黃土溝壑區不同地形部位土壤大孔隙特征研究*

鞠忻倪 賈玉華，2? 甘 淼 金 珊 肖 波

（1 沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866）

（2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

（3 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

土壤大孔隙是固相土壤顆粒與團聚體之間容納水分和氣體的空間，它既是土壤中物質和能量交換的通道，又是植物根系、土壤動物和微生物活動的場所。土壤大孔隙的數目、大小和空間結構對土壤的透氣性、持水保水性能以及植物根系在土壤空間的伸展有著重要影響。利用CT掃描技術研究土壤大孔隙特征，孔隙分辨率可達mm和μm尺度，便于對土壤結構進行定量評價；同時在不破壞土壤內部結構的情況下，通過對連續斷面圖像進行重組，能夠實現土體內部結構的三維重建。憑借其對原狀土體結構研究具有無損性、精確性、全面性和快速性等優點，CT掃描技術已成為土壤大孔隙研究的主要方法之一［1-4］。

黃土高原是溝蝕引發環境威脅與地貌演變的代表性區域。溝蝕在吞噬土地和大量產沙的同時，塑造了黃土高原地形破碎和溝谷密布的地表形態。作為黃土高原常見的一種溝谷形態，切溝是坡面徑流輸移泥沙從而引起物質遷移的主要通道，又是侵蝕物質的來源之一。壩地是以淤地壩作為溝道治理措施從而攔截泥沙、淤積而成的可利用土地。切溝溝底、溝緣和壩地在流域地形地貌和坡溝系統水文過程中扮演不同的角色，不同地形條件發生的水文過程很大程度上決定于降水的入滲和產流以及土壤水分狀況，其中土壤大孔隙對于相關結果、過程和機理解釋的能力尤為突出［5-6］。土壤大孔隙體積相對于總孔隙體積而言通常比例較小，其飽和與否及程度對徑流屬性起主要的作用。此外，土壤大孔隙內發生的優先流和重力水下滲還影響降水的分割比例。土壤大孔隙的數量、形態和連通性等特征受外界物理過程影響，存在細顆粒堵塞大孔隙，滲透水流、壓實效應和脹縮過程引起孔隙變形等現象。對黃土高原切溝溝底、溝緣和壩地土壤大孔隙特征利用CT掃描開展相關研究，是探索流域徑流、泥沙和土壤水分過程與機理，描述不同地形條件和土壤侵蝕演變之間關系的重要途徑之一。此外，大孔隙是黃土結構的本質特性之一［7］，因對水分具有儲存和調節功能，其形態特征對黃土高原植被恢復下的土壤水庫重建具有重要意義［4］，大孔隙特征還關系到土壤滲透性和濕陷性等工程地質性質［8］。

目前，黃土高原不同植被演替階段［4］、不同植被類型［2,9］和土地利用類型［10］下土壤孔隙特征的定量分析已相對深入，但大孔隙參數隨深度的變化揭示得不夠細致。在東北黑土區［11-12］、南方紅壤區［13-14］以及內蒙古渾善達克沙地［15］，基于CT掃描技術的土壤孔隙特征研究亦同步展開，然而地形條件對土壤大孔隙特征的影響尚未見報道。本文選定神木縣六道溝流域，在典型切溝和壩地采集原狀土柱，利用CT掃描技術分析土壤大孔隙特征，擬描述并比較溝底、溝緣和壩地土壤的大孔隙特征，揭示土壤大孔隙參數隨深度的變化規律，結果可豐富砂質土壤孔隙結構研究，為黃土區坡溝系統土壤水分過程、土壤水庫調蓄降水及流域土壤干層緩解等提供重要信息。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省神木縣窟野河流域支流六道溝（11 0°2 1′～11 0°2 3′E，38°46′～38°51′N）西側，地處毛烏素沙地和黃土高原的過渡地帶，屬于典型片沙覆蓋的黃土丘陵溝壑地貌。地面起伏較平緩，但切割破碎，溝谷密度6.45 km·km-2，海拔1 081～1 274 m，相對高差68～107 m。氣候特征為：中溫帶半干旱草原季風氣候；年均蒸發量785.4 mm，干燥度1.8，年均降水量437.4 mm，其中6—9月降水占全年降水量的77.4%；年平均大風日13.5 d，最多可達44 d，主要發生在春季；年平均氣溫8.4℃，大于等于10℃積溫3 200℃，無霜期135 d。土壤類型主要有綿沙土、新黃土、紅土以及在沙地上發育起來的風沙土和壩地淤土。土壤結構為輕壤一中壤，結構疏松，抗蝕性差，水土流失嚴重。流域自然植被破壞殆盡，現存的森林資源全部以人工林為主。

