長(zhǎng)期不同種植方式對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)微形態(tài)特征的影響

劉哲

摘要：試驗(yàn)共設(shè)置有機(jī)種植、無(wú)公害種植、常規(guī)種植3個(gè)處理，利用圖像處理軟件研究分析土壤薄片，對(duì)比分析不同種植方式對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，有機(jī)種植方式能在增大土壤總孔隙度的同時(shí)，明顯增加當(dāng)量孔徑>100 μm的孔隙數(shù)量，改善大小孔隙的分布比例，是調(diào)節(jié)和改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)的重要方式。

關(guān)鍵詞：種植方式；土壤薄片；土壤孔隙度；當(dāng)量孔徑

中圖分類號(hào)：S152.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）12-0044-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.012

Abstract： Three planting patterns organic planting， pollution-free planting and conventional planting were conducted to show their effect on soil pore structure properties in greenhouse and farmland respectively. Soil slices and digital image processing were used for data analysis. The results showed that long-term organic planting changed significantly soil pore distribution and soil total porosity compared with conventional cultivation. The organic planting also improved the distribution ratio of the size pore and obviously increased the number of ventilation of the soil pore proportion of equivalent pore diameter >100 μm. Therefore，organic planting was an effective measure to improve soil pore structure properties.

Key words： planting patterns； soil thin sections； soil porosity； equivalent pore diameter

土壤孔隙結(jié)構(gòu)是指土壤孔隙的形態(tài)大小、數(shù)量搭配及其空間分布狀況，是水分、空氣、根系、土壤微生物和土壤動(dòng)物活動(dòng)的場(chǎng)所。土壤孔隙結(jié)構(gòu)直接影響水分在土表及土體內(nèi)的遷移途徑及方式，對(duì)土壤肥力狀況和通氣狀況有多方面的影響，孔隙狀況在很大程度上能夠反映土壤質(zhì)量的好壞，因此土壤孔隙研究是土壤研究中的一個(gè)重要方面[1，2]。由于土壤孔隙具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和時(shí)空變異性，環(huán)境變化和生物活動(dòng)等均會(huì)影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，不同種植方式對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響也較為強(qiáng)烈，對(duì)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)的定量化始終是土壤孔隙研究的一個(gè)難題。近年來(lái)迅速發(fā)展的數(shù)字圖像處理技術(shù)為土壤結(jié)構(gòu)的定量分析提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，尤其對(duì)土壤孔隙表面分形和土壤微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行小尺度研究更具有優(yōu)勢(shì)[3-5]。因此，利用土壤微形態(tài)技術(shù)研究不同種植方式下的土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，以期為不同種植方式對(duì)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

主要試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站（36°52′N，115°01′E），全區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.1 ℃，無(wú)霜期年平均210 d，多年平均降水量為604 mm。根據(jù)中國(guó)土壤系統(tǒng)分類該地土壤為鹽化潮褐土，試驗(yàn)田為多年菜田和糧田。該溫室菜田土壤長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)開(kāi)始于2003年，菜田種植制度為番茄-黃瓜輪作，每年收獲兩次。糧田長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)開(kāi)始于1994年，為冬小麥夏玉米種植制度。其中不同種植方式間的施肥量見(jiàn)表1。

1.2 采樣方法

在2012年9月下旬，分0～10、10～20和20～40 cm 3個(gè)層次分別采集混合土樣和原狀土樣，每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在采集和運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，以免破壞土體孔隙結(jié)構(gòu)。

1.3 土壤微形態(tài)薄片的數(shù)字化處理方法

土壤微形態(tài)樣品的固化參照文獻(xiàn)的固化方法[6]，在規(guī)格為NikonLV100POL型偏光顯微鏡下對(duì)土壤薄片進(jìn)行觀察描述，并用與之配套的Nikon DS-Fi1型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，所得的圖像為真彩色圖像，其分辨率為2 560×1 920，存儲(chǔ)為TIF格式。在圖像獲取過(guò)程中，可能會(huì)有一定的噪聲影響，為了更加準(zhǔn)確獲取土壤薄片中土壤孔隙、礦物顆粒等的信息，需要對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)的處理，主要是圖像增強(qiáng)和圖像去噪等處理。圖像處理利用Photoshop和Matlab的圖像處理工具完成。圖像增強(qiáng)主要利用imadjust命令增強(qiáng)對(duì)比度，并利用中值濾波去除圖像中的噪聲。在后期提取孔隙特征時(shí)，利用形態(tài)學(xué)imopen命令去除面積小于特定像素的斑點(diǎn)。圖像分割主要是利用Photoshop或者ImageJ中的“閾值”工具，主要利用目視法通過(guò)不斷地對(duì)比原圖選取恰當(dāng)?shù)拈撝?，將PPL照片和CPL照片分別進(jìn)行二值化處理[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤孔隙度根據(jù)下式計(jì)算。

土壤薄片孔隙面積百分比（%）=Sp×100%/S （1）

當(dāng)量孔徑分布比（%）=Spi×100%/S （2）

式1、式2中，S為圖像總面積；Sp為孔隙面積；Spi為孔徑的孔隙面積。

數(shù)據(jù)采用Excel 2016、Matlab和Sisciasv 8.0金相圖像處理分析軟件進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微形態(tài)薄片的二值化、增強(qiáng)和去噪處理

