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近年来，长三角地区大量水稻田改为设施菜地。水稻田改为设施菜地后由水旱轮作变为长期旱作，加上设施蔬菜地高温、高湿、无降水的特殊环境，以及高肥料投入、高复种的种植特点，导致土壤结构更易在短期内严重退化，发生板结。土壤板结会降低土壤养分利用率，引起蔬菜减产，土壤板结已成为设施蔬菜生产中不可忽视的障碍因子。因此，明确水稻田改为设施菜地后的土壤板结发生机制，对于土壤生产力恢复具有重要的意义。目前，关于水稻田改为设施菜地土壤性质变化研究主要集中在土壤化学、生物、环境等方面，对土壤物理性质的研究相对较少，土壤板结发生机制尚不明确。土壤板结必然会降低土壤通气孔隙，蔬菜生长往往需要透气性好的土壤。传统的土壤板结修复方法主要包括施用有机肥和掺沙。设施菜地背景下，有机肥改良土壤结构存在有机肥矿化速率快，改良效率低，施用量大等缺点;由于沙子容重大，内部没有孔隙，掺沙改良土壤存在增孔效率低的缺陷。为此，本研究提出一种新型无机土壤结构改良剂——“泡沫砂”。它具有质地轻、内部孔隙含量高等特点，理论上可以直接重构土壤孔隙结构，但泡沫砂在板结土壤改良的效果、效率，以及进一步对养分的调节，如对土壤氮矿化和氮淋失的影响等，目前尚不清楚。
为此，本研究以江苏省南京市为主要研究区，设施菜地板结土壤为土壤结构退化和修复机制研究对象，泡沫砂为土壤板结修复改良剂，利用X射线断层扫描技术(CT)和13C固体核磁技术等新方法，通过野外调研采样、温室盆栽试验、室内培养试验和土柱淋溶试验，来分析水稻田改为设施菜地后土壤团聚体与碳组分变化特征，建立土壤有机质含量与土壤结构特征间的相关关系，揭示设施菜地土壤的板结退化机制;通过分析泡沫砂添加量与土壤物理结构、土壤养分指标的相关关系，明确泡沫砂对板结土壤的修复效率以及对土壤氮矿化和养分淋失的影响。主要结果如下:
1、水稻田改为设施菜地后，土壤活性有机碳组分降低，土壤发生板结。水稻田改为设施菜地后，土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体稳定性减弱，例如，＞2mm机械稳定性团聚体含量和水稳性团聚体含量分别显著降低33.7％和27.9％，机械稳定性团聚体含量和水稳性团聚体平均重量直径分别降低了34.2％和34.2％。水稻田改为设施菜地后土壤有机碳组分结构发生变化，其中以烷基碳和烷氧碳为代表的土壤活性有机碳官能团含量降低，烷基碳和烷氧碳含量分别降低16.4％和24.4％;而以芳香碳、羧基碳和酮碳为代表的惰性有机碳官能团增加，芳香碳、羧基碳和酮碳含量分别增加32.0％、30.5％和46.4％。相关分析结果表明，不同土壤有机碳组分对团聚体稳定性的影响存在显著差异，活性有机碳官能团与＞2mm团聚体分布、平均重量直径呈正相关关系;惰性有机碳官能团与＞2mm团聚体分布、平均重量直径呈负相关关系。
2、设施蔬菜种植背景下土壤有机质对土壤结构特征的改良效果减弱。设施菜地条件下，土壤有机质与土壤结构特征的定量关系为:土壤有机质每增加1g·kg-1，土壤容重降低0.0037g·cm-3，团聚体平均重量直径增加0.0024mm，土壤总孔隙度和通气孔隙度的分别增加0.166％和0.096％。传统旱地研究结果则表明，土壤有机质每增加1g·kg-1，土壤容重降低0.0046～0.0117g·cm-3，团聚体平均重量直径增加0.029～0.084mm，土壤总孔隙度和通气孔隙度分别增加1.15～2.73％和0.58～0.822％。设施蔬菜地土壤有机质对结构特征的改良效果低于传统旱地。有机肥往往是通过有机质改良土壤结构，由此可见，设施菜地背景下有机肥改善土壤结构可能存在低效的问题。
