基于工业CT扫描研究喀斯特地区土壤大孔隙结构特征

阚晓晴 程金花

（1. 北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 北京林业大学水土保持学院建水研究站，云南 红河 654300；3. 北京市农业信息技术研究中心，北京 100097）

喀斯特地区石漠化严重[1]，表层土壤的岩石裸露率高达26.33%[2]，裸露的岩石表面有利于汇流机制的形成[3]。深层土壤存在岩石与土壤穿插分布的现象[4]，由于土壤与岩石之间存在刚性接触[2]，二者间存在可运输水分的大孔隙结构[5]，使该地区土壤大孔隙数量显著增加，空间结构更加复杂[6]。大孔隙对土壤中水、空气、营养物质和污染物的运输有重要影响[7−8]，其空间特征是物质优先运移的主要决定因素[9]，尤其是岩溶管道的形状对流体流动有很大的影响[10]。岩溶地区因其独特的地质特征，构成了地下流体的天然排水沟，强烈影响岩溶管道的发展[11]，这些裂隙成为岩溶地区水分运动特殊性的关键问题[12]，并导致喀斯特石漠化地区水文过程迅速，水分漏失问题严重[5]。喀斯特石漠化地区水分漏失问题导致土壤中植物可利用水分较少[13]，严重制约植被恢复的可持续性发展[6]。同时诱发表土层剥蚀过程[14]，使水土流失问题更加严峻[15]。因此，喀斯特地区土壤大孔隙空间结构特征亟待可视化及定量化研究。

已有研究表明，岩溶区深层大型裂缝呈现相交通道的角网格[16]，但少有研究关注喀斯特石漠化地区不同林分条件下的地表土壤大孔隙通道结构特征。大孔隙方向对于探测地质特征、局部主导的成岩作用、优先熔岩发育等研究十分重要[11]。也有部分学者研究了水分优先运移与土层厚度的关系，然而，我国喀斯特山区复杂的三维土壤大孔隙网络与植被群落的定量关系、土壤大孔隙发育方向与坡度的关系尚不清楚。传统的大孔隙研究方法为染色示踪法，不具有可连续观测性且无法精确还原大孔隙的拓扑结构[17]，然而土壤大孔隙三维结构的定量化研究是准确掌握喀斯特地区水文过程的关键。X射线CT成像可定位土壤中的孔隙[18]，CT断层扫描原状土柱的大孔隙研究结果精准且具有普适性[19]，且CT扫描获得的孔隙路径在流体及物质运移中起主导作用[20]。现有技术难点在于如何将土壤大孔隙进行数值化描述，进而与土壤水文数据进行融合，以期深入喀斯特地区土壤水分漏失及石漠化治理等相关研究。因此，本研究采用CT扫描等方法，定量化分析喀斯特地区植被恢复措施下土壤大孔隙结构特性。

本研究选择喀斯特断陷盆地石漠化地区的常见植被类型，对其0～30 cm深土壤的大孔隙进行扫描、计算及分析，旨在结合拓扑原理进行趋向性分析，以量化并探讨该区域常见植被群落的土壤大孔隙是否有显著差异。通过分析人工植被恢复与当地天然植被条件下的土壤大孔隙空间结构特征，验证人工恢复的重要性及其改善程度，为喀斯特地区石漠化防治及生态修复的人工恢复模式提供参考。

1 研究区概况

试验于2019年7—8月，在云南省红河哈尼族 彝 族 自 治 州 建 水 县（102°55′～102°60′E，23°37′～23°44′N）进行。该地区为典型的喀斯特断陷盆地地貌，海拔1350～1700 m，受西南印度洋季风影响，雨季旱季交替明显。年平均气温19.8 ℃，地表年平均气温20.8 ℃，年平均日照时数2322 h，年平均降水量805 mm，地带土壤为灰岩风化形成的石灰土[21]。试验点基本情况见表1。

表1 试验区概况Table 1 Basic situation of the experimental sites

2 研究方法

2.1 土壤样品采集及处理方法

在建水试验站的次生林（SF）、云南松纯林（PY）、灌木（S）、草地（G）样地随机确定5个样点，用体积为100 cm3的环刀取出5 cm至15 cm表层土壤，用于研究区土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、田间持水量和土壤自然含水量等土壤物理性质的测定。其中，土壤总孔隙度、毛管孔隙度（孔隙直径小于或等于0.1 mm）、非毛管孔隙度（孔隙直径大于0.1 mm）采用环刀法测定[22]。土壤田间持水量和自然含水量采用烘干法测定[23]。其中，田间持水量是指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量（土水势或土壤水吸力达到一定数值），是大多数植物可利用的土壤水上限。土壤自然含水量一般是指土壤绝对含水量，即100 g烘干土中含有水分的质量（g），也称土壤含水率[24]。