1.2 原狀土柱采集

本試驗主要設計3個處理：切溝溝底、溝緣和壩地，3次重復。選擇坡面上一典型切溝作為樣地1，原狀土柱的采集地點確定為沿切溝溝底上游、中游和下游及溝緣坡上、坡中和坡下的6個樣點。該樣地海拔1 198～1 230 m，溝底主要植被為長芒草和冰草，溝緣主要植被為長芒草、鐵桿蒿和胡枝子。再選取切溝附近的一塊典型壩地作為樣地2，沿對角線選取3個樣點，樣點附近生長有少量蘆葦。原狀土柱的采集時間為2016年8月，具體方法為：先除去樣點表層的枯枝落葉，然后將內直徑110 mm、長度250 mm的PVC硬質管材垂直壓入表層土壤（該端提前打磨好刃口），管口上方放置膠墊，用膠質錘將PVC管緩緩敲入土壤，直至管口與地面接近齊平。然后通過挖掘將原狀土柱小心取出，下端削平后將兩端密封并標記上下方向，采集完成后將原狀土柱運至醫院CT室，運輸過程中采用棉墊緩沖和盡量避免顛簸等方式減小土體的擾動與破壞。

1.3 土柱掃描與分析

原狀土柱CT掃描所用儀器為Philips 16通道螺旋CT機，該儀器主要用于醫學領域的人體掃描，因此在進行土壤掃描時重新設定掃描參數。經調整設置峰值電壓為140 kV，電流為316 mA，掃描時間為15.5 s；掃描厚度為2 mm，每隔2 mm掃描一個橫斷面，9個土柱各獲取124個橫斷面圖像。

利用Image J軟件對CT掃描圖像進行分析。居中選取分析圖像的尺寸為62.5 mm×62.5 mm，先將切割后的圖像轉換為8-bit圖像，然后結合實際土壤孔隙情況設置其分割閾值，小于閾值部分判斷為土壤孔隙，圖像分割后得到黑白二值圖像。為避免土柱表層和底部受擾動而影響實驗結果，從兩端10 mm開始進行數據分析，提取當量直徑大于1 mm的大孔隙。分析得到的特征參數有土壤大孔隙的數目、面積、大孔隙度、成圓率和當量直徑。利用Invert反選，使白色部分變為土壤孔隙，黑色部分為土壤，將單個土柱的連續切片圖像擬合成3D影像，利用bonej插件計算孔隙三維量化結果，得到孔隙連通度、連通密度、孔隙內表面積、分支點密度和連接點密度。

考慮土壤質地和飽和導水率與大孔隙特性具有一定聯系，本試驗在原狀土柱掃描結束后，將每個土柱去除兩端可能干擾部分，從中間切割并定義為表層（1～13 cm）和亞表層（13～25 cm）兩層，用環刀再取樣，利用定水頭法測定土樣的飽和導水率。同時收集土柱上下層土樣，利用Mastersizer 2000激光粒度儀測定土壤黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和砂礫（0.02～2 mm）的組成，每個土柱各做兩次，取其平均值得到土壤機械組成。

1.4 數據統計與分析

為比較不同深度范圍之間的土壤大孔隙參數，對土壤深度進行分層，具體為10～50 mm記作為L1，52～100 mm記作L2，102～150 mm記作L3，152～200 mm記作L4，202～250 mm記作L5。

利用SPSS 18.0對數據進行單因素方差分析和Duncan’s多重比較（P＜0.05），對土壤大孔隙參數以及土壤質地和飽和導水率進行Pearson相關分析。

2 結 果

2.1 不同地形條件土壤的大孔隙特征

切溝溝底、溝緣和壩地三種地形條件下土壤大孔隙參數的基本統計值如表1所示。經K-S檢驗、方差分析和多重比較（表2），結果顯示，地形對土壤大孔隙度、大孔隙數、當量直徑、成圓率和單個大孔隙平均面積均具有顯著影響。

表1 土壤大孔隙參數的統計值Table 1 Statistics of soil macropore parameters

表2 不同地形條件土壤大孔隙參數的多重比較Table 2 Multiple comparisons of soil macropore parameters relative to terrain