3、泡沫砂能高效修复设施菜地土壤板结。泡沫砂添加量与土壤通气孔隙度有显著的定量关系:泡沫砂每增加1t·ha-1，土壤通气孔隙度增加0.18％。泡沫砂添加量与土壤通气孔隙度的定量关系是有机肥的近2倍。泡沫砂与不同孔径通气孔隙度存在显著的定量关系。泡沫砂每增加1t·ha-1，200～500μm、500～1000μm、1000～2000μm和＞2000μm通气孔隙分别增加0.01％、0.02％、0.03％和0.11％。泡沫砂的土壤通气孔隙提升效率随土壤孔隙孔径增大，这可能是由于泡沫砂通过自身的孔隙结构直接增加土壤通气孔隙。通过对比不同泡沫砂用量CT扫描图像和通气孔隙提取图像也可以发现，改良过程中土壤的泡沫砂保持了自身的通气孔隙结构。
4、泡沫砂能提升设施菜地增加土壤氮可利用性，提升土壤持水能力、土壤供氮能力和供氮速率，提高土壤养分利用率。矿化试验结果表明，泡沫砂施用量为5％、10％和15％时，设施蔬菜地土壤净氮矿化量分别比CK(0％)处理增加19.2％、49.5％和121％，矿化氮中硝态氮分别比CK增加1.92倍、14.2倍和53.8倍，矿化氮铵硝比分别为98∶2、96∶4、85∶15和60∶40，氮矿化势比CK增加22.6％、49.2％和120％，土壤氮矿化速率常数k增加-9.70％、17.0％和38.1％，土壤氮矿化综合指数增加9.86％、76.3％和201％。淋溶实验结果显示，泡沫砂用量为33.8t·ha-1、67.5t·ha-1和101t·ha1的处理，土壤持水孔隙度分别比CK增加4.19％～6.54％，土壤淋溶液体积减少1.75～5.14％，土壤淋溶液氮素浓度比CK增加27.6～42.4％，土壤淋溶液磷素浓度增加11.8％～42.8％;土壤淋溶液钾素浓度增加14.6％～21.0％。
综上所述，水稻田改为设施菜地后土壤容易发生板结。土壤有机质与土壤结构特征的相关关系表明，通过有机肥增加土壤有机质来改善土壤结构存在低效缺陷。泡沫砂则通过自身的孔隙结构直接增加土壤通气孔隙，提升土壤供氮能力和供氮速率，增加土壤养分浓度。因此，利用泡沫砂来改良土壤结构，提高土壤养分利用率切实可行。
为此，本研究以江苏省南京市为主要研究区，设施菜地板结土壤为土壤结构退化和修复机制研究对象，泡沫砂为土壤板结修复改良剂，利用X射线断层扫描技术(CT)和13C固体核磁技术等新方法，通过野外调研采样、温室盆栽试验、室内培养试验和土柱淋溶试验，来分析水稻田改为设施菜地后土壤团聚体与碳组分变化特征，建立土壤有机质含量与土壤结构特征间的相关关系，揭示设施菜地土壤的板结退化机制;通过分析泡沫砂添加量与土壤物理结构、土壤养分指标的相关关系，明确泡沫砂对板结土壤的修复效率以及对土壤氮矿化和养分淋失的影响。主要结果如下:
