现象，是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的重要环节^[24]。盐碱地因为土壤入渗性差，土壤板结严重，盐分难以向下淋洗。土壤入渗性能直接影响了盐碱地盐分淋洗和脱盐的效率。

从图 3分析可知，CK的土壤湿润锋和种植1 a的土壤湿润锋推进速度较慢，200 min以后土壤湿润锋基本不再下移。种植3 a的土壤湿润锋500 min后基本达到20 cm的底部；种植5 a和7 a的土壤湿润锋在100 min左右即达到底部，且无明显差异。

从图 4分析得知，0~15 min为初始入渗阶段，水分入渗锋面快速延伸，入渗速率递减。15 min以后入渗速率递减，逐渐趋于平稳。可以看出随着种植年限的增加，土壤入渗速率也是不断增加。

待土柱达到稳定入渗时测定其稳定入渗速率，从图 5分析可以发现，随着种植年限的增加，土壤稳定入渗速率也呈现增加趋势。其中，CK和种植1a的土壤稳定入渗速率较低，分别为0.007 cm·h^–1和0.011 cm·h^–1，且差异性不显著。种植3a的土壤的稳定入渗速率为0.12 cm·h^–1，与其他种植年限土壤入渗速率差异显著。种植5a和7a的土壤的稳定入渗速率分别为0.69 cm·h^–1和0.75 cm·h^–1，且差异性不显著。种植7a的土壤稳定入渗速率较荒地提高了107倍。

CK和种植1a的土壤入渗速率明显较低，可能是由于土壤容重较大，有机质含量低，团粒结构稳定性低，表层团粒遇水容易溃散，水分入渗时会沉积在大孔隙中阻碍水分入渗，分散的黏粒也会在土壤表面形成致密层，导致入渗能力变差^[25]。另一方面土壤钠质化严重，土壤胶体上吸附的交换性钠离子浓度高，导致土壤胶体水化度增大，土壤胶体高度分散，阻碍水分入渗^[26]。随着水稻种植年限的增加，形成了“淡化表层”，有机质含量增加，土壤碱化度降低，土壤结构改善，孔隙率和孔径增加，导致土壤入渗性能不断提高。对盐碱地而言，入渗性能的提高，能够加快土壤表层脱盐，加速盐分向下淋洗的速率，达到改良盐碱地的目的。

3 结论

随着种植年限的增加，土壤结构不断改善。土壤平均孔径不断增加，种植7 a的土壤平均孔径较1 a增加了0.808 μm。土壤比表面积随种植年限的增加不断降低，种植7a的土壤比表面积较1 a降低了0.087 m²·g^–1。土壤孔隙率不断增加，种植7 a的土壤孔隙率较1 a增加了8.35%。随着种植年限的增加，在30~75 μm和75~200 μm范围内的土壤孔隙占比不断增加，种植7a的土壤孔隙在这两个范围内的占比最大，分别为28.25%和12.45%。土壤入渗性能随种植年限的增加变化明显。除种植1a的土壤较荒地土壤入渗性能无显著差异外，其他种植年限的土壤入渗性能较荒地均有显著性提高。种植7a的土壤稳定入渗速率较荒地提高了107倍。盐碱地通过种植水稻，有利于土壤孔隙的形成和小孔隙减少，大中孔隙增加。土壤孔径和孔隙率的增加，有效改善了土壤结构，提高了土壤入渗性能。盐碱土壤盐分向下淋洗的速率增加，提高了土壤耕作层的脱盐效率。证明在东北苏打盐碱地种稻改良是一条行之有效的方法。