长期不同种植方式对土壤孔隙结构微形态特征的影响

刘哲

摘要：试验共设置有机种植、无公害种植、常规种植3个处理，利用图像处理软件研究分析土壤薄片，对比分析不同种植方式对土壤孔隙结构的影响。结果表明，有机种植方式能在增大土壤总孔隙度的同时，明显增加当量孔径>100 μm的孔隙数量，改善大小孔隙的分布比例，是调节和改善土壤孔隙结构的重要方式。

关键词：种植方式；土壤薄片；土壤孔隙度；当量孔径

中图分类号：S152.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）12-0044-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.012

Abstract： Three planting patterns organic planting， pollution-free planting and conventional planting were conducted to show their effect on soil pore structure properties in greenhouse and farmland respectively. Soil slices and digital image processing were used for data analysis. The results showed that long-term organic planting changed significantly soil pore distribution and soil total porosity compared with conventional cultivation. The organic planting also improved the distribution ratio of the size pore and obviously increased the number of ventilation of the soil pore proportion of equivalent pore diameter >100 μm. Therefore，organic planting was an effective measure to improve soil pore structure properties.

Key words： planting patterns； soil thin sections； soil porosity； equivalent pore diameter

土壤孔隙结构是指土壤孔隙的形态大小、数量搭配及其空间分布状况，是水分、空气、根系、土壤微生物和土壤动物活动的场所。土壤孔隙结构直接影响水分在土表及土体内的迁移途径及方式，对土壤肥力状况和通气状况有多方面的影响，孔隙状况在很大程度上能够反映土壤质量的好坏，因此土壤孔隙研究是土壤研究中的一个重要方面[1，2]。由于土壤孔隙具有复杂的结构和时空变异性，环境变化和生物活动等均会影响土壤孔隙结构，不同种植方式对孔隙结构的影响也较为强烈，对于土壤孔隙结构的定量化始终是土壤孔隙研究的一个难题。近年来迅速发展的数字图像处理技术为土壤结构的定量分析提供了一个强有力的工具，尤其对土壤孔隙表面分形和土壤微观结构进行小尺度研究更具有优势[3-5]。因此，利用土壤微形态技术研究不同种植方式下的土壤孔隙结构特征，以期为不同种植方式对于土壤孔隙结构的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

主要试验点设在中国农业大学曲周长期定位试验站（36°52′N，115°01′E），全区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温13.1 ℃，无霜期年平均210 d，多年平均降水量为604 mm。根据中国土壤系统分类该地土壤为盐化潮褐土，试验田为多年菜田和粮田。该温室菜田土壤长期施肥试验开始于2003年，菜田种植制度为番茄-黄瓜轮作，每年收获两次。粮田长期施肥试验开始于1994年，为冬小麦夏玉米种植制度。其中不同种植方式间的施肥量见表1。

1.2 采样方法

在2012年9月下旬，分0～10、10～20和20～40 cm 3个层次分别采集混合土样和原状土样，每个小区设置3个重复。在采集和运输过程中尽量减少对土壤的扰动，以免破坏土体孔隙结构。

1.3 土壤微形态薄片的数字化处理方法

土壤微形态样品的固化参照文献的固化方法[6]，在规格为NikonLV100POL型偏光显微镜下对土壤薄片进行观察描述，并用与之配套的Nikon DS-Fi1型数码相机进行拍照，所得的图像为真彩色图像，其分辨率为2 560×1 920，存储为TIF格式。在图像获取过程中，可能会有一定的噪声影响，为了更加准确获取土壤薄片中土壤孔隙、矿物颗粒等的信息，需要对数字图像进行相关的处理，主要是图像增强和图像去噪等处理。图像处理利用Photoshop和Matlab的图像处理工具完成。图像增强主要利用imadjust命令增强对比度，并利用中值滤波去除图像中的噪声。在后期提取孔隙特征时，利用形态学imopen命令去除面积小于特定像素的斑点。图像分割主要是利用Photoshop或者ImageJ中的“阈值”工具，主要利用目视法通过不断地对比原图选取恰当的阈值，将PPL照片和CPL照片分別进行二值化处理[7]。

1.4 数据处理

土壤孔隙度根据下式计算。

土壤薄片孔隙面积百分比（%）=Sp×100%/S （1）

当量孔径分布比（%）=Spi×100%/S （2）

式1、式2中，S为图像总面积；Sp为孔隙面积；Spi为孔径的孔隙面积。

数据采用Excel 2016、Matlab和Sisciasv 8.0金相图像处理分析软件进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤微形态薄片的二值化、增强和去噪处理

为研究该土壤孔隙微形态特性，首先在规格为NIKON LV100POL型偏光显微镜下对土壤薄片进行观察描述，并用与之配套的NIKON DS-FI1型数码相机进行拍照，所得的图像为真彩色图像。然后把所得的图片用Photoshop和Matlab软件进行处理转化为灰度图，再根据图像分析软件的要求，将灰阶图像转换为二值化黑白图像后，方可对微形态特征进行定量化的统计分析。

