基于CT掃描研究青海湖流域高寒草甸不同坡位土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征①

胡 霞,李宗超，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)

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基于CT掃描研究青海湖流域高寒草甸不同坡位土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征①

胡 霞1,2,李宗超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)

摘 要：以青海湖流域的高寒草甸土壤為研究對(duì)象，對(duì)該高寒草甸的坡上、坡中和坡下土壤分別取原狀土柱進(jìn)行CT掃描，利用Fiji 軟件分析土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異。結(jié)果表明：坡位對(duì)土壤的大孔隙結(jié)構(gòu)有較大影響，坡上土壤的大孔隙數(shù)量、大孔隙度和大孔隙等效直徑均大于坡中土壤，坡中土壤的大孔隙參數(shù)大于坡下土壤，坡上土壤的平均大孔隙度是坡中和坡下土壤的15.5和46.5倍。坡上土壤的大孔隙主要分布在150～400 mm 土層深度，而坡中土壤的大孔隙主要分布在0～150 mm深度，坡下土壤的大孔隙主要在0～200 mm深度分布。坡上和坡中土壤的大孔隙形成主要是在土壤團(tuán)聚體的作用下形成，植物根系在坡下土壤的大孔隙形成中占主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：高寒草甸；坡位；大孔隙；青海湖；根系

青海湖流域位于青藏高原東北部，是我國(guó)西北干旱區(qū)、西南高寒區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)的交匯區(qū)，青海湖流域受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，青海湖流域生態(tài)惡化，出現(xiàn)草場(chǎng)退化、土地沙漠化面積擴(kuò)大、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性減少等一系列生態(tài)問(wèn)題[1]。青海湖流域的土地退化面積超過(guò)6.9×105hm2，以每年3% 的速度退化[1]。土地退化會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)特征的變化[2-3]，其中，孔隙結(jié)構(gòu)是描述土壤結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)[4]。大孔隙是在土壤漲縮、可溶性物質(zhì)溶解、凍融循環(huán)交替、耕種等物理過(guò)程及蚯蚓等動(dòng)物活動(dòng)、植物根系生長(zhǎng)等生物過(guò)程的作用下，土體內(nèi)形成的使水分和溶質(zhì)優(yōu)先遷移的物理孔隙[5-6]。大孔隙的存在可形成大孔隙流或優(yōu)勢(shì)流，使淺層土壤中的水分快速滲入土壤深處或地下水中，加快了地下水響應(yīng)速度，增加土壤通氣性，提高降雨的入滲率，改變了坡地徑流的形成過(guò)程和不同徑流成分的比例[7-10]。

坡面水土流失是導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化及坡面生產(chǎn)力下降的重要原因[11-12]，并造成不同坡位土壤性質(zhì)變異[13]。研究坡面土壤特征，探討坡面土壤質(zhì)量退化原因，對(duì)其進(jìn)行植被恢復(fù)，將有助于控制土壤退化，提高土地生產(chǎn)力，減緩水土流失，加速退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建，改善生態(tài)環(huán)境。目前關(guān)于坡面土壤方面的研究主要集中在坡地養(yǎng)分流失規(guī)律和形態(tài)[14-15]、退耕地土壤性質(zhì)變化[16]、植被恢復(fù)[17]、土壤水文效應(yīng)[18]等。但是有關(guān)不同坡位對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響研究相對(duì)較少。本研究選擇青海湖流域高寒草甸的坡上、坡中和坡下土壤，通過(guò)CT掃描分析高寒地區(qū)不同坡位土壤的大孔隙三維結(jié)構(gòu)特征、孔隙數(shù)量、孔隙度特征，研究了青海湖流域高寒草甸不同坡位土壤的大孔隙類(lèi)型和特征。

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北部，流域面積29 661 km2，海拔 3 194～5 174 m(圖1)。由于處在中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)、西北部干旱區(qū)和西南部青藏高原高寒區(qū)的交匯地帶，再加上自身的湖泊效應(yīng)，青海湖流域形成了明顯的高寒、少雨、多風(fēng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、氣溫日較差大的地區(qū)氣候特點(diǎn)。流域內(nèi)的自然植被包括高寒灌叢、河谷灌叢、沙生灌叢、干旱草甸、高寒草原、溫性草原等。

