風化花崗巖坡地土壤剖面大孔隙特性的空間分布*

張麗萍 陳儒章 鄔燕虹 鄧龍洲

（浙江大學環(huán)境與資源學院土水資源與環(huán)境研究所，浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室，杭州 310058）

土壤侵蝕是一個嚴重的環(huán)境問題，侵蝕會導致地表組成物質(zhì)粗化，顆粒大小混雜無規(guī)律，土壤剖面結(jié)構(gòu)變差，保水保土性能降低［1-3］，使得土壤發(fā)育不同于典型的地帶性土壤，尤其在一些風化殘積坡地形成的粗骨性土和巖成土地區(qū)，土壤剖面發(fā)育的理化特性與地帶性土壤的差異非常明顯［3-4］。土壤孔隙是土壤體的主要組成要素，是重要的土壤物理參數(shù)，土壤孔隙特性對土壤水肥氣熱的比例以及再分配過程的影響很大［5］。其中土壤大孔隙是引起土壤水肥滲漏的優(yōu)先通道，也是土壤污染物運移的主要通道，其結(jié)果會造成養(yǎng)分的滲漏、灌溉水的浪費和地下水的污染。因此，研究這些地區(qū)土壤大孔隙的數(shù)目、等級、分布和連通性對土體水分入滲、產(chǎn)匯流過程、土壤的改良和水肥的調(diào)控均具有重要的實際意義。

關(guān)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)和大孔隙的研究，前提條件是不破壞土壤結(jié)構(gòu)保持其原狀，以往的學者利用染色法［6］、切片法［7］、水分穿透法［8］，圖像濾波技術(shù)［9］和張力入滲儀法［10-11］對土壤大孔隙進行了研究，但是這些方法在操作過程中較為繁瑣，且易對原狀土壤造成擾動，不能很好地反映出土壤孔隙本身的性狀，而計算機斷層掃描技術(shù)（CT）是一種專門用來無損檢測和探傷的技術(shù)［12］。隨著計算機工業(yè)的發(fā)展，CT掃描系統(tǒng)性能的不斷提高，因此可以利用CT掃描直接測量非擾動土體內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布［13-17］。目前利用CT掃描技術(shù)對土壤孔隙度以及土壤孔隙空間分布狀況等的研究，已經(jīng)成為研究土壤孔隙特征的趨勢［18-20］，對坡地土壤大孔隙的研究也有了一定的深入［21-23］。但是，關(guān)于坡地土壤侵蝕對土壤剖面大孔隙特征的研究還需進一步的深化。本文在總結(jié)前人研究的基礎上，利用計算機斷層掃描技術(shù)，結(jié)合土壤剖面不同深度多層位總孔隙度的試驗室精確測量數(shù)據(jù)，并將其作為CT圖像處理的控制閾值，進而提高了研究精度。在此基礎上，解譯出孔徑大于1 mm的各級孔隙所占的比例，進而研究侵蝕性風化花崗巖坡地不同地貌部位大孔隙的空間分布特征，為坡地土壤養(yǎng)分滲漏和污染物的遷移以及壤中流的水動力學特征提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究所用的土柱樣品取自浙江省嵊州市上東水庫水土保持監(jiān)測站。該監(jiān)測站位于浙江省中部偏東，曹娥江上游，年平均氣溫16.4℃，1月平均氣溫4.2℃，7月平均氣溫28.6℃。年平均降水量1 446 mm，日照1 988 h，無霜期235 d，地貌類型為浙東低山丘陵及臺地。所屬的地帶性土壤為紅壤，土壤發(fā)育母質(zhì)為風化花崗巖殘積層。研究區(qū)屬于典型的南方紅壤水力侵蝕區(qū)，整個坡面均以雨滴擊濺侵蝕和片蝕為主，侵蝕強度較大。土地利用類型為園地，坡度22°，植被覆蓋度＜45%。根據(jù)實地勘查，選擇典型的侵蝕性地形坡面，在所選的同一坡面的坡頂、坡中、坡底分別選取3個剖面（均屬于侵蝕型剖面，土體中無堆積現(xiàn)象），經(jīng)過綜合對比，在每個地貌位置各選擇1個最底層土壤風化程度目視相一致的剖面，作為樣品采集的剖面。土柱樣品采集的地貌部位為該監(jiān)測站4號徑流小區(qū)，坡頂，坡中，坡底（圖1），通過對土壤層與下伏母質(zhì)層的區(qū)別鑒定，根據(jù)3個坡段土壤層厚度對應層位的相對一致性，土柱采樣深度確定為70 cm。所用裝載土柱的容器為長70 cm、內(nèi)徑11 cm的PVC管，共采集土柱9根（每個剖面3個重復）并做好標記，土柱取好后，立即將每段土柱兩端密封，放在用泡沫填充的箱子里，同時用支架固定好，以減少在運輸過程中的震動。在采集土柱的同時，每個剖面對應由下到上，分層等間隔用環(huán)刀采集土壤樣品（每個土樣為同一層位平行位移后的三個重復），混合裝于同一樣品袋中，備用于測量土壤剖面各個層位的容重和顆粒組成，進而計算每個層位的總孔隙度，其中，顆粒組成用吸管法測定。

