基于工業(yè)CT掃描研究喀斯特地區(qū)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征

闞曉晴 程金花

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院建水研究站，云南 紅河 654300；3. 北京市農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097）

喀斯特地區(qū)石漠化嚴(yán)重[1]，表層土壤的巖石裸露率高達(dá)26.33%[2]，裸露的巖石表面有利于匯流機(jī)制的形成[3]。深層土壤存在巖石與土壤穿插分布的現(xiàn)象[4]，由于土壤與巖石之間存在剛性接觸[2]，二者間存在可運(yùn)輸水分的大孔隙結(jié)構(gòu)[5]，使該地區(qū)土壤大孔隙數(shù)量顯著增加，空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[6]。大孔隙對(duì)土壤中水、空氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物的運(yùn)輸有重要影響[7?8]，其空間特征是物質(zhì)優(yōu)先運(yùn)移的主要決定因素[9]，尤其是巖溶管道的形狀對(duì)流體流動(dòng)有很大的影響[10]。巖溶地區(qū)因其獨(dú)特的地質(zhì)特征，構(gòu)成了地下流體的天然排水溝，強(qiáng)烈影響巖溶管道的發(fā)展[11]，這些裂隙成為巖溶地區(qū)水分運(yùn)動(dòng)特殊性的關(guān)鍵問(wèn)題[12]，并導(dǎo)致喀斯特石漠化地區(qū)水文過(guò)程迅速，水分漏失問(wèn)題嚴(yán)重[5]。喀斯特石漠化地區(qū)水分漏失問(wèn)題導(dǎo)致土壤中植物可利用水分較少[13]，嚴(yán)重制約植被恢復(fù)的可持續(xù)性發(fā)展[6]。同時(shí)誘發(fā)表土層剝蝕過(guò)程[14]，使水土流失問(wèn)題更加嚴(yán)峻[15]。因此，喀斯特地區(qū)土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征亟待可視化及定量化研究。

已有研究表明，巖溶區(qū)深層大型裂縫呈現(xiàn)相交通道的角網(wǎng)格[16]，但少有研究關(guān)注喀斯特石漠化地區(qū)不同林分條件下的地表土壤大孔隙通道結(jié)構(gòu)特征。大孔隙方向?qū)τ谔綔y(cè)地質(zhì)特征、局部主導(dǎo)的成巖作用、優(yōu)先熔巖發(fā)育等研究十分重要[11]。也有部分學(xué)者研究了水分優(yōu)先運(yùn)移與土層厚度的關(guān)系，然而，我國(guó)喀斯特山區(qū)復(fù)雜的三維土壤大孔隙網(wǎng)絡(luò)與植被群落的定量關(guān)系、土壤大孔隙發(fā)育方向與坡度的關(guān)系尚不清楚。傳統(tǒng)的大孔隙研究方法為染色示蹤法，不具有可連續(xù)觀測(cè)性且無(wú)法精確還原大孔隙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17]，然而土壤大孔隙三維結(jié)構(gòu)的定量化研究是準(zhǔn)確掌握喀斯特地區(qū)水文過(guò)程的關(guān)鍵。X射線CT成像可定位土壤中的孔隙[18]，CT斷層掃描原狀土柱的大孔隙研究結(jié)果精準(zhǔn)且具有普適性[19]，且CT掃描獲得的孔隙路徑在流體及物質(zhì)運(yùn)移中起主導(dǎo)作用[20]。現(xiàn)有技術(shù)難點(diǎn)在于如何將土壤大孔隙進(jìn)行數(shù)值化描述，進(jìn)而與土壤水文數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以期深入喀斯特地區(qū)土壤水分漏失及石漠化治理等相關(guān)研究。因此，本研究采用CT掃描等方法，定量化分析喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)措施下土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特性。

本研究選擇喀斯特?cái)嘞菖璧厥貐^(qū)的常見植被類型，對(duì)其0～30 cm深土壤的大孔隙進(jìn)行掃描、計(jì)算及分析，旨在結(jié)合拓?fù)湓磉M(jìn)行趨向性分析，以量化并探討該區(qū)域常見植被群落的土壤大孔隙是否有顯著差異。通過(guò)分析人工植被恢復(fù)與當(dāng)?shù)靥烊恢脖粭l件下的土壤大孔隙空間結(jié)構(gòu)特征，驗(yàn)證人工恢復(fù)的重要性及其改善程度，為喀斯特地區(qū)石漠化防治及生態(tài)修復(fù)的人工恢復(fù)模式提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年7—8月，在云南省紅河哈尼族 彝 族 自 治 州 建 水 縣（102°55′～102°60′E，23°37′～23°44′N）進(jìn)行。該地區(qū)為典型的喀斯特?cái)嘞菖璧氐孛?，海?350～1700 m，受西南印度洋季風(fēng)影響，雨季旱季交替明顯。年平均氣溫19.8 ℃，地表年平均氣溫20.8 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2322 h，年平均降水量805 mm，地帶土壤為灰?guī)r風(fēng)化形成的石灰土[21]。試驗(yàn)點(diǎn)基本情況見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)概況Table 1 Basic situation of the experimental sites

