黄河下游不同质地潮土孔隙形态特征

2019-07-01张保华陶宝先曹建荣刘子亭

中国土壤与肥料 2019年3期

张保华，陶宝先，曹建荣，刘子亭

（聊城大学环境与规划学院，山东聊城 252000）

土壤孔隙是土壤固相的土粒或土团之间的空隙，其大小、形状、连续性和稳定性等特征［1］，对水分和溶质运移、土壤肥力和植物根系伸展等有着极其重要的影响［1-2］。在田间和自然状况下，决定土壤孔度和孔径分配的基本因素是土粒的粗细与排列、松紧状况、有机质含量和结构［1，3］，其中土壤颗粒不同的空间排列构成不同的孔隙几何、数量特征［4］。在黄河下游冲积平原地区，由于黄河泥沙含量高且历史上多次改道泛滥，形成了该地区土壤质地的复杂性和质地剖面层次的多样性［5-6］，对土壤孔隙的通气透水性、肥力提升产生较大影响。因而研究黄河下游冲积平原不同质地土壤的孔隙形态特征及其季节变化，对于改善土壤质量具有积极作用。

除土壤质地外，农业耕作、灌溉与降水等也会引起孔隙度的增加与降低［7］。轮作比玉米连作、翻耕比免耕均可明显提升团聚体孔隙度［8］，作物残茬可引起总孔隙度增加，降低中等孔隙（30～75 μm）数量，增加大孔隙（＞75 μm）的不规则性和偏长度［9］。与翻耕相比，长期免耕降低表层（0～5 cm）大孔隙度（＞500 μm），提高10～15和20～25 cm深度的孔隙度和大孔隙度，增加孔隙结构的复杂程度，尤其是10～15和20～25 cm深度下的孔隙结构［10］。长期灌溉可增加微孔隙、形成低连通和弯曲孔隙［11］，灌溉和排水引起土壤胀缩，土壤收缩可增加孔隙容积、连接性、原有孔隙宽度［12］。对于孔隙的短期变化，玉米生长中灌溉引起耕层大、中等孔隙度分别降低65%、50%，并且在此过程中7次灌溉持续降低大孔隙度［13］，水稻种植期淹水可减少大、中孔隙度，增加小孔隙度，至淹水期末水分排干后大孔隙因土体收缩而增加［14］。耕翻深度、秸秆还田等对土壤孔隙状况的改善作用因质地不同而存在差异，对壤土改良效果优于黏土［15］。

颗粒组成是影响土壤孔隙最根本的因素，但耕作、灌溉等相关研究中较少考虑。本文在山东省聊城市东昌府区选择砂壤、壤、粘壤质地且均长期种植冬小麦-夏玉米的农田中，于麦收、秋收期间采集样品，以常规方法测定孔隙度，结合土壤薄片图像处理，研究土壤孔隙形态参数变化，以期对改善农田土壤质量提供帮助。

1 研究区与样品

1.1 研究区域概况

东昌府区位于山东省西部（E 115°14′～116°08′，N 36°16′～ 36°42′），是聊城市政府驻地，总面积1 254 km2，常住人口102.56万。属暖温带大陆性季风气候区、半干燥大陆性气候，年均温13.5℃，7月气温最高，为26.9℃，1月气温最低，为-2.5℃，年均降水量546.9 mm，夏季占全年降水的62.2%，年际变化大，雨热同期。黄河冲积低平宽广平原，缓岗、坡地、洼地在平原上交错分布，为两大地貌特征，海拔31～38 m，土壤为潮土、少量盐土，土质适宜多种农作物的种植，植被均为栽植次生植被，主要种植作物为玉米-小麦、油料、蔬菜。

1.2 样品采集及分析

在东昌府区许营镇绣衣集和汪庄村（砂质壤土）、朱老庄镇田庄村（粘壤土）、北城办事处东鲁村（壤土）选择长期种植小麦-玉米地块，于2017年6、10月分小麦季和玉米季两次取样。每个取样季每种质地均按5 cm一个层次挖取25 cm深度的土壤剖面各4个，采集混合和原状2种样品。其中，原状样品用环刀（规格：直径5 cm、高度5 cm）、塑料盒（4 cm×4 cm×4 cm）带回室内，分别用于容重和孔隙度测定、土壤薄片制作；混合样品60个（3个质地×4个重复×5个层次），以自封袋带回室内，自然风干、研磨、过2 mm筛，用于土壤颗粒组成分析。

