廣西甘蔗地不同耕作方式下土壤孔隙特征

甘 磊, 李 健, 李 帥, 韋 靈, Saeed Rad1,

(1.桂林理工大學 廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心, 廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 3.桂林理工大學 環境科學與工程學院, 廣西 桂林 541004)

土壤孔隙作為土壤結構的重要組成部分，能夠真實地反映土壤內部空間狀況[1]。定量研究土壤孔隙特征，對獲取土壤內部空間結構信息，改善土壤環境，指導作物種植具有重要意義。土壤孔隙的幾何形態是影響土壤中水分運動和溶質運移的關鍵因子之一，孔隙的大小、形狀以及連通度等會對土壤溶液的流動速度和通量分布的均勻性產生直接影響[2]。耕作過程會擾動土壤的孔隙結構，間接影響土壤中水分的分布和運移。然而不同的耕作措施對土壤產生的擾動不同，對土壤性質的影響也不同[3]。免耕對土壤擾動很少，使得土壤容重顯著增大，土壤有機質、有效磷也會在表層富集[4]。深松能打破犁底層，增加耕層厚度，改變耕層土壤的緊實度和容重[5-6]。而長期翻耕和旋耕能提高土壤孔隙度和養分含量，增強了土壤通氣性，但這會使得耕層變淺，養分庫容降低[7]。事實上由不同耕作措施所帶來的各種效應，都可以歸結為土壤結構的變化，從而間接地改變土壤的理化性能[8]。

早期土壤孔隙結構的研究主要以室內試驗和模型模擬的方法間接地研究土壤孔隙，在尺度上和仿真性上存在一定欠缺[2]。相比之下，X射線CT掃描技術以其無破壞性、直接、快捷等優點被逐漸應用于土壤孔隙的定量化和可視化研究中[9-11]。早在1982年國外學者就將CT掃描技術應用于土壤容重和土壤大孔隙的三維圖像獲取研究中，并分析大孔隙的幾何結構[12-13]。國內學者從1988年開始利用CT掃描測定土壤結構及其內部發育過程[14]，CT技術也開始被研究人員熟知在土壤結構領域的應用，后被逐漸廣泛應用于土壤的孔隙曲折度、孔隙網絡結構特征、滲透率和土壤水分特征曲線分析等研究中[15]。目前關于土地耕作方式對土壤理化性質、結構等影響，國內學者在南方紅壤區、黃土高原區、干熱河谷區等水土流失嚴重的地區進行了大量研究[16-18]。相比之下，作為我國甘蔗主產區之一的廣西氣候溫暖、雨水豐沛、光照充足，區內土壤性質與北方和南方的其他地區有所不同。研究區又是廣西甘蔗主產地，區內不同耕作方式對甘蔗地土壤結構的影響會間接影響甘蔗的生長及其產量，而目前不同土地處理方式對廣西區甘蔗土壤孔隙結構的影響研究也相對較少[19-20]。為此，本研究基于CT掃描和圖像處理技術，深入研究廣西區不同耕作方式下的甘蔗地土壤孔隙特征，可為該地區甘蔗種植過程中改善土壤結構、調整合理的種植模式提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西南寧市廣西自治區農業科學院里建科研基地內，地理位置為23°14′N，108°02′E。研究區地處武鳴區盆地，境內以丘陵地貌為主。區內土壤類型主要以紅壤為主，質地良好，土壤pH值為5.0～6.5，土壤有機質含量為15～30 g/kg。區內氣候屬亞熱帶季風氣候，日照充足，雨量充沛。區內年平均氣溫21.7℃，年平均降雨1 100～1 700 mm，年平均相對濕度79%，年平均日照總時1 800 h。區內盛產甘蔗、木薯、花生等農作物產品，其中甘蔗是我國主要的糖料作物，是一年或多年生熱帶和亞熱帶實心草本植物，具有纖維須根系，甘蔗收割后土壤內會留有宿根，第二年會重新分枝生莖。本試驗開始于2014年，試驗前地塊以常規耕作種植甘蔗為主，試驗后免耕區不進行任何翻耕措施，耕作區翻耕時間為3 a一次，以機械翻耕為主，深度為30 cm，采樣時間為2017年9月。試驗區分免耕(NT)和耕作(CT)兩種處理，樣地面積均為50 m2，每種處理下按隨機區組選取3個重復，共6個小區，甘蔗的品種為桂柳05-136。試驗區灌溉條件和施肥條件均保持一致。

