長期不同種植方式對土壤孔隙結構微形態特征的影響

劉哲

摘要：試驗共設置有機種植、無公害種植、常規種植3個處理，利用圖像處理軟件研究分析土壤薄片，對比分析不同種植方式對土壤孔隙結構的影響。結果表明，有機種植方式能在增大土壤總孔隙度的同時，明顯增加當量孔徑>100 μm的孔隙數量，改善大小孔隙的分布比例，是調節和改善土壤孔隙結構的重要方式。

關鍵詞：種植方式；土壤薄片；土壤孔隙度；當量孔徑

中圖分類號：S152.5 文獻標識碼：A 文章編號：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

土壤孔隙結構是指土壤孔隙的形態大小、數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物活動的場所。土壤孔隙結構直接影響水分在土表及土體內的遷移途徑及方式，對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量的好壞，因此土壤孔隙研究是土壤研究中的一個重要方面[1，2]。由于土壤孔隙具有復雜的結構和時空變異性，環境變化和生物活動等均會影響土壤孔隙結構，不同種植方式對孔隙結構的影響也較為強烈，對于土壤孔隙結構的定量化始終是土壤孔隙研究的一個難題。近年來迅速發展的數字圖像處理技術為土壤結構的定量分析提供了一個強有力的工具，尤其對土壤孔隙表面分形和土壤微觀結構進行小尺度研究更具有優勢[3-5]。因此，利用土壤微形態技術研究不同種植方式下的土壤孔隙結構特征，以期為不同種植方式對于土壤孔隙結構的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

主要試驗點設在中國農業大學曲周長期定位試驗站（36°52′N，115°01′E），全區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.1 ℃，無霜期年平均210 d，多年平均降水量為604 mm。根據中國土壤系統分類該地土壤為鹽化潮褐土，試驗田為多年菜田和糧田。該溫室菜田土壤長期施肥試驗開始于2003年，菜田種植制度為番茄-黃瓜輪作，每年收獲兩次。糧田長期施肥試驗開始于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個層次分別采集混合土樣和原狀土樣，每個小區設置3個重復。在采集和運輸過程中盡量減少對土壤的擾動，以免破壞土體孔隙結構。

1.3 土壤微形態薄片的數字化處理方法

土壤微形態樣品的固化參照文獻的固化方法[6]，在規格為NikonLV100POL型偏光顯微鏡下對土壤薄片進行觀察描述，并用與之配套的Nikon DS-Fi1型數碼相機進行拍照，所得的圖像為真彩色圖像，其分辨率為2 560×1 920，存儲為TIF格式。在圖像獲取過程中，可能會有一定的噪聲影響，為了更加準確獲取土壤薄片中土壤孔隙、礦物顆粒等的信息，需要對數字圖像進行相關的處理，主要是圖像增強和圖像去噪等處理。圖像處理利用Photoshop和Matlab的圖像處理工具完成。圖像增強主要利用imadjust命令增強對比度，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，利用形態學imopen命令去除面積小于特定像素的斑點。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不斷地對比原圖選取恰當的閾值，將PPL照片和CPL照片分別進行二值化處理[7]。

1.4 數據處理

土壤孔隙度根據下式計算。

土壤薄片孔隙面積百分比（%）=Sp×100%/S （1）

當量孔徑分布比（%）=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。

數據采用Excel 2016、Matlab和Sisciasv 8.0金相圖像處理分析軟件進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 土壤微形態薄片的二值化、增強和去噪處理

為研究該土壤孔隙微形態特性，首先在規格為NIKON LV100POL型偏光顯微鏡下對土壤薄片進行觀察描述，并用與之配套的NIKON DS-FI1型數碼相機進行拍照，所得的圖像為真彩色圖像。然后把所得的圖片用Photoshop和Matlab軟件進行處理轉化為灰度圖，再根據圖像分析軟件的要求，將灰階圖像轉換為二值化黑白圖像后，方可對微形態特征進行定量化的統計分析。