以许营镇1#、朱老庄镇2#、北城3#塑料盒原状样品制作土壤薄片；具体步骤是：利用198#不饱和聚酯树脂+固化剂浸渍固化后，进行切片、粗磨、细磨，用环氧树脂粘在载玻片上，之后再对另一面进行切片、粗磨、细磨，以冷杉胶粘盖玻片，制成厚度约30μm的土壤薄片，于偏光显微镜下观察并照相。土壤孔隙形状描述采用Stoops［16］术语体系，定量测量用image proplus 6.0软件处理。

土壤颗粒组成测定采用吸管法；容重、毛管孔隙度测定采用环刀法；总孔隙度由比重、容重计算得来，非毛管孔隙度为总孔隙度减毛管孔隙度［17］。

1.3 数据处理

每类质地的4个土壤剖面各土层土壤颗粒组成、容重、孔隙度测定结果取平均值。利用单因素方差分析（LSD法）统计各指标在不同土层间以及同一土层、同一指标在6、10月份间的差异。采用Peason相关分析研究土壤孔隙形态指数之间的相关性，显著性P＜0.05。统计分析采用SPSS 13.0软件。

图像处理为每个薄片均匀分布，拍摄9张照片，放大倍数为10×10，image proplus 6.0测定孔隙特征。每张照片大小为2 048×1 536像素，实际大小 1 300 μm×975 μm，像素边长约 0.63 μm、每个像素约 0.4 μm2。

孔隙形态指数如下：

（1）孔隙度（TP）=孔隙所占像素与图像总像素之比，单位：%。

（2）孔隙当量直径（ED）［10］：ED=0.63×2 A/π。单位：μm。其中A为孔隙面积（像元）。

（3）孔隙长短径比率（RR）：即孔隙的最长、最短半径之比。

（4）孔隙形状系数（S）［10］：S=P2/A。其中P为孔隙周长，其值越小孔隙形状越规则。可分为规则（S＜2）、不规则（2≤S≤5）和复杂（S＞5）3类。

（6）孔隙平均孔径（Dp）［20］：Dp=0.63×单位：μm。其中Di为孔径（像元），Si为对应孔隙面积（像元），Sp为孔隙像元总数。用于反映土体中孔隙总体上的“粗细”。

（7）孔隙复杂度（D）［21］：D=2logP/logA。D、P、A分别为孔隙复杂度、孔隙周长和孔隙面积。D值越高，说明孔隙的扭曲程度越高，孔隙越复杂。反映整幅图像中孔隙的复杂度。

在image proplus软件中选择测量孔隙的直径（即单个孔隙各方向直径的平均值）、周长、长短径比率、圆度、面积，将上述数据导出为Excel格式，即可方便地计算以上指标。其中孔隙长短径比率、孔隙当量直径、孔隙形状系数、孔隙成圆率图像软件提取每个孔隙的指标，先将每个图像取平均值视为原始数据，再将9张图像取均值；孔隙度、孔隙平均孔径、孔隙复杂度直接取9张图像指标数据的均值。

2 结果与分析

2.1 土壤基本性质

许营砂粒含量超过55%、粘粒少于15%，为砂质壤土；朱老庄砂粒含量为30%～55%、粘粒介于15%～25%，为粘壤土；北城砂粒含量为40%～55%、粘粒少于15%，为壤土（表1）。由方差分析可知，许营土壤的砂粒含量明显高于其它两个样地，但粉、粘粒含量均显著低于其它两个样地（P＜0.05）。