1.2 樣品采集與基本性質測定

綜合考慮甘蔗根系的生長深度、耕作深度以及成壟情況。對0—40 cm深度的土層進行原狀土樣(環刀100 cm3)和擾動土樣(約1.5 kg)采集，每10 cm一層，每層5個重復，用于測量土壤基本理化性質。其中采用激光法測定土壤質地[21]，重鉻酸鉀稀釋熱比色法測定土壤有機質[22]。并采用內徑10 cm，厚度0.5 cm，長度52 cm的高強度抗壓PVC管(取土端為刀口狀)，以敲擊取樣法采集原狀土柱，土柱內土壤距離PVC管頂端12 cm。土柱取出后用泡沫填充劑外加保鮮膜以避免土柱水分蒸發，再用泡沫板等作防震措施帶回實驗室用于CT掃描。本研究中共采集6個PVC大土柱，其中免耕和耕作處理各3個重復。

1.3 CT圖像掃描與處理

1.3.1 CT圖像掃描 CT掃描設備選用美國GE公司生產的機器，型號為Discovery CT 750HD，掃描管電壓120 kV，掃描管電流300 mA。掃描體素尺寸:0.468 8 mm×0.468 8 mm×0.625 mm，共獲得640張圖像矩陣為512×512的圖片，輸出格式為DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)。

1.3.2 CT圖像處理

(1) CT圖像二值化。在圖像降噪和增強處理的基礎上，采用ImageJ插件對土壤和孔隙圖像作二值化處理。再在二值化圖像的基礎上進行土壤與孔隙的分割，其中分割閾值是以二值化后孔隙與原孔隙進行對比直至差值≤1%得到，可較保證孔隙與實際情況相符。最后對二值化后的圖像進行膨脹和腐蝕處理以消除孔隙間的細小連接，最終得到>400 μm孔隙圖像，用于后續孔隙特征提取。

(2) 孔隙二維特征提取。綜合考慮掃描圖像邊緣影響，對單張孔隙圖像進行感興趣區域(ROI)選取，本研究ROI選取大小為52.5 mm×52.5 mm，并利用ImageJ軟件獲取ROI上孔隙的數目、面積、周長等二維形態參數，用于計算孔隙面密度和孔隙復雜度。

孔隙面密度(MZ)用孔隙面積與總面積的比值來定量評價[23]，MZ值越高說明孔隙占比越大，土壤越疏松，計算公式如下：

MZ=AZ/A

(1)

式中：MZ為深度Z處孔隙面密度；AZ為深度Z處的孔隙總面積；A為深度Z處孔隙和土的總面積。

孔隙復雜度(DZ)用孔隙周長與面積的比值關系來定量評價[24]，DZ值越高，孔隙的扭曲復雜程度越高。計算公式如下：

DZ=2lgPZ/lgAZ

(2)

式中：DZ為深度Z處的孔隙復雜度；PZ為深度Z處孔隙周長；AZ為深度Z處的孔隙面積。

(3) 孔隙三維可視化與三維特征提取。用Image J軟件中相關插件對ROI中孔隙進行三維重建和骨架提取。主要提取參數：孔隙數、孔隙體積、內壁表面積，孔隙分支數量和交點數及分支長度，用于計算表征孔隙三維特征的指標：孔隙度、比表面積、彎曲度和連通度等。

孔隙比表面積可用孔隙內壁表面積和體積之間的關系來定量評價[25]，可反映單位體積上內孔壁對水分和溶質運動的阻擋能力，計算公式如下：

S=Wp/Vp

(3)

式中：S為孔隙的比表面積；Wp為孔隙內壁表面積；Vp為孔隙體積。

孔隙彎曲度可用孔隙中軸上的兩點之間的實際長度與最短距離之比評價[26]，可表征孔隙的空間彎曲形態，T值越大，孔隙通道及其網絡越復雜，水和溶質的實際路程越曲折，計算公式如下：

