基于CT的青海湖流域芨芨草草地土壤大孔隙特征分析①

劉 勇，胡 霞*，李宗超，孫貞婷，程亞倩，呂艷麗

(1 北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875；2 北京師范大學減災與應急管理研究院，北京 100875)

基于CT的青海湖流域芨芨草草地土壤大孔隙特征分析①

劉 勇1,2，胡 霞1,2*，李宗超1,2，孫貞婷1,2，程亞倩1,2，呂艷麗1,2

(1 北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875；2 北京師范大學減災與應急管理研究院，北京 100875)

為探究青海湖流域芨芨草草地的土壤大孔隙特征，以青海湖流域芨芨草草地為研究對象，在研究區芨芨草斑塊處和芨芨草斑塊間分別采集原狀土柱，每塊樣地選取3個重復樣品，通過對樣品進行CT掃描并利用Fiji軟件解譯的方法分析土壤孔隙的結構特征差異。結果表明：芨芨草斑塊土壤平均大孔隙數量、不同深度大孔隙數量、平均大孔隙度以及不同深度大孔隙度均大于芨芨草斑塊間土壤。芨芨草斑塊土壤大孔隙平均數量是芨芨草斑塊之間的2.8倍，平均大孔隙度是芨芨草斑塊間的12.1倍，芨芨草斑塊的土壤大孔隙度隨土壤深度增加呈先增加后減少的趨勢，斑塊間的大孔隙度呈遞減趨勢。

青海湖流域；芨芨草；CT；土壤大孔隙

青海湖是我國面積最大的內陸咸水湖泊，湖泊面積 4 318 km2(2008 年)，流域總面積29 661 km2，其流域地形復雜，加上湖泊河流等水文因素作用，因此該地區土壤植被類型繁多[1]。

芨芨草屬禾本科芨芨草屬植物[2]，廣泛分布于青海湖盆地、共和盆地以及柴達木盆地等青海東部地區[3]，具有耐寒、耐旱、耐鹽、適應性強等特點[4]，是重要的牧草、纖維植物和水土保持植物[5]。陳桂琛和彭敏[3]對青海地區芨芨草群落的特征及分布規律進行研究后發現，該地區分布的芨芨草群落特征和生境條件具有草原植被特征和地帶性意義。水分是限制芨芨草草原生態系統發育的關鍵因子，小降水事件(<5 mm)是該生態系統水分補給的重要來源，而且能被該草原生態系統高效利用，避免干旱脅迫[6]。草地退化能夠導致土壤孔隙度減少并間接導致0 ~ 5 cm土壤容積含水量極顯著升高，20 cm以下顯著降低[7]。一些研究發現芨芨草能顯著提高草原土壤速效養分含量以及土壤的陽離子代換量[8]，土壤理化性狀的改變會影響到生態系統功能和效益的發揮[9]。到目前為止，國內對芨芨草的研究主要集中在芨芨草草原生態系統的空間分布格局、物種多樣性以及生態功能等方面[10–11]，對于芨芨草地土壤結構的研究，尤其是土壤孔隙特征的研究相對較少。

土壤大孔隙是土壤結構特征的重要組成部分。大孔隙是在土壤漲縮、可溶性物質溶解、凍融循環交替、耕種等物理過程及蚯蚓動物活動、植物根系生長等生物過程的作用下，土體內形成使水分和溶質優先遷移的物理孔隙[12]。研究表明，很多因素會對土壤大孔隙特征產生影響，凍融循環能夠顯著降低40 ~ 80 cm土層范圍內的平均大孔隙面積以及Feret直徑[13]，小葉錦雞兒灌叢化對土壤的孔隙結構有較大影響[14]，坡位能夠導致土壤大孔隙結構特征產生差異[15]。土壤大孔隙直接影響土壤中水分的運移方式和途徑[16]，形成孔隙流或優勢流，加快淺層土壤中水分滲入土壤深處速率，提高土壤通透性和降水入滲率，改變土壤徑流形成過程和比例[17]。為評價大孔隙對水流及溶質運移特性的影響，需確定土壤中大孔隙的大小、數目、分布和連通性[18]。目前對大孔隙研究的方法主要有染色法、切片法、CT掃描法[19]，其中 CT掃描技術操作簡單、迅速，可以保持土壤樣品原狀結構，通過三維技術對土壤孔隙網絡結構定量分析，是無損檢測土壤結構的有效手段。

本文選擇青海湖流域的芨芨草草地為研究樣地，通過CT掃描技術確定芨芨草草地土壤的孔隙結構、孔隙數量以及垂直分布規律，對比分析芨芨草斑塊和芨芨草斑塊間土壤孔隙特征，從而揭示芨芨草對土壤大孔隙特征的影響，為合理解釋土壤大孔隙對水分運移以及優勢物種芨芨草對水分利用的機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域選在青海湖流域沙柳河下游地區(圖1)，該地區氣候屬高原大陸性氣候，常年低溫、干旱少雨，太陽輻射強烈，氣溫日較差大，年平均降水量為291 ~ 571 mm，年蒸發量為1 200 ~ 2 000 mm。沙柳河下游地區土壤為栗鈣土，主要植被類型為芨芨草、河谷灌木具鱗水柏枝以及農作物(燕麥、青稞等)[20]。

