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我国南方地区是水稻种植的最主要的区域，水稻种植面积占全国的80％以上。红壤性水稻土作为南方地区最主要的水稻土类型，在我国农业生产与粮食安全中占有重要地位。土壤的物理结构协调水、肥、气和热的运移与储存，是土壤肥力的物质基础，直接影响根系的生长。然而，水稻土由于水耕泥浆化，导致土壤分散，在水稻生长过程中经历多次灌水、晒田等干湿交替，土壤结构变化显著。因此，准确认识水稻土结构的动态特征并探究其对根系生长的影响对提高水稻土肥力和提高水稻产量具有非常重要的意义。
本研究以我国南方红壤性水稻土为研究对象，选取四种不同的长期(34 a)定位施肥方式，包括不施肥、单施化肥、化肥绿肥配施和化肥绿肥猪粪配施，通过X射线CT扫描技术和图像分析定量分析了不同施肥处理下水稻土孔隙结构;通过在干湿交替过程中多次采样以及利用Thermo-TDR探针在田间原位连续监测的方法，研究了不同施肥处理水稻土结构在干湿交替条件下动态变化。同时，通过室内模拟不同水耕强度和不同干湿交替强度来研究水稻土结构的变化及其对水稻幼苗期根系生长的影响。主要研究结果如下:
(1)与不施肥相比，长期单施化肥、化肥绿肥配施、化肥绿肥猪粪配施都能够显著提高水稻土有机质含量，降低土壤容重，增大土壤总孔隙度。X射线CT扫描分析水稻土大孔隙结构发现与不施肥(58.6％)相比，单施化肥(61.8％)提高了水稻土的总孔隙度，但并没有增大水稻土的大孔隙，而化肥与有机肥配施则使土壤的大孔隙增大2-3倍。单施化肥处理的热容量、热扩散率和热导率均高于化肥猪粪配施处理，单施化肥处理温度以及温度日较差均高于化肥猪粪处理。
(2)在水稻生长季田间晒田和淹水过程中多次采样来研究水稻土结构的动态变化。晒田（＞10天）的过程中水稻土容重增大0.05-0.18 gcm-3，团聚体稳定性(MWD)增大22.6-64.2％，土壤收缩能力(COLE)下降6.1-33.8％。而水稻土处于淹水过程中（＞15天），上述土壤物理结构性质则呈现相反的变化趋势。水稻土收缩曲线表明化肥绿肥猪粪配施处理的结构收缩比例最大，与团聚体间的大孔隙的数量较多一致。从收缩斜率来看，化肥配施绿肥猪粪等有机肥比不施肥和单施化肥的孔隙结构稳定。以上结果均表明绿肥和猪粪等有机物料的添加能够提高水稻土的大孔隙度并提高干湿交替过程中水稻土结构的稳定性。
(3)利用Thermo-TDR探针原位连续监测水稻土整个早稻季表层容重的动态变化，结果显示热导率方法估计的容重的均方根误差(＜0.04 gcm-3)和相对误差(＜3.2％)均分别显著低于热容量方法的均方根误差(＜0.23 g cm-3)和相对误差(＜22％)，表明前者比后者更准确地估测土壤容重动态变化。热导率估计容重与烘干法实测容重之间的相关系数为0.7。
(4)用搅拌器搅拌浸泡后的水稻土来模拟田间水耕，研究低强度(200 r/min，2 min)和高强度(200 r/min,8 min)水耕对土壤结构和水稻幼苗期(18d)根系生长的影响。结果表明模拟水耕破坏了水稻土的大团聚体，降低了团聚体稳定性，同时显著减小了土壤的大孔隙以及孔隙连通性。水耕强度越大，这些影响越显著。模拟水耕对水稻幼苗期较粗的胚根和冠根的生长没有产生显著影响，但是高强度水耕显著减小了幼苗期水稻侧根的长度(30.2％)和表面积(19.5％)。
(5)搅拌浸泡后的水稻土，随后模拟田间的干湿交替，同时在保证容重相同的情况下，增大水稻土的大孔隙（回填处理）。结果显示干湿交替虽然增大了土壤的穿透阻力（＞4倍），但同时也增大了水稻土的大孔隙度(＞30μm)，促进了深根系的Black Gora和浅根系的IR64幼苗期(14 d)根系的生长。回填处理较干湿交替更大程度增大了水稻土的大孔隙度（＞8倍），对根系生长的促进作用更显著。结果表明土壤大孔隙对水稻根系的生长非常重要，即使在土壤强度变大的情况下也能够显著促进水稻根系的生长。