T=Pa/Pb

(4)

式中：T為孔隙彎曲度；Pa為孔隙中軸線兩點之間實際長度；Pb為孔隙中軸線兩點之間最短長度。

孔隙的連通度可用孔隙相交點數(J)和端點數(E)之間的關系來定量評價[27]，連通度越高，孔隙網絡的連通性越好，計算公式如下：

C=J/(J+E)

(5)

式中：C為孔隙的連通度；J為孔隙分枝相交點數；E為孔隙分枝端點數。

1.4 孔隙分級測定

可根據毛細管上升理論以及土壤基質勢與孔隙大小的關系獲取不同大小孔隙。大孔隙(>50 μm)為基質勢大于-6 kPa時所對應的孔隙，中孔隙(0.2～50 μm)為-6～-1 500 kPa所對應的孔隙，小孔隙(<0.2 μm)為基質勢小于-1 500 kPa所對應的孔隙[28]。采用RETC(retention curve)軟件對壓力膜儀測定環刀樣品的數據擬合得到土壤水分特征曲線，并根據土壤水分特征曲線獲得不同基質勢對應的不同直徑孔隙，最終繪制孔隙大小分布圖?？紫兜闹睆接嬎愎饺缦耓29]：

d=300/ψ

(6)

式中：d為孔隙直徑(μm)；ψ為土壤基質勢絕對值(kPa)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤基本性質

總體上免耕與耕作兩種處理間質地組成無明顯差異，同處理不同土層間質地差異也不顯著，而容重和有機質存在差異(表1)。免耕處理土壤容重大于耕作處理，但僅在0—10 cm土層差異顯著。隨土層深度增加兩種處理下容重變化趨勢不同，免耕處理容重隨土層深度的變化不明顯，而耕作處理容重隨土層深度增加呈逐漸增大趨勢，其中0—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層之間容重差異顯著。耕作處理有機質含量顯著高于免耕處理，兩種處理有機質含量均隨土層深度增加呈逐漸減小的趨勢，但免耕處理各土層間差異顯著，而耕作處理各土層差異相對較小。

表1 不同耕作方式下土壤基本理化性質

2.2 不同耕作方式下土壤孔隙垂向二維分布特征

根據水分特征曲線計算的兩種處理下不同土層土壤孔隙的大小分布存在差異(圖1)。總體上兩種處理下各不同土層中3種孔隙占比均呈中孔隙>小孔隙>大孔隙的趨勢，總孔隙占比在45%左右。耕作處理大孔隙和小孔隙隨土層深度增加變化并不明顯，但中孔隙在0—30 cm土層明顯高于30—40 cm土層。耕作處理的大孔隙在3個深度范圍(0—10 cm，10—30 cm，30—40 cm)均顯著低于免耕處理，中孔隙在0—30 cm土層顯著高于免耕處理，而小孔隙在3個深度范圍與免耕處理差異均不顯著。免耕處理大、中、小孔隙隨土層深度增加的變化則不明顯。

圖1 不同耕作方式下土壤孔隙大小分布

兩種處理下土壤孔隙面密度總體上沿土層深度均呈逐漸降低的趨勢(圖2)，但耕作處理下土壤孔隙面密度均值(2.45%)大于免耕處理(1.15%)。在免耕處理下，0—10 cm孔隙面密度在0—2 cm較小，而在2—6 cm范圍逐漸增加并達到整個研究深度范圍內最大值(4%)，并在6—10 cm范圍內以較大幅度波動。在10—30 cm，孔隙面密度波幅逐漸減小，以次于0—10 cm土層的波幅波動。在30—40 cm，孔隙面密度波幅達到最小，但局部有增大現象。在耕作處理下，0—10 cm孔隙面密度在0—5 cm以較快速度增加并達到整個研究范圍內最大值(7.4%)，5—10 cm孔隙面密度值逐漸降低。在10—30 cm，孔隙面密度以次于0—10 cm土層波幅波動，30—40 cm孔隙面密度值和波幅逐漸減小，后有局部區域的孔隙面密度值較小突增。相比而言，耕作處理孔隙面密度在3個深度范圍內波幅和均值都高于免耕處理，其中0—10 cm土層尤其明顯?？紫睹婷芏仁芸紫兜臋M截面大小或數量的影響，由此可見兩種處理沿深度分布孔隙的直徑大小或者數量有所不同。