為研究該土壤孔隙微形態(tài)特性，首先在規(guī)格為NIKON LV100POL型偏光顯微鏡下對(duì)土壤薄片進(jìn)行觀察描述，并用與之配套的NIKON DS-FI1型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，所得的圖像為真彩色圖像。然后把所得的圖片用Photoshop和Matlab軟件進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為灰度圖，再根據(jù)圖像分析軟件的要求，將灰階圖像轉(zhuǎn)換為二值化黑白圖像后，方可對(duì)微形態(tài)特征進(jìn)行定量化的統(tǒng)計(jì)分析。

在薄片制作和圖像制作過(guò)程中，會(huì)受到噪聲的影響。為了準(zhǔn)確地獲取土壤中孔隙、礦物顆粒等信息，需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和去噪處理，圖像增強(qiáng)處理主要用的是直方圖均衡化處理方法，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，有利于圖像分析，圖1是圖像增強(qiáng)處理，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。圖2是中值濾波去噪處理，消除圖像孤立的噪聲點(diǎn)。

2.2 土壤微形態(tài)薄片的處理過(guò)程

圖3為溫室土壤有機(jī)種植0～10 cm土層土壤薄片孔隙的數(shù)字化處理過(guò)程，首先用偏光顯微鏡拍照的單偏光（PPL）的照片進(jìn)行二值化處理，圖像的白色部分包括了孔隙與透明的礦物（圖3a），而與其相對(duì)應(yīng)的正交偏光的二值化圖像的白色部分大多是透明礦物（圖3b），其次用Matlab軟件中二值化形態(tài)學(xué)運(yùn)算，單偏光的二值化圖像減去正交偏光的圖像（圖3c），最后再進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)和去噪處理就可以得到最終的土壤孔隙的二值化圖像（圖3d）。

2.3 不同施肥措施對(duì)土壤薄片孔隙面積百分比及當(dāng)量孔徑的影響

通過(guò)Matlab軟件和圖像處理軟件對(duì)土壤薄片孔隙進(jìn)行定量計(jì)算后，可以得出0～40 cm深度中有機(jī)種植（OM1、OM2）孔隙面積百分比最高，為29%～33%；無(wú)公害種植與常規(guī)種植均小于有機(jī)種植，為24%～28%（圖4a）。糧田土壤中，在0～40 cm深度中有機(jī)種植孔隙面積百分比最高，為28%～32%；無(wú)公害種植次之，為26%～31%；常規(guī)種植最低，為26%～30%（圖4b）。且3種處理的孔隙面積百分比都是隨著深度的增加，逐漸減少，主要是由于常規(guī)施肥區(qū)長(zhǎng)年施用化肥，留在土壤中的植物殘?bào)w較少，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，土壤結(jié)構(gòu)體和孔隙發(fā)育差，加之底層土壤受人為活動(dòng)影響小，導(dǎo)致孔隙度較低。而在有機(jī)施肥區(qū)，每年有大量的有機(jī)物質(zhì)施入土壤中，使得土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增加，微生物和酶的活性相應(yīng)提高，動(dòng)物活動(dòng)也增強(qiáng)，促使土壤結(jié)構(gòu)體和孔隙發(fā)育良好，孔隙度提高。

不同種植方式不僅對(duì)土壤孔隙面積百分比有較大影響，而且對(duì)孔隙的當(dāng)量孔徑分布也有一定的影響。由于分辨率問(wèn)題，較多的非活性孔隙和小毛管孔隙未能觀察到，導(dǎo)致小孔隙數(shù)值偏低。在0～10、10～20、20～40 cm土層，3種種植方式下當(dāng)量孔徑>100 μm的孔隙最多，20～100 μm的孔隙次之，小于20 μm的孔隙最少（圖4c、圖4d、圖4e），且各個(gè)粒級(jí)的孔隙度差距很大，綜合分析各級(jí)孔隙數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同種植方式對(duì)當(dāng)量直徑>100 μm的孔隙影響較大。其中，在0～10 cm，菜田有機(jī)處理（OM1）和糧田有機(jī)處理（OM2）當(dāng)量孔徑>100 μm的孔隙最多，分別高達(dá)24.0%和25.4%（圖4e），無(wú)公害次之，菜田無(wú)公害種植（NP1）和糧田常規(guī)種植（UF2）的較少，分別為19.4%和21.3%。有機(jī)處理促使土壤結(jié)構(gòu)體和孔隙發(fā)育良好，大孔隙數(shù)量增多。

3 小結(jié)

研究結(jié)果表明，不同種植方式對(duì)土壤孔隙數(shù)量及結(jié)構(gòu)有明顯的影響。有機(jī)種植方式下，土壤孔隙度明顯增加，土壤薄片孔隙面積占比最高達(dá)到33%，當(dāng)量孔徑>100 μm的孔隙明顯增多，達(dá)到25.4%，土壤大小孔隙的比例得到改善，即有機(jī)種植方式有明顯改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)、疏松土壤的作用。

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