发布时间：2022-01-27所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：为探明不同土壤结构改良措施(秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂)对土壤孔隙特征及分布的影响，采用计算机断层(computed tomography，CT)扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数
摘 要：为探明不同土壤结构改良措施(秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂)对土壤孔隙特征及分布的影响，采用计算机断层(computed tomography，CT)扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及 0.13～1.0 mm 孔隙数，且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳，其次为保水剂和秸秆覆盖，对照最低。此外，不同措施显著提高了土壤的田间持水量和>0.25 mm 水稳性团聚体含量，降低了土壤容重，且各处理中，仍以有机肥和免耕处理效果最佳，其田间持水量分别较对照提高了 15.9%和 16.4%，而土壤容重较对照降低了 6.8% 和 8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和>0.25 mm 水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。
关键词：土壤，秸秆，土壤水分，土壤改良，CT 扫描，土壤孔隙，定量分析
0 引 言
近年来，应用 CT 扫描技术进行土壤孔隙度[1-3] 和土壤孔隙空间分布状况等研究，已成为研究土壤孔隙特征的新方法[4-8]。与常规方法相比，CT 扫描法具有不破坏土体和分析精度高(mm 至 μm 尺度)[9] 等优点。相关研究[10-12]表明，利用 CT 扫描法可研究土壤孔隙度、孔隙表面分形维数、土壤孔隙的分布特征、土壤密度和土壤含水量空间分布，以及非饱和导水率等土壤性质。同时，CT 扫描技术能够准确揭示大孔隙(直径>1 mm)的数目、大小及位置[10]，且由土壤容重计算获得的总孔隙度与 CT 扫描技术得到的结果较为一致[13]。此外，学者们[7-8,14] 对含有各种大孔隙的原状土柱或填充土柱[15]进行了 CT 扫描研究，得到了土壤大孔隙数目、大小、形状及连通性等在土柱横断面或纵断面上的分布特征。
免耕、秸秆覆盖、有机肥与表土作业等土壤结构改良措施可增加土壤有机质，改良土壤结构[16]，提高土壤肥力[17]和土壤孔隙度，降低容重，促进作物生长[18]。Eduardo 等[19]研究发现，长年免耕能够提高土壤团聚体稳定性，且 0～5 cm 的土层作用效果更为明显。Antonio 等[20]经过 3 a 的连续试验发现，秸秆覆盖改善了土壤理化性质，土壤孔隙度及土壤团聚体稳定性均得到了提高，土壤有效水含量及导水能力也均显著提高。而刘定辉等[21]研究发现，秸秆还田结合免耕可增加 10～20 cm 土层通气孔隙的孔径，降低了无效孔隙的孔径，改善心土层的土壤结构，提高耕层土壤的持水性能，增加土壤水分库容量。同时，有机肥或有机无机肥混施能够显著提高土壤和团聚体中的有机碳含量，从而提高团聚体稳定性[22-25]。