廣州市稻田土壤大孔隙特征研究

何沖祝　余長洪　陳曉茵

摘要 以廣州市增城區、蘿崗區稻田土壤為對象，運用數字圖像制備分析技術對廣州市稻田土壤進行了試驗。通過構建土壤大孔隙結構相關的因素，對廣州市增城區、蘿崗區稻田土壤大孔隙結構在土壤縱斷面上的演變情況進行分析。結果表明：由于土壤所處時期不同，大孔隙數目、大小和形狀在橫斷面上和縱斷面上的分布是不同的。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區間的孔隙數量占比最大，同一地區土壤不同孔隙直徑沿深度變化相似，都是土層深度越深，大孔隙度越小。

關鍵詞 稻田土壤；數字圖像；大孔隙；特征；廣東廣州

中圖分類號 S152.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）04-0178-02

大孔隙（macropore）是土壤中普遍存在的，其是土壤水分和養分等物質進行交換和運輸的主要通道[1]。因此，研究大孔隙對評估土壤污染物風險，確定灌溉、施肥以及種植作物方案等提供理論依據，對稻田大孔隙的研究能夠為農地實施有效耕作措施提供必要的參考[2]，同時也可以為研究同類型的問題提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 土柱制備

1.1.1 原狀土取樣。本研究的研究區域為廣州市，研究采樣點選定在增城區和蘿崗區，時間分別為2016年3月29日和2016年4月20日，所取土壤均為處于生育期剛收割完的稻田土。取土方法是利用PVC管（內徑11 cm，壁厚2 mm）在土壤深度20 cm處進行垂直取樣，取樣時一定要避免擾動取樣點土壤造成試驗誤差[3]。當PVC管達到預定深度時，將環繞PVC管周圍土壤挖開，削土刀將土柱從根部切斷，即得到試驗用的原狀土柱，過程必須保持土壤穩定性。

1.1.2 土柱浸漬。對獲取的土樣進行風干處理后，緩慢間隔加入環氧樹脂和T-31型環氧固化劑（鳳凰牌，2∶1的配置）進行浸泡，然后使用分析純丙酮（CH3COCH3，ρ=0.70 g/mL）稀釋土樣，在稀釋的同時加入染色劑亞甲基藍，當加入的環氧樹脂和T-31型環氧固化劑穩定高于土樣表面高度0.5 cm后，土柱浸漬工作完成。

1.2 圖像獲取

靜置完成后用切片厚度為1 mm的切割機沿管長每2 cm進行切片，將切割好的土樣切片直接置于掃描儀（EPSON）上，以1 200 dpi的掃描分辨率，真彩式模式將土樣切割面掃描輸入計算機，獲取切片截面圖像。

1.3 圖像處理

應用Photoshop和Image-Pro Plus軟件對已獲取的圖像進行分析處理。使用Photoshop軟件進行圖像預處理，圖像保持在1 200 dpi像素，以PVC管圓心為原點分劃出半徑為8 cm的圓形土樣，接著使用Image-Pro Plus處理，為了區分土體基質和孔隙，將圖像轉化為黑白二元化，此時黑色區域代表孔隙，白色區域代表土壤基質。隨后用軟件自帶的識別統計功能，統計出孔隙的數量、孔徑、面積[4]。為了便于分析，按平均孔徑由小到大的方式劃分9個不同區間的孔隙級別，同時將超過區間及小于0.005 cm的孔隙排除。在同一區間內，孔徑取平均孔徑的平均值，用 r 表示，面積在同一區間內求和。以平均孔徑為基礎劃分的區間在對黏性土微觀孔隙結構定量研究方面非常有代表性[5]。

2 結果與分析

2.1 對比2個地區大孔隙區別

將2個地區不同孔徑等級的孔徑數量進行統計，繪制出圖1。就圖表中的等級進行說明分為9個等級：0.005～0.008 cm、0.008～0.009 cm、0.009～0.010 cm、0.010～0.011 cm、0.011～0.013 cm、0.013～0.019 cm、0.019～0.027 cm、0.027～0.100 cm、0.10～0.56 cm。

