基于CT技術的甘蔗地不同耕作措施下土壤孔隙結構研究

甘 磊，張靜舉，黃太慶，陳曉冰，馬 蕊，張金蓮，陳廷速

基于CT技術的甘蔗地不同耕作措施下土壤孔隙結構研究

甘 磊1，2，張靜舉1，3，黃太慶4，陳曉冰3，馬 蕊3，張金蓮5，陳廷速5

(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;4.廣西農業科學院農業資源與環境研究所，廣西南寧 530007;5.廣西農業科學院微生物研究所，廣西南寧 530007)

【目的】開展不同耕作措施下土壤孔隙結構研究，為土地合理耕作及耕地水土保持提供參考?！痉椒ā恳詮V西甘蔗地為研究對象，在常規耕作和三年免耕條件下，利用CT(Computed tomography)掃描技術，通過相關插件計算獲得甘蔗地土壤孔隙數量、孔隙體積和表面積，土壤彎曲度、孔隙連通性和水力半徑等孔隙結構，并進行三維重建和可視化?！窘Y果】耕作區的孔隙面密度大于免耕作區;耕作區的孔隙度均值(1.069%)和孔隙數均值(1194個)都小于免耕區的孔隙度均值(1.195%)和孔隙數均值(1519個);由彎曲度和連通性的均值數據可知，耕作區(1.374、0.512)大于免耕作區(1.333、0.299)。翻耕破壞土壤原有結構，導致土壤中的大孔隙數量和孔隙度減少，但增加中小孔隙的數量。使得在二維分布中耕作區的孔隙面密度大于免耕區，而在土壤表層三維形態特征中免耕區土壤孔隙較耕作區分布更密集;翻耕破除了土壤孔隙之間的孤立性，增加了土壤的連通性，使得耕作區的彎曲度、連通性大于免耕區。【結論】適當耕作比免耕有助于土壤內部的連通和導水，促進作物吸水以減少土壤水分流失。

CT技術;土壤孔隙結構;三維重建;甘蔗地;免耕;廣西

【研究意義】土壤是結構復雜的多孔介質，由于孔隙結構的高度空間變異性，決定了水分在土壤中分布和運動的復雜性[1]。耕作措施不僅可改變原有的土壤界面特征，更改變了土壤的孔隙特征，而由不同耕作措施所帶來的各種效應，都可以歸結為土壤孔隙的變化間接改變其理化性能[2]。廣西作為我國甘蔗的主產區，其不同的耕作方式對土壤孔隙結構的改變必然會影響甘蔗地土壤內部的連通性和導水性，因此研究廣西甘蔗地不同耕作方式下土壤孔隙結構，對該地區合理進行甘蔗種植和耕地水土保持具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】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，孔隙的連通性、孔隙大小和孔隙度都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[3]。Beven和German[4]的研究引起人們對土壤中較大孔隙及與之相關的水流和溶質運移現象的關注，在較大孔隙中快速運動的水流幾乎不與周圍土壤基質作用[5]，造成土壤溶質流失和農業用水浪費，削弱了土壤對污染物的凈化作用[6]，導致地下水污染[7-9]。過去對于孔隙研究由于缺乏先進的非破壞性定量研究，測量工作十分困難，并且研究成果多是得到二維數據[10-11]。目前，在土壤孔隙研究中運用較多的是利用CT掃描技術探究土壤孔隙對水分運動過程的影響[12]，識別和分析鹽漬土壤孔隙結構[13]，研究退化沙質草地土壤孔隙結構特征[14]。與傳統土壤孔隙獲取方法相比，CT掃描技術是一種無損害非侵入的三維成像技術[15]，既可以得到與原狀土壤實際情況相符的孔隙結構三維立體成像，方便查看土柱內部結構，又不損壞土壤孔隙結構[16]。【本研究切入點】利用CT掃描技術對廣西甘蔗地在不同耕作措施下對土壤孔隙結構的影響進行研究，具有方便快捷、不損壞土壤結構等優勢?！緮M解決的關鍵問題】通過CT掃描量化免耕和耕作條件下土壤孔隙數量、彎曲度、連通性等指標，并可視化土壤孔隙結構三維特征，分析兩種不同耕作措施下甘蔗地土壤孔隙結構特征，為當地農業耕作、灌溉和施肥等管理措施提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于廣西自治區農業科學院武鳴里建科研基地(23。14′N;108。02′E)，處于我國低緯地區，其土壤母質為第四紀紅土，基部巖層屬于石灰巖，經過人工管理后試驗區地勢較為平坦，年平均氣溫為21.6℃，年平均相對濕度達79.0%，年均降雨量約1304.2 mm，屬中亞熱帶季風氣候。甘蔗經濟作物為主要的旱地耕作物，本試驗根據耕作與否的條件劃分成兩個次級區域:甘蔗耕作區(T)、甘蔗免耕區(NT)，其中免耕年限為3年。

