李宗超，胡 霞*，劉 勇，孫貞婷，呂艷麗

(1 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2 北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875)

青海湖流域土壤大孔隙特征與理化性質(zhì)的相關(guān)性研究①

李宗超1,2，胡 霞1,2*，劉 勇1,2，孫貞婷1,2，呂艷麗1,2

(1 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2 北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875)

土壤大孔隙是土壤水分、空氣和化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移優(yōu)先流的主要途徑。本文以青海湖流域土壤為研究對象，在青海湖沙柳河流域取原狀土柱，利用CT掃描與Fiji軟件相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化，以及斷層橫截面土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)量和大孔隙等效直徑等的量化；并探討了樣地土壤大孔隙特征與理化性質(zhì)的相關(guān)性。結(jié)果表明：青海湖流域土壤大孔隙主要分布在土壤表層0 ～ 100 mm，100 mm以下大孔隙較少；土壤全磷含量分別與土壤大孔隙數(shù)量、大孔隙等效直徑有顯著相關(guān)性；土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量分別與土壤大孔隙平均等效直徑有顯著相關(guān)性；土壤體積質(zhì)量與大孔隙度、大孔隙平均等效直徑等有顯著相關(guān)性；土壤中0.002≤Ф＜0.02 mm的顆粒含量與大孔隙的分布特征相關(guān)性較大。

CT掃描；大孔隙；理化性質(zhì)；相關(guān)性

土壤大孔隙是土壤中空氣、水和化學(xué)物質(zhì)優(yōu)先運(yùn)移的主要途徑，并且隨著人們對生態(tài)環(huán)境問題的重視，大孔隙研究越來越受到關(guān)注[1–3]。土壤大孔隙的大小、連續(xù)性等會直接影響土壤的水文過程[4]。隨著成像技術(shù)的發(fā)展，X 射線斷層掃描(CT)法已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究土壤孔隙結(jié)構(gòu)的新方法[5–8]。土壤大孔隙的形成主要受到植物根系的穿插或腐爛作用、土壤動物的挖掘作用、循環(huán)交替凍融和干濕交替過程、礫石的存在以及土壤理化性質(zhì)等多種因素的影響[9]，而土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度[10–11]、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量[12]等土壤理化性質(zhì)對非飽和流的發(fā)生與運(yùn)移均有重要影響。目前已有學(xué)者結(jié)合CT掃描方法，在植物根系[13]、土地利用[14]和凍融[15]等因素對土壤大孔隙形成的影響方面進(jìn)行了研究。但是，土壤理化性質(zhì)與大孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究相對缺乏。因此，利用CT掃描法分析土壤大孔隙特征，并探究土壤理化性質(zhì)與大孔隙的相關(guān)性具有一定的研究價值。

青海湖流域的生態(tài)問題及其位于青藏高原和亞洲半干旱氣候敏感帶的地位，使其成為我國乃至國際科學(xué)界研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一[16]。目前在青海湖流域已經(jīng)開展的水文土壤方面的研究主要有：具鱗水柏枝水分利用研究[17]，樹干莖流的模擬[18]，灌叢覆蓋地區(qū)的能量交換和蒸散發(fā)[19]，以及芨芨草水分利用來源變化[20]等。也有學(xué)者利用傳統(tǒng)方法對青海湖西部的土壤入滲規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，土壤大孔隙對水文過程有重要影響[21]。然而，對高寒地區(qū)的高寒草甸及灌叢的土壤大孔隙研究較少，因此對青海湖流域的土壤大孔隙特征的研究具有重要意義。