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集及處理方法

在建水試驗(yàn)站的次生林（SF）、云南松純林（PY）、灌木（S）、草地（G）樣地隨機(jī)確定5個(gè)樣點(diǎn)，用體積為100 cm3的環(huán)刀取出5 cm至15 cm表層土壤，用于研究區(qū)土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、田間持水量和土壤自然含水量等土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。其中，土壤總孔隙度、毛管孔隙度（孔隙直徑小于或等于0.1 mm）、非毛管孔隙度（孔隙直徑大于0.1 mm）采用環(huán)刀法測(cè)定[22]。土壤田間持水量和自然含水量采用烘干法測(cè)定[23]。其中，田間持水量是指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量（土水勢(shì)或土壤水吸力達(dá)到一定數(shù)值），是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。土壤自然含水量一般是指土壤絕對(duì)含水量，即100 g烘干土中含有水分的質(zhì)量（g），也稱土壤含水率[24]。

2.2 原狀土柱采集及CT掃描

在建水試驗(yàn)站的次生林（SF）、云南松純林（PY）、灌木（S）、草地（G）中共采集12個(gè)坡下原狀土柱（管內(nèi)直徑10 cm，高30 cm），金屬管壁會(huì)對(duì)后期掃描結(jié)果產(chǎn)生影響，因此均采用管壁厚5 mm的PVC管采集。由于機(jī)械施力會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)大規(guī)模破壞，因此采用人力按壓的方法，用鐵鏟等工具在PVC管外壁將多余土壤剝離，在逐漸向下施力，以保證最終獲得原狀土柱[18]。

12個(gè)原狀土柱均采用IPT4106D掃描設(shè)備進(jìn)行斷層掃描。該設(shè)備采用4 MeV加速器面陣CT掃描系統(tǒng)，將原狀土柱以0.2 mm/像素掃描為2 048×2 048的CT圖像矩陣，進(jìn)而使CT圖像堆棧通過(guò)VG Studio MAX2.2軟件對(duì)孔隙進(jìn)行缺陷自動(dòng)檢測(cè)計(jì)算[25]，在不破壞土壤整體結(jié)構(gòu)的情況下，獲得其內(nèi)部孔隙三維結(jié)構(gòu)，以及大孔隙的直徑、體積、表面積、分布。

利用CT掃描數(shù)據(jù)計(jì)算大孔隙特征參數(shù)，獲得大孔隙平均直徑（d，單位：mm）、孔隙總體積（Vm，單位：mm3）、孔隙總表面積（Sm，單位：mm2）、角度（θ）、扭曲度（ξ）、彎曲度（δ）、大孔隙實(shí)際長(zhǎng)度（Lti）。

為計(jì)算大孔隙特征，采用拓?fù)湓?，假設(shè)某段孔隙如圖1所示，將其孔隙方向用三維坐標(biāo)軸表示，即獲得拓?fù)涔艿谰W(wǎng)絡(luò)，采用微分思想，將大孔隙無(wú)限拆分為n層，則該孔隙可近似看做多段線段，將每一微段的x、y和z坐標(biāo)差進(jìn)行積分計(jì)算即可獲得大孔隙的特征指標(biāo)。

圖1 大孔隙計(jì)算過(guò)程Fig. 1 Diagrammatic sketch calculation process of macropores

大孔隙角度（θ）定義為大孔分支的傾角[26]，無(wú)法用軟件直接獲得，因此使用公式（1）計(jì)算每層大孔隙的角度。

式中：x、y和z分別是x、y和z方向上的投影大孔長(zhǎng)度。

扭曲度（ξ）定義為實(shí)際長(zhǎng)度 （L0）的土壤內(nèi)第i層大孔隙角度（θi）的累計(jì)值，共n層，為描述土壤內(nèi)大孔隙的扭曲程度，采用公式（2）計(jì)算。

假設(shè)大孔隙被拆分后每一微段孔隙為圓柱體，則可采用體積（V）與上下表面積（S）比獲得，即公式（3）計(jì)算第i層大孔隙實(shí)際長(zhǎng)度（Lti）。