總體上免耕與耕作處理下孔隙復雜度主要在1%～2%波動(圖2)，均值上相差不大，約為1.6%。耕作處理下孔隙復雜度波動幅度顯著大于免耕處理，波動的持續范圍也存在差異。在免耕處理下，孔隙復雜度總體波幅和持續范圍均較小，波幅相對比較均勻，最大波幅約為0.2%，最大值出現在0—5 cm，約為2.2%，最小值出現在30—40 cm，約為1.2%，0—20 cm孔隙復雜度較20—40 cm而言略高。在耕作處理下，孔隙復雜度總體波幅和持續范圍均較大，波幅較不均勻，最大波幅約為0.6%，最大值出現在0—10 cm，約為2.1%，最小值出現在30—40 cm，約為0.6%，0—20 cm孔隙復雜度略高于20—40 cm，但20—40 cm孔隙復雜度的波動較0—20 cm更為劇烈?？紫稄碗s度的波動劇烈程度反映沿深度方向孔隙邊界的異同程度，可見免耕土壤孔隙形態較均勻，而耕作處理0—20 cm孔隙復雜多變，20—40 cm孔隙簡單相似，整體上孔隙形態相對復雜。

圖2 不同耕作方式下土柱孔隙面密度和復雜度隨深度變化

2.3 不同耕作方式下土壤孔隙三維特征

基于整體統計表征土壤孔隙三維特征的兩種處理孔隙量化數據存在差異(表2)，免耕處理下孔隙數量和孔隙度均顯著大于耕作處理(p<0.05)，孔隙數和孔隙度(16 306，1.181%)是耕作處理(8 174，0.526%)的2倍左右。免耕土壤孔隙比表面積大于耕作處理，但兩者差異并不顯著。免耕處理下孔隙的彎曲度(1.348)高于耕作處理(1.314)，但連通度(0.465)低于耕作處理(0.687)，檢驗達到顯著水平(p<0.05)。這說明免耕土壤孔隙的孔隙雖多，但其彎曲度和連通度情況可能導致其通氣導水性不如耕作處理。

表2 不同耕作方式下土柱孔隙三維數據

經掃描重構的三維可視化圖顯示(圖3)，免耕處理的孔隙分布空間范圍較大、數量較多，但孔隙較小、相對孤立，連通較少，孔隙總體在表層和底層分布較少，中部偏上分布較多。耕作處理的孔隙分布空間范圍較小、數量較少，但孔隙相對較大、連通孔隙較多、孤立孔隙較少，如靠近土壤表層的直徑較大孔隙和中部大量連通孔隙，孔隙總體上沿土層深度呈逐漸減少的分布趨勢，表層孔隙大而粗，中部孔隙呈連續細管狀并沿深度向下發育，相互交叉，形成總體向下的孔隙通道網絡，但隨土層深度增加，孔隙相對減少?？梢妰煞N處理孔隙的三維分布情況可對土壤孔隙結構的相關參數之間的差異進行解釋。