圖1 不同地貌部位樣品采集剖面分布示意圖Fig. 1 Distribution of the soil profile for soil sampling in the studied slope

1.2 CT掃描

本研究土柱中土壤孔隙特征掃描所采用的是德國西門子雙排螺旋CT掃描儀，掃描方式為雙層螺旋掃描，每層數(shù)據(jù)采集率為1 000個s-1，每排探測器通道1 344個，掃描電壓的峰值為120 kV，掃描電流為110 mA，掃描時間為1 s，掃描間距為3 cm，掃描層厚為2 cm，掃描方向由土柱底部向頂部，每個土柱共掃描圖像23幅，共計207幅圖片。

1.3 閾值確定

目前掃描圖像閾值的確定方法可大致歸為以下五類［24-28］：（1）采用目視解譯與原狀圖像對比的方法確定解譯標準。（2）采用多人解譯，協(xié)調(diào)核準的方法。（3）采用的是人為制定已知大孔隙，根據(jù)在CT影像上的灰度，確定解譯標準。（4）在提取二值化孔隙圖像時結(jié)合試驗測定的孔隙率采用逆分析法確定出分割閾值。（5）類間方差最大準則法，該方法以圖像分類后的兩類之間方差取得最大為準則。本研究在吸取前人研究精華的基礎上，為了提高研究精度，設想由實際剖面不同深度總孔隙度的實測值作為確定閾值的標準。通過實測值計算得到了每個土柱剖面總孔隙度隨深度變化的函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)此關(guān)系式計算出CT各個掃描深度處的土壤總孔隙度。由此，根據(jù)每層總孔隙度就可以確定出各個掃描影像的閾值，由此系列閾值利用ArcGIS10.1對掃描圖片進行處理，確定各掃描層的灰度圖像，之后利用ArcGIS就可以統(tǒng)計出不同孔徑的孔隙。具體步驟為：首先，對圓孔進行矢量化處理；第二，利用剪切工具批量剪切圓孔；第三，選擇閾值，利用柵格計算器對孔洞進行黑白二值閾值分割；第四，孔隙后處理，最后分析孔洞面積和周長比，判斷適宜性，若合適，結(jié)束。否則，轉(zhuǎn)至第三步，重新選擇閾值。再根據(jù)大孔隙直徑的確定，統(tǒng)計出大孔隙的數(shù)目，周長，面積及各級大孔隙所占的比例。

1.4 大孔隙劃分

土壤大孔隙是指能夠提供優(yōu)先水流和溶質(zhì)運移通道的孔隙，但它只是一個相對概念，研究者由于對其理解和定義的不同，使得在對其確定和劃分時存在較大分歧。郝振純等［29］對粉砂壤和粗粉砂黏壤土原狀土柱和回填土柱進行CT掃描，將孔徑大于187.8 μm的孔隙定義為大孔隙。Warmer等［30］則將孔徑大于1 mm的孔隙定義為大孔隙。Luxmoore［31］根據(jù)大孔隙的毛管勢定義，將毛管勢≥300 Pa的孔隙定義為大孔隙，并根據(jù)表面張力與毛管上升力方程計算得到了大孔隙的有效孔徑為＞1 mm。Beven和Germane［32］則認為當量直徑大于 0.03 mm 的孔隙為大孔隙，孫龍等［33］將大孔隙界定為田間持水量到飽和含水量之間的土壤孔隙，根據(jù)土壤水分穿透曲線理論得出大孔隙半徑范圍，并且認為等效直徑大于1 mm的土壤大孔隙是能導致優(yōu)先流發(fā)生的優(yōu)先路徑。楊永輝等［34］根據(jù)CT掃描結(jié)果，將統(tǒng)計出來的最小孔徑作為大小孔隙的界限。在綜合對比以往研究成果的基礎上，本次研究將＞1 mm的孔徑定義為大孔隙，并將孔隙等效直徑劃分為5個等級：＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、＞7 mm。大孔隙等效直徑R計算方法為：