彎曲度（δ）可以表示大孔隙路徑的卷積程度，可反應(yīng)大孔隙通道內(nèi)流動(dòng)物體的運(yùn)移路徑長(zhǎng)度，因此公式（4）計(jì)算累積彎曲度。

式中：Lti為第i層內(nèi)實(shí)際大孔隙長(zhǎng)度（mm），Lli為第i層內(nèi)垂直距離長(zhǎng)度（mm）。

2.3 圖像處理及數(shù)據(jù)分析

CT掃描獲得的原狀土柱橫截面圖具有研究意義，為定量研究橫截面中大孔隙的特征，采用Adobe Photoshop CS6將圖像均分為36個(gè)扇形，采用IPWIN和Origin 2019b將各扇形內(nèi)的大孔隙占比轉(zhuǎn)化為數(shù)值進(jìn)行定量化研究（圖2）。

圖2 CT掃描橫截面圖像處理過(guò)程Fig. 2 CT scan cross-sectional image processing process

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被群落土壤性質(zhì)

4種植被群落條件下的土壤孔隙度及其含水量見表2。草地的標(biāo)準(zhǔn)差顯著較大，且草地各指標(biāo)的平均值約為林地的1.02倍（非毛管孔隙度）到1.27倍（最大、最小持水量），約為灌木區(qū)的0.80倍（土壤自然含水量）到2.31倍（非毛管孔隙度）。次生林的土壤非毛管孔隙度最大，且標(biāo)準(zhǔn)差最大。灌木的土壤毛管孔隙度、土壤自然含水量顯著最大。云南松純林的持水量顯著較小。各持水量均存在PY

表2 4種植被群落條件下土壤孔隙度及含水量特征Table 2 Characteristics of soil porosity and water content under 4 vegetation communities %

3.2 土壤大孔隙結(jié)構(gòu)可視化

4種植被群落條件下的土壤大孔隙三維可視化圖像見圖3。大孔隙的形態(tài)、連通性、分布、發(fā)育情況在不同植被群落條件下差異較大。為便于對(duì)比各樣品的差異，將其分為孔隙體積V≥100000 mm3（圖3a）、5 mm3≤V<100000 mm3（圖3b）、V<5 mm3（圖3c）三部分。圖3a中次生林和云南松純林的大孔隙存在垂直連通性，且可觀察到類似根系通道的管狀大孔隙，灌木的大孔隙較少，草地的大孔隙具有垂直連通性但呈破碎狀。圖3b中的孔隙主要存在于灌木地中，且均為橫向聯(lián)通，云南松純林在地下30 cm處存在橫向連通的孔隙。圖3c中灌木和草地小于5 mm3的孔隙最多，且分布較均勻。

圖3 4種植被群落條件下的土壤大孔隙三維可視化Fig. 3 Three-dimensional visualization of soil macropores under 4 vegetation communities

3.3 土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征

為定量化分析4種植被群落條件下的土壤孔隙情況，利用公式（1）至公式（4）計(jì)算12個(gè)原狀土柱中的大孔隙特征參數(shù)（圖4）。4種植被群落條件下的土壤大孔隙平均直徑相近，且SF>G>PY>S。孔隙總體積和總表面均為G>SF>S>PY，累積彎曲度的標(biāo)準(zhǔn)差較大，累積角度為PY>S>G>SF。

圖4 4種植被群落條件下的土壤大孔隙特征參數(shù)Fig. 4 The characteristic parameters of soil macropores under the conditions of 4 vegetation communities

3.4 土壤大孔隙趨向性特征

由于原狀土柱橫截面圖像分散，根據(jù)CT掃描橫截面圖像處理過(guò)程計(jì)算并繪制圖5～6。大孔隙具有趨向性且不對(duì)稱（圖5中箭頭），在具有深層根系的土壤中，大孔隙的分布方向并不局限在一側(cè)（圓圈部分），除灌木樣地外，土壤大孔隙均沿著坡向。由圖6可知，除云南松純林外大孔隙占比與坡度呈正比。

圖5 4種植被群落條件下大孔隙趨向Fig. 5 The trend of macropores under the conditions of 4 vegetation communities

圖6 坡度與孔隙占比合計(jì)值曲線Fig. 6 Curve of total slope and pore proportion

4種植被群落的大孔隙在不同深度的趨向性變化很大（圖7）。1 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次為天然次生林>云南松純林>草地>灌木；15 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次為云南松>灌木>草地>天然次生林；30 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次為草地>天然次生林>云南松純林>灌木。