本研究通過 CT掃描法分析土壤大孔隙特征，試圖觀察與分析青海湖流域土壤大孔隙的結(jié)構(gòu)特征，探討土壤理化性質(zhì)對土壤大孔隙形成的影響，以為青海湖流域的生態(tài)水文過程研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖流域位于青藏高原東部邊緣，地理位置36°15′ ～ 38°20′ N，97°50′ ～ 101°20′ E，海拔3 194 ～5 174 m。流域內(nèi)山地面積大，約占流域面積的68.6%，山勢陡峻、溝谷密布，河谷和湖積平原所占面積較小，約占流域面積的31.4%。在湖邊及低洼地帶有沼澤分布，在沙柳河口發(fā)育著河漫灘、三角洲及河流堆積階地，在山麓與平原交替地帶形成洪積扇。流域地貌復(fù)雜，植被多樣，氣溫、降水空間變化顯著，使得土壤分布具有多樣性和垂直地帶性[22]。土壤的主要成土母質(zhì)因地形地貌的不同而有所差異。流域內(nèi)地帶性土壤類型為栗鈣土[23]，由于自然條件的差異，各區(qū)域土壤類型不盡相同，沙柳河流域主要為高山草甸土，湖東地區(qū)多為風(fēng)沙土。草甸是區(qū)域內(nèi)分布最廣的植被類型，分布在海拔3 200 ～ 4 100 m；流域內(nèi)典型灌叢有金露梅灌叢及水柏枝灌叢。青海湖流域年徑流深一般在50 ～ 175 mm，分布特點(diǎn)有由西北向東南遞減、由山區(qū)向湖濱遞減的規(guī)律，北部山區(qū)降雨量較大。流域的水資源比較豐富，約為24.06億m3。

1.2 土壤樣品采集

選擇青海湖地區(qū)沙柳河流域作為研究樣地，如圖1所示，1 ～ 8號樣地主要包括金露梅灌叢、高寒草甸、油菜地等植被，9和10號樣地為沙地。表1是所選樣地的地理位置及植被、地形情況。原狀土采集使用內(nèi)徑100 mm、管壁厚度2 mm、長度300 mm的圓柱狀PVC管，將PVC管緩緩壓入土壤，然后整個取出，帶回CT實(shí)驗(yàn)室；在原狀土采集點(diǎn)取表層0 ～ 100 mm的土樣1 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。

圖1 研究區(qū)樣地位置Fig. 1 Location of experimental sites in study area

表1 研究區(qū)采樣點(diǎn)的地理位置、植被和地形部位Table 1 Locations, vegetation types and topographic positions of sampling sites

1.3 土壤CT掃描與理化性質(zhì)分析

利用醫(yī)學(xué)Light Spreed VCT(64排多層螺旋CT掃描儀)掃描原狀土柱。將土柱放置在操作臺中心位置，設(shè)定CT設(shè)備電壓為140 kV，電流為200 mA，掃描速度為2.5 r/s，掃描層厚為0.625 mm。通過圖像重建，得到體素為0.625 mm × 0.33 mm × 0.33 mm，像素512 × 512的8位圖，同時將其轉(zhuǎn)為Bmp格式圖片。

土壤樣品經(jīng)過風(fēng)干處理后測定土壤的理化性質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用NaOH 熔融–鉬銻抗比色法測定；土壤體積質(zhì)量采用烘干法測定；土壤的機(jī)械組成采用吸管法測定。測得的土壤理化性質(zhì)如表2所示。

表2 研究區(qū)樣地土壤的理化性質(zhì)Table 2 Soil physical-chemical proprieties of sampling sites

1.4 圖像處理與數(shù)據(jù)分析

利用Fiji軟件處理圖像的步驟如下：①通過中值濾波法消除噪音，增強(qiáng)圖像質(zhì)量；②利用圓形工具將PVC管內(nèi)側(cè)附近擾動土壤切除，獲得感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，有效深度為300 mm；③利用全局閾值法，選取閾值并將圖像二值化，從而獲取輪廓圖。由于Fiji軟件為開源軟件，通過編程對圖像批量分析，獲得土柱每一個斷層橫截面的土壤大孔隙面積及周長。Fiji軟件3D查看器可以通過體渲染實(shí)現(xiàn)土壤大孔隙的三維可視化。

Matlab軟件可以實(shí)現(xiàn)每個斷層橫截面土壤大孔隙數(shù)據(jù)分析，得到斷層橫截面的總面積、大孔隙總面積、大孔隙度和大孔隙數(shù)量等數(shù)據(jù)。對整個土層(0 ～100 mm)土壤大孔隙特征數(shù)據(jù)的分析，取斷層橫截面的大孔隙度、大孔隙數(shù)量和大孔隙等效直徑平均值。最后利用軟件SPSS 13.0分析土壤理化性質(zhì)與土壤大孔隙數(shù)量、大孔隙度和平均等效直徑的Pearson相關(guān)系數(shù)，置信水平 P=0.05，即 P＜0.05為顯著相關(guān)，P＜0.01為極顯著相關(guān)；用線性回歸方法分析具有顯著相關(guān)的各因素之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤大孔隙三維特征