圖1 青海湖流域樣地Fig. 1 Location of sample plots of Qinghai Lake valley

1.2 樣品采集

選擇芨芨草草原作為研究樣地，分別在芨芨草斑塊和芨芨草斑塊間用PVC管采集原狀土樣，并設置3個重復。PVC管直徑為10 cm，壁厚為4 mm，長度為50 cm，將PVC管一端套住鐵帽，將其緩慢壓入采樣點土壤中，然后挖開旁邊土壤，將PVC管連同管內土壤整個取出，空隙部分用海綿填充包裹，避免土壤散開，管內土壤則為原狀土樣。通過室內分析測定得到土壤基本理化性質如表 1 所示。

表1 芨芨草草地土壤基本理化性質Table 1 Soil properties within Achnatherum splendens patch

1.3 CT掃描與圖像處理

原狀土樣采用Light Speed VCT(64排多層螺旋CT掃描儀)掃描，該CT應用在醫學領域，為保證掃描土壤樣品圖像的質量和精度，需重新設定掃描參數。經調整，峰值電壓為130 kV，檢測電流為200 mA，螺距為0.948︰1。掃描圖像矩陣為512 × 512，掃描層厚為0.625 mm/層，體素大小0.33 mm × 0.33 mm × 0.625 mm。

掃描圖像為tif格式，導入Fiji軟件，為了將土壤部分與PVC管壁分開，因此需要利用圓形工具對圖片進行切割。經多次對比分析確定合適閾值，對圖像進行二值化處理，黑色代表孔隙，白色部分代表土壤或者其他介質(圖 2)。根據二值化圖像提取大孔隙輪廓，然后對所有圖片進行堆棧得到孔隙三維圖像，對二值化圖像進行分析可以計算出孔隙面積、周長等特征參數。

圖2 圖像處理過程Fig. 2 Image processing course

2 結果與分析

2.1 土壤孔隙三維形態特征

圖 3是青海湖流域芨芨草草地土壤大孔隙的三維圖。從圖中可以看出，芨芨草斑塊土壤的大孔隙明顯高于芨芨草斑塊之間土壤。而且，芨芨草斑塊土壤的大孔隙在整個土層都有分布，斑塊之間土壤的大孔隙主要分布在土層上部。

圖3 芨芨草斑塊和斑塊間土壤孔隙三維可視化圖Fig. 3 3D visualization of soil macropores within (up) and outside (down) Achnatherum splendens patch

芨芨草斑塊土壤的大孔隙在形態特征上都較連續；而芨芨草斑塊之間的土壤大孔隙在形態上較分散、不連續。一般情況下，蚯蚓等生物形成大孔隙且相對連續、呈管狀；而由根系形成的孔隙也相對比較連續、圓形，且隨深度增加大孔隙呈減小趨勢[21]，觀察芨芨草斑塊下土壤剖面和周邊環境，均未發現大量土壤動物活動，從土壤剖面觀測到芨芨草的主根主要分布在15 ~ 25 cm土層，三維圖中大孔隙分布呈向下擴散狀且連續性較好，因此可以判斷該地土壤孔隙的形成主要是根系作用。從芨芨草斑塊間土壤孔隙三維圖可以看出，大孔隙在表層0 ~ 10 cm土壤分布較為密集，在20 ~ 30 cm深度處也有部分孔隙存在。

2.2 大孔隙數量

Warner等[22]在X射線攝影技術研究大孔隙特征的應用中，將直徑比團聚體間縫隙大的且孔徑大于1 mm的孔隙稱作大孔隙；Luxmoore等[23]以毛管模型為依據，推算出大孔隙當量孔徑大于1 mm。因此本文選擇孔徑大于1 mm的孔隙作為土壤大孔隙，利用Fiji軟件，在二值化圖像中提取等效直徑大于1 mm的孔隙，可以計算出大孔隙數量。

表 2是芨芨草斑塊和斑塊之間的土壤平均大孔隙數量及不同深度土壤大孔隙平均數量。從表2可以看出，芨芨草斑塊的土壤大孔隙數量明顯大于芨芨草斑塊之間土壤，芨芨草斑塊下的大孔隙平均數量是芨芨草斑塊之間的2.8倍，其數值分別是31和11個。芨芨草斑塊下土壤大孔隙主要分布在 0 ~ 20 cm土層，尤其在0 ~ 10 cm深度土層大孔隙數量最多，占總大孔隙數量的41.17%，且隨土壤深度的增加大孔隙數量逐漸減少；芨芨草斑塊間土壤大孔隙數量在土壤表層最多，占總大孔隙數量的47.30%，在20 ~ 30 cm土層大孔隙數量要多于10 ~ 20 cm和30 ~ 40 cm土層，因此，芨芨草斑塊間的土壤大孔隙數量在土層中呈現先增加后減少的現象。