圖7 4種植被群落條件下1、15、30 cm深大孔隙趨向Fig. 7 Trends of 1, 15, 30 cm deep macropores under 4 vegetation community conditions

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1 人工植被恢復(fù)對(duì)土壤大孔隙特征的影響

對(duì)12個(gè)原狀土柱CT掃描的計(jì)算分析表明，建水喀斯特地貌地區(qū)不同植被群落條件下的土壤大孔隙特征存在差異[27]，且破碎程度極強(qiáng)；同時(shí)，坡度坡向?qū)Υ罂紫栋l(fā)育程度具有一定影響。Beven等[28]將直徑大于0.03 mm的孔隙定義為大孔隙，但根據(jù)喀斯特地區(qū)不同植被群落的實(shí)際掃描數(shù)據(jù)，將喀斯特地貌條件下的土壤大孔隙分為V≥100000 mm3、5 mm3≤V<100000 mm3、V<5 mm33個(gè)區(qū)間，更有利于觀察和對(duì)比研究區(qū)土壤大孔隙特征，該分類在土壤CT掃描結(jié)果中具有實(shí)際意義，且結(jié)果存在顯著差異，有利于后續(xù)研究。結(jié)合表2、圖3和圖4的數(shù)據(jù)，在4種不同植被群落條件下，天然草地具有喀斯特原始的土石二元結(jié)構(gòu)，且無(wú)喬木根系，土壤空間異質(zhì)性較大，大孔隙總體積接近人工林和灌木的2倍，總表面積接近人工林的3倍，累計(jì)扭曲度最小，累積彎曲度接近林地的2～2.5倍，該結(jié)果與王葆[29]在北京地區(qū)的研究結(jié)果相反，與王發(fā)等[30]關(guān)于喀斯特地區(qū)自然封育區(qū)土壤大孔隙發(fā)育更好的研究結(jié)果一致，反映了喀斯特地區(qū)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性。在研究區(qū)特殊的地質(zhì)背景條件下，由土石二元結(jié)構(gòu)、生物活動(dòng)、裂隙共同組成的土壤大孔隙更發(fā)育，即在沒有喬木根系固土的情況下，土壤破碎程度較高，裂隙的發(fā)育提升了無(wú)根區(qū)土壤大孔隙的分布[31]，為喀斯特地區(qū)土壤漏失提供優(yōu)先通道[32]，提高了土壤的滲透系數(shù)[33]。

天然次生林的土壤同時(shí)具有喀斯特原始的土石二元結(jié)構(gòu)及深層根系結(jié)構(gòu)，大孔隙平均直徑最大，是人工林和灌木的1.04倍，與天然草地相似，因此在無(wú)人工干擾條件下的喀斯特地區(qū)土壤大孔隙直徑比人工恢復(fù)后大；從天然次生林的CT掃描圖中可以明顯觀察到土壤破碎的結(jié)構(gòu)及其較強(qiáng)的垂直連通性，該類型土壤持水性能低，不易蓄水[34]。人工恢復(fù)的云南松純林土壤破碎程度最小，在20～30 cm深的土壤中較為明顯，累積彎曲度最小，累積扭曲度接近天然次生林和天然草地的1.3倍，因此人工林恢復(fù)后的土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可有效延長(zhǎng)土壤水分的滯留時(shí)間[25]，提升土壤對(duì)水分的存蓄能力[29]。但還應(yīng)增加近地表植被的恢復(fù)，例如淺根發(fā)達(dá)的草本植物，以此促進(jìn)淺層土壤的孔隙發(fā)育程度，地表植被的覆蓋可以更好地保護(hù)土壤孔隙結(jié)構(gòu)[30]，促進(jìn)水分的蓄持，并為入滲水分提供更多的存蓄空間[35]，以提升土壤的最大持水能力。灌木的側(cè)向連通性較強(qiáng)，極易形成橫向優(yōu)先流動(dòng)，但降低了覆蓋土體的穩(wěn)定性[36]，毛管孔隙度最大，有利于水分儲(chǔ)存，與CT掃描的結(jié)果相符合。因此，在喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)中需要繼續(xù)增加人工恢復(fù)林地，有助于減少連通地表的裂隙發(fā)育和土壤蓄水，但同時(shí)也需考慮增加生態(tài)恢復(fù)的植被群落多樣性，在林地中增加地表淺層植被的覆蓋。