3 討 論

在本研究中，耕作使得土壤容重降低、有機質含量增加、而對土壤質地組成影響有限。這主要是翻耕的作用使得土壤疏松，降低了土壤的容重，而隨著土層深度增加，耕作對土壤容重的影響也逐漸減小，因為土壤容重受其他因素的影響會使得耕作帶來的容重差異降低。前人研究表明人為活動壓實、降雨、自然升溫等作用都會對土壤容重產生影響[30]。土壤在耕作后短期內較為疏松，但隨著時間推移，降雨等擊散作用會使得土壤細顆粒隨水流下滲進入大孔隙，使容重增加。升溫等作用又加速植物的蒸騰和根系吸水作用，使土壤的含水量降低，促使容重增大。可見這些作用會使耕作后的疏松土壤，變得更加緊實，降低耕作帶來的容重差異。而水分脅迫作用和疏松的土壤條件下作物根系會更容易下扎[31]，進一步使得深層含水量降低，并且細顆粒隨水流不斷運移到下層土壤，從而使得表層土壤容重的差異相對較小。翻耕作用使上下層土壤混合，同時也使表層較多的植物殘體被翻到下層土壤空間，因為植物殘體會成為有機質的一個重要來源[32]，所以使得下層土壤有機質含量增加。表層土壤的有機質主要來源應是甘蔗拔節生長過程中不斷的剝葉產生的植物殘體。相比之下耕作處理土壤擁有更多的有機質來源，所以表層有機質含量較高。有研究表明有機質的分布可間接地影響土壤孔隙結構，改變土壤理化性質[33]，改善土壤的孔隙狀況[34]。前人在多種土壤組成的有機質分布研究中發現有機質隨土層深度增加呈減小趨勢[35]，這在本研究中也是一致的。而在本研究中耕作主要通過改變有機質的來源分布，間接改變有機質的分布，總體增加了有機質的含量，從而改善了土壤的性質。此外相關研究也證明耕作能影響土壤理化及生物學特性，提高土壤透氣性，增加土壤中有機質的含量[36]。

圖3 不同耕作方式下土柱孔隙三維圖

盡管目前孔隙的大小分級尚缺乏統一標準，不同分級名稱和閾值存在一定差異，但可根據大多數學者研究將其大致分為大、中、小孔隙類型[37]。其中大孔隙和中孔隙主要為傳輸孔隙，小孔隙為儲存孔隙。在本研究中，耕作主要改變了土壤大孔隙和中孔隙的分布，使得大孔隙減少，中孔隙增加，而對小孔隙的影響有限。前人也在南方坡耕地土壤研究中發現深松和翻耕對小孔隙的增加并不顯著現象[38]。而相較耕作而言，前人研究也表明免耕會使得土壤小孔隙增加，而大、中孔隙明顯減少[39]。這說明耕作在對土壤的儲水功能影響不大的基礎上，提高了土壤傳輸水與溶質的能力。對于大、中孔隙的分布，相關學者也在多種土壤類型的孔隙分布研究中發現耕層的大孔隙明顯減少，而中孔隙增加，這充分說明了耕作在減少大孔隙，增加中孔隙過程中的顯著作用[40]。也有學者在分析輪耕對土壤物理性狀及水稻產量影響的研究中認為，翻耕和旋耕等作用對耕層土壤的儲水功能有提高作用[41]，即對小孔隙的改變作用，這可能與研究土壤類型、種植作物類型以及耕作管理模式等有關。

在本研究中，免耕與耕作處理下孔隙面密度和復雜度都存在趨于穩定的趨勢，但二者的“穩定狀態”有所不同，免耕處理趨于一種波幅較小的“靜態穩定”，而耕作處理則趨于一種波幅較大的“動態穩定”。兩種處理下不同的穩定狀態可說明兩種處理下相應土層深度范圍內孔隙分別以不同的狀態持續存在。土壤表層受外界(如降水、太陽輻射等)直接作用和干濕循環過程會導致土壤易干裂收縮產生孔隙[42]，耕作過程通過改變土壤孔隙的界面形態特征使得土壤疏松多孔，這些作用使得土壤通透性增加，土壤動物活動強度增大，而土壤動物活動形成的大孔隙又經常與植物根系交錯連通到土壤表面[43]，所以兩種處理下土壤表層孔隙應具有較其他深度大的形態變化。而免耕土壤結構基本保持原有狀態，隨土層深度的增加受外界的影響在逐漸減小，土壤孔隙面密度和復雜度波動也逐漸降低，這與前人研究發現免耕土壤中孔隙變異系數隨深度減小趨勢一致[44]。另外免耕過程會增加土壤表面的機械阻力，限制根系的分布和下扎[45]，從而對孔隙二維形態改變有限，這與前人研究中免耕區根系穿插對孔隙復雜度的影響偏低結論也一致[46]，所以免耕土壤孔隙復雜度并未隨深度增加產生較大變化。這也說明免耕土壤中水分與溶質需要經過比較復雜路徑才能到達甘蔗根系的生長區，這對甘蔗根系生長吸收養分的過程產生阻力。