式中，A為大孔隙面積；P為大孔隙周長。

為了分析大孔隙個數(shù)與大孔隙度的關(guān)系，在等效直徑計算的基礎上，計算了大孔隙的成圓率C：

式中，C為成圓率，A為大孔隙面積，P為大孔隙周長。孔隙成圓率上限為1，下限為0。

根據(jù)所確定的閾值，經(jīng)過ArcGIS10.1對掃描圖像的處理和統(tǒng)計，以及依據(jù)式（1）和式（2）計算出了3個土柱不同深度的大孔隙度、各等級的等效直徑及大孔隙的成圓率。

2 結(jié) 果

2.1 大孔隙度隨剖面深度的變化特征

在上述測試、圖像處理和計算設計的基礎上，計算出了研究坡面不同地貌部位土壤剖面的大孔隙度、總孔隙度以及大孔隙度占總孔隙度的百分比（表1）。

表1 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙度、總孔隙度統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistics of macro-porosity and total porosity in soil profiles relative to position on the slope （%）

續(xù)表

由表1可知，整體而言，在3個土壤剖面中，均以大孔隙為主。大孔隙度占總孔隙度的比值分布在83.3%～99.7%之間，大于90%以上的數(shù)值占到了62%。就孔隙特征隨剖面變化規(guī)律而言，大孔隙度和總孔隙度均具有隨著土壤剖面深度的加深而減小的趨勢，最大值均出現(xiàn)在0～10 cm深度范圍內(nèi)。但是，從大孔隙度與總孔隙度的比值來看，隨著土壤剖面深度的加深而加大，說明總孔隙度隨剖面深度加深而減小的幅度大于大孔隙度減小的幅度，進而可以推測，隨著土壤剖面深度的加深，孔徑小于1 mm的孔隙所占的比重很小，幾乎全是大孔隙。根據(jù)土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的組合特征，砂土的總孔隙度一般分布在30%～45%，而且孔徑粗，大孔隙比重大，說明整個坡面均處于侵蝕粗化嚴重的階段。

為了能直觀了解大孔隙度隨著剖面深度的變化規(guī)律，根據(jù)表1大孔隙度隨深度變化的數(shù)據(jù)，求出了不同地貌部位土壤剖面中不同深度的大孔隙度的距平值，并繪制了圖2。

圖2 大孔隙度距平隨剖面深度變化趨勢Fig. 2 Variation trend of macro porosity anomaly in soil profiles with depth in the profile

由表1和圖2可以看出（圖中X軸的正負值表示與平均值的差值），就坡頂土壤剖面而言，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于32%～39%之間，整個剖面大孔隙度值的變幅并不大，大于平均值的層位占到了43%，而大孔隙度與總孔隙度的差值隨著深度的增加而減小，說明隨著深度的增加，小孔隙度所占的比例在明顯地減小。在坡中土壤剖面中，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于29%～37%之間，大孔隙度與總孔隙度的差值的較大值出現(xiàn)在土壤表層0～10 cm，較小值則是出現(xiàn)在剖面中下部，但總體上大孔隙度與總孔隙度的差值隨著剖面的增加有減小的趨勢，這也就意味著隨著土壤剖面深度的增加，小孔隙度也在減小。而在坡底剖面中，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于25%～37%之間，但是大孔隙度與總孔隙度的差值隨土壤剖面深度的增加而變化的規(guī)律較為復雜，沒有一定的規(guī)律性。從整體上看，在3個剖面中大孔隙度大于平均值的層位主要分布在0～30 cm深度之間，表現(xiàn)為正距平，而大孔隙度小于平均值的層位主要分布在30～70 cm深度之間，表現(xiàn)為負距平，只是在坡頂60～70 cm范圍出現(xiàn)兩個畸點。

2.2 大孔隙個數(shù)比例及等效直徑級數(shù)隨剖面深度的變化特征

基于ArcGIS10.1對掃描圖片不同孔徑等級個數(shù)及總孔數(shù)的統(tǒng)計計算，得出了大孔隙中不同等效孔徑級別所占的比重（表2）。

表2 坡地不同地貌部位剖面大孔隙等效直徑各等級個數(shù)比例Table 2 Proportion of macro-pores of equivalent diameter in number in the soil profile relative to position of the profile on slopes（%）

續(xù)表

由表2數(shù)據(jù)可知，在3個土壤剖面中，均以1～3 mm孔徑的大孔隙所占比例最大，3個土柱的平均值分別為：坡頂70.58%，坡中73.61%，坡底69.74%。在3個土柱各層的69個數(shù)據(jù)中，最小比值也在50%以上，最大可達到88%。3～5 mm孔徑的大孔隙所占比重次之，排在第3位的是＞7 mm孔徑的大孔隙，5～7 mm所占比例最小。經(jīng)統(tǒng)計在總孔隙個數(shù)中，對于3個剖面整體而言，大孔隙個數(shù)所占比重均很大，大部分的比重大于70%，并呈現(xiàn)出隨著深度的增加而減少的趨勢（圖3）。

