青海湖流域土壤大孔隙特征与理化性质的相关性研究①

李宗超，胡 霞*，刘 勇，孙贞婷，吕艳丽

(1 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875；2 北京师范大学减灾与应急管理研究院，北京 100875)

青海湖流域土壤大孔隙特征与理化性质的相关性研究①

李宗超1,2，胡 霞1,2*，刘 勇1,2，孙贞婷1,2，吕艳丽1,2

(1 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875；2 北京师范大学减灾与应急管理研究院，北京 100875)

土壤大孔隙是土壤水分、空气和化学物质运移优先流的主要途径。本文以青海湖流域土壤为研究对象，在青海湖沙柳河流域取原状土柱，利用CT扫描与Fiji软件相结合的方法，实现了土壤大孔隙结构的三维可视化，以及断层横截面土壤大孔隙度、大孔隙数量和大孔隙等效直径等的量化；并探讨了样地土壤大孔隙特征与理化性质的相关性。结果表明：青海湖流域土壤大孔隙主要分布在土壤表层0 ～ 100 mm，100 mm以下大孔隙较少；土壤全磷含量分别与土壤大孔隙数量、大孔隙等效直径有显著相关性；土壤全氮、有机质含量分别与土壤大孔隙平均等效直径有显著相关性；土壤体积质量与大孔隙度、大孔隙平均等效直径等有显著相关性；土壤中0.002≤Ф＜0.02 mm的颗粒含量与大孔隙的分布特征相关性较大。

CT扫描；大孔隙；理化性质；相关性

土壤大孔隙是土壤中空气、水和化学物质优先运移的主要途径，并且随着人们对生态环境问题的重视，大孔隙研究越来越受到关注[1–3]。土壤大孔隙的大小、连续性等会直接影响土壤的水文过程[4]。随着成像技术的发展，X 射线断层扫描(CT)法已经成为国内外学者研究土壤孔隙结构的新方法[5–8]。土壤大孔隙的形成主要受到植物根系的穿插或腐烂作用、土壤动物的挖掘作用、循环交替冻融和干湿交替过程、砾石的存在以及土壤理化性质等多种因素的影响[9]，而土壤结构的发育程度[10–11]、黏粒含量、有机质含量[12]等土壤理化性质对非饱和流的发生与运移均有重要影响。目前已有学者结合CT扫描方法，在植物根系[13]、土地利用[14]和冻融[15]等因素对土壤大孔隙形成的影响方面进行了研究。但是，土壤理化性质与大孔隙结构的相关性研究相对缺乏。因此，利用CT扫描法分析土壤大孔隙特征，并探究土壤理化性质与大孔隙的相关性具有一定的研究价值。

青海湖流域的生态问题及其位于青藏高原和亚洲半干旱气候敏感带的地位，使其成为我国乃至国际科学界研究的热点地区之一[16]。目前在青海湖流域已经开展的水文土壤方面的研究主要有：具鳞水柏枝水分利用研究[17]，树干茎流的模拟[18]，灌丛覆盖地区的能量交换和蒸散发[19]，以及芨芨草水分利用来源变化[20]等。也有学者利用传统方法对青海湖西部的土壤入渗规律及其影响因素进行了研究，结果表明，土壤大孔隙对水文过程有重要影响[21]。然而，对高寒地区的高寒草甸及灌丛的土壤大孔隙研究较少，因此对青海湖流域的土壤大孔隙特征的研究具有重要意义。

本研究通过 CT扫描法分析土壤大孔隙特征，试图观察与分析青海湖流域土壤大孔隙的结构特征，探讨土壤理化性质对土壤大孔隙形成的影响，以为青海湖流域的生态水文过程研究提供理论基础和指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海湖流域位于青藏高原东部边缘，地理位置36°15′ ～ 38°20′ N，97°50′ ～ 101°20′ E，海拔3 194 ～5 174 m。流域内山地面积大，约占流域面积的68.6%，山势陡峻、沟谷密布，河谷和湖积平原所占面积较小，约占流域面积的31.4%。在湖边及低洼地带有沼泽分布，在沙柳河口发育着河漫滩、三角洲及河流堆积阶地，在山麓与平原交替地带形成洪积扇。流域地貌复杂，植被多样，气温、降水空间变化显著，使得土壤分布具有多样性和垂直地带性[22]。土壤的主要成土母质因地形地貌的不同而有所差异。流域内地带性土壤类型为栗钙土[23]，由于自然条件的差异，各区域土壤类型不尽相同，沙柳河流域主要为高山草甸土，湖东地区多为风沙土。草甸是区域内分布最广的植被类型，分布在海拔3 200 ～ 4 100 m；流域内典型灌丛有金露梅灌丛及水柏枝灌丛。青海湖流域年径流深一般在50 ～ 175 mm，分布特点有由西北向东南递减、由山区向湖滨递减的规律，北部山区降雨量较大。流域的水资源比较丰富，约为24.06亿m3。