而堆肥和农家肥可增加有机质含量[22,26]，并有利于大团聚体的形成，从而提高团聚体稳定性[27]，增加土壤蓄存水分和保持水土的能力。作为具有改善土壤结构的保水剂，其可促进团粒形成[28]，且可改善土壤孔隙特征[15]，增加土壤毛管孔隙度和总孔隙度[29]，提高土壤入渗能力[30]，还可抑制表土结皮和土面蒸发等。有关这方面的研究已屡见不鲜，但不同措施对土壤孔隙数量、大小及在土壤剖面上的分布的影响如何仍不清楚，而定量分析不同土壤结构改良措施对土壤孔隙的影响，对阐明其对土壤孔隙的作用机理具有重要的科学意义。
因此，应用 CT 扫描技术对土壤孔隙进行扫描，并对其图像孔隙参数进行比较与分析，可研究不同土壤结构改良措施对土壤的孔隙分布状况的影响，为不同土壤改善措施的合理应用及阐明其对土壤孔隙的作用机理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在河南省开封市通许县朱砂镇演武岗村进行，演武岗地处暖温带大陆性季风气候，全年太阳辐射总量 512.9 kJ/cm2，年平均光照时数 2 428 h，日照百分率为 55%;年平均气温 14.2℃，>10℃的有效积温 446℃，无霜期 222 d，多年平均降水量 682.4 mm，其中 7～9 3 个月降水量占全年降水量的 60%，年蒸发量为 1 936 mm，蒸发量是降水量的 3～4 倍。存在较严重的春旱和伏旱;土壤为砂质潮土，土壤母质为河流冲积物，该地区地势平坦，海拔 60 m，耕层有机质 11.98 g/kg、全 N 0.85 g/kg、全 P 0.78 g/kg、水解氮 55.89 mg/kg、速效磷 15.91 mg/kg、速效钾 69.4 mg/kg。土壤容重 1.32 g/cm3 ，土壤机械组成为：砂粒(2～0.02 mm)占 82.0%，粉粒(0.02～0.002 mm)占 8.3%，黏粒(<0.002 mm)占 8.7%。
1.2 材料与方法
1.2.1 试验设计
采用大田试验，研究设置：处理 1：常规耕作(对照)、处理 2：保水剂(聚丙烯酰胺类，60 kg/hm2 )、处 理 3 ：秸秆覆盖(玉米秸秆粉碎 1 cm ， 4 500 kg/hm2 )、处理 4：有机肥(鸡粪，750 kg/hm2 ，氮、磷、钾质量分数分别为 1.5%、1.2%、0.8%)、处理 5：免耕，共 5 个处理。3 次重复，随机区组排列。播种前用普通过磷酸钙(P2O5 90 kg/hm2 )作肥底;N 肥 225 kg/hm2 ，底施 50%，分别在小麦拔节期追施 30%和灌浆期 20%。本试验于 2009 年 10 月开始进行定位试验观测，试验处理为每年小麦播种前(10 月 25 日)进行，试验地块为小麦、玉米轮作制。小区面积 4 m×8 m=32 m2 。于 2012 年 6 月 6 日小麦收获后进行原状土柱(0～13 cm)、环刀样(0～13 cm，)及原状土(0～13 cm)的采集。
1.2.2 CT 扫描测定方法
1)原状土柱的采集
原状土柱采用内直径为 50 mm，厚度 2 mm，长度 130 mm 的 PVC 硬质管材进行采集。取样前，将 PVC 管的一端打磨成刀口，以便取样。分别在大田试验中不同处理中取土柱 3 个重复。带回实验室后，放置于 4℃左右的冰箱里待用。室内准备 2 根直径分别为 2.0 和 2.4 mm 的钢条，直立在 PVC 管中，并装入与原状土柱容重一致的土壤，填满后再将钢条拔出，制作出 2 个已知直径的大孔隙作为对照[7-8]，以确定孔隙阈值。
2)CT 扫描