本研究证实了有机肥和干湿交替等能够提高水稻土大孔隙度，改善水稻土结构，并明确了水稻土大孔隙可以促进水稻根系的生长，这对指导水稻田的田间管理，调控水稻土结构具有非常重要的意义。
本研究以我国南方红壤性水稻土为研究对象，选取四种不同的长期(34 a)定位施肥方式，包括不施肥、单施化肥、化肥绿肥配施和化肥绿肥猪粪配施，通过X射线CT扫描技术和图像分析定量分析了不同施肥处理下水稻土孔隙结构;通过在干湿交替过程中多次采样以及利用Thermo-TDR探针在田间原位连续监测的方法，研究了不同施肥处理水稻土结构在干湿交替条件下动态变化。同时，通过室内模拟不同水耕强度和不同干湿交替强度来研究水稻土结构的变化及其对水稻幼苗期根系生长的影响。主要研究结果如下:
(1)与不施肥相比，长期单施化肥、化肥绿肥配施、化肥绿肥猪粪配施都能够显著提高水稻土有机质含量，降低土壤容重，增大土壤总孔隙度。X射线CT扫描分析水稻土大孔隙结构发现与不施肥(58.6％)相比，单施化肥(61.8％)提高了水稻土的总孔隙度，但并没有增大水稻土的大孔隙，而化肥与有机肥配施则使土壤的大孔隙增大2-3倍。单施化肥处理的热容量、热扩散率和热导率均高于化肥猪粪配施处理，单施化肥处理温度以及温度日较差均高于化肥猪粪处理。
(2)在水稻生长季田间晒田和淹水过程中多次采样来研究水稻土结构的动态变化。晒田（＞10天）的过程中水稻土容重增大0.05-0.18 gcm-3，团聚体稳定性(MWD)增大22.6-64.2％，土壤收缩能力(COLE)下降6.1-33.8％。而水稻土处于淹水过程中（＞15天），上述土壤物理结构性质则呈现相反的变化趋势。水稻土收缩曲线表明化肥绿肥猪粪配施处理的结构收缩比例最大，与团聚体间的大孔隙的数量较多一致。从收缩斜率来看，化肥配施绿肥猪粪等有机肥比不施肥和单施化肥的孔隙结构稳定。以上结果均表明绿肥和猪粪等有机物料的添加能够提高水稻土的大孔隙度并提高干湿交替过程中水稻土结构的稳定性。
(3)利用Thermo-TDR探针原位连续监测水稻土整个早稻季表层容重的动态变化，结果显示热导率方法估计的容重的均方根误差(＜0.04 gcm-3)和相对误差(＜3.2％)均分别显著低于热容量方法的均方根误差(＜0.23 g cm-3)和相对误差(＜22％)，表明前者比后者更准确地估测土壤容重动态变化。热导率估计容重与烘干法实测容重之间的相关系数为0.7。
(4)用搅拌器搅拌浸泡后的水稻土来模拟田间水耕，研究低强度(200 r/min，2 min)和高强度(200 r/min,8 min)水耕对土壤结构和水稻幼苗期(18d)根系生长的影响。结果表明模拟水耕破坏了水稻土的大团聚体，降低了团聚体稳定性，同时显著减小了土壤的大孔隙以及孔隙连通性。水耕强度越大，这些影响越显著。模拟水耕对水稻幼苗期较粗的胚根和冠根的生长没有产生显著影响，但是高强度水耕显著减小了幼苗期水稻侧根的长度(30.2％)和表面积(19.5％)。
(5)搅拌浸泡后的水稻土，随后模拟田间的干湿交替，同时在保证容重相同的情况下，增大水稻土的大孔隙（回填处理）。结果显示干湿交替虽然增大了土壤的穿透阻力（＞4倍），但同时也增大了水稻土的大孔隙度(＞30μm)，促进了深根系的Black Gora和浅根系的IR64幼苗期(14 d)根系的生长。回填处理较干湿交替更大程度增大了水稻土的大孔隙度（＞8倍），对根系生长的促进作用更显著。结果表明土壤大孔隙对水稻根系的生长非常重要，即使在土壤强度变大的情况下也能够显著促进水稻根系的生长。
本研究证实了有机肥和干湿交替等能够提高水稻土大孔隙度，改善水稻土结构，并明确了水稻土大孔隙可以促进水稻根系的生长，这对指导水稻田的田间管理，调控水稻土结构具有非常重要的意义。