2.2 原状土柱采集及CT扫描

在建水试验站的次生林（SF）、云南松纯林（PY）、灌木（S）、草地（G）中共采集12个坡下原状土柱（管内直径10 cm，高30 cm），金属管壁会对后期扫描结果产生影响，因此均采用管壁厚5 mm的PVC管采集。由于机械施力会导致土壤结构大规模破坏，因此采用人力按压的方法，用铁铲等工具在PVC管外壁将多余土壤剥离，在逐渐向下施力，以保证最终获得原状土柱[18]。

12个原状土柱均采用IPT4106D扫描设备进行断层扫描。该设备采用4 MeV加速器面阵CT扫描系统，将原状土柱以0.2 mm/像素扫描为2 048×2 048的CT图像矩阵，进而使CT图像堆栈通过VG Studio MAX2.2软件对孔隙进行缺陷自动检测计算[25]，在不破坏土壤整体结构的情况下，获得其内部孔隙三维结构，以及大孔隙的直径、体积、表面积、分布。

利用CT扫描数据计算大孔隙特征参数，获得大孔隙平均直径（d，单位：mm）、孔隙总体积（Vm，单位：mm3）、孔隙总表面积（Sm，单位：mm2）、角度（θ）、扭曲度（ξ）、弯曲度（δ）、大孔隙实际长度（Lti）。

为计算大孔隙特征，采用拓扑原理，假设某段孔隙如图1所示，将其孔隙方向用三维坐标轴表示，即获得拓扑管道网络，采用微分思想，将大孔隙无限拆分为n层，则该孔隙可近似看做多段线段，将每一微段的x、y和z坐标差进行积分计算即可获得大孔隙的特征指标。

图1 大孔隙计算过程Fig. 1 Diagrammatic sketch calculation process of macropores

大孔隙角度（θ）定义为大孔分支的倾角[26]，无法用软件直接获得，因此使用公式（1）计算每层大孔隙的角度。

式中：x、y和z分别是x、y和z方向上的投影大孔长度。

扭曲度（ξ）定义为实际长度 （L0）的土壤内第i层大孔隙角度（θi）的累计值，共n层，为描述土壤内大孔隙的扭曲程度，采用公式（2）计算。

假设大孔隙被拆分后每一微段孔隙为圆柱体，则可采用体积（V）与上下表面积（S）比获得，即公式（3）计算第i层大孔隙实际长度（Lti）。

弯曲度（δ）可以表示大孔隙路径的卷积程度，可反应大孔隙通道内流动物体的运移路径长度，因此公式（4）计算累积弯曲度。

式中：Lti为第i层内实际大孔隙长度（mm），Lli为第i层内垂直距离长度（mm）。

2.3 图像处理及数据分析

CT扫描获得的原状土柱横截面图具有研究意义，为定量研究横截面中大孔隙的特征，采用Adobe Photoshop CS6将图像均分为36个扇形，采用IPWIN和Origin 2019b将各扇形内的大孔隙占比转化为数值进行定量化研究（图2）。

图2 CT扫描横截面图像处理过程Fig. 2 CT scan cross-sectional image processing process

3 结果与分析

3.1 不同植被群落土壤性质

4种植被群落条件下的土壤孔隙度及其含水量见表2。草地的标准差显著较大，且草地各指标的平均值约为林地的1.02倍（非毛管孔隙度）到1.27倍（最大、最小持水量），约为灌木区的0.80倍（土壤自然含水量）到2.31倍（非毛管孔隙度）。次生林的土壤非毛管孔隙度最大，且标准差最大。灌木的土壤毛管孔隙度、土壤自然含水量显著最大。云南松纯林的持水量显著较小。各持水量均存在PY

表2 4种植被群落条件下土壤孔隙度及含水量特征Table 2 Characteristics of soil porosity and water content under 4 vegetation communities %

3.2 土壤大孔隙结构可视化

4种植被群落条件下的土壤大孔隙三维可视化图像见图3。大孔隙的形态、连通性、分布、发育情况在不同植被群落条件下差异较大。为便于对比各样品的差异，将其分为孔隙体积V≥100000 mm3（图3a）、5 mm3≤V<100000 mm3（图3b）、V<5 mm3（图3c）三部分。图3a中次生林和云南松纯林的大孔隙存在垂直连通性，且可观察到类似根系通道的管状大孔隙，灌木的大孔隙较少，草地的大孔隙具有垂直连通性但呈破碎状。图3b中的孔隙主要存在于灌木地中，且均为横向联通，云南松纯林在地下30 cm处存在横向连通的孔隙。图3c中灌木和草地小于5 mm3的孔隙最多，且分布较均匀。