1.2 土壤样品采集

选择青海湖地区沙柳河流域作为研究样地，如图1所示，1 ～ 8号样地主要包括金露梅灌丛、高寒草甸、油菜地等植被，9和10号样地为沙地。表1是所选样地的地理位置及植被、地形情况。原状土采集使用内径100 mm、管壁厚度2 mm、长度300 mm的圆柱状PVC管，将PVC管缓缓压入土壤，然后整个取出，带回CT实验室；在原状土采集点取表层0 ～ 100 mm的土样1 kg，带回实验室风干备用。

图1 研究区样地位置Fig. 1 Location of experimental sites in study area

表1 研究区采样点的地理位置、植被和地形部位Table 1 Locations, vegetation types and topographic positions of sampling sites

1.3 土壤CT扫描与理化性质分析

利用医学Light Spreed VCT(64排多层螺旋CT扫描仪)扫描原状土柱。将土柱放置在操作台中心位置，设定CT设备电压为140 kV，电流为200 mA，扫描速度为2.5 r/s，扫描层厚为0.625 mm。通过图像重建，得到体素为0.625 mm × 0.33 mm × 0.33 mm，像素512 × 512的8位图，同时将其转为Bmp格式图片。

土壤样品经过风干处理后测定土壤的理化性质。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤全磷采用NaOH 熔融–钼锑抗比色法测定；土壤体积质量采用烘干法测定；土壤的机械组成采用吸管法测定。测得的土壤理化性质如表2所示。

表2 研究区样地土壤的理化性质Table 2 Soil physical-chemical proprieties of sampling sites

1.4 图像处理与数据分析

利用Fiji软件处理图像的步骤如下：①通过中值滤波法消除噪音，增强图像质量；②利用圆形工具将PVC管内侧附近扰动土壤切除，获得感兴趣区域(region of interest，ROI)，有效深度为300 mm；③利用全局阈值法，选取阈值并将图像二值化，从而获取轮廓图。由于Fiji软件为开源软件，通过编程对图像批量分析，获得土柱每一个断层横截面的土壤大孔隙面积及周长。Fiji软件3D查看器可以通过体渲染实现土壤大孔隙的三维可视化。

Matlab软件可以实现每个断层横截面土壤大孔隙数据分析，得到断层横截面的总面积、大孔隙总面积、大孔隙度和大孔隙数量等数据。对整个土层(0 ～100 mm)土壤大孔隙特征数据的分析，取断层横截面的大孔隙度、大孔隙数量和大孔隙等效直径平均值。最后利用软件SPSS 13.0分析土壤理化性质与土壤大孔隙数量、大孔隙度和平均等效直径的Pearson相关系数，置信水平 P=0.05，即 P＜0.05为显著相关，P＜0.01为极显著相关；用线性回归方法分析具有显著相关的各因素之间的关系。

2 结果与讨论

2.1 土壤大孔隙三维特征

图2是10个样地0 ～ 300 mm土层土壤大孔隙的可视化三维图，其中黑色部分表示土壤大孔隙。从图2中可以看出，不同样地土壤大孔隙分布差异较大，各样地土壤大孔隙结构的复杂程度不一，但存在相似的分布趋势，即土壤大孔隙随土壤深度的增加而减少。Aubertin[24]研究表明，地表植物种类和土壤环境都会影响孔隙的形成，大孔隙的结构与植物种类和生长情况有关[25]。1 ～ 7号样地植被优势种为高山嵩草，在0 ～ 100 mm土层土壤大孔隙明显较多，这与李宗超和胡霞[26]报道的内蒙古沙质草地土壤大孔隙分布特征相一致；另外在0 ～ 100 mm土层主要为较细的土壤大孔隙，且大孔隙连通性较好；1、4和6号样地为金露梅灌丛斑块之间的草甸，优势种为高山嵩草，土壤较深层受较粗的金露梅根系的影响，土壤大孔隙直径较大，且呈管状，但连续性较差。Bharati等[27]和 Seobi等[28]研究发现牧场草地比中耕作物会有更多的大孔隙。如图2所示，8号样地(油菜地)的土壤大孔隙明显少于1 ～ 7号样地，且8号样地的土壤大孔隙主要集中在表层0 ～ 50 mm，主要受油菜根系的影响。9号样地为沙地，几乎不存在大孔隙。10号样地为沙地中的灌丛斑块，土壤大孔隙呈管状分布，且主要分布在表层0 ～ 100 mm灌丛根系较发达的区域。