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

2.2 土壤微形態薄片的處理過程

圖3為溫室土壤有機種植0～10 cm土層土壤薄片孔隙的數字化處理過程，首先用偏光顯微鏡拍照的單偏光（PPL）的照片進行二值化處理，圖像的白色部分包括了孔隙與透明的礦物（圖3a），而與其相對應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軟件中二值化形態學運算，單偏光的二值化圖像減去正交偏光的圖像（圖3c），最后再進行相應的增強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 不同施肥措施對土壤薄片孔隙面積百分比及當量孔徑的影響

通過Matlab軟件和圖像處理軟件對土壤薄片孔隙進行定量計算后，可以得出0～40 cm深度中有機種植（OM1、OM2）孔隙面積百分比最高，為29%～33%；無公害種植與常規種植均小于有機種植，為24%～28%（圖4a）。糧田土壤中，在0～40 cm深度中有機種植孔隙面積百分比最高，為28%～32%；無公害種植次之，為26%～31%；常規種植最低，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，主要是由于常規施肥區長年施用化肥，留在土壤中的植物殘體較少，土壤有機質含量低，土壤結構體和孔隙發育差，加之底層土壤受人為活動影響小，導致孔隙度較低。而在有機施肥區，每年有大量的有機物質施入土壤中，使得土壤中的有機質含量增加，微生物和酶的活性相應提高，動物活動也增強，促使土壤結構體和孔隙發育良好，孔隙度提高。

不同種植方式不僅對土壤孔隙面積百分比有較大影響，而且對孔隙的當量孔徑分布也有一定的影響。由于分辨率問題，較多的非活性孔隙和小毛管孔隙未能觀察到，導致小孔隙數值偏低。在0～10、10～20、20～40 cm土層，3種種植方式下當量孔徑>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），且各個粒級的孔隙度差距很大，綜合分析各級孔隙數據，發現不同種植方式對當量直徑>100 μm的孔隙影響較大。其中，在0～10 cm，菜田有機處理（OM1）和糧田有機處理（OM2）當量孔徑>100 μm的孔隙最多，分別高達24.0%和25.4%（圖4e），無公害次之，菜田無公害種植（NP1）和糧田常規種植（UF2）的較少，分別為19.4%和21.3%。有機處理促使土壤結構體和孔隙發育良好，大孔隙數量增多。

3 小結

研究結果表明，不同種植方式對土壤孔隙數量及結構有明顯的影響。有機種植方式下，土壤孔隙度明顯增加，土壤薄片孔隙面積占比最高達到33%，當量孔徑>100 μm的孔隙明顯增多，達到25.4%，土壤大小孔隙的比例得到改善，即有機種植方式有明顯改善土壤孔隙結構、疏松土壤的作用。

參考文獻：

[1] POESEN J，INGELMO-SANCHEZ F. Runoff and sediment yield from topsoils with different porosity as affected by rock fragment cover and position[J].Catena，1992，19：451-474.

[2] EDWARDS W M，NORTON L D，REDMOND C E. Characterizing macropores that affect infiltration into nontilled soil[J].Soil Science Society of America Journal，1988，52（2）：483-487.

[3] 李德成，VELDE B，DELERUE J F，等.免耕制度下耕作土壤結構演化的數字圖像分析[J].土壤學報，2002，39（2）：214-220.

[4] 李江濤，鐘曉蘭，張 斌，等.長期施用畜禽糞便對土壤孔隙結構特征的影響[J].水土保持學報，2010，24（6）：137-140，180.

[5] KRAVCHENKO A，ZHANG R. Estimating the soil water retention from particle-size distributions：A fractal approach[J]. Soil Science，1998，163：171-179.

[6] 中國科學院南京土壤研究所土壤微形態實驗室.用不飽和聚酯樹脂制備土壤薄片的方法[J].土壤，1976（Z1）：329-333.

[7] 周 虎，李保國，呂貽忠，等.不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征[J].土壤學報，2010，47（6）：1094-1100.