本试验采用新型美国 CE 公司的 PET-CT (DISCOVERYST16)256 层极速 CT 扫描仪。扫描土柱前，需重新设定医用 CT 装置的扫描参数。扫描峰值电压设定为 120 kV，电流设定为 110 mA，扫描时间设定为 1 s，扫描厚度为 1 mm，从距离土柱顶端 20 mm 处开始扫描，每隔 5 mm 扫描一个横截面，每个土柱扫描 20 幅横截面图片，共 15 个土柱(5 个处理，3 个重复)，总共得到 300 幅扫描图像。扫描土柱不同土壤密度区在图像中以不同亮度表示，土壤大孔隙从图像中可清晰地显示出来[14]。图片中密度越小的区域越黑，密度越大就越白。
3)图像分析
将得到的 CT 扫描图片保存到计算机中，得到 JPG 格式的灰度图像。采用 ImageJ 1.44 版本软件[31] 对 CT 扫描图片进行图像分析。分析图像的尺寸选择 50 mm×50 mm，其面积为 2 500 mm2 。图片分析前，首先要将所得 CT 图像转换为 8 位图像，之后再进行图像分割。根据已知的大孔隙，设定其分割阈值，选取阈值为 70。图像分割后，得到黑白二值图像，白色部分为土壤基质，黑色部分为土壤孔隙。分析得到的孔隙特征参数为：孔隙数目、面积、周长及成圆率等。
至今，对大孔隙孔径的划分及其对大孔隙最小值的定义均没有得到一致的结论。Warner[10]和 Luxmoore[32]认为当量孔径(与一定的土壤水吸力相当的孔径)>1mm 的孔隙是大孔隙;而 Beven[33]认为当量直径大于 0.03 mm 的孔隙为大孔隙。 Warner[10]利用 CT 扫描技术，准确获得了>1 mm 的大孔隙。本试验中所能辨别的最小当量孔径为 0.13 mm。
因此，本研究的孔隙可分为大孔隙(当量直径 ≥1 mm)和当量直径为 0.13～1 mm 孔隙 2 类。CT 测得的总孔隙数为大孔隙数与当量直径为 0.13～ 1 mm 孔隙之和。CT 测定的大孔隙度或 0.13～1 mm 孔隙度为大孔隙或 0.13～1 mm 孔隙的面积占图像面积的百分数，总孔隙度为大孔隙度和 0.13～1 mm 孔隙度之和。
1.2.3 田间持水量、土壤容重和水稳性团聚体含量测定
田间持水量和土壤容重采用环刀法，水稳性团聚体含量测定采用湿筛法[34]，取样土层深度为0～13 cm。
1.2.4 数据统计方法
全土壤剖面的孔隙参数、容重、田间持水量等为不同土层的平均值。不同土柱参数值均为 3 次重复的算术平均值。分析所得的数据应用统计学及相关的数理统计软件(DPS10.0)进行方差分析与处理。
2 结果与分析
2.1 不同处理对土壤总孔隙(>0.13 mm)、大孔隙(>1.0 mm)和 0.13～1.0 mm 孔隙特征的影响
从表 1 可知，不同处理均提高了土壤总孔隙、大孔隙和 0.13～1.0 mm 孔隙数目，其中有机肥处理的各孔隙数目最多，其次为免耕、保水剂和秸秆覆盖，对照最少，其中大孔隙数分别比对照孔隙数目增加了 197.7%、146.8%、89.5%、58.3%。而不同处理的土壤总孔隙度和大孔隙度均表现为：免耕>有机肥>秸秆覆盖>保水剂>对照(P <0.05)。其中，免耕和有机肥处理的总孔隙度分别较对照高 272.5%、242.5%，而其大孔隙度分别较对照高 343.1%、302.7%。与大孔隙相比， 0.13～1.0 mm 孔隙数目虽明显多于大孔隙，但 0.13～1.0 mm 孔隙度所占比例却较低。因此，土壤总孔隙度的大小主要由大孔隙决定。各处理中以有机肥和免耕处理对于土壤孔隙数或孔隙度的提高幅度较大。
2.2 不同处理孔隙平均成圆率