由圖1可知，蘿崗區的孔隙數量整體開始緩步上升（0～5 000個），中間陡增（5 000～25 000個），中后期先后經歷小幅下降（從25 000個降至15 000個），等級7到等級8小幅上升，后期驟減。增城區孔隙數量曲線整體開始增長快速后（0～7 500個）保持數量一定（7 300～7 500個），中期快速增長（7 500～30 000個），中后期先驟減（從35 000個降至15 000個），在等級7到等級8區間孔隙數量處于穩定，后期快速下降。

2處土壤都呈現先緩慢增加再快速上升，最后分2個階段下降，但增城區土壤的前期緩慢增加時存在“平臺”，而蘿崗區土壤在后期下降的過程中有小幅反彈。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區間的孔隙數量占比最大。

2.2 土壤大孔隙沿深度變化分析

由圖2可知，增城、蘿崗兩地土壤均隨著土層深度的加深，大孔隙度逐漸減小。在2～8 cm深度范圍內，蘿崗土壤大孔隙度減少幅度大，從15.9%下降到9.7%；而增城土壤則變化較為平緩，從20.6%下降到17.4%。在12～16 cm深度范圍內，增城土壤大孔隙度變化幅度大，從14.7%下降到3.1%；而蘿崗土壤則呈現出平緩的趨勢，從7.4%下降到5.7%。2個地區土壤中各個孔徑等級沿深度的變化曲線相似。蘿崗區曲線先是呈小幅度的波動增加狀態，到10 cm處開始大的波動，到16 cm時又開始平穩的變化。增城區曲線先是呈大幅度的波動增加，6 cm深度之后趨于平緩，并有下降趨勢，于12～14 cm有小幅波動。

動物和植物根系都可以形成管狀大孔隙，增城土壤利用土壤生物活動[6]，當動物活動[5]和根系腐爛[7-8]就形成大量的大孔隙系統。因此，增城區土壤為剛收割完的土壤，前茬栽植的水稻根系大部分腐爛在耕作層中；增城土壤2～12 cm范圍內含有豐富的相互連通的孔隙、孔洞和洞穴，是根系、螞蟻和蚯蚓的活動所產生的。蘿崗區土壤已收割完一段時間，表面已開始長有雜草，表層土存在根系呼吸。微小動物活動位于淺層根系。

3 結論與討論

通過使用數字圖像制備分析技術對廣州2個地區的2類土壤的分布規律和變化特征進行分析，結果2類土壤大孔隙系統變化存在著差異，也存在共同點，主要規律為土壤大孔隙數目等指標在不同的土壤時期也不相同，土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區間的孔隙數量占比最大，同一地區土壤不同孔隙直徑沿深度分布情況相似，兩地土壤均隨著土層深度的加深，大孔隙度逐漸減小。

4 參考文獻

[1] GERMANN P F，EDWARDS W M，OWENS L B.Profiles of bromide and increased soil moisture after infiltration into soils with macropores[J].Soil Sci Soc Am J，1984，48：237-244.

[2] 王彬儼，程金花，張洪江，等.北京昌平區農地土壤大孔隙特征[J].水土保持學報，2012，26（3）：189-193.

[3] 余長洪，周明耀.兩種土壤大孔隙結構差異的數字圖像分析[J].廣東水利水電，2007，1（1）：27-35.

[4] 鄭飛.年份不同壓實度黏性土微細觀孔隙結構研究及分形表征[D].武漢：湖北工業大學，2014.

[5] OMOTI U，WILD A.Use of fluorescent dyes to mark the pathways of solute movement through soils under leaching conditions，2.Field experiments[J].Soil Sci，1979，128（2）：98-104.

[6] MURPHY C P，BANFIELD C F.Pore space variability in a subsurface horizon of tow soils[J].J Soil Sci，1978，29：156-166.

[7] PENMAN H L，SCHOFIELD R K.Drainage and evaporation from fallow soil at Roth Amsted[J].J Agric Sci，1941，31：74-109.

[8] 劉偉.土壤大孔隙及其研究方法[J].應用生態學報，2001，12（3）：465-468.