表2 芨芨草斑塊和芨芨草斑塊間土壤的大孔隙數量Table 2 Numbers of soil macropores within and outisde Achnatherum splendens patch

2.3 大孔隙度特征

芨芨草斑塊各個土層的土壤大孔隙度均大于斑塊間土壤大孔隙度，且平均大孔隙度是芨芨草斑塊間的12.1倍，其中芨芨草斑塊在0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40 cm土層的大孔隙度分別是斑塊間的28.1、6.67、1.1、2.1倍。 在土壤0 ~ 10 cm深度，芨芨草斑塊和芨芨草斑塊之間的大孔隙度存在顯著性差異，且芨芨草斑塊的土壤大孔隙度明顯大于芨芨草斑塊間；在土壤10 ~ 20、20 ~ 30和30 ~ 40 cm深度，芨芨草斑塊和芨芨草斑塊之間的大孔隙度沒有顯著性差異，但是前者的大孔隙度明顯大于后者。

圖4是土壤大孔隙度隨土壤深度變化圖，從圖中可以看出，芨芨草斑塊3個重復的土壤大孔隙度隨土壤深度變化的趨勢相同，隨著土壤深度的增加大孔隙度先增加后減少，重復2和重復3大孔隙度的峰值出現在3 cm處，重復1的峰值出現在8.8 cm處，重復2和重復3的大孔隙度下降，在深度10 cm處以下趨于平緩，重復1的大孔隙度在土深20 cm處趨于平緩。

表3 芨芨草斑塊和芨芨草斑塊間土壤大孔隙度(%)Table 3 Mean macroporosity and macroporosities in different depths within and outside Achnatherum splendens patch

圖4 芨芨草斑塊和芨芨草斑塊間土壤的土壤大孔隙度隨土壤深度變化特征Fig. 4 Macroporosity distributions in soil profiles within (left) and outside (right) Achnatherum splendens patches

芨芨草斑塊間的 3個重復的土壤大孔隙度隨土壤深度的變化一致，隨土壤深度增加大孔隙度呈減少趨勢，3個重復在0 ~ 2.5 cm的范圍內大孔隙度隨深度的增加迅速遞減，重復1在16 ~ 32 cm范圍內的大孔隙度增加并出現波動。對比芨芨草斑塊和斑塊之間的大孔隙度隨土壤深度變化圖，能夠明顯看出芨芨草斑塊下的大孔隙度較大且隨土壤深度變化呈先增加后減少的趨勢；而芨芨草斑塊間的土壤大孔隙度較小且隨土壤深度變化呈先遞減后平穩的趨勢。從芨芨草斑塊與芨芨草斑塊間土壤大孔隙特征的差別來看，主要原因可能是植被的根系作用。

3 結論

從大孔隙的三維形態上來看，芨芨草斑塊土壤的大孔隙在形態特征上較連續，而芨芨草斑塊之間的土壤大孔隙在形態上較分散、不連續。芨芨草斑塊土壤大孔隙平均數量和大孔隙度明顯高于芨芨草斑塊間土壤，且芨芨草斑塊土壤的大孔隙的連通度高于斑塊間土壤。芨芨草斑塊土壤大孔隙主要分布在0 ~ 20 cm土層，尤其在0 ~ 10 cm深度土層大孔隙數量最多，芨芨草斑塊間土壤大孔隙數量在土壤表層最多。芨芨草斑塊和芨芨草斑塊之間的10 ~ 40 cm深度土壤沒有顯著性差異，但前者大孔隙度明顯大于后者。芨芨草斑塊土壤大孔隙度隨著土壤深度的增加先增加后減少，芨芨草斑塊間土壤大孔隙度隨土壤深度增加呈減少趨勢。

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Soil Macropore Characteristics of Achnatherum splendens Steppe in the Qinghai Lake Watershed

LIU Yong1,2, HU Xia1,2*, LI Zongchao1,2, SUN Zhenting1,2, CHENG Yaqian1,2, LV Yanli1,2
(1 Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2 Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Soil macropore characteristics of Achnatherum splendens Steppe in the Qinghai Lake Watershed of northeastern Qinghai-Tibet Plateau by using computed tomography (CT) was quantified. A plot within a Achnatherum splendens patch and a plot outside a Achnatherum splendens patch were selected, and 3 soil cores (0 – 50 cm deep) were taken as replicates from each plot and scanned with a GE HISPEED FX/I medical scanner. The results indicated that the number of macropores and the macroporosity of soil within the Achnatherum splendens patch were larger than those of soil outside the patch, the mean numbers of macropore and macroporosity of soil within the Achnatherum splendens patch were 2.8 times and 12.1 times greater than those in soil outside the patch. With the increase of soil depth, the macroporosity increased first and then decreased within the Achnatherum splendens patch, while it decreased continuously in soil outside the patch.

Achnatherum splendens; CT; Soil macropores

S157.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.027

國家自然科學基金項目(41471018)和國家自然科學基金重點項目(41130640)資助。

* 通訊作者(huxia@bnu.edu.cn)

劉勇(1990—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事土壤物理及其生態功能研究。E-mail: esc1909@163.com