1、水稻田改为设施菜地后，土壤活性有机碳组分降低，土壤发生板结。水稻田改为设施菜地后，土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体稳定性减弱，例如，＞2mm机械稳定性团聚体含量和水稳性团聚体含量分别显著降低33.7％和27.9％，机械稳定性团聚体含量和水稳性团聚体平均重量直径分别降低了34.2％和34.2％。水稻田改为设施菜地后土壤有机碳组分结构发生变化，其中以烷基碳和烷氧碳为代表的土壤活性有机碳官能团含量降低，烷基碳和烷氧碳含量分别降低16.4％和24.4％;而以芳香碳、羧基碳和酮碳为代表的惰性有机碳官能团增加，芳香碳、羧基碳和酮碳含量分别增加32.0％、30.5％和46.4％。相关分析结果表明，不同土壤有机碳组分对团聚体稳定性的影响存在显著差异，活性有机碳官能团与＞2mm团聚体分布、平均重量直径呈正相关关系;惰性有机碳官能团与＞2mm团聚体分布、平均重量直径呈负相关关系。
2、设施蔬菜种植背景下土壤有机质对土壤结构特征的改良效果减弱。设施菜地条件下，土壤有机质与土壤结构特征的定量关系为:土壤有机质每增加1g·kg-1，土壤容重降低0.0037g·cm-3，团聚体平均重量直径增加0.0024mm，土壤总孔隙度和通气孔隙度的分别增加0.166％和0.096％。传统旱地研究结果则表明，土壤有机质每增加1g·kg-1，土壤容重降低0.0046～0.0117g·cm-3，团聚体平均重量直径增加0.029～0.084mm，土壤总孔隙度和通气孔隙度分别增加1.15～2.73％和0.58～0.822％。设施蔬菜地土壤有机质对结构特征的改良效果低于传统旱地。有机肥往往是通过有机质改良土壤结构，由此可见，设施菜地背景下有机肥改善土壤结构可能存在低效的问题。
3、泡沫砂能高效修复设施菜地土壤板结。泡沫砂添加量与土壤通气孔隙度有显著的定量关系:泡沫砂每增加1t·ha-1，土壤通气孔隙度增加0.18％。泡沫砂添加量与土壤通气孔隙度的定量关系是有机肥的近2倍。泡沫砂与不同孔径通气孔隙度存在显著的定量关系。泡沫砂每增加1t·ha-1，200～500μm、500～1000μm、1000～2000μm和＞2000μm通气孔隙分别增加0.01％、0.02％、0.03％和0.11％。泡沫砂的土壤通气孔隙提升效率随土壤孔隙孔径增大，这可能是由于泡沫砂通过自身的孔隙结构直接增加土壤通气孔隙。通过对比不同泡沫砂用量CT扫描图像和通气孔隙提取图像也可以发现，改良过程中土壤的泡沫砂保持了自身的通气孔隙结构。
4、泡沫砂能提升设施菜地增加土壤氮可利用性，提升土壤持水能力、土壤供氮能力和供氮速率，提高土壤养分利用率。矿化试验结果表明，泡沫砂施用量为5％、10％和15％时，设施蔬菜地土壤净氮矿化量分别比CK(0％)处理增加19.2％、49.5％和121％，矿化氮中硝态氮分别比CK增加1.92倍、14.2倍和53.8倍，矿化氮铵硝比分别为98∶2、96∶4、85∶15和60∶40，氮矿化势比CK增加22.6％、49.2％和120％，土壤氮矿化速率常数k增加-9.70％、17.0％和38.1％，土壤氮矿化综合指数增加9.86％、76.3％和201％。淋溶实验结果显示，泡沫砂用量为33.8t·ha-1、67.5t·ha-1和101t·ha1的处理，土壤持水孔隙度分别比CK增加4.19％～6.54％，土壤淋溶液体积减少1.75～5.14％，土壤淋溶液氮素浓度比CK增加27.6～42.4％，土壤淋溶液磷素浓度增加11.8％～42.8％;土壤淋溶液钾素浓度增加14.6％～21.0％。
综上所述，水稻田改为设施菜地后土壤容易发生板结。土壤有机质与土壤结构特征的相关关系表明，通过有机肥增加土壤有机质来改善土壤结构存在低效缺陷。泡沫砂则通过自身的孔隙结构直接增加土壤通气孔隙，提升土壤供氮能力和供氮速率，增加土壤养分浓度。因此，利用泡沫砂来改良土壤结构，提高土壤养分利用率切实可行。