1.2 樣品采集

綜合考慮甘蔗根系生長深度、深耕深度及成壟情況，對0～8、18～26和40～45 cm土層進行原狀土壤樣(環刀體積100 cm3)和擾動土壤樣采集，每層5個重復，用于測量土壤基本理化性質。CT掃描土樣利用內徑10 cm、高30 cm的PVC管進行土柱采集，每塊樣地3個重復，樣地面積均為50 m2。運輸途中盡量減少原狀土樣品受到撞擊、擠壓。

1.3 CT掃描與圖像處理

CT機器型號為Discovery CT HD 750(美國GE公司生產)，掃描模式為GSI(寶石能譜成像)，管電壓為120 kV，管電流為600 mA。土柱分別垂直掃描后，采用CT自帶軟件的背景投影算法進行圖像重建獲得的掃描圖像的分辨率為:垂直方向0.625 mm、橫向0.4000 mm，512×512像素的圖片，共430張。

將CT輸出的DICOM格式圖片導入ImageJ軟件對原圖像進行模糊處理和去噪，采用全局閾值分割得到二值圖像并利用插件Measure Stack計算出土柱中孔隙在不同土壤深度所對應的孔隙面積密度，并通過插件Volume Viewer進行圖像的三維重建和可視化。其中孔隙數量、孔隙體積和表面積等參數利用插件3D-Object Counter計算。土壤孔隙結構特征通過插件BoneJ進行骨架化等操作和細化算法計算獲取土壤彎曲度、孔隙連通性和水力半徑等信息。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

從耕作和免耕2種耕作措施下甘蔗地土壤基本理化性質(表1)可以看出，在質地方面，兩種耕作措施下隨土壤深度增加，砂粒含量均隨深度減少，粘粒含量反之;而在相同土層，免耕作區的土壤粘粒含量小于耕作區，土壤砂粒含量大于耕作區。針對容重來說，耕作和免耕的土壤相差不大。就有機質而言，在相同土層中，耕作區的有機質含量顯著小于免耕區的有機質含量(P＜0.05，下同);在不同土層，僅免耕區出現有機質含量隨深度增加而連續增加的現象，另外耕作和免耕2種條件下的土壤最上層有機質含量均顯著小于最下層有機質含量，其中耕作區18～26 cm的有機質顯著低于其它深度土壤;而免耕區40～46 cm處的有機質含量顯著高于其它深度土壤。

表1 甘蔗地土壤基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of sugarcane soil

圖1 甘蔗地土柱孔隙面密度隨深度的分布Fig.1 Pore surface density distribution with depth of soil column in sugarcane soil

2.2 2種不同耕作措施下土壤孔隙二維分布特征

從圖1可以看出，在相同深度土層，耕作區的孔隙面密度整體上比免耕地大，但是其波動范圍也相對較大。在耕作區孔隙面密度的分布隨土壤深度的變化較為劇烈:0～80 mm處孔隙面密度比及其波動較大，在120～160和220～280mm處孔隙面密度再次出現較大波動。而免耕區的變化與耕作區不同，其孔隙面密度的分布隨土壤深度的變化相對均一，僅在0～140 mm中存在較大波動，而其余深度波動不大。

2.3 2種不同耕作措施下的土壤孔隙三維特性

從甘蔗地土柱的孔隙數據(表2)可以看出，孔隙度和孔隙數都屬于累計參數，僅僅可以反映土壤結構空間中孔隙和孔隙的數量和大小，但不足以對孔隙在空間中的形狀、分布和延伸情況進行展現。因此，采用水力半徑、彎曲度和連通性等參數對各土柱土壤孔隙網絡結構特征進行定量化的分析。從表2可以看出，耕作區的孔隙度均值(1.069%)和孔隙數均值(1194個)都小于免耕區的孔隙度均值(1. 195%)和孔隙數均值(1519個);耕作區的彎曲度均值(1.374)和連通性均值(0.512)均大于免耕區彎曲度均值(1.333)和連通性均值(0.299);但兩者的水力半徑差異不顯著。