图3 4种植被群落条件下的土壤大孔隙三维可视化Fig. 3 Three-dimensional visualization of soil macropores under 4 vegetation communities

3.3 土壤大孔隙结构特征

为定量化分析4种植被群落条件下的土壤孔隙情况，利用公式（1）至公式（4）计算12个原状土柱中的大孔隙特征参数（图4）。4种植被群落条件下的土壤大孔隙平均直径相近，且SF>G>PY>S。孔隙总体积和总表面均为G>SF>S>PY，累积弯曲度的标准差较大，累积角度为PY>S>G>SF。

图4 4种植被群落条件下的土壤大孔隙特征参数Fig. 4 The characteristic parameters of soil macropores under the conditions of 4 vegetation communities

3.4 土壤大孔隙趋向性特征

由于原状土柱横截面图像分散，根据CT扫描横截面图像处理过程计算并绘制图5～6。大孔隙具有趋向性且不对称（图5中箭头），在具有深层根系的土壤中，大孔隙的分布方向并不局限在一侧（圆圈部分），除灌木样地外，土壤大孔隙均沿着坡向。由图6可知，除云南松纯林外大孔隙占比与坡度呈正比。

图5 4种植被群落条件下大孔隙趋向Fig. 5 The trend of macropores under the conditions of 4 vegetation communities

图6 坡度与孔隙占比合计值曲线Fig. 6 Curve of total slope and pore proportion

4种植被群落的大孔隙在不同深度的趋向性变化很大（图7）。1 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次为天然次生林>云南松纯林>草地>灌木；15 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次为云南松>灌木>草地>天然次生林；30 cm深的土壤中大孔隙占比的大小依次为草地>天然次生林>云南松纯林>灌木。

图7 4种植被群落条件下1、15、30 cm深大孔隙趋向Fig. 7 Trends of 1, 15, 30 cm deep macropores under 4 vegetation community conditions

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 人工植被恢复对土壤大孔隙特征的影响

对12个原状土柱CT扫描的计算分析表明，建水喀斯特地貌地区不同植被群落条件下的土壤大孔隙特征存在差异[27]，且破碎程度极强；同时，坡度坡向对大孔隙发育程度具有一定影响。Beven等[28]将直径大于0.03 mm的孔隙定义为大孔隙，但根据喀斯特地区不同植被群落的实际扫描数据，将喀斯特地貌条件下的土壤大孔隙分为V≥100000 mm3、5 mm3≤V<100000 mm3、V<5 mm33个区间，更有利于观察和对比研究区土壤大孔隙特征，该分类在土壤CT扫描结果中具有实际意义，且结果存在显著差异，有利于后续研究。结合表2、图3和图4的数据，在4种不同植被群落条件下，天然草地具有喀斯特原始的土石二元结构，且无乔木根系，土壤空间异质性较大，大孔隙总体积接近人工林和灌木的2倍，总表面积接近人工林的3倍，累计扭曲度最小，累积弯曲度接近林地的2～2.5倍，该结果与王葆[29]在北京地区的研究结果相反，与王发等[30]关于喀斯特地区自然封育区土壤大孔隙发育更好的研究结果一致，反映了喀斯特地区土壤大孔隙结构的特殊性。在研究区特殊的地质背景条件下，由土石二元结构、生物活动、裂隙共同组成的土壤大孔隙更发育，即在没有乔木根系固土的情况下，土壤破碎程度较高，裂隙的发育提升了无根区土壤大孔隙的分布[31]，为喀斯特地区土壤漏失提供优先通道[32]，提高了土壤的渗透系数[33]。