孔隙成圆率表征了孔隙的形态特征，其数值越接近于 1，其孔隙形态越接近于圆。若孔隙面积相同，而孔隙周长越不规则，其成圆率则越小。不同孔隙形态特征会影响土体的通气性能和水分的传输。
从表 1 中可以看出，0.13～1.0 mm 孔隙成圆率>总孔隙成圆率>大孔隙成圆率，说明，孔隙越小，其越近似圆形。总孔隙的成圆率表现为：有机肥>免耕>秸秆覆盖>保水剂>对照(P<0.05);大孔隙的成圆率表现为：免耕>有机肥>秸秆覆盖>保水剂>对照(P<0.05)。而 0.13～1.0 mm 孔隙成圆率表现为：有机肥>免耕>秸秆覆盖>保水剂>对照。说明，不同土壤结构改良措施改善了土壤的孔隙形态，提高了土壤孔隙的成圆率，使土壤孔隙更接近圆形，有利于水分在土壤中的传输、保存及作物吸收利用。各处理中仍以免耕和有机肥处理效果较为显著。
2.3 不同处理不同土层总孔隙数、大孔隙数及 0.13～1.0 mm 孔隙数分布特征
从图 1 中可看出，不同土层其孔隙数目及类型存在一定的差异。随土层的加深，总孔隙数和大孔隙数及 0.13～1.0 mm 孔隙数表现为先增加后减少的趋势，40～55 mm 土层的孔隙数目大于其他土层。对不同土层而言，对照不同类型孔隙数目均最少，而有机肥处理的总孔隙数、大孔隙数及 0.13～ 1.0 mm 孔隙数均显著大于其他处理，其次为免耕处理，保水剂处理的总孔隙数和大孔隙数次之，且均大于秸秆覆盖的处理。但二者 0.13～1.0 mm 孔隙数在 35～60 mm 之间差异不显著。表明，不同土壤结构改良措施不仅提高了土壤的大孔隙数目，且 0.13～1.0 mm 孔隙数也相应提高，因此土壤总孔隙数也相应提高，各处理中以有机肥处理的效果最佳。
2.4 不同处理不同土层总孔隙度、大孔隙度及 0.13～1.0 mm 孔隙度分布特征
从图 2 中可知，在 25～50 mm 土层，土壤总孔隙度和大孔隙度表现为：免耕>有机肥>秸秆覆盖>保水剂>对照(P<0.05)。到 55 mm 土层以下，秸秆覆盖处理的总孔隙度和大孔隙度迅速降低，而保水剂处理的总孔隙度和大孔隙度虽然也有所降低，但上下土层的孔隙度介于 5%～15%。免耕和有机肥处理的总孔隙度和大孔隙度在 25～90 mm 土层中均显著高于其他处理，其总孔隙度和大孔隙度在 15%～35%，尤其在 70～90 mm 土层，免耕处理的总孔隙度和大孔隙度大于 25%，且显著高于有机肥的处理。而对 0.13～1.0 mm 孔隙度而言，随土层之加深各处理均有所降低。而处理间的差异增大，尤其是秸秆覆盖的处理变化更大。而保水剂处理 0.13～1.0 mm 孔隙度在不同土层中相对较低，但较对照高。在 65 mm 土层以上，有机肥处理较其他处理高，且在 90 mm 土层以下，其仍较高，其次为免耕、保水剂和秸秆覆盖处理。
综上所述，对照土壤的孔隙度在 40 mm 土层以下较为一致，其总或大孔隙度在 5%左右。而保水剂和秸秆覆盖对于土壤孔隙改善主要体现在土壤表层，随土层的加深，其作用效果有所降低。而免耕和有机肥处理对 50～90 mm 土层之间的土壤总孔隙度和大孔隙度的提高更为显著。
2.5 不同处理不同土层孔隙成圆率分布特征
不同土层土壤孔隙成圆率如图 3。可看出，各处理的土壤孔隙成圆率在 0.65～0.90 之间。对照土壤的孔隙成圆率介于 0.65～0.75，且 85～110 mm 的孔隙成圆率显著低于其他土层，但随土层的加深，孔隙成圆率又增大，说明，对照土壤的孔隙成圆率波动较大。免耕和有机肥处理的成圆率介于 0.80～0.90，明显大于秸秆覆盖和保水剂的处理，且其上下土层的孔隙成圆率波动较小，从而有利于水分在土体中的传输。随土层的加深，保水剂处理的土壤孔隙成圆率先增大后减小再增大，且在 45 mm土层以下，其成圆率均大于秸秆覆盖的处理。而秸秆覆盖处理的土壤孔隙成圆率在 25～90 mm 土层间保持在 0.75～0.80，但随土层的加深，其孔隙成圆率波动较大。