1.2 樣品采集

選擇青海湖流域的高寒草甸作為研究樣地，樣地位于沙柳河中游，地理位置100.035°E，37.575°N(圖1)。分別在高寒草甸的坡上、坡中和坡下采集原狀土柱，采樣設(shè)置3個(gè)重復(fù)。坡上采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度分別是100.011°E，37.596°N，其主要植被是小嵩草、金露梅、珠芽蓼、燈芯草、黑褐苔草、冷地早熟禾等；坡中采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度分別是100.0074°E，37.595°N，其主要植被是金露梅、高山嵩草、青藏苔草、釘柱委陵菜、珠芽蓼、重齒風(fēng)毛菊、美麗風(fēng)毛菊等；坡下采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度分別是100.0051°E， 37.596°N，其主要植被是高山嵩草、青藏苔草、燈芯草、腎形子黃耆、美麗風(fēng)毛菊、珠芽蓼、扁囊苔草等。土樣采集用內(nèi)徑100 mm、管壁厚度4 mm、長(zhǎng)度500 mm的圓柱狀PVC管，將PVC管的一端打磨成刀口，沿著事先挖好的剖面輕輕敲入土壤中，采樣深度0～500 mm，將其壓入采集地的土壤中，然后整個(gè)取出，用海綿包裹。所得PVC管內(nèi)的原狀土稱(chēng)作土芯。表1是坡上、坡中和坡下的海拔、植被類(lèi)型和土壤的基本理化性質(zhì)。

圖1　研究區(qū)域Fig.1 Location of the experimental sites

表1　不同坡位土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Soil properties of different slope sites

1.3 CT掃描

采用GE公司生產(chǎn)的LightSpreed VCT(64排螺旋CT掃描儀)掃描原狀土柱，掃描電壓為140 kV，電流為200 mA，掃描厚度為0.625 mm，分辨率為0.3 mm，圖像矩陣為512 × 512。掃描前對(duì)原狀土柱進(jìn)行定位，確保土芯在螺旋射線管的中心。

1.4 數(shù)據(jù)處理

首先通過(guò)人工制作大孔隙的方法獲得閾值。選取一根內(nèi)徑為10 mm 的PVC 管垂直放在內(nèi)徑100 mm 的PVC 管中央，其周?chē)b滿回填土，做成回填土柱。用CT 掃描儀掃描土柱，掃描完的圖片在Fiji 軟件中處理人工制作的大孔隙。設(shè)置一個(gè)閾值，計(jì)算人工大孔隙的大小，與實(shí)際的大孔隙大小相比較，如果計(jì)算的數(shù)值與實(shí)際的大小相差較大，再重新設(shè)置一個(gè)閾值計(jì)算人工孔隙大小，直到它們的差值不超過(guò)1%，得到圖像分割的閾值(圖2)。

圖2　人工大孔隙的灰度直方圖Fig.2 Gray histogram of artificial macroporosity

將提取的jpg 格式圖像導(dǎo)入Fiji 軟件，用圓形工具提取感興趣區(qū)域(直徑為49.11 mm)，避免切入縫隙。用中值濾波法消除圖像噪音，并根據(jù)所得到的分割閾值利用全局閾值法處理圖像，得到二值圖像。利用Fiji 軟件對(duì)二維圖像的二值圖分析得到孔隙面積、周長(zhǎng)以及孔隙圖，利用Fiji 軟件編寫(xiě)腳本程序，對(duì)所有圖像進(jìn)行批量處理。對(duì)圖像去背景處理后，通過(guò)3D viewer 查看器通過(guò)體積渲染得到三維大孔隙圖，從而更好地觀察孔隙的宏觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果

2.1 青海湖流域不同坡位土壤大孔隙的三維形態(tài)特征

圖3是青海湖流域不同坡位(坡上、坡中和坡下)土壤大孔隙的三維圖。從圖3中可以看出，不同坡位土壤的大孔隙有很大差異。隨著坡位的下降，土壤的大孔隙數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即坡上土壤的大孔隙明顯高于坡中土壤，坡中土壤的大孔隙明顯高于坡下土壤。而且，坡上土壤的大孔隙主要位于土層中部，坡中和坡下土壤的大孔隙主要分布在土層上部。

Katuwal 等[19]研究表明，生物孔隙(蚯蚓洞穴和根系管道)一般呈管狀，有方向性；Luo等[20]發(fā)現(xiàn)由蚯蚓引起的大孔隙一般具有連續(xù)性、相對(duì)比較大、呈管狀；由根系引起的大孔隙一般具有連續(xù)性、圓形，隨著深度的增加孔隙的大小呈下降趨勢(shì)；而由團(tuán)聚體形成(凍融交替或干濕交替)的大孔隙一般很小、分散分布、連續(xù)性較差。本研究中的高寒草甸的坡上、坡中土壤的大孔隙在形態(tài)特征上都較分散、不連續(xù)；而坡下土壤的大孔隙在形態(tài)上較細(xì)，相對(duì)較連通。因此，坡上和坡中土壤的大孔隙主要是在土壤團(tuán)聚體作用下形成；而坡下土壤的大孔隙主要是根系作用下形成。