三種地形條件下土壤大孔隙度均值的從小到大排序為：溝底、溝緣、壩地，其中壩地土壤大孔隙度的均值（5.98%）高于研究區均值（5.39%），且顯著大于溝底和溝緣，后二者土壤大孔隙度的均值分別為4.97%和5.21%。壩地土壤大孔隙數顯著高于溝底和溝緣，溝底土壤大孔隙數與研究區均值接近，且顯著高于溝緣。壩地和溝緣土壤大孔隙當量直徑均低于研究區均值（2.49 mm），均與溝底土壤大孔隙當量直徑（3.16 mm）具有顯著性差異。對于成圓率和單個孔隙平均面積而言，盡管三種地形條件下的均值在數值上比較接近，但其差異仍在P＜0.05水平上顯著。三種地形土壤大孔隙特征差異顯著的原因為：溝底主要受侵蝕作用而下切，埋藏較深且結構緊實的土壤不斷出露；溝緣受植物生長（鐵桿蒿和胡枝子）和明顯的干濕交替影響，土壤易于產生相對復雜的大孔隙通道；壩地土壤主要為淤積土，坡面土壤細顆粒經分選、輸移和沉積后，結構致密，大孔隙分布較為均勻。

趙世偉等［4］對黃土高原子午嶺不同植被演替階段土壤孔隙特征的研究表明，土壤大孔隙度的變化范圍為5.82%～28.93%，大孔隙數為21～43，成圓率則為0.70～0.86。Li等［2］對六道溝流域檸條林地和苜蓿草地土壤大孔隙的研究結果表明，大孔隙度低于20.22%，大孔隙數低于100，孔隙成圓率變化范圍為0.5～1。與趙世偉等［4］相比較，本研究中大孔隙度數值相對偏低，大孔隙數的數值區間卻明顯較寬，孔隙成圓率范圍也相對較廣。與Li等［2］的研究結果相比較，本研究中大孔隙度、大孔隙數和孔隙成圓率的最大值偏低，3個孔隙參數的最小值則相對偏高。這是因為趙世偉等［4］研究的是包括棄耕地、草本、灌叢、早期森林和喬木五個群落下的土壤大孔隙，Li等［2］關注的是生長22 a和40 a的檸條林地與一塊苜蓿草地影響下的大孔隙。與地形影響相比，包含灌木在內的植被生長作用下土壤大孔隙度相對較高。本研究大孔隙度和成圓率的數值范圍相對較窄，在一定程度上表明地形條件對土壤大孔隙參數的影響弱于植被影響的作用。

孔隙分級的依據一般為當量直徑，例如周虎等［14］將當量直徑大于0.5 mm的所有孔隙定義為大孔隙，馮杰和郝振純［16］進一步將大孔隙分為小于0.5 mm、0.5～1 mm、1～3 mm、3～5 mm和大于5 mm 5個組別。目前土壤大孔隙分級未見統一標準，本研究根據當量直徑將大孔隙以1 mm為間隔進行組別劃分。由不同組別土壤大孔隙頻率分布圖（圖1）可知，當量直徑范圍在1～3 mm之間的大孔隙較多，在數量上可占80%以上。Hu等［1］在內蒙古太仆寺旗草原的相關研究中，當量直徑1～3 mm大孔隙可占所有組別的15%～50%，且土壤大孔隙的平均當量直徑范圍為1.24～3.77 mm。太仆寺旗草原地處渾善達克沙地南緣，神木縣位于毛烏素沙地南緣，本研究平均當量直徑在Hu等［1］的數值范圍之內，兩地土壤中當量直徑1～3 mm的大孔隙所占比例均高，與兩地土壤質地相似、沙粒含量均較高有關。

2.2 不同深度范圍土壤的大孔隙特征

圖1 不同當量直徑土壤大孔隙的頻率分布Fig. 1 Frequancy distribution of macropores relative to equivalent pore diameter

不考慮地形條件，土層深度對土壤大孔隙度、大孔隙數、當量直徑、成圓率和單個大孔隙平均面積等具有顯著影響，5個深度分層之間土壤孔隙參數的多重比較結果見表3。

在10～50 mm即L1深度范圍，土壤大孔隙度均值為5.89%；隨土層深度增加，土壤大孔隙度呈現先顯著減小（L2）、然后連續增加（L3和L4）和最后減小（L5）的變化趨勢。本研究中五個深度范圍土壤大孔隙度的均值變化范圍為4.52%～5.89%。趙世偉等［4］對17～57 mm深度范圍按6 mm間隔劃分土層，8個深度范圍土壤大孔隙度的均值變化范圍為13.35%～23.14%，亦發現土層深度對土壤大孔隙度有顯著性影響。周虎等［12］研究發現，黑土區3個深度范圍（0～5 cm, 10～15 cm和20～25 cm）土壤大孔隙度的數值變化范圍為19.26%～29.96%，盡管試驗處理和土壤類型與本試驗不同，亦可見大孔隙度隨深度的起伏變化。