表1 土壤粒径组成（%）

由表2可知，6、10月份土壤容重均表现出随深度增加而增加的趋势（P＜0.05），可能是上层土壤的压实作用所致。除许营的5～10 cm土层、北城的15～20 cm土层的容重6、10月有显著差异外（P＜0.05），其它土层的容重在两个月份间无明显差异。朱老庄的0～15 cm 3个土层的容重6、10月有显著差异外（P＜0.05），其它土层的容重在两个月份间无明显差异。6、10月份土壤孔隙度均表现出由表层向下逐渐减少的趋势。6、10两月各层土壤总孔隙度的对比结果与容重相反。表明冬小麦、玉米两种作物的种植对许营（砂质壤土）及北城（壤土）两个样地的土壤容重及总孔隙度无明显影响。然而，种植玉米能显著增加朱老庄（粘壤土）0～15 cm深度的土壤容重，并降低其土壤总孔隙度。

表2 土壤容重与孔隙度

2.2 土壤孔隙形态类型

3类样地土壤孔隙形态类型存在较大差异，但均在玉米生长期间变化较小。许营砂质壤土组成物质颗粒较粗，以堆集孔隙特别是简单堆集孔隙为主，少量面状孔隙，孔隙壁粗糙、吻合程度较差（图1 a）；同时，受质地影响，下层压实作用不明显，各土层的孔隙形状差异不大。朱老庄粘壤土、北城壤土0～5、5～10 cm土层团聚较好、土体疏松部分以复合堆积孔隙为主（图1 b、c），较大土块体内可见面状孔隙、不规则孔洞；10 cm以下则逐渐以孔洞、孔道等连通性较差的孔隙类型为主（图 2）。

图1 表层土壤孔隙形态

图2 下层土壤孔隙形态

2.3 土壤孔隙形态参数

由表3可知，土壤孔隙度（TP）均表现为随深度增加而降低，与前述环刀法测定孔隙度的变化趋势相同。而且，6月份土壤总孔隙度大于10月份（P＜0.05）。土壤孔隙平均当量直径（ED）、孔隙平均孔径（Dp）反映土壤孔隙大小。对于ED，除北城土壤6月份的ED随土壤深度而下降外，其它样地均无显著差异。由方差分析可知，6、10两月许营土壤的ED值明显大于其它两个样地（P＜0.05）。朱老庄土壤的Dp在6、10两个月均随土壤深度下降而减少，北城土壤的Dp仅在10月呈上述趋势，许营土壤的Dp在各土层间无显著差异。许营表层土壤6月的ED显著大于10月（P＜0.05），其原因可能是：许营土壤的砂质壤土团聚作用较弱（图1 a），玉米生长季是一年中降水较集中的时期，相对较多的降水可能减弱团聚体的稳定性，增强土壤的坚实度。朱老庄表层土壤6月的ED显著小于10月（P＜0.05），表明经过玉米生长季，朱老庄土壤的孔隙变大。其原因可能是：该点土壤较许营的粘粒含量高，团聚作用明显强于许营（图1 b），即使较集中的降水可能影响部分团聚体的稳定，但仍能保持较高的土壤团聚作用，进而增加土壤孔隙平均直径。从孔隙平均孔径来看，3个样地各土层在6、10月间基本无差异。这说明ED、Dp两个指标在反映土壤孔隙大小特征方面仍存差异。因此，研究土壤孔隙大小特征时，应将两指标联合应用，以较全面地反映土壤孔隙的大小特征。

孔隙长短径比率（RR）反映土壤孔隙的最长、最短半径之比。由表4可知，朱老庄、北城表层与下层土壤孔隙的RR值在10月均存在明显差异，基本上随土壤深度增加而增大（P＜0.05），朱老庄6月的RR值也呈相似趋势。其原因可能是：朱老庄、北城上层土壤由于团聚作用较强，多为复合堆集孔隙；而下层土壤孔隙形态多为孔洞、孔道，形态较为狭长（图2）。此外，玉米生长季结束后（10月），壤土的RR值较生长季开始时（6月）明显降低（P＜0.05）。这意味着玉米生长季结束后，壤土各层土壤孔隙形状的扁平化程度较生长季开始时明显降低。