2.2 不同坡位土壤大孔隙的數(shù)量、孔隙度及孔隙直徑特征

表2是不同坡位土壤大孔隙數(shù)量、平均直徑、大孔隙度以及大孔隙度在不同土層的分布。表2數(shù)據(jù)顯示，青海湖流域高寒草甸坡上土壤的平均大孔隙數(shù)量是14，坡中和坡下的大孔隙數(shù)量分別是3和2，而且，坡上、坡中和坡下土壤的平均大孔隙數(shù)量之間都沒(méi)有顯著差異。坡上土壤的大孔隙數(shù)量是坡中和坡下土壤的大孔隙數(shù)量的4.6和7倍。

表2數(shù)據(jù)還顯示，坡上土壤的平均大孔隙度是4.65%，坡中和坡下分別是0.30% 和0.10%，坡上土壤的大孔隙度是坡中和坡下土壤的大孔隙度的15.5 和46.5倍。而且，坡上、坡中和坡下土壤的平均大孔隙度之間都沒(méi)有顯著差異。坡上土壤在0～100、100～200、200～300、300～400、400～500 mm土層深度，土壤的大孔隙度分別是0.54%、3.56%、17.44%、6.44% 和0.24%；坡中土壤的大孔隙度分別是1.02%、0.21%、0.01%、0.01% 和0.01%；坡下土壤的大孔隙度分別是0.25%、0.17%、0.01%、0.01% 和無(wú)。而且，在同一土層深度，坡上、坡中和坡下土壤的大孔隙度沒(méi)有明顯差異。

圖4是不同坡位土壤的大孔隙度隨著深度的變化?？梢?jiàn)，坡上土壤的大孔隙度明顯大于坡中土壤的大孔隙度，坡中土壤的大孔隙度大于坡下土壤的大孔隙度。坡上土壤的大孔隙度在0～150 mm深度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，在150～400 mm深度，土壤的大孔隙度呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)；對(duì)于坡中土壤，在土層深度0～150 mm，大孔隙度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，在150～400 mm深度，土壤的大孔隙度保持穩(wěn)定；坡下土壤的大孔隙度隨著土壤深度的變化趨勢(shì)與坡中土壤的變化趨勢(shì)類(lèi)似，在0～200 mm深度，土壤的大孔隙度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

從表2中可以看出，坡上土壤的平均大孔隙直徑是1.63 mm，坡中和坡下土壤的大孔隙直徑是0.76 mm和0.40 mm，且坡上、坡中和坡下土壤的大孔隙平均直徑?jīng)]有顯著差異。圖5是坡上、坡中和坡下土壤不同直徑大孔隙所占比例。從圖5中可以看出，3個(gè)大孔隙直徑(0＜D＜1 mm，1＜D＜2 mm和2＜D＜3 mm)在所有大孔隙直徑中占所有大孔隙的85% 以上，本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致，土壤中大孔隙直徑主要是2 mm和3 mm直徑，這兩個(gè)直徑大孔隙占所有大孔隙的50% 以上[21]。

坡上土壤的大孔隙度在0～150 mm深度較小，在150～400 mm孔隙度急劇增加，說(shuō)明坡上土壤在表面主要以坡面徑流為主，水分入滲后主要以大孔隙流的形式向下運(yùn)移。坡中和坡下部分的大孔隙度主要集中于土壤表層(0～200 mm)，說(shuō)明坡中和坡下表層土壤入滲能力較強(qiáng)，水分主要以大孔隙流的形式向下運(yùn)移，土壤入滲后可形成壤中流。而較深層(200～450 mm)土壤孔隙度較低，說(shuō)明水分在較深層土壤運(yùn)移主要以基流的形式進(jìn)行，流速較慢。

圖3　不同坡位土壤大孔隙的三維圖Fig.3 3D visualization of soil macropore networks in soil columns in different slope sites

表2　不同坡位土壤的大孔隙特征Table 2 Numbers,diameters and porosities of CT-measured macropores at different soil depths and slope sites

圖4　不同坡位土壤大孔隙度隨著深度的變化Fig.4 Macroporosity distribution along soil column depth in different slope sites

圖5　不同坡位土壤大孔隙的直徑分布Fig.5 Diameter distribution of macropores in different slope sites

3 結(jié)論

青海湖流域高寒草甸坡位對(duì)土壤大孔隙的影響較大，坡上土壤的大孔隙度明顯大于坡中和坡下土壤的大孔隙度，坡中土壤的大孔隙度大于坡下土壤的大孔隙度。坡上土壤的大孔隙主要位于150～400 mm深度土層，坡中土壤的大孔隙主要位于0～150 mm深度土層，坡下土壤的大孔隙在深度0～200 mm深土層度分布較多。坡上土壤的平均大孔隙直徑明顯大于坡中和坡下土壤。青海湖流域高寒草甸坡上和坡中土壤的大孔隙主要是在土壤團(tuán)聚體的作用下形成，植物的根系在坡下土壤的大孔隙形成中占主要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖青寧.青海湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及建議[J].青海草業(yè),2002,11(4):20-23