天然次生林的土壤同时具有喀斯特原始的土石二元结构及深层根系结构，大孔隙平均直径最大，是人工林和灌木的1.04倍，与天然草地相似，因此在无人工干扰条件下的喀斯特地区土壤大孔隙直径比人工恢复后大；从天然次生林的CT扫描图中可以明显观察到土壤破碎的结构及其较强的垂直连通性，该类型土壤持水性能低，不易蓄水[34]。人工恢复的云南松纯林土壤破碎程度最小，在20～30 cm深的土壤中较为明显，累积弯曲度最小，累积扭曲度接近天然次生林和天然草地的1.3倍，因此人工林恢复后的土壤结构复杂，可有效延长土壤水分的滞留时间[25]，提升土壤对水分的存蓄能力[29]。但还应增加近地表植被的恢复，例如浅根发达的草本植物，以此促进浅层土壤的孔隙发育程度，地表植被的覆盖可以更好地保护土壤孔隙结构[30]，促进水分的蓄持，并为入渗水分提供更多的存蓄空间[35]，以提升土壤的最大持水能力。灌木的侧向连通性较强，极易形成横向优先流动，但降低了覆盖土体的稳定性[36]，毛管孔隙度最大，有利于水分储存，与CT扫描的结果相符合。因此，在喀斯特地区生态恢复中需要继续增加人工恢复林地，有助于减少连通地表的裂隙发育和土壤蓄水，但同时也需考虑增加生态恢复的植被群落多样性，在林地中增加地表浅层植被的覆盖。

4.1.2 坡度及坡向对大孔隙特征的影响

在山坡下常受到坡面径流及其携带物质堆积的影响，但地下大孔隙的发展是否受其影响仍不知。因此，经原状土壤的CT三维扫描，在不破坏原土壤内部结构的前提下，对大孔隙进行数据处理[37]。在岩溶区的土壤存在大量裂隙，构成了地下排水管道[13]，一旦地表流经水分，将优先进入地下管道，形成优先流。随着坡度的增大，土壤大孔隙占比逐渐增大，有利于水分的优先流动，与Liu等[38]的结论相似。

在3D条件下不易于分析大孔隙趋向性，因此将其转化成数据[7]，进行定量化分析。根据图5中4种植被类型条件下原状土柱中大孔隙的对比分析，无论是在哪种植被类型条件下，大孔隙均具有明显的趋向性，但与Collon等[11]认为地下岩溶裂隙存在对称性且方向性不明的研究结果不同，岩溶地区坡下植被群落的土壤中裂隙不具有对称性。其中天然草地10～30 cm深土壤中无根系，因此喀斯特地区坡下天然形成的裂隙具有一定的趋向性[39]，同时存在由于无深层根系保水，导致土壤无法长期蓄水，存在干裂的情况。灌木区裂隙趋向性明显，可能受到砾石存在的影响。林地的大孔隙方向同时受周围树木根系伸展方向和坡向的双重影响，但整体仍然与坡向存在相似的夹角；对比2种林地的大孔隙趋向图，天然次生林大孔隙异质性较大，人工林大孔隙分布较均匀且趋向性显著。

喀斯特地区土壤大孔隙趋向性可能会通过加速水分优先进入深层地表而影响坡体稳定性，因此，关于土壤大孔隙的趋向性与坡向夹角的关系等问题仍需进一步更广泛的实验验证和理论完善。有研究者认为喀斯特地区土壤大孔隙诱发水分漏失，加剧水土流失[40]，也有研究者认为大孔隙可有效增加土壤蓄水能力[41]，二者可能有临界阈值，需要进一步探索研究。虽然 CT 扫描技术可有效量化土壤大孔隙三维结构，但由于设备和技术的制约，土壤大孔隙结构对土壤水分运移的贡献及模拟研究仍存在一定误差，例如CT扫描图像处理过程中阈值的选取依靠主观，明确大孔隙图像识别过程中的阈值仍需进一步研究。同时，在今后的土壤大孔隙三维特征研究中，需要优化土壤大孔隙三维特征的定量描述方法，可用于解释土壤大孔隙结构对水分漏失的贡献，并为非饱和多孔介质的水分运移模型提供参考。

4.2 结论

原状土柱CT扫描可作为一种精确定量化研究喀斯特地区土壤大孔隙特征的有效手段，扫描结果具有实际意义且结果存在显著差异，可用于分析该地区土壤水分流失现状，为人工林恢复提供参考。具体结论如下：

1）4种植被类型的土壤持水量依次为草地>灌木>次生林>云南松纯林，土壤毛管孔隙度依次为灌木>草地>云南松纯林>次生林。

2）喀斯特地区草地在10～30 cm无根区仍有大量大孔隙存在，证明喀斯特地区土壤破碎程度高。林地20～30 cm深的土壤破碎程度小于天然草地，且林地的累积扭曲度接近次生林和草地的1.3倍。人工林恢复措施可有效延长土壤水分的滞留时间。

3）坡下大孔隙在有、无根系的条件下，均具有明显的趋向性，且不具有对称性。4种植被类型的大孔隙趋向性依次为次生林>云南松纯林>灌木>草地。人工林具有改善土壤结构的能力，可有效恢复土壤破碎程度，但在人工林中需合理配置地表浅层植被的覆盖程度。