表2 甘蔗地土柱的孔隙數據Table 2 Pore data of soil columns in sugarcane soil

利用CT掃描數據成像的甘蔗耕作區和免耕區土壤孔隙結構三維形態特征如圖2～3所示。整體而言，免耕區土壤孔隙較耕作區土柱土壤孔隙分布更密集，特別是在土壤表層。從圖2中看出耕作區(T1和T2)的土壤孔隙結構表層稀疏并隨著土壤深度增加分布逐漸密集，但T3土柱未見此變化，其在土柱中部土壤孔隙分布相對較疏松。免耕區土壤孔隙結構基本隨土壤深度增加且趨向于密集，但NT2整體都表現為較密集。

3 討 論

3.1 2種不同耕作措施對土壤基本性質的影響

在2種耕作措施下土壤質地均隨深度的增加呈現出粘粒含量增加而砂粒含量減小的趨勢，這應是由該地區土壤母質的發育所決定的。但在相同土層，特別是上層土壤中免耕區土壤粘粒含量要小于耕作區，應是翻耕作用造成土壤大顆粒的破碎所致[17-18]。耕作區未呈現有機質含量隨深度增加的現象主要因翻耕將土壤上下層進行了混合[19]，破壞了原有的分布規律。而2種耕作措施下土壤上層有機質含量明顯小于下層主要歸咎于甘蔗根系生長主要集中在30 cm以上土壤[20]，對有機質的消耗也就更多;同樣由于翻耕提高通氣性和通水性有利于土作物生長[19]，對有機質的需求也就更多，從而導致相同土層中耕作區有機質含量低于免耕區。一般而言耕作會改變土壤容重[21-22]，但在本研究中耕作區和免耕區土壤容重沒有顯著性差異，這可能與施肥改善土壤容重有一定的關系。

圖2 甘蔗地耕作區的土壤孔隙三維圖Fig.2 Soil pore three-dimensional figure of sugarcane soil in tillage plot

圖3 甘蔗地免耕作區的土壤孔隙三維圖Fig.3 Soil pore three-dimensional figure of sugarcane soil in non-tillage plot

3.2 2種不同耕作措施下土壤孔隙二維特征

在相同深度土層，耕作區的孔隙面密度均值大于免耕區的孔隙面密度，主要是翻耕破壞土層結構，對大孔隙破壞較多，導致土壤中的大孔隙數量減少，而增加中小孔隙的數量[23-24]，從而增大了孔隙面密度。同時，翻耕改變土壤界面特征，提高通氣性，通水性，有利于土壤中的微生物、動植物活動，也會增加中小孔隙的數量[25]。其中在2個實驗區出現的較大波動可能與蚯蚓等生物活動有關[1]。耕作區土壤表層0～80 mm孔隙面密度及其波動較大，主要是因為耕作使得表層土壤結構疏松孔隙增多;由于耕作對下層土壤的壓實作用，特別是在犁底層附近，引起孔隙容重增加，造成孔隙度減少[26]。免耕區不存在翻耕，土壤結構保持穩定，其孔隙面密度波動較小。