[2]Sharma P,Aggarwal K.Soil structure under different land uses[J].Catena,1984,11:197-200

[3]李宗超,胡霞.小葉錦雞兒灌叢化對(duì)退化沙質(zhì)草地土壤孔隙特征的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2015,52(1):242-248

[4]Brewer.Fabric and Mineral Analysis of Soils[M].Company Huntington,NY:Krieger Publishing,1976

[5]馮杰,郝振純.CT掃描確定土壤大孔隙分布[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(5):611-617

[6]馮杰,郝振純.水及溶質(zhì)在有大孔隙的土壤中運(yùn)移機(jī)制研究進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(2):63-69

[7]Germann P,Beven K.Water flow in soil macropores.I.An experimental approach[J].Journal of Soil Science,1981,32:1-13

[8]Moidrup P,Olesen T,Sconning P,et al.Predicting the gas diffusion coefficient in undisturbed soil from soil water characteristics[J].Soil Science Society of America Journal,2000,64(8):94-100

[9]Coppola A,Kutílek M,Frind E O.Transport in preferential flow domains of the soil porous system:Measurement,interpretation,modelling,and upscaling[J].Journal of Contaminant Hydrology,2009,104:1-3

[10]盛豐,張利勇,王康.土壤大孔隙發(fā)育特征對(duì)水和溶質(zhì)輸移的影響[J].土壤,2015,47(5):1 007-1 013

[11]史衍璽,唐克麗.人為加速侵蝕下土壤質(zhì)量的生物學(xué)特性變化[J].水土保持學(xué)報(bào),1998,4(1):28-31

[12]張少良,張興義,劉曉冰,等.典型黑土區(qū)不同坡位剖面土壤速效鉀空間分布規(guī)律研究.土壤,2014,46(2):218-224

[13]Miller P M,Singer M J,Nielsen D R.Spatial variability of wheat yield and soil properties on complex hills[J].Soil Science Society of America Journal,1988,52:1 133-1 141

[14]Flanagan D C,Foster G R.Storm pattern effect on nitrogen and phosphorus losses in surface runoff[J].Transactions of the ASAE,1989,32:535-544

[15]Sharpley A N,Smith S J,Jones O R,et al.The transport of bio2available phosphorus inagricultural runoff[J].Journal Environment Quality,1992,21:30-351

[16]彭文英,張科利,陳瑤,等.黃土坡耕地退耕還林后土壤性質(zhì)變化研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2005,20(2):272-278

[17]萬(wàn)雪琴,胡庭興,張健,等.坡耕地退耕還林后的植被恢復(fù)[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(2):191-194

[18]王國(guó)梁,劉國(guó)彬,常欣,等.黃土丘陵區(qū)小流域植被建設(shè)的土壤水文效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào),2002,3(17):339-345

[19]Katuwal S,Norgaard T,Moldrup P,et al.Linking air and water transport in intact soils to macropore characteristics inferred from X-ray computed tomography[J].Geoderma,2015,237-238:9-20

[20]Luo L F,Lin H,Li S C.Quantification of 3-D soil macropore networks in different soil types and land uses using computed tomography[J].Journal of Hydrology,2010,393(1/2):53-64

[21]Iversen B V,Lamande M,Torp S B,et al.Macropores and macropore transport:Relating basic soil properties to macropore density and soil hydraulic properties[J].Soil Sci,2012,177(9):535-542

Soil Macropores of Alpine Kobresia Meadow in Different Slope Positions in the Qinghai Lake Watershed

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

Abstract:The objective of this study is to quantify macropore structures of Alpine Kobresia meadow soils in different slope positions in the Qinghai Lake Watershed.A total of nine soil cores(0-50 cm deep)were taken respectively at the upper-slope,mid-slope and lower-slope sites with 3 replicates in each site,and the cores were scanned with a GE HISPEED FX/I medical scanner.Numbers of macropores,macroporosities and macropore equivalent diameters were interpreted by using X-ray computed tomography.The results indicated that slope position could significantly influence soil macropores.Soils on upper-slope had greater macroporosity,deeper and longer macropores than other two sites.Macroporosity was 15.5-46.5 times greater in soils on upper-slope than other two sites,and macropores were distributed mainly in the 150-400 mm layer,but mainly in the 0-150 mm and 0-200 mm soil layer in the mid-slope and the lower-slope,respectively.The form of macropores in lower slope can be attributed to root growth and decay,while can be attributed to aggregate function in the upper and middle slopes.

Key words:Alpine Kobresia meadow; Slope position; Macropore; Qinghai Lake; Root

作者簡(jiǎn)介：胡霞(1978—)，女，江蘇淮安人，博士，副教授，主要從事土壤物理及其生態(tài)功能研究。E-mail:huxia@bnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：①國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471018)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130640)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.027

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1