说明，不同土壤结构改良措施改善了不同土层土壤孔隙的形态，使孔隙更加规则而接近于圆，有利于水分和气体在土壤中的传输与交换，且利于水分向下层土壤中运移，提高土壤的入渗能力。各处理中，免耕和有机肥处理较佳。
2.6 不同处理容重、田间持水量及水稳性团聚体含量分析
从表 2 中可看出，采用不同土壤结构改良措施后，其田间持水量均显著提高，尤其是有机肥和免耕处理，其分别较对照提高了 15.9%和 16.4%，其次为保水剂处理，较对照提高了 11.4%。而秸秆覆盖处理与对照差异不显著。而作为土壤容重，其大小由土壤孔隙和土壤固体的数量来决定，容重越大土壤孔隙所占比例越小，反之越大。免耕处理的土壤容重最小，其次为有机肥、保水剂、秸秆覆盖处理，对照容重最大。表征土壤结构稳定性的>0.25 mm 水稳性团聚体含量表现为：免耕>有机肥>保水剂>秸秆覆盖>对照。表明，不同土壤结构改良措施通过改善土壤团聚体含量，进而改善了土壤孔隙，提高了土壤田间持水量，降低了土壤容重，从而改善了作物生长的土壤环境，有利于作物的生长。
2.7 不同指标相关性分析
对田间持水量、土壤容重及>0.25 mm 水稳性团聚体含量与 CT 扫描法测得的土壤孔隙参数进行相关性分析，结果如表 3。田间持水量和>0.25 mm 水稳性团聚体含量与各孔隙参数均成正相关关系，其中，田间持水量与总孔隙度、大孔隙度、0.13～1.0 mm 孔隙度、大孔隙成圆率和 0.13～1.0 mm 孔隙成圆率呈显著正相关(P<0.05)，>0.25 mm 水稳性团聚体含量与总孔隙度和大孔隙度成极显著正相关(P<0.01)，其与总孔隙成圆率和大孔隙成圆率呈显著正相关(P<0.05)，但与其他孔隙参数相关性不显著。而各孔隙参数与容重成负相关关系，其中，容重与总孔隙度、大孔隙度、大孔隙成圆率和 0.13～1.0 mm 孔隙成圆率呈极显著负相关(P<0.01)，与 0.13～1.0 mm 孔隙度和总孔隙成圆率呈显著负相关(P<0.05)，而与其他孔隙参数相关性不显著。
3 讨论
土壤孔隙结构主要包括：孔隙度、孔隙数目、孔隙半径、孔隙大小分布及成圆率等形态和数量特征，以及孔隙的空间分布，相互连通状况和孔隙之间相关性等空间分布特征。土壤孔隙结构直接影响水分在土表及土体内的迁移途径和方式，其与土壤表面径流及渗透性之间具有密切关系[35]。应用 CT 扫描技术可定量分析土壤孔隙的数目、孔隙度、成圆率及其孔隙分布特征，且 CT 扫描技术还可准确揭示大孔隙的数目、大小和位置[10]。Asare 等[36]应用 CT 技术对免耕地中≥0.54 mm 大孔隙进行了研究，发现随着深度的增加，大孔隙度降低。说明，大孔隙的形成与地上残留物、植物根系类型及土壤动物等因素有关。杨永辉等[15]研究发现，保水剂的施用均提高了土壤剖面不同土层的土壤孔隙数目、孔隙度和孔隙成圆率，改善了土壤孔隙，提高了作物产量。
少、免耕及秸秆覆盖能够改善土壤结构和土壤孔隙，增加土壤水分入渗，提高土壤持水性能，防治土壤质量退化[37-39]。赵红香等[40]研究表明，秸秆还田能增加土壤总孔隙度、降低毛管与非毛管孔隙度的比值。李江涛等[41]研究发现，长期施用畜禽粪便可显著提高耕层土壤大孔隙和中孔隙比例，但土壤细孔隙比例降低。而陈学文等[42]研究认为，由于免耕条件下土壤的自然沉实作用，使土壤容重增大，土壤总孔隙度降低。