2.2 土壤大孔隙数量、孔隙度和等效直径

图2 研究区样地土壤大孔隙三维图Fig. 2 3D visualization of soil macropores of sampling sites

表3 研究区样地0 ～ 100 mm土层土壤平均大孔隙数量、大孔隙度和等效直径Table 3 CT-measured soil macropores, macroporosities and mean macropore sizes at soil depth of 0 ～ 100 mm of sampling sites

表3是10个样地0 ～ 100 mm土层土壤的平均大孔隙数量、大孔隙度和等效直径统计数据。由表 3数据可知，10个样地在土壤表层0 ～ 100 mm土壤大孔隙特征差异较大。2号样地地表植被为金露梅灌丛，平均大孔隙数量为 27，平均大孔隙度为4.49%，两项指标均高于其他样地，但平均等效直径为1.70 mm，小于1号样地。9号样地为沙地，平均土壤大孔隙度仅为0.1%，平均大孔隙数量仅为1，平均等效直径也最小。2号样地土壤大孔隙数量最多，大孔隙度也最大，这与其在图2中三维可视化图的分布特征相一致。植被覆盖的土壤其大孔隙平均等效直径在1.3 ～ 2.4 mm，沙地没有植被覆盖，其大孔隙平均等效直径仅为0.4 mm。

2.3 土壤大孔隙特征与理化性质的相关性

土壤的各理化性质受成土母岩和植被等的共同影响，土壤理化性质间也存在协同和促进作用[29–30]。1 ～ 6号样地主要为高山嵩草覆盖的土壤，表层根系较多，有机质含量较高，体积质量介于0.55 ～ 0.83 g/cm³，这与杨成德等[31]对高寒草甸土壤体积质量的研究结果一致；8号样地为农地，9、10样地为沙地，土壤体积质量相对较高。对10个样地土壤大孔隙平均数量、大孔隙度、等效直径和相应的全氮、全磷、有机质、CaCO3、密度、体积质量、土壤机械组成进行Pearson相关分析，得到的相关性结果如表4所示。

表4 土壤理化性质之间的Pearson相关系数Table 4 Pearson correlation coefficients between soil physical-chemical proprieties

由表4可知，土壤大孔隙数量与全磷含量的相关系数为0.71，在P＜0.05水平上呈显著正相关。0.002≤Ф＜0.02 mm粒级的土壤颗粒含量和体积质量与土壤大孔隙数量的相关性也较大：0.002≤Ф＜0.02 mm粒级的土壤颗粒含量与大孔隙数量呈正相关，相关系数为0.45；体积质量与土壤大孔隙数量呈负相关，相关系数为 –0.42。

土壤大孔隙度与0.002≤Ф＜0.02 mm粒级的土壤颗粒含量、土壤体积质量、全磷含量之间的相关性较大，但并不显著。0.002≤Ф＜0.02 mm粒级的土壤颗粒含量与土壤大孔隙度之间呈正相关关系，相关系数为 0.52；土壤全磷含量与大孔隙度之间呈正相关关系，相关系数为0.47；土壤体积质量与大孔隙度之间呈负相关关系，相关系数为 –0.56。

土壤大孔隙等效直径与全氮、全磷、有机质含量之间呈显著正相关，相关系数分别为 0.72、0.66和0.69。土壤大孔隙等效直径与土壤体积质量呈极显著相关，相关系数为 –0.78。

土壤孔隙是土壤中土粒或团聚体之间的空隙[32]，因此土壤颗粒含量是土壤大孔隙形成的一个重要影响因素。在表4中，虽然土壤颗粒组成与大孔隙特征相关性不显著，但表现出一定规律。粒级Ф1(0.25≤ Ф＜2.00 mm)土壤颗粒含量与大孔隙度、大孔隙数量以及大孔隙平均等效直径均呈负相关；粒级为Ф2(0.05≤Ф＜0.25 mm)、Ф3(0.02≤Ф＜0.05 mm)、Ф4(0.002≤Ф＜0.02 mm)和 Ф5(Ф＜0.002 mm)的土壤颗粒含量与大孔隙度、大孔隙数量以及大孔隙平均等效直径均呈正相关。说明土壤中粒级Ф＜0.25 mm的土壤颗粒有利于土壤大孔隙的形成，而粒级Ф＞0.25 mm的土壤颗粒的增加会减少土壤中的大孔隙。

土壤体积质量反映了土壤的质地、结构等性质[33]。一般认为，土壤体积质量越小，非毛管孔隙度和总孔隙度越大[34–35]。如由表 4可知，土壤大孔隙平均等效直径与体积质量之间呈极显著负相关，土壤体积质量决定了土壤大孔隙平均等效直径的61%(图3a)。土壤体积质量与大孔隙度的相关系数为 –0.56，说明土壤体积质量与大孔隙度负相关，这与已有研究相一致[36]。另外，土壤体积质量与全氮、全磷和有机质含量呈极显著负相关关系，相关系数分别为–0.94、–0.87和–0.95。土壤大孔隙度是土芯横截面中所有孔隙面积与横截面总面积的比值，土壤大孔隙度与土壤大孔隙数量呈极显著正相关，相关系数为0.83(表4)。如图3b，土壤大孔隙数量决定了土壤大孔隙度的69%，说明土壤表层大孔隙越多，土壤大孔隙度越大。