就大孔隙個數(shù)而言，在坡頂土壤剖面中，大孔隙個數(shù)所占的比例為24%～92%之間，最大值出現(xiàn)在表層，但絕大部分層位的大孔隙個數(shù)所占的比例均大于平均值（68.9%）。深度36cm以上層位均為正離均差，而且變幅不大，正離均差的層位大約占到總層位數(shù)的70%。在坡中土壤剖面中，大孔隙個數(shù)所占的比例分布在45%～96%之間，絕大部分層位的大孔隙個數(shù)所占的比例均接近于平均值（81.65%），幅度不大，較為穩(wěn)定，但正離均差的層位占總層位數(shù)的57%，其小于坡頂，說明大孔隙個數(shù)在剖面的分布差異不大。在坡底土壤剖面中，大孔隙個數(shù)所占的比例分布在24%～96%之間，大于平均值（72.49%）的層位數(shù)占到了65%，但大孔隙個數(shù)的比例在剖面中變幅較大，出現(xiàn)了2個比例較小的層位。

就坡頂整個剖面而言，大孔隙個數(shù)所占的比例總體上呈現(xiàn)的趨勢是隨著剖面深度的增加而減小，直線相關(guān)系數(shù)為0.62。在63～66 cm處最小，在3～6 cm處最大，36～69 cm范圍是大孔隙個數(shù)比例分布較小的區(qū)域。但坡中剖面不同于坡頂，大孔隙個數(shù)所占的比例在48～51 cm處最小，在3～6 cm處最大，但是大孔隙個數(shù)所占的比例在坡中整個剖面深度的變化不大，基本上圍繞80%波動。對于坡底而言，大孔隙個數(shù)所占的比例在33～36 cm處最小，同樣也是在3～6 cm處最大，但是大孔隙個數(shù)所占的比例在整個剖面變化起伏較大。

2.3 大孔隙度與大孔隙個數(shù)比例的關(guān)系

大孔隙度與大孔隙個數(shù)比例的比值在坡頂、坡中、坡底均圍繞0.40波動，說明整體上坡頂、坡中、坡底三個剖面位置處大孔隙度與大孔隙個數(shù)比例有一定的規(guī)律。從理論上而言，大孔隙度個數(shù)比例與大孔隙度應該呈正比例關(guān)系，但是分別對坡頂、坡中、坡底三個剖面位置處的大孔隙個數(shù)比例與大孔隙度進行相關(guān)性擬合，發(fā)現(xiàn)三個位置處的相關(guān)系數(shù)分別為0.37、0.31、0.52，相關(guān)性并不好。因為，大孔隙度不僅與大孔隙的個數(shù)有關(guān)，而且還與大孔隙的直徑和成圓率有關(guān)，本次試驗將大孔隙分為四個等級（表2），但是由于每個等級大孔隙的個數(shù)是不同的，所以總體上而言，大孔隙與大孔隙度的關(guān)系不存在絕對的正比例關(guān)系，導致了它們之間的相關(guān)性不好。

圖3 大孔隙個數(shù)占總孔隙個數(shù)比例隨剖面深度的變化趨勢Fig. 3 Variation trend of the ratio of macro-pores / total pores in number with depth in the profile（%）

3 討 論

由結(jié)果分析可知，在不同地貌位置的土壤剖面中，大孔隙度與大孔隙個數(shù)比例的關(guān)系、大孔隙度與總孔隙度的關(guān)系、大孔隙等效直徑等級的配比等，隨剖面深度的變化并不一致，而且變化比較復雜，相互之間的相關(guān)性也并不好，其主要原因是受大孔隙等效直徑大小、各等級孔徑的成園率、土壤的顆粒組成，以及外部強烈的侵蝕作用所致。

3.1 坡面侵蝕特征對大孔隙成圓率的影響

孔隙成圓率上限為1，下限為0。數(shù)值越接近于1，孔隙形態(tài)越接近于圓，數(shù)值越小，孔隙形態(tài)越不規(guī)則。土壤孔隙成圓率可以反映出土壤的水分滲透性能，因為，在不同形狀孔隙中運移的水分和空氣與孔隙周圍土壤的接觸面積不同，對土壤通氣性能和水分傳輸所產(chǎn)生的影響就不同。根據(jù)幾何原理，在同等面積的條件下，規(guī)則的圓形周長最小，即成圓率最大，其與土壤水分和空氣的接觸面積最小，有利于水分運移。成圓率越小，水分在滲漏過程中受到的阻力相對要大，越不利于水分的運移。