土壤剖面大孔隙數多重比較結果顯示，L2土層大孔隙數顯著低于其它土層；土層變化對當量直徑也有顯著影響，L2與L3土層的大孔隙當量直徑在數值上相互接近且顯著低于其它土層；L2與L3土壤大孔隙成圓率顯著高于其它土層，即在L2和L3土層，大孔隙的幾何形態最接近于圓；單個大孔隙平均面積也隨土層不同而差異顯著，L2和L3土層與L1和L5土層大體相近，L4與其它土層的單個大孔隙平均面積差異顯著。總體而言，在L2土層，土壤大孔隙特征與其它土層相比表現出一定差異性，大孔隙度、大孔隙數、當量直徑及單個大孔隙平均面積均顯著低于其它土層，土壤大孔隙成圓率顯著高于其它土層。原因可能為L2土層相對于L1土層具有一定的壓實效應。

表3 不同深度范圍之間土壤大孔隙參數的多重比較Table 3 Multiple comparisons of soil macropore parameters relative to soil layer

考慮到劃分深度范圍和忽略地形條件差異不利于揭示土壤大孔隙度隨不同深度變化的細節，圖2進一步顯示了三種地形各個深度（2 mm間隔）土壤大孔隙度的均值和標準差。在2～100 mm深度，溝緣土壤大孔隙度數值范圍始終偏低，多數深度表現為溝緣＜壩地＜溝底，且溝緣大孔隙度的變異程度始終最小。但在102 mm以下深度，多數深度土壤大孔隙度表現為溝底＜壩地＜溝緣，溝緣大孔隙度的變異程度始終整體最大。在102 mm～250 mm以下深度，溝底土壤大孔隙度整體偏小，介于0.02%～16.28%；而溝緣土壤大孔隙度整體偏大，介于9.57%～29.66%。

土壤大孔隙度隨深度變化的曲線反映了地形條件差異的影響。溝緣上層（102 mm以上）側面即近溝道一側土層薄，雙面蒸發作用下，土壤極易缺水，導致土體收縮和緊實；溝緣下層（102 mm以下）土層逐漸變厚，水分條件有所改善，植物根系可穿插其中，土壤結構相對疏松。因此，溝緣上層大孔隙度均值和變異程度均低于溝底和壩地，下層大孔隙度均值和變異程度均高于溝底和壩地。溝底上下層大孔隙度波動幅度小，上層變異程度高于下層，與下層土壤相對緊實和溝底小氣候作用有關。壩地上下層間變異程度相對一致，則為長期淤積導致土壤質地和結構均勻所致。

基于二維平面土壤大孔隙特征的描述不能反映其連通性。由于歐拉特征值對土壤大孔隙的變化較為敏感，通過測量歐拉特征值可得到孔隙連通度和連通密度，借此可描述土壤大孔隙的三維連通結構。從表4看出，溝底土壤大孔隙的連通度和連通密度顯著高于溝緣和壩地，說明溝底土壤大孔隙的連通性較溝緣和壩地更好。孔隙內表面積、分支點密度和連接點密度是表征土壤孔隙連通復雜程度的參數，其值越大則孔隙連通越復雜。分支點密度和連接點密度的大小關系均表現為溝底＞溝緣＞壩地，孔隙內表面積表現為溝底＞壩地＞溝緣，結果反映出壩地土壤大孔隙分布較為均勻分散，不連通的大孔隙數量較多，連通性較差。從形成大孔隙通道的成因上分析，由土壤生物活動引起的大孔隙通道一般具有連通性好，平均直徑相對較大和呈管狀的特點；由根系引起的大孔隙通道一般具有連通性好、圓形，隨深度增加大孔隙直徑呈下降趨勢的特點；由水分入滲的攜帶作用、土壤團聚體的間隙及土壤干層造成的細縫等原因形成的大孔隙通道一般很小，分散分布，連通性較差。比較而言，溝底和溝緣土壤的大孔隙通道主要受植物根系作用影響，壩地土壤的大孔隙通道形成原因則較為復雜：由于長年的淤積作用和水分入滲的攜帶作用，土壤顆粒黏性大，較為密實，因此不利于大孔隙通道的形成。