3.3 2種不同耕作措施下的土壤孔隙三維特性

耕作區的孔隙度和孔隙數均小于免耕區，原因主要為免耕區因為沒有受到機械壓實影響，保留了土壤原有的孔隙結構，而翻耕破壞土壤中的大孔隙結構。翻耕破壞土壤表層原有孔隙結構，尤其是土壤中較大孔隙結構網絡，一方面保留了中小孔隙網絡，另一方面增大表層土壤孔隙數量，但機械翻耕又會對土層有壓實作用，客觀上又減少孔隙數量。眾多學者的研究均表示耕作的壓實作用往往會導致土壤孔隙的減少[27-29]，從而對于本研究而言，盡管表層土壤孔隙數量增多，但對于整個土柱而言，其孔隙是減少的。耕作區和免耕區的水力半徑沒有明顯變化，說明雖然耕作破壞較大孔隙網絡結構，但中小孔隙結構的存在，對土壤孔隙的水力傳導性無較大的影響。就彎曲度而言，耕作區的彎曲度大于免耕區，保留的小的孔隙結構繼續發育，導致孔隙在土壤中的分支總數增加，復雜的孔隙網絡結構增大了水流沿孔隙通道的實際流經路程[30]。耕作區的連通性大于免耕區，主要是耕作在改變土壤結構的同時也使通水性、通氣性得到提高[3]，使得孤立大孔隙結構發生改變，產生相連的通道，促進水分和運移物質的快速流動。耕作和免耕條件下的土壤孔隙的三維分布存在明顯差異，主要原因是免耕區由于不受機械耕作的影響，土壤結構比較均勻，容重在剖面的分布較一致，孔隙度變化不明顯，而耕作措施造成表層較大孔隙結構被破壞且數量有所減少，但同時破除了土壤孔隙之間的孤立性，增加了土壤的連通性。因此，在本研究中適當耕作條件下的土壤比免耕條件下的土壤連通性和導水性好，可促進作物吸水以減少土壤水分流失，可為廣西地區甘蔗種植中土地合理耕作提供一定的理論依據。而掃描結果中T3和NT2土柱與其它土柱結果存在一定的差別這主要是由于土壤分布的異質性導致的。

4 結 論

本研究條件下，翻耕破壞土壤原有結構，導致土壤中的大孔隙數量減少，中小孔隙的數量增加，使得土壤結構的二維分布中耕作區的孔隙面密度大于免耕作區;在土壤三維形態特征中免耕區土壤孔隙較耕作區土柱土壤孔隙分布更密集，特別是在土壤表層，但耕作區的彎曲度、連通性大于免耕區。適當耕作比免耕條件有助于改善土壤內部連通和導水情況，促進植物吸水以減少土壤水分損失。

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(責任編輯 汪羽寧)

Pore Structure in Sugarcane Soil under Different Tillage M anagements Based on CT Scanning

GAN Lei1，2，ZHANG Jing-ju1，3，HUANG Tai-qing4，CHEN Xiao-bing3，MA Rui3，ZHANG Jin-lian5，CHEN Ting-su5
(1.Guilin University of Technology，Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Plot，Guangxi Guilin 541004，China;2.Guilin University of Technology，Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，GuangxiGuilin541004，China;3.Guilin University of Technology，Collegeof Environmental Scienceand Engineering，GuangxiGuilin 541004，China;4.Agricultural Resource and Environment Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning 530007，China;5.Microbiology Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning530007，China)

【Objective】The study aims to provide reference for appropriate tillage and conservation of soil and water，the soil pore structures under different tillagemanagements were studied.【Method】Sugarcane fields under the tillage and non-tillage for 3 years in Guangxi had been studied.CT，with related pluginswas applied to calculate the quantity，volume and surface area of soil pore，the connectivity and tortuosity of soil，aswell as hydraulic radius.The three-dimensional reconstruction and visualization of soil pore structure had been conducted.【Result】The pore surface density of tillage plotwas greater than non-tillage plot.However，the values of pore density(1.069%)and pore number(1194)in tillage plotwere less than thatof values(1.195%，1519)in non-tillage plot.The average tortuosity and connectivity in tillage plot(1.374，0.512)were greater than these values(1.333，0.299)in non-tillage plot.Destroyed soil structure by tillage induced the reduction ofmacropores and porosity but increase ofmesopores and micropores，which led to the greater pore surface density in tillage plot compared to non-tillage plot in two-dimension distribution.However，in three dimensionalmorphological characteristics，the distribution of soil poreswasmore intensive in non-tillage plot than that in tillage plot，especially in top soil.Tillage could break the isolation among soil pores and increase the connectivity and tortuosity in tillage plot.【Conclusion】The appropriate tillagemanagements improved the inner connection and hydraulic conductivity of soil，finally promoted water uptake of sugarcane and reduced soilwater loss. Key words:CT technology;Soil pore structure;Three-dimensional reconstruction;Sugarcane field;Non-tillage;Guangxi

S566.1

A

1001-4829(2017)8-1843-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.025

2017-05-06

國家自然科學基金項目(41501230，31360356);廣西自然科學基金項目(2016GXNSFAA380197);廣西農業科學院基本科研業務專項項目(2015JZ34)

甘 磊(1983-)，男，湖南岳陽人，博士，副教授，主要從事土壤結構與土壤水熱運動模擬研究工作，E-mail:allengl2006@163.com。