本研究发现，通过不同土壤结构改良措施的实施，其不仅提高了不同土层土壤的总孔隙数、大孔隙数及 0.13～1.0 mm 孔隙数，且不同类型的孔隙度也相应增加，随土层的加深其孔隙数目及孔隙度有降低的趋势，在各处理中以有机肥和免耕处理的孔隙数目及孔隙度较大，其次为保水剂和秸秆覆盖的处理。说明，免耕避免了土壤中有机质的过度分解和土壤颗粒直接受到雨水打击而分离成细小颗粒，促进土壤水稳性团聚体的形成，从而改善了土壤结构和土壤孔隙特征，提高了土壤的保水能力和水分利用效率，进而促进作物增收。而有机肥的施入，增加了土壤的有机碳和腐殖质的含量，改善了土壤的团粒结构，促进了土壤孔隙数目及其孔隙度的提高，从而有利于作物生长。保水剂具有改善土壤结构的功能，从而有利于土壤孔隙度的提高。秸秆覆盖不但可提高土壤的腐殖质，且可使土壤疏松，促进土壤孔隙的提高。同时，秸秆覆盖、保水剂、免耕及有机肥等措施均显著提高了田间持水量和> 0.25 mm 水稳性团聚体含量，降低了容重，且以有机肥的效果最为显著。
土壤孔隙形态对于水分在土壤中的传输与保存非常重要。孔隙形状越不规则，越不利于水分在孔隙中的传输，但利于水分的保存。有研究发现[43]，当土壤孔隙直径小于 0.99 mm 时，孔隙之间的连通性较好，有利于水分在孔隙中的传输。而作为反映孔隙形态的孔隙成圆率，其值越大，孔隙越近似于圆形，说明其孔隙越规则，越利于水分在土壤中的传输、保存及作物吸收与利用。本研究发现，不同土壤结构改良措施均有利于土壤孔隙形态的改善，提高了土壤孔隙的成圆率，各处理中仍以免耕和有机肥处理效果为佳。
4 结 论
1)不同土壤结构改良措施均提高了土体和不同土层的土壤总孔隙数目、大孔隙数、0.13～1.0 mm 孔隙数和总孔隙度、大孔隙度、0.13～1.0 mm 孔隙度及孔隙成圆率。各处理中以免耕和有机肥处理效果较佳，其次为保水剂和秸秆覆盖的处理。其中，免耕和有机肥处理的总孔隙度分别较对照高 272.5%、242.5%，大孔隙度分别较对照提高了 343.1%、302.7%。
2)不同土壤结构改良措施均显著提高了土壤田间持水量和水稳性团聚体含量，降低了容重，且各处理中，以有机肥和免耕处理效果最佳，其田间持水量较对照分别提高了 15.9%和 16.4%，其次为保水剂处理，较对照田间持水量提高了 11.4%。秸秆覆盖处理与对照之间差异不显著。而免耕处理的容重最小，其次为有机肥、保水剂、秸秆覆盖处理，对照容重最大。
3)土壤总孔隙度和大孔隙度对于田间持水量、容重和>0.25 mm 水稳性团聚体含量的影响非常显著，且土壤总孔隙度和大孔隙度越大，田间持水量和>0.25 mm 水稳性团聚体含量就越高。而容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率的影响最为显著，但容重越大总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率越小，表明容重的增加不仅降低了土壤孔隙度，且影响了土壤孔隙的形状。
4)本文采用 CT 扫描技术所能观测到的最小孔隙为 0.13 mm，其所测得的土壤总孔隙度与常规方法相比，如环刀法所得到的土壤绝对总孔隙度有一定的差异，需要提高 CT 扫描的分辨率使土壤总孔隙度与实际值更为接近。——论文作者：杨永辉 1,2，武继承 1,2，毛永萍 3 ，韩庆元 4 ，何 方 1,2
SCISSCIAHCI