由式（2）所計算的3個剖面不同深度的大孔隙成圓率（表3）可知，就剖面整體而言，坡中的平均成圓率最大（為0.23），坡底的平均成圓率次之（為0.22），坡頂?shù)钠骄蓤A率最?。?.13）。對于坡頂而言，在剖面6 cm和36 cm處出現(xiàn)兩個異動較大值，分別為0.46、0.44，而其他各個層位的大孔隙成圓率幾乎不會超過0.2。對于坡中而言，其成圓率在整個剖面均有逐漸減小的趨勢，只是在剖面底部70 cm處出現(xiàn)了一個較為明顯的異動值。對于坡底而言，其成圓率在整個剖面幾乎均呈現(xiàn)Z形變化趨勢，尤其在剖面0～13 cm變化幅度明顯，但大孔隙成圓率最大值還是出現(xiàn)在土壤表層。

表3 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙成圓率統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistics of circular of macro-pores in soil profile relative to position of the profile on the slope

從本次試驗研究來看，就整個土壤剖面而言，坡頂?shù)钠骄蓤A率要低于坡中與坡底，這也反映出坡頂在整個土壤剖面的水分平均入滲能力要弱于坡中與坡底，坡中的平均入滲能力與坡底相近，但是整體而言，坡頂、坡中、坡底平均入滲能力與坡頂、坡中、坡底的土壤侵蝕強度相符合。這主要是由于在研究區(qū)未受侵蝕的土壤，黏粒含量比重大，土壤水分滲透性較小；相反，受到侵蝕的坡面土壤黏粒含量減少，粗顆粒所占的比重加大，土壤水分的滲漏加快。從土壤侵蝕原理出發(fā)，坡頂由于產(chǎn)匯流面積小，單純遭受雨滴擊濺的侵蝕，所以侵蝕強度弱，坡中與坡底產(chǎn)匯流面積大，侵蝕強度大。

3.2 土壤顆粒組成對土壤剖面大孔隙分布規(guī)律的影響

土壤質(zhì)地是決定土壤孔隙性好壞的主要因素之一。根據(jù)國際制標準，將所采集的與土柱剖面位置相同的對應層位的土壤樣品進行了顆粒組成測試，其結(jié)果分為4級：粗砂粒（2～0.2 mm）、細砂粒（0.2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。就本研究的坡地而言，整體坡地均以粗砂粒所占比重最大，坡中最大平均值為63.18%，坡底與坡頂相接近，分別為59.48% 和58.33%，屬于重砂土。坡面黏粒含量的平均值以坡底最大為11.84%，坡頂次之為9.99%，坡中最小為9.59%，粉粒含量的平均值仍然以坡底最大為17.28%，坡頂和坡中分別為15.16%和11.04%。為了能定量明確土壤剖面大孔隙與土壤質(zhì)地組成的關(guān)系，用SPSS20.0將各個粒級與大孔隙度進行相關(guān)性分析（表4）。由表4可見，大孔隙度與粗砂粒呈顯著的正相關(guān)，與黏粒和粉粒呈顯著的負相關(guān)。在12個相關(guān)系數(shù)中，坡頂大孔隙度與粗砂粒的相關(guān)性最好，坡底大孔隙度與細砂粒的相關(guān)性最差。從3個坡位來看，坡頂大孔隙度與各粒級的相關(guān)性均大于其他2個坡位，坡底的大孔隙度與各粒級的相關(guān)性均小于其他2個坡位。

表4 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙度與粒度組成的相關(guān)性Table 4 Correlation between macro-porosity and paticle size composition relative to position of the profile on the slope

就3個不同地貌部位的3個土壤剖面的平均值而言，土壤剖面中大孔隙度值大對應的粗砂粒含量高，其中，坡底土壤剖面中大孔隙度的平均值最小對應的黏粒含量的平均值最大，而粗砂粒含量的平均值小于坡中；坡中土壤剖面中大孔隙度的平均值最大對應的粗顆粒含量的平均值最大，而黏粒含量的平均值最小。坡頂土壤剖面居于二者之間。

從大孔隙度與土壤顆粒組成的對應層位來看，大孔隙度值比較大的層位與粗砂粒含量高的層位相對應，在坡頂部和中部的土壤剖面中，主要分布在0～20 cm的表層，在坡底部的土壤剖面中其厚度較薄，在表層的0～12 cm之間。大孔隙度值較小的層位與黏粒含量值較大的層位相對應，在坡頂?shù)耐寥榔拭嬷?，主要分布?5～50 cm的土層深度，在坡中部土壤剖面中，分布在40～70 cm較深土層范圍內(nèi)，從20 cm到40 cm之間大孔隙度與土壤顆粒組成的對應關(guān)系較弱，具有層次波動的現(xiàn)象。在坡底土壤剖面中，總體趨勢也是大孔隙度值小的層位對應的黏粒含量較高，大孔隙度值大的層位對應的粗顆粒含量較大，但在土壤剖面中分布的層位具有交錯的特征。

