红壤结构的形成机制、演变过程及其与水力学性质的关系

Soil structure plays a critical role in the movement and retention of gases, water and nutrients in soils, while its stability is also a key index predicting soil erosion. In the past, due to limitation of methodology, we could not answer how much soil structure the soil has, which further hampers us to understand its functions on agro-ecological system thoroughly. In this project, with the aid of high-resolution industrial micro CT and powerful image analysis, we are firstly to quantify the 3D soil structure of Ultisol under different fertilizations, and then to investigate how biotic and abiotic factors, i.e., soil organic matter, arbuscular mycorrhizal fungi，Fe/Al oxides, tillage, wetting and drying cycles, and crop roots, impact soil structure formation and stabilization, to understand dynamics of soil structure during soil organic matter decomposition, crop growth period, and wetting and drying cycles, to determine soil hydraulic properties including water infiltration, saturated and unsaturated hydraulic conductivity, soil water retention curve, and to model macropore flow and matrix flow with HYDRUS and ion breakthrough method. Eventually, we are to build up the relationship between key soil structure parameters and hydraulic properties. Results from this project will improve our understanding of dynamics of soil structure of Ultisol, and provide some basic knowledge for assessing soil structure function, ameliorating soil structure, and enhancing soil productivity in agricultural ecosystem sustainability.

土壤结构决定了土壤供水供肥和保水保肥的能力，其稳定性也影响土壤抗蚀性能。过去由于受研究技术和方法的制约，我们一直很难回答土壤结构是多少，也限制了进一步探讨土壤结构在农业生产、生态环境上的功能。本项目以南方典型红壤为研究对象，基于不同施肥处理的试验样地，利用高分辨率的工业微CT和图像分析技术，以定量化研究土壤结构三维特征为突破口，深入探讨土壤有机质、土壤微生物（真菌）、铁铝氧化物、耕作、干湿交替和作物根系等不同驱动因素对土壤结构的形成过程和演变过程的影响；田间监测和室内测定土壤水力学性质；利用穿透曲线和HYDRUS模型模拟大孔隙流和基质流；最后构建土壤结构主要参数与土壤水力学性质的函数关系。本项目的研究结果将丰富土壤主要物理过程的理论，并为评价土壤结构功能、改良土壤结构、提升农田土壤地力提供科学依据。

红壤侵蚀严重，有机质含量低。如何提高红壤固碳能力，阻控水土流失是红壤地区生态恢复所面临的重要问题。本项目以有机质 - 土壤结构 - 功能为主线，在发育于第四纪红黏土的红壤坡耕地开展团聚体形成稳定机制、有机质累积与团聚体周转、培肥措施下产流产沙规律等研究。经过4年的工作，取得主要结果如下：有机物利于大团聚体形成，而铁铝氧化物利于微团聚体形成；以腐质物为食的蚯蚓所形成的洞上下连通性好，而以土为食的蚯蚓所形成的洞小但数量多；生物质炭由于难以分解，对团聚体稳定性提高不明显。鉴于稀土氧化物颗粒小、难溶于水、与土壤颗粒结合能力强、对微生物活性影响小等特点，建立了稀土元素标记团聚体周转的方法与模型，发现了新碳累积与团聚体周转速度呈正相关。基于侵蚀小区，红壤坡耕地产流产沙集中在4-6月，侵蚀模数3000 ton km2左右，秸秆覆盖和有机培肥降低产沙80%以上；而生物质炭由于质量轻、颗粒小，团聚能力弱则容易侵蚀流失，改良土壤效果不明显，这与盆栽实验结果不一致。本项目研究结果表明春耕导致土壤结构稳定性下降，雨季来临，作物覆盖度低等三重因素是红壤坡耕地侵蚀的主要策动力，考虑到红壤坡耕地秸秆资源少，有机培肥通过提高团聚体稳定性是水土流失阻控的可行且有效措施。本研究创新点是提出了稀土元素标记团聚体周转的方法与模型，为阐明有机质累积与团聚体形成稳定的耦合关系提供了新的思路。项目主持人于2015年以第一客座主编出版专刊Soil & Tillage Research 1期（Vol. 146），至今已发表标注的SCI论文6篇，其中JCR一区论文3篇，CSCD论文3篇，申请专利1项（申请中），培养学生3名，在国内外会议上以口头报告形式介绍本项目研究成果3次。