4.1.2 坡度及坡向?qū)Υ罂紫短卣鞯挠绊?/p>

在山坡下常受到坡面徑流及其攜帶物質(zhì)堆積的影響，但地下大孔隙的發(fā)展是否受其影響仍不知。因此，經(jīng)原狀土壤的CT三維掃描，在不破壞原土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)大孔隙進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[37]。在巖溶區(qū)的土壤存在大量裂隙，構(gòu)成了地下排水管道[13]，一旦地表流經(jīng)水分，將優(yōu)先進(jìn)入地下管道，形成優(yōu)先流。隨著坡度的增大，土壤大孔隙占比逐漸增大，有利于水分的優(yōu)先流動(dòng)，與Liu等[38]的結(jié)論相似。

在3D條件下不易于分析大孔隙趨向性，因此將其轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)[7]，進(jìn)行定量化分析。根據(jù)圖5中4種植被類型條件下原狀土柱中大孔隙的對(duì)比分析，無(wú)論是在哪種植被類型條件下，大孔隙均具有明顯的趨向性，但與Collon等[11]認(rèn)為地下巖溶裂隙存在對(duì)稱性且方向性不明的研究結(jié)果不同，巖溶地區(qū)坡下植被群落的土壤中裂隙不具有對(duì)稱性。其中天然草地10～30 cm深土壤中無(wú)根系，因此喀斯特地區(qū)坡下天然形成的裂隙具有一定的趨向性[39]，同時(shí)存在由于無(wú)深層根系保水，導(dǎo)致土壤無(wú)法長(zhǎng)期蓄水，存在干裂的情況。灌木區(qū)裂隙趨向性明顯，可能受到礫石存在的影響。林地的大孔隙方向同時(shí)受周圍樹木根系伸展方向和坡向的雙重影響，但整體仍然與坡向存在相似的夾角；對(duì)比2種林地的大孔隙趨向圖，天然次生林大孔隙異質(zhì)性較大，人工林大孔隙分布較均勻且趨向性顯著。

喀斯特地區(qū)土壤大孔隙趨向性可能會(huì)通過(guò)加速水分優(yōu)先進(jìn)入深層地表而影響坡體穩(wěn)定性，因此，關(guān)于土壤大孔隙的趨向性與坡向夾角的關(guān)系等問(wèn)題仍需進(jìn)一步更廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論完善。有研究者認(rèn)為喀斯特地區(qū)土壤大孔隙誘發(fā)水分漏失，加劇水土流失[40]，也有研究者認(rèn)為大孔隙可有效增加土壤蓄水能力[41]，二者可能有臨界閾值，需要進(jìn)一步探索研究。雖然 CT 掃描技術(shù)可有效量化土壤大孔隙三維結(jié)構(gòu)，但由于設(shè)備和技術(shù)的制約，土壤大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分運(yùn)移的貢獻(xiàn)及模擬研究仍存在一定誤差，例如CT掃描圖像處理過(guò)程中閾值的選取依靠主觀，明確大孔隙圖像識(shí)別過(guò)程中的閾值仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)，在今后的土壤大孔隙三維特征研究中，需要優(yōu)化土壤大孔隙三維特征的定量描述方法，可用于解釋土壤大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水分漏失的貢獻(xiàn)，并為非飽和多孔介質(zhì)的水分運(yùn)移模型提供參考。

4.2 結(jié)論

原狀土柱CT掃描可作為一種精確定量化研究喀斯特地區(qū)土壤大孔隙特征的有效手段，掃描結(jié)果具有實(shí)際意義且結(jié)果存在顯著差異，可用于分析該地區(qū)土壤水分流失現(xiàn)狀，為人工林恢復(fù)提供參考。具體結(jié)論如下：

1）4種植被類型的土壤持水量依次為草地>灌木>次生林>云南松純林，土壤毛管孔隙度依次為灌木>草地>云南松純林>次生林。

2）喀斯特地區(qū)草地在10～30 cm無(wú)根區(qū)仍有大量大孔隙存在，證明喀斯特地區(qū)土壤破碎程度高。林地20～30 cm深的土壤破碎程度小于天然草地，且林地的累積扭曲度接近次生林和草地的1.3倍。人工林恢復(fù)措施可有效延長(zhǎng)土壤水分的滯留時(shí)間。

3）坡下大孔隙在有、無(wú)根系的條件下，均具有明顯的趨向性，且不具有對(duì)稱性。4種植被類型的大孔隙趨向性依次為次生林>云南松純林>灌木>草地。人工林具有改善土壤結(jié)構(gòu)的能力，可有效恢復(fù)土壤破碎程度，但在人工林中需合理配置地表淺層植被的覆蓋程度。