圖2是10個樣地0 ～ 300 mm土層土壤大孔隙的可視化三維圖，其中黑色部分表示土壤大孔隙。從圖2中可以看出，不同樣地土壤大孔隙分布差異較大，各樣地土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不一，但存在相似的分布趨勢，即土壤大孔隙隨土壤深度的增加而減少。Aubertin[24]研究表明，地表植物種類和土壤環(huán)境都會影響孔隙的形成，大孔隙的結(jié)構(gòu)與植物種類和生長情況有關(guān)[25]。1 ～ 7號樣地植被優(yōu)勢種為高山嵩草，在0 ～ 100 mm土層土壤大孔隙明顯較多，這與李宗超和胡霞[26]報道的內(nèi)蒙古沙質(zhì)草地土壤大孔隙分布特征相一致；另外在0 ～ 100 mm土層主要為較細(xì)的土壤大孔隙，且大孔隙連通性較好；1、4和6號樣地為金露梅灌叢斑塊之間的草甸，優(yōu)勢種為高山嵩草，土壤較深層受較粗的金露梅根系的影響，土壤大孔隙直徑較大，且呈管狀，但連續(xù)性較差。Bharati等[27]和 Seobi等[28]研究發(fā)現(xiàn)牧場草地比中耕作物會有更多的大孔隙。如圖2所示，8號樣地(油菜地)的土壤大孔隙明顯少于1 ～ 7號樣地，且8號樣地的土壤大孔隙主要集中在表層0 ～ 50 mm，主要受油菜根系的影響。9號樣地為沙地，幾乎不存在大孔隙。10號樣地為沙地中的灌叢斑塊，土壤大孔隙呈管狀分布，且主要分布在表層0 ～ 100 mm灌叢根系較發(fā)達(dá)的區(qū)域。

2.2 土壤大孔隙數(shù)量、孔隙度和等效直徑

圖2 研究區(qū)樣地土壤大孔隙三維圖Fig. 2 3D visualization of soil macropores of sampling sites

表3 研究區(qū)樣地0 ～ 100 mm土層土壤平均大孔隙數(shù)量、大孔隙度和等效直徑Table 3 CT-measured soil macropores, macroporosities and mean macropore sizes at soil depth of 0 ～ 100 mm of sampling sites

表3是10個樣地0 ～ 100 mm土層土壤的平均大孔隙數(shù)量、大孔隙度和等效直徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由表 3數(shù)據(jù)可知，10個樣地在土壤表層0 ～ 100 mm土壤大孔隙特征差異較大。2號樣地地表植被為金露梅灌叢，平均大孔隙數(shù)量為 27，平均大孔隙度為4.49%，兩項(xiàng)指標(biāo)均高于其他樣地，但平均等效直徑為1.70 mm，小于1號樣地。9號樣地為沙地，平均土壤大孔隙度僅為0.1%，平均大孔隙數(shù)量僅為1，平均等效直徑也最小。2號樣地土壤大孔隙數(shù)量最多，大孔隙度也最大，這與其在圖2中三維可視化圖的分布特征相一致。植被覆蓋的土壤其大孔隙平均等效直徑在1.3 ～ 2.4 mm，沙地沒有植被覆蓋，其大孔隙平均等效直徑僅為0.4 mm。

2.3 土壤大孔隙特征與理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤的各理化性質(zhì)受成土母巖和植被等的共同影響，土壤理化性質(zhì)間也存在協(xié)同和促進(jìn)作用[29–30]。1 ～ 6號樣地主要為高山嵩草覆蓋的土壤，表層根系較多，有機(jī)質(zhì)含量較高，體積質(zhì)量介于0.55 ～ 0.83 g/cm3，這與楊成德等[31]對高寒草甸土壤體積質(zhì)量的研究結(jié)果一致；8號樣地為農(nóng)地，9、10樣地為沙地，土壤體積質(zhì)量相對較高。對10個樣地土壤大孔隙平均數(shù)量、大孔隙度、等效直徑和相應(yīng)的全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、CaCO3、密度、體積質(zhì)量、土壤機(jī)械組成進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，得到的相關(guān)性結(jié)果如表4所示。