分析表明，土壤顆粒組成越細，總孔隙度越大，而且小孔隙比重越大。以砂粒為主的砂質(zhì)土（砂粒占50%以上），土壤剖面中松散的土壤固相骨架比重較大，顆粒棱角分明，土壤剖面中以不規(guī)則大孔隙為主。

3.3 坡面侵蝕特征對土壤剖面大孔隙分布規(guī)律的影響

一般地帶性土壤剖面孔性特征表現(xiàn)為“上虛下實”，要求在土壤表層總孔度為50%～60%，通氣孔隙度在10%～20%之間，下層的總孔隙度為50%左右，通氣孔隙度在10%左右。本研究坡面由于受到強烈的水力侵蝕，坡面粗化現(xiàn)象嚴重，黏粒和部分粉粒在坡面徑流的侵蝕和搬運作用下流失。土壤表層的黏粒和粉粒含量均最小，與3個土壤剖面表層大孔隙度最大相一致。在3個土壤剖面中總孔隙度均較小，而且主要是大孔隙（屬于通氣孔隙），雖然總孔隙度和大孔隙度均隨土壤剖面深度的加深而減小，但大孔隙度所占的比重卻是隨著土壤剖面深度的加深而加大，幾乎均在90%以上。

在同一坡面的不同地貌部位，由于侵蝕強度具有明顯的差異，所以在坡頂、坡中和坡底土壤剖面的孔性特征也存在一定的差異。在降雨強度較小的情況下，坡面不會產(chǎn)生徑流，整個坡面均遭受降雨的雨滴擊濺侵蝕；當降雨強度較大時，坡頂由于匯水面積較小，仍然單純地遭受降雨的雨滴擊濺侵蝕，而坡中與坡底由于匯水面積較大，既有雨滴擊濺侵蝕，同時還疊加坡面徑流的侵蝕，所以從整體上而言，坡中與坡底的侵蝕強度較大。由此可得，在坡頂土壤剖面中，大孔隙度占總孔隙度的比例變化規(guī)律較好。坡底由于處于沉沙池的上端，坡面徑流在此處容易匯集，使得坡底匯流面積最大，結(jié)果導致了其侵蝕強度大于坡頂，使得坡底大孔隙度的比例變化幅度較大，最大值與最小值相差能達到16%以上，而且在剖面中的變化規(guī)律不明顯，波動較大。這主要是因為，在侵蝕環(huán)境下，土壤表層松散顆粒易被坡面徑流沖刷而流失掉，而導致表層土壤大孔隙比例變化幅度較大，即侵蝕強度越大，大孔隙比例變化幅度越大。在坡地中部侵蝕較坡頂嚴重，所以在坡中土壤剖面中，從上至下大孔隙度占總孔隙度的比重均很大（85%以上），大于90%的層位占到了83%，孔隙的結(jié)構(gòu)性較差。

4 結(jié) 論

在侵蝕性風化花崗巖母質(zhì)上發(fā)育的坡地土壤，土壤剖面大孔隙結(jié)構(gòu)的空間特征受不同地貌部位差別性水力侵蝕的影響非常明顯。土壤剖面中以大孔隙為主，大孔隙度占總孔隙度的比率均大于83%，在坡中土壤剖面中可達到90%以上，不同地貌位置3個土壤剖面的比率排序為：坡中＞坡底＞坡頂，這一比值并隨深度的增加而增大。大孔隙度和大孔隙個數(shù)在土壤剖面中的分布以0～30 cm深度的表層為最大。大孔隙等效孔徑的比例結(jié)構(gòu)極不協(xié)調(diào)，1～3 mm的孔徑個數(shù)占大孔隙個數(shù)的比例約占到了70%以上。由成圓率所表征的大孔隙形狀，在一定程度上可以反映土壤剖面的機械組成，研究結(jié)果揭示了：細顆粒越多，成圓率越大，粗顆粒越多，大孔隙度越大這一規(guī)律?？傊?，嚴重的土壤侵蝕改變了典型地帶性土壤剖面的孔隙結(jié)構(gòu)，致使坡地土壤剖面水肥氣熱的協(xié)調(diào)運行受到了嚴重影響，大孔隙比率的異常增大和結(jié)構(gòu)的不合理是導致坡地土壤漏水漏肥的關(guān)鍵所在。

［ 1 ］ 萬勇善，席承藩，史德明. 南方花崗巖區(qū)不同侵蝕土壤治理效果的研究. 土壤學報，1992，29（4）：419—426 Wan Y S，Xi C F，Shi D M. Study on soil conservation effect for different eroded soils in granite region of south China （In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1992，29（4）：419—426