在薄片制作和图像制作过程中，会受到噪声的影响。为了准确地获取土壤中孔隙、矿物颗粒等信息，需要对图像进行增强和去噪处理，图像增强处理主要用的是直方图均衡化处理方法，增强图像的对比度，有利于图像分析，图1是图像增强处理，增强图像对比度。图2是中值滤波去噪处理，消除图像孤立的噪声点。

2.2 土壤微形态薄片的处理过程

图3为温室土壤有机种植0～10 cm土层土壤薄片孔隙的数字化处理过程，首先用偏光显微镜拍照的单偏光（PPL）的照片进行二值化处理，图像的白色部分包括了孔隙与透明的矿物（图3a），而与其相对应的正交偏光的二值化图像的白色部分大多是透明矿物（图3b），其次用Matlab软件中二值化形态学运算，单偏光的二值化图像减去正交偏光的图像（图3c），最后再进行相应的增强和去噪处理就可以得到最终的土壤孔隙的二值化图像（图3d）。

2.3 不同施肥措施对土壤薄片孔隙面积百分比及当量孔径的影响

通过Matlab软件和图像处理软件对土壤薄片孔隙进行定量计算后，可以得出0～40 cm深度中有机种植（OM1、OM2）孔隙面积百分比最高，为29%～33%；无公害种植与常规种植均小于有机种植，为24%～28%（图4a）。粮田土壤中，在0～40 cm深度中有机种植孔隙面积百分比最高，为28%～32%；无公害种植次之，为26%～31%；常规种植最低，为26%～30%（图4b）。且3种处理的孔隙面积百分比都是随着深度的增加，逐渐减少，主要是由于常规施肥区长年施用化肥，留在土壤中的植物残体较少，土壤有机质含量低，土壤结构体和孔隙发育差，加之底层土壤受人为活动影响小，导致孔隙度较低。而在有机施肥区，每年有大量的有机物质施入土壤中，使得土壤中的有机质含量增加，微生物和酶的活性相应提高，动物活动也增强，促使土壤结构体和孔隙发育良好，孔隙度提高。

不同种植方式不仅对土壤孔隙面积百分比有较大影响，而且对孔隙的当量孔径分布也有一定的影响。由于分辨率问题，较多的非活性孔隙和小毛管孔隙未能观察到，导致小孔隙数值偏低。在0～10、10～20、20～40 cm土层，3种种植方式下当量孔径>100 μm的孔隙最多，20～100 μm的孔隙次之，小于20 μm的孔隙最少（图4c、图4d、图4e），且各个粒级的孔隙度差距很大，综合分析各级孔隙数据，发现不同种植方式对当量直径>100 μm的孔隙影响较大。其中，在0～10 cm，菜田有机处理（OM1）和粮田有机处理（OM2）当量孔径>100 μm的孔隙最多，分别高达24.0%和25.4%（图4e），无公害次之，菜田无公害种植（NP1）和粮田常规种植（UF2）的较少，分别为19.4%和21.3%。有机处理促使土壤结构体和孔隙发育良好，大孔隙数量增多。

3 小结

研究结果表明，不同种植方式对土壤孔隙数量及结构有明显的影响。有机种植方式下，土壤孔隙度明显增加，土壤薄片孔隙面积占比最高达到33%，当量孔径>100 μm的孔隙明显增多，达到25.4%，土壤大小孔隙的比例得到改善，即有机种植方式有明显改善土壤孔隙结构、疏松土壤的作用。

参考文献：

[1] POESEN J，INGELMO-SANCHEZ F. Runoff and sediment yield from topsoils with different porosity as affected by rock fragment cover and position[J].Catena，1992，19：451-474.

[2] EDWARDS W M，NORTON L D，REDMOND C E. Characterizing macropores that affect infiltration into nontilled soil[J].Soil Science Society of America Journal，1988，52（2）：483-487.

[3] 李德成，VELDE B，DELERUE J F，等.免耕制度下耕作土壤結构演化的数字图像分析[J].土壤学报，2002，39（2）：214-220.

[4] 李江涛，钟晓兰，张 斌，等.长期施用畜禽粪便对土壤孔隙结构特征的影响[J].水土保持学报，2010，24（6）：137-140，180.

[5] KRAVCHENKO A，ZHANG R. Estimating the soil water retention from particle-size distributions：A fractal approach[J]. Soil Science，1998，163：171-179.

[6] 中国科学院南京土壤研究所土壤微形态实验室.用不饱和聚酯树脂制备土壤薄片的方法[J].土壤，1976（Z1）：329-333.

[7] 周 虎，李保国，吕贻忠，等.不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征[J].土壤学报，2010，47（6）：1094-1100.