表4 土壤理化性質(zhì)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson correlation coefficients between soil physical-chemical proprieties

由表4可知，土壤大孔隙數(shù)量與全磷含量的相關(guān)系數(shù)為0.71，在P＜0.05水平上呈顯著正相關(guān)。0.002≤Ф＜0.02 mm粒級的土壤顆粒含量和體積質(zhì)量與土壤大孔隙數(shù)量的相關(guān)性也較大：0.002≤Ф＜0.02 mm粒級的土壤顆粒含量與大孔隙數(shù)量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.45；體積質(zhì)量與土壤大孔隙數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 –0.42。

土壤大孔隙度與0.002≤Ф＜0.02 mm粒級的土壤顆粒含量、土壤體積質(zhì)量、全磷含量之間的相關(guān)性較大，但并不顯著。0.002≤Ф＜0.02 mm粒級的土壤顆粒含量與土壤大孔隙度之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為 0.52；土壤全磷含量與大孔隙度之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.47；土壤體積質(zhì)量與大孔隙度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為 –0.56。

土壤大孔隙等效直徑與全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.72、0.66和0.69。土壤大孔隙等效直徑與土壤體積質(zhì)量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 –0.78。

土壤孔隙是土壤中土?；驁F(tuán)聚體之間的空隙[32]，因此土壤顆粒含量是土壤大孔隙形成的一個重要影響因素。在表4中，雖然土壤顆粒組成與大孔隙特征相關(guān)性不顯著，但表現(xiàn)出一定規(guī)律。粒級Ф1(0.25≤ Ф＜2.00 mm)土壤顆粒含量與大孔隙度、大孔隙數(shù)量以及大孔隙平均等效直徑均呈負(fù)相關(guān)；粒級為Ф2(0.05≤Ф＜0.25 mm)、Ф3(0.02≤Ф＜0.05 mm)、Ф4(0.002≤Ф＜0.02 mm)和 Ф5(Ф＜0.002 mm)的土壤顆粒含量與大孔隙度、大孔隙數(shù)量以及大孔隙平均等效直徑均呈正相關(guān)。說明土壤中粒級Ф＜0.25 mm的土壤顆粒有利于土壤大孔隙的形成，而粒級Ф＞0.25 mm的土壤顆粒的增加會減少土壤中的大孔隙。

土壤體積質(zhì)量反映了土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)[33]。一般認(rèn)為，土壤體積質(zhì)量越小，非毛管孔隙度和總孔隙度越大[34–35]。如由表 4可知，土壤大孔隙平均等效直徑與體積質(zhì)量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤體積質(zhì)量決定了土壤大孔隙平均等效直徑的61%(圖3a)。土壤體積質(zhì)量與大孔隙度的相關(guān)系數(shù)為 –0.56，說明土壤體積質(zhì)量與大孔隙度負(fù)相關(guān)，這與已有研究相一致[36]。另外，土壤體積質(zhì)量與全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為–0.94、–0.87和–0.95。土壤大孔隙度是土芯橫截面中所有孔隙面積與橫截面總面積的比值，土壤大孔隙度與土壤大孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.83(表4)。如圖3b，土壤大孔隙數(shù)量決定了土壤大孔隙度的69%，說明土壤表層大孔隙越多，土壤大孔隙度越大。

圖3 土壤體積質(zhì)量與大孔隙平均等效直徑及大孔隙數(shù)量與大孔隙度的線性回歸分析Fig. 3 Linear regression analysis between soil bulk density and mean equivalent diameter of macropores, mean quantity of macropores and macroporosity