［ 2 ］ 趙其國. 紅壤物質(zhì)循環(huán)及其調(diào)控. 北京：科學出版社，2002 Zhao Q G. The circulation of materials and control on red soli （In Chinese）. Beijing：Science Press，2002

［ 3 ］ 阮伏水，朱鶴健. 福建省花崗巖地區(qū)土壤侵蝕與治理.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1997 Ruan F S，Zhu H J. Soil erosion and treatment in granite area of Fujian Province （In Chinese）.Beijing：China Agriculture Press，1997

［ 4 ］ 龔子同，張甘霖，陳志成，等. 土壤發(fā)生與系統(tǒng)分類.北京：科學出版社，2007 Gong Z T，Zhang G L，Chen Z C，et al. Soil genesis and classification （In Chinese）. Beijing：Science Press，2007

［ 5 ］ 詹其厚，袁朝良，張效樸. 有機物料對砂姜黑土的改良效應及其機制. 土壤學報，2003，40（3）：420—425 Zhan Q H，Yuan C L，Zhang X P. Ameliorative effect and mechanism of organic materialson vertisol （In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2003，40（3）：420—425

［ 6 ］ Suzanne E A，Stéphanie R，Allan J C. Quantifying preferential flow in soils：A review of different techniques. Journal of Hydrology，2009，378（1/2）：179—204

［ 7 ］ 劉偉，區(qū)自清，應佩鋒. 土壤大孔隙及其研究方法. 應用生態(tài)學報，2001，12（3）：465—468 Liu W，Ou Z Q，Ying P F. Soil macro-pores and its research methods （In Chinese） . Chinese Journal of Applied Ecology，2001，12（3）：465—468

［ 8 ］ Radulovieh R，Solorzano E，Sollins P. Soil macropore size distribution from water breakthrough curves.Soil Science Society of America Journal，1989，53：556—559

［ 9 ］ 華珊，陳研，梁露燾，等. 利用基于偏微分方程的圖像濾波技術(shù)研究土壤孔隙結(jié)構(gòu). 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（3）：78—85 Hua S，Chen Y，Liang L T，et al. Studying soil pore structure by using image filtering technology based on partial differential equation model （In Chinese）.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（3）：78—85

［10］ Beven K，Germann P. Macro-pores and water flow in soils. Water Resource Research，1982，18（5）：1311—1325

［11］ Germann P F，Pietro L D. Scales and dimensions of momentum dissipation during preferential flow in soils.Water Resources Research，1999，35（5）：1443—1454

［12］ 程亞南，劉建立，呂菲，等. 基于CT 圖像的土壤孔隙結(jié)構(gòu)三維重建及水力學性質(zhì)預測. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（22）：115—122 Cheng Y N，Liu J L，Lü F，et al. Three-dimensional reconstruction of soil pore structure and prediction of soil hydraulic properties based on CT images （In Chinese）. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（22）：115—122

［13］ Gantzer C J，Anderson S H. Computed tomographic measurement of macroporosity in chisel-disk and notillage seedbeds. Soil and Tillage Research，2002，64（1）：101—111

［14］ Sander T，Gerke H H，Rogasik H. Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computed tomography. Geoderma，2008，145（3/4）：303—314

［15］ Udawatta R R，Anderson S H，Gantzer C J，et al. Influence of prairie restoration on CT-measured soil pore characteristics. Journal of Environmental Quality，2008，37（1）：219—228

［16］ 郭曉明，馬騰，陳柳竹，等. 污水灌溉下土壤孔隙特征的CT定量分析. 地球科學（中國地質(zhì)大學學報），2015，40（11）：1896—1903 Guo X M，Ma T，Chen L Z，et al. The quantitative analysis on soil pore characteristics under sewage irrigation by CT （In Chinese）. Earth Science（Journal of China University of Geosciences），2015，40（11）：1896—1903

［17］ 李宗超，胡霞. 小葉錦雞兒灌叢化對退化沙質(zhì)草地土壤孔隙特征的影響. 土壤學報，2015，52（1）：242—248 Li Z C，Hu X. Effects of shrub （Caragana microphylla Lam） encroachment on soil porosity of degraded sandy grassland （In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2015，52（1）：242—248

［18］ 吳華山，陳效民，陳粲. 利用CT掃描技術(shù)對太湖地區(qū)主要水稻土中大孔隙的研究. 水土保持學報，2007，21（2）：175—178 Wu H S，Chen X M，Chen C. Study on the macropore in main paddy soil in tai-lake region by using CT （In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2007，21（2）：175—178

［19］ 趙世偉，趙勇鋼，吳金水. 黃土高原植被演替下土壤孔隙的定量分析. 中國科學：地球科學，2010，40（2）：223—231 Zhao S W，Zhao Y G，Wu J S. Quantitative analysis of soil pores under natural vegetation successions on the Loess Plateau （In Chinese）. Science of China：Earth Science，2010，40（2）：223—231