2.3 大孔隙參數與土壤質地和飽和導水率的相關性

根據美國農部制土壤質地劃分標準，溝底、溝緣和壩地原狀土柱的土壤類型主要為壤砂土和砂壤土，土壤機械組成和飽和導水率結果如圖3所示。在溝底和溝緣，亞表層（13～25 cm）土壤飽和導水率約為表層（1～13 cm）的二分之一；壩地土壤飽和導水率在數值上則遠小于溝底和溝緣。對土壤大孔隙參數（大孔隙度、大孔隙數、成圓率、當量直徑和單個大孔隙平均面積）以及土壤質地（黏粒含量、粉粒含量和沙粒含量）和飽和導水率進行Pearson相關分析，不同參數間的相關關系結果見表5。

圖2 不同地形條件土壤大孔隙度隨深度的變化（a. 溝底；b. 溝緣；c. 壩地）Fig. 2 Variation of soil macroporosity with depth relative to terrain（bottom, costa colpi and damland）

表4 不同地形條件土壤大孔隙的三維量化特征Table 4 Three-dimensional characteristics of soil macropores relative to terrain

大孔隙度與大孔隙數和單個大孔隙平均面積呈極顯著正相關關系（P＜0.01），說明研究區土壤大孔隙發達，這與測得土壤質地以砂質壤土和壤質砂土為主的結果是一致的。大孔隙數與黏粒含量呈顯著負相關（P＜0.05），與飽和導水率呈極顯著負相關。劉目興等［17］通過水分穿透試驗對三峽庫區森林土壤大孔隙特征研究發現，各樣地土壤飽和導水率與孔徑＞1.0 mm的大孔隙密度呈高度的線性關系。陳效民等［18］研究發現，太湖地區水稻土土壤大孔隙度與飽和導水率具有顯著的正相關關系。與上述結果不同，本研究中大孔隙數與飽和導水率呈極顯著負相關關系。類似負相關結果可見Ahmad［19］對挪威Skuterud流域原狀土進行CT分析，研究發現在各種土壤大孔隙參數中，土壤飽和導水率主要是由臨界孔徑決定，大孔隙度與其它參數主要影響非飽和導水率。飽和導水率反映土壤的入滲和導水能力，是高度變異的土壤水力學參數［20］，本文的研究結果說明大孔隙特征解釋飽和導水率變異的能力有限。此外，在試驗操作方面，Anderson等［21］建議原狀土柱飽和后再掃描一次，否則容易引入誤差；而本研究掃描后切割土柱并利用環刀再次取樣，沒有進行飽和后再掃描比較的試驗。對于大孔隙數與飽和導水率呈極顯著負相關關系，期望后續研究結果能夠進一步解釋。

圖3 不同地形條件土壤顆粒機械組成和飽和導水率的結果比較Fig. 3 Soil particle size distribution and saturated hydraulic conductivity relative to terrain

表5 土壤大孔隙參數與土壤質地和飽和導水率之間的相關性Table 5 Pearson correlations of macropore parameters with soil texture and saturated hydraulic conductivity

土壤大孔隙當量直徑與粉粒含量顯著正相關，與沙粒含量顯著負相關。此外，本研究成圓率與當量直徑為負相關關系（P＞0.05），各樣地土壤大孔隙的成圓率均隨當量直徑的增大而減小，在一定程度上可反映大孔隙直徑越大，其形態特征越復雜。

3 結 論

在陜北黃土溝壑區，切溝溝底、溝緣和壩地三種地形條件對土壤大孔隙參數均具有顯著影響，其中壩地大孔隙度、大孔隙數和單個大孔隙平均面積均顯著高于溝底和溝緣，當量直徑1～3 mm的大孔隙所占比例達80%以上，這與壤砂土和砂壤土中砂礫含量較高有關。土壤大孔隙參數隨深度的變化也具有一定規律，不同土層土壤大孔隙參數差異顯著，52～100 mm土層大孔隙度、大孔隙數、當量直徑及單個大孔隙平均面積均顯著低于其他土層，土壤大孔隙成圓率顯著高于其他土層。同時，大孔隙數對于黏粒含量和飽和導水率的影響十分顯著，且大孔隙數目越多，黏粒含量越低，飽和導水率也越小；溝底土壤大孔隙的連通性較溝緣和壩地更好。從大孔隙的成因來看：溝底和溝緣土壤的大孔隙通道主要受植物根系作用影響，壩地土壤的大孔隙通道則是由于長期淤積和水分滲透的作用。