從表 4還可知，全磷含量分別與土壤大孔隙數(shù)量、平均等效直徑呈顯著正相關(guān)。這是因?yàn)樵诟吆莸榈貐^(qū)，植物活根不斷吸收土壤中的磷素養(yǎng)分，供應(yīng)自身生長的需求[37]，土壤大孔隙形成主要受植物根系影響[38]。另外，樣地所在區(qū)域磷素的主要來源為腐殖質(zhì)[39]，大孔隙的存在有利于磷素的運(yùn)移。如圖4所示，全磷含量分別決定了土壤大孔隙數(shù)量的 51%和大孔隙平均等效直徑的 44%，即土壤全磷含量越多，土壤大孔隙數(shù)量大、平均等效直徑也越大，說明全磷含量是影響土壤表層大孔隙分布特征的最主要因素。

土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤結(jié)構(gòu)的重要因素[40]，而全氮含量取決于有機(jī)質(zhì)的分解，存在一定比例關(guān)系[41]。如表4，土壤大孔隙平均等效直徑與全氮和有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)。如圖5，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別決定土壤大孔隙平均等效直徑的53% 和48%，土壤中全氮含量越高，有機(jī)質(zhì)含量相應(yīng)會就越高，土壤大孔隙的平均等效直徑就越大。

圖4 土壤全磷含量與土壤大孔隙數(shù)量、平均等效直徑的線性回歸分析Fig. 4 Linear regression analysis between soil total phosphorus and mean quantity, mean equivalent diameter of macropores

圖5 全氮、有機(jī)質(zhì)含量與土壤大孔隙平均等效直徑的線性回歸分析Fig. 5 Linear regression analysis between soil total nitrogen, soil organic matter and mean equivalent diameters of macropores

3 結(jié)論

1) 應(yīng)用 CT斷層掃描方法，能夠在無損條件下獲得每一土壤斷層橫截面的土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)量和平均等效直徑，并能通過三維可視化方法觀察土壤大孔隙的結(jié)構(gòu)和分布特征。

2) 青海湖流域土壤大孔隙主要集中在表層 0 ～100 mm；隨土壤深度增加，土壤大孔隙逐漸減少；平均等效直徑在1.3 ～ 2.4 mm。土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量兩兩之間極顯著正相關(guān)；土壤大孔隙度與土壤大孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，土壤大孔隙越多，土壤大孔隙度越大；土壤大孔隙數(shù)量與全磷含量顯著正相關(guān)，與粒徑0.002≤Ф＜0.02 mm的顆粒含量相關(guān)性較大，其中全磷含量決定了土壤大孔隙數(shù)量的51%；土壤大孔隙度與多個因素有相關(guān)性，并無顯著相關(guān)性，其中土壤體積質(zhì)量和0.002≤Ф＜0.02 mm的土壤顆粒含量與土壤大孔隙度相關(guān)性較大；土壤大孔隙平均等效直徑與全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量之間分別呈顯著正相關(guān)，與體積質(zhì)量顯著負(fù)相關(guān)，其中全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量分別決定了土壤大孔隙平均等效直徑的44%、53% 和48%。

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Correlations Between Soil Physical-chemical Proprieties and Soil Macropore Characteristics in Qinghai Lake Basin

LI Zongchao1,2, HU Xia1,2*, LIU Yong1,2, SUN Zhenting1,2, LV Yanli1,2
(1 Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2 Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Soil macropores are preferential pathways for water, air and chemical substances movement in soils. Undisturbed soil columns under different vegetation types were sampled in Shaliu River Basin of the Qinghai Lake and scanned with X-ray computed tomography. And 3D soil macropore networks were visualized and macropore quantity, macroporosity and equivalent diameter were interpreted with Fiji software through reconstruction. Then the correlations between soil physicalchemical properties and macropore characteristics were studied. The results indicated that soil macropores were mainly distributed in the 0–100 mm layer of soil, soil phosphorus was significantly correlated with number and mean equivalent diameter of macropores, soil nitrogen and organic matter were significantly correlated with mean equivalent diameter of macropores, soil bulk density was significantly correlated with macroporosity and mean equivalent diameter of macropores, and soil particles of 0.002–0.02 mm was correlated highly with soil macropore characteristics.

CT; Macropores; Physical-chemical properties; Correlation

S152.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.024

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471018)和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130640)資助。

* 通訊作者(huxia@bnu.edu.cn)

李宗超(1988—)，男，山東萊蕪人，博士研究生，主要從事土壤水文學(xué)研究。E-mail: 201531480027@mail.bnu.edu.cn