［20］ 周虎，李文昭，張中彬，等. X射線CT研究多尺度土壤結(jié)構(gòu). 土壤學報，2013，50（6）：1226—1230 Zhou H，Li W Z，Zhang Z B，et al. The research of multi-scale soil structure by X-ray CT （In Chinese）.Acta Pedologica Sinica，2013，50（6）：1226—1230

［21］ 王慧妮，倪萬魁. 基于計算機X射線斷層術(shù)與掃描電鏡圖像的黃土微結(jié)構(gòu)定量分析. 巖土力學，2012，33（1）：243—247，254 Wang H N，Ni W K. Loess microstructure quantitative analysis based on CT and SEM pictures （In Chinese）. Rock and Soil Mechanics，2012，33（1）：243—247，254

［22］ 張小娜，馮杰，邵偉，等. 土壤大孔隙對坡面溶質(zhì)流失的影響. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（6）：117—121，147 Zhang X N，F(xiàn)eng J，Shao W，et al. The influence of soil macropores for slope solute loss （In Chinese）.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44（6）：117—121，147

［23］ 張治偉，朱章雄，王燕，等. 巖溶坡地不同利用類型土壤入滲性能及其影響因素. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（6）：71—76 Z h a n g Z W，Z h u Z X，Wa n g Y，e t a l.Soil infiltration capability and the influencing factors of different utilization style in karst slope （In Chinese）. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2010，26（6）：71—76

［24］ 易珍蓮，梁杏，李福民，等. ERDAS軟件在土體微觀結(jié)構(gòu)研究中的應用. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007（1）：113—115，119 Yi Z L，Liang X，Li F M，et al. The application of ERDAS software soil microstructure research （In Chinese）. Hydrogeology & Engineering Geology，2007（1）：113—115，119

［25］ 陶高梁. 巖土多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的分形研究及其應用.武漢：武漢理工大學，2010 Tao G L. The research and application of the fractal of rock and soil porous media pore structure（In Chinese）. Wuhan：Wuhan University of Technology，2010

［26］ 馮杰，郝振純. CT掃描確定土壤大孔隙分布. 水科學進展，2002，13（5）：611—617 Feng J，Hao Z C. Distribution of soil macro-pores characterized by CT （In Chinese）. Advances in Water Science，2002，13（5）：611—617

［27］ 彭瑞東，楊彥從，鞠楊，等. 基于灰度CT圖像的巖石孔隙分形維數(shù)計算. 科學通報，2011，56（26）：2256—2266 Peng R D，Yang Y C，Ju Y，et al. The calculation of rock pore fractal dimension based on CT pictures（In Chinese）. Chinese Science Bulletin，2011，56（26）：2256—2266

［28］ 陳超，魏彪，梁婷，等. 一種基于工業(yè)CT技術(shù)的巖芯樣品孔隙度測量分析方法. 物探與化探，2013，37（3）：500—507 Chen C，Wei B，Liang T，et al. Pore measurement analysis method of rock core samples based on industry CT technology （In Chinese）. Geophysical and Geochemical Exploration，2013，37（3）：500—507

［29］ 郝振純，馮杰，羅健. 兩種土壤大孔隙分布的比較. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002（2）：1—5，24 Hao Z C，F(xiàn)eng J，Luo J. The comparison of two kinds of soil macro-pores distribution （In Chinese）.Hydrogeology & Engineering Geology，2002（2）：1—5，24

［30］ Warmer G S，Nieber J L，Moore I D，et al.Characterizing macro-pores in soil by computed tomography. Soil Science Society of America Journal，1989，53（3）：653—660

［31］ Luxmoore R J. Micro-，meso-，and macro-porosity of soil. Soil Science Society of America Journal，1981，45（3）：671—672

［32］ Beven K，Germane P. Water flow in soil macro-pores.IIA combined flow model. Journal of Soil Science，1981，32（1）：15—29

［33］ 孫龍，張洪江，程金花，等. 柑橘地土壤大孔隙與優(yōu)先流的關(guān)系研究. 水土保持通報，2012，32（6）：75—79 Sun L，Zhang H J，Cheng J H，et al. The study of the relationship between soil macro-pores and preferential flow in citrus field （In Chinese）. Bulletin of Soil and Water Conservation，2012，32（6）：75—79

［34］ 楊永輝，武繼承，毛永萍，等. 利用計算機斷層掃描技術(shù)研究土壤改良措施下土壤孔隙. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（23）：99—108 Yang Y H，Wu J C，Mao Y P，et al. Study on soil pore of measures of soil improving by using CT （In Chinese）. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（23）：99—108