透過表2孔隙數據和圖3孔隙分布圖，本研究中免耕土壤孔隙數(度)雖然高于耕作土壤，但后者孔隙的連通度和彎曲度情況均優于前者。相關研究指出孔隙連通度和彎曲度對土壤導水透氣性有著重要影響，對于相同飽和度的土壤，孔隙連通度越高其導水透氣性越好，彎曲度則相反[47]。因此相較免耕而言，本研究中耕作土壤孔隙的連通和彎曲情況更有利于促進土壤的導水透氣性。前人研究也發現免耕雖對土壤結構具有改善作用，但是并不能提高孔隙連通性和增加土壤的導水能力，反而降低孔隙的連通性和土壤水分累積入滲量[48-49]。但也有研究認為免耕通過減少耕翻次數減輕對土壤的擾動，保留土壤大孔隙，能提高土壤貯水量，尤其在降水較少地區該作用尤為明顯，但對于降水較豐沛的地區而言，免耕土壤的水分利用率卻低于耕作處理[50]。究其原因主要是因為免耕處理隨著年限的增加土壤容重增大，土壤緊實度增加，導致通水通氣性能下降。而對于高含水率的土壤，孔隙的分布其實也制約著其導水透氣性[47]。本研究中耕作土壤30 cm土層以上分布有較多直徑較大、連通性較好、呈長條或細管狀的孔隙，這些大而連通的孔隙對土壤的導水透氣性的貢獻會更多。這些孔隙的存在很大程度上應歸功于耕作帶來的綜合作用，使得土壤中動植物活動增強，進而形成的較大生物性孔隙(根孔和蟲洞)。該現象的發現也正好回應了前述孔隙二維分布特征中孔隙面密度和復雜度的變化情況，但仍然值得注意的是這些大孔隙形成的基礎應該是耕作改變原有土壤孔隙分布后形成的較疏松多孔的土壤結構，進一步為土壤中生物活動提供有利條件，生物活動作用又反過來使得土壤可形成更多的生物性孔隙，這種程度在免耕區是體現不出的。前人研究也說明類似本研究中耕作土壤的網絡型孔隙結構對于作物根系的生長和根系對養分的吸收具有良好的綜合效益[49，51]。

單從土壤結構的二維特征和一些孔隙量化數據上，無法完全理清兩種耕作方式下土壤孔隙結構的差異性，而借助CT掃描技術及重構土壤孔隙三維圖，能直觀和清晰地辨明兩種耕作方式下土壤孔隙結構的差異，很好地解釋土壤孔隙結構的相關參數之間的差異。但是由于本研究中掃描設備的精度問題，只能掃描和重構土壤孔隙中的“大孔隙”。盡管由于儀器精度問題的限制無法得到采集土柱中的全部孔隙影像，但從圖3中可以確定的是在廣西甘蔗地土壤中，耕作帶來了土壤多個生物性孔隙的形成以及更好的骨架型孔隙網絡結構，這要比免耕土壤更利于水肥的運移和作物根系的生長發育，進而促進甘蔗產量的提升。因此，與免耕處理相比，在廣西甘蔗種植中耕作處理下的土壤具有較好的結構性。

4 結 論

(1) 耕作對廣西旱地甘蔗種植土壤質地組成影響有限，但能降低耕層土壤容重，促進土壤中有機質的含量提高。(2) 耕作措施將大孔隙破碎成中孔隙，降低大孔隙，增加中孔隙。(3) 耕作改變土壤原有大孔隙結構，在二維截面上增加孔隙的面密度，增加孔隙復雜度波動程度。在三維空間上改變土壤孔隙分布，降低孔隙的彎曲度，提高孔隙的連通度，增加土壤表層生物性大孔隙。綜上，耕作使得土壤孔隙網絡結構性增強，這種網絡型結構能滿足土壤的導水透氣需求，促進水分和養分的快速運移至甘蔗根系生長區。因此，在廣西地區的甘蔗種植過程中，耕作措施可促進土壤結構和水肥運移通道的改善，有利于甘蔗的生長發育。