表3 土壤孔隙形态指数

成圆率（C）反映了土壤孔隙形态与圆形的吻合程度。由表3可知，每个样地各土层间及同一土层6、10两月的C值均无显著差异。表明土壤深度及作物生长均对孔隙成圆率无显著影响。然而，成圆率会影响土壤通气性能和水分传输。研究表明，C值越高，土壤孔隙越接近于圆，越利于水分在土壤中传输、保存及作物吸收利用［19］。本研究3个样地C值均小于0.5，明显小于其它研究［19］；由土壤薄片也可能直接观察到土壤孔隙成圆率较低（图1），这在一定程度上能影响土壤水分及养分在土壤孔隙中的传输及作物吸收。

复杂度（D）反映了土壤孔隙的扭曲程度。由表3可知，每个样地各土层间及同一土层6、10两月的D值均无显著差异。表明土壤深度及作物生长均对孔隙复杂度无显著影响。由方差分析可知，6月许营土壤的D值明显小于其它两个样地（P＜0.05），但朱老庄及北城土壤间无显著差异。其原因可能与土壤质地及团聚作用有关。许营土壤质地为砂质壤土（表1），土壤组成物质较粗，团聚作用较弱，从土壤薄片中较难观察到形态较好的土壤团聚体，多形成简单堆集孔隙；而朱老庄及北城土壤中粉粘粒含量较高，土壤团聚作用较强，在土壤薄片中可见明显的土壤团聚体，形成复合堆集孔隙（图1 b、c）。因此，许营砂质壤土孔隙复杂度小于其它两个样地。

土壤孔隙的形状系数（S）反映了土壤孔隙形状的规则程度，其值越小孔隙形状越规则［10］。由表3可知，3个样地的S值远大于5，即3个样地的土壤孔隙形状很复杂、不规则，这与成圆率的结果较为一致。由方差分析可知，6月许营土壤的S值明显高于朱老庄，10月许营土壤的S值明显高于其它两个样地（P＜0.05）。

3 讨论

土壤孔隙能较好地反映土壤结构性。由表2、3可知，土壤总孔隙度及毛管孔隙度随土壤深度增加而逐渐降低。其主要原因可能是上层土壤的压实作用所致。由相关分析可知，土壤容重与孔隙度、Dp值呈显著负相关。表明上层土壤对下层土壤的压实作用，致使孔隙平均当量直径Dp值下降，土壤孔隙度降低，从而增加了下层土壤的容重。由相关分析可知，土壤总孔隙度（TP2）与C值呈显著负相关，与S值呈显著正相关，表明土壤总孔隙度越大，土壤孔隙的复杂扭曲程度越小，孔隙的形状越不规则、越复杂（表4）。由表3可知，许营表层土壤的TP值略大于其它两个样地，且10月许营表层土壤的S值大于其它两个样地。土壤薄片的结果也表明，许营的土壤孔隙以简单堆集孔隙为主，孔隙壁粗糙，而朱老庄、北城的土壤团聚作用较好，其土壤孔隙壁较许营土壤略为规则、圆滑（图1）。此外，10月土壤总孔隙度明显低于6月，表明玉米生长季增加了土壤总孔隙度（表3）。其原因可能是：玉米生长季（6～10月）是一年降水最多的时期，相对较多的降水可能会降低土壤团聚体的稳定性，进而降低土壤的总孔隙度。此外，麦收时农业机械压实也会降低土壤孔隙度，增加土壤容重。

表4 相关分析结果

土壤质地（砂、粉、粘粒含量）能够影响土壤孔隙形态。由相关分析可知，土壤孔隙平均当量直径与砂粒含量呈显著正相关，与粉、粘粒含量呈显著负相关。土壤孔隙复杂度与砂粒含量成显著负相关，而与粉、粘粒含量呈显著正相关。砂粒含量与土壤孔隙的形状系数呈显著正相关，与粘粒含量呈显著负相关。表明，许营土壤砂粒含量越高，越容易形成大孔隙，但孔隙的复杂、扭曲程度越小，孔隙形状越不规则。反之，朱老庄、北城土壤粉、粘粒含量越高，形成的土壤孔隙越小，孔隙形状较规则，但孔隙的复杂、扭曲程度越大。此外，由实验测得的土壤总孔隙度与土壤薄片测得的土壤总孔隙度具有明显的相关性（表4），表明土壤薄片分析也是较好的土壤孔隙测量方法。综上，土壤质地（砂、粉、粘粒含量）能够影响土壤孔隙形态。