图3 土壤体积质量与大孔隙平均等效直径及大孔隙数量与大孔隙度的线性回归分析Fig. 3 Linear regression analysis between soil bulk density and mean equivalent diameter of macropores, mean quantity of macropores and macroporosity

从表 4还可知，全磷含量分别与土壤大孔隙数量、平均等效直径呈显著正相关。这是因为在高寒草甸地区，植物活根不断吸收土壤中的磷素养分，供应自身生长的需求[37]，土壤大孔隙形成主要受植物根系影响[38]。另外，样地所在区域磷素的主要来源为腐殖质[39]，大孔隙的存在有利于磷素的运移。如图4所示，全磷含量分别决定了土壤大孔隙数量的 51%和大孔隙平均等效直径的 44%，即土壤全磷含量越多，土壤大孔隙数量大、平均等效直径也越大，说明全磷含量是影响土壤表层大孔隙分布特征的最主要因素。

土壤有机质是影响土壤结构的重要因素[40]，而全氮含量取决于有机质的分解，存在一定比例关系[41]。如表4，土壤大孔隙平均等效直径与全氮和有机质含量显著相关。如图5，土壤全氮和有机质含量分别决定土壤大孔隙平均等效直径的53% 和48%，土壤中全氮含量越高，有机质含量相应会就越高，土壤大孔隙的平均等效直径就越大。

图4 土壤全磷含量与土壤大孔隙数量、平均等效直径的线性回归分析Fig. 4 Linear regression analysis between soil total phosphorus and mean quantity, mean equivalent diameter of macropores

图5 全氮、有机质含量与土壤大孔隙平均等效直径的线性回归分析Fig. 5 Linear regression analysis between soil total nitrogen, soil organic matter and mean equivalent diameters of macropores

3 结论

1) 应用 CT断层扫描方法，能够在无损条件下获得每一土壤断层横截面的土壤大孔隙度、大孔隙数量和平均等效直径，并能通过三维可视化方法观察土壤大孔隙的结构和分布特征。

2) 青海湖流域土壤大孔隙主要集中在表层 0 ～100 mm；随土壤深度增加，土壤大孔隙逐渐减少；平均等效直径在1.3 ～ 2.4 mm。土壤全氮、全磷和有机质含量两两之间极显著正相关；土壤大孔隙度与土壤大孔隙数量呈极显著正相关，土壤大孔隙越多，土壤大孔隙度越大；土壤大孔隙数量与全磷含量显著正相关，与粒径0.002≤Ф＜0.02 mm的颗粒含量相关性较大，其中全磷含量决定了土壤大孔隙数量的51%；土壤大孔隙度与多个因素有相关性，并无显著相关性，其中土壤体积质量和0.002≤Ф＜0.02 mm的土壤颗粒含量与土壤大孔隙度相关性较大；土壤大孔隙平均等效直径与全氮、全磷和有机质含量之间分别呈显著正相关，与体积质量显著负相关，其中全氮、全磷和有机质含量分别决定了土壤大孔隙平均等效直径的44%、53% 和48%。

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Correlations Between Soil Physical-chemical Proprieties and Soil Macropore Characteristics in Qinghai Lake Basin

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

Soil macropores are preferential pathways for water, air and chemical substances movement in soils. Undisturbed soil columns under different vegetation types were sampled in Shaliu River Basin of the Qinghai Lake and scanned with X-ray computed tomography. And 3D soil macropore networks were visualized and macropore quantity, macroporosity and equivalent diameter were interpreted with Fiji software through reconstruction. Then the correlations between soil physicalchemical properties and macropore characteristics were studied. The results indicated that soil macropores were mainly distributed in the 0–100 mm layer of soil, soil phosphorus was significantly correlated with number and mean equivalent diameter of macropores, soil nitrogen and organic matter were significantly correlated with mean equivalent diameter of macropores, soil bulk density was significantly correlated with macroporosity and mean equivalent diameter of macropores, and soil particles of 0.002–0.02 mm was correlated highly with soil macropore characteristics.

CT; Macropores; Physical-chemical properties; Correlation

S152.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.024

国家自然科学基金项目(41471018)和国家自然科学基金重点项目(41130640)资助。

* 通讯作者(huxia@bnu.edu.cn)

李宗超(1988—)，男，山东莱芜人，博士研究生，主要从事土壤水文学研究。E-mail: 201531480027@mail.bnu.edu.cn