何沖祝　余長洪　陳曉茵

摘要 以廣州市增城區(qū)、蘿崗區(qū)稻田土壤為對象，運用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)對廣州市稻田土壤進行了試驗。通過構(gòu)建土壤大孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)的因素，對廣州市增城區(qū)、蘿崗區(qū)稻田土壤大孔隙結(jié)構(gòu)在土壤縱斷面上的演變情況進行分析。結(jié)果表明：由于土壤所處時期不同，大孔隙數(shù)目、大小和形狀在橫斷面上和縱斷面上的分布是不同的。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區(qū)間的孔隙數(shù)量占比最大，同一地區(qū)土壤不同孔隙直徑沿深度變化相似，都是土層深度越深，大孔隙度越小。

關(guān)鍵詞 稻田土壤；數(shù)字圖像；大孔隙；特征；廣東廣州

中圖分類號 S152.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）04-0178-02

大孔隙（macropore）是土壤中普遍存在的，其是土壤水分和養(yǎng)分等物質(zhì)進行交換和運輸?shù)闹饕ǖ繹1]。因此，研究大孔隙對評估土壤污染物風險，確定灌溉、施肥以及種植作物方案等提供理論依據(jù)，對稻田大孔隙的研究能夠為農(nóng)地實施有效耕作措施提供必要的參考[2]，同時也可以為研究同類型的問題提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 土柱制備

1.1.1 原狀土取樣。本研究的研究區(qū)域為廣州市，研究采樣點選定在增城區(qū)和蘿崗區(qū)，時間分別為2016年3月29日和2016年4月20日，所取土壤均為處于生育期剛收割完的稻田土。取土方法是利用PVC管（內(nèi)徑11 cm，壁厚2 mm）在土壤深度20 cm處進行垂直取樣，取樣時一定要避免擾動取樣點土壤造成試驗誤差[3]。當PVC管達到預(yù)定深度時，將環(huán)繞PVC管周圍土壤挖開，削土刀將土柱從根部切斷，即得到試驗用的原狀土柱，過程必須保持土壤穩(wěn)定性。

1.1.2 土柱浸漬。對獲取的土樣進行風干處理后，緩慢間隔加入環(huán)氧樹脂和T-31型環(huán)氧固化劑（鳳凰牌，2∶1的配置）進行浸泡，然后使用分析純丙酮（CH3COCH3，ρ=0.70 g/mL）稀釋土樣，在稀釋的同時加入染色劑亞甲基藍，當加入的環(huán)氧樹脂和T-31型環(huán)氧固化劑穩(wěn)定高于土樣表面高度0.5 cm后，土柱浸漬工作完成。

1.2 圖像獲取

靜置完成后用切片厚度為1 mm的切割機沿管長每2 cm進行切片，將切割好的土樣切片直接置于掃描儀（EPSON）上，以1 200 dpi的掃描分辨率，真彩式模式將土樣切割面掃描輸入計算機，獲取切片截面圖像。

1.3 圖像處理

應(yīng)用Photoshop和Image-Pro Plus軟件對已獲取的圖像進行分析處理。使用Photoshop軟件進行圖像預(yù)處理，圖像保持在1 200 dpi像素，以PVC管圓心為原點分劃出半徑為8 cm的圓形土樣，接著使用Image-Pro Plus處理，為了區(qū)分土體基質(zhì)和孔隙，將圖像轉(zhuǎn)化為黑白二元化，此時黑色區(qū)域代表孔隙，白色區(qū)域代表土壤基質(zhì)。隨后用軟件自帶的識別統(tǒng)計功能，統(tǒng)計出孔隙的數(shù)量、孔徑、面積[4]。為了便于分析，按平均孔徑由小到大的方式劃分9個不同區(qū)間的孔隙級別，同時將超過區(qū)間及小于0.005 cm的孔隙排除。在同一區(qū)間內(nèi)，孔徑取平均孔徑的平均值，用 r 表示，面積在同一區(qū)間內(nèi)求和。以平均孔徑為基礎(chǔ)劃分的區(qū)間在對黏性土微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量研究方面非常有代表性[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 對比2個地區(qū)大孔隙區(qū)別

將2個地區(qū)不同孔徑等級的孔徑數(shù)量進行統(tǒng)計，繪制出圖1。就圖表中的等級進行說明分為9個等級：0.005～0.008 cm、0.008～0.009 cm、0.009～0.010 cm、0.010～0.011 cm、0.011～0.013 cm、0.013～0.019 cm、0.019～0.027 cm、0.027～0.100 cm、0.10～0.56 cm。

由圖1可知，蘿崗區(qū)的孔隙數(shù)量整體開始緩步上升（0～5 000個），中間陡增（5 000～25 000個），中后期先后經(jīng)歷小幅下降（從25 000個降至15 000個），等級7到等級8小幅上升，后期驟減。增城區(qū)孔隙數(shù)量曲線整體開始增長快速后（0～7 500個）保持數(shù)量一定（7 300～7 500個），中期快速增長（7 500～30 000個），中后期先驟減（從35 000個降至15 000個），在等級7到等級8區(qū)間孔隙數(shù)量處于穩(wěn)定，后期快速下降。

2處土壤都呈現(xiàn)先緩慢增加再快速上升，最后分2個階段下降，但增城區(qū)土壤的前期緩慢增加時存在“平臺”，而蘿崗區(qū)土壤在后期下降的過程中有小幅反彈。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區(qū)間的孔隙數(shù)量占比最大。

2.2 土壤大孔隙沿深度變化分析

由圖2可知，增城、蘿崗兩地土壤均隨著土層深度的加深，大孔隙度逐漸減小。在2～8 cm深度范圍內(nèi)，蘿崗土壤大孔隙度減少幅度大，從15.9%下降到9.7%；而增城土壤則變化較為平緩，從20.6%下降到17.4%。在12～16 cm深度范圍內(nèi)，增城土壤大孔隙度變化幅度大，從14.7%下降到3.1%；而蘿崗土壤則呈現(xiàn)出平緩的趨勢，從7.4%下降到5.7%。2個地區(qū)土壤中各個孔徑等級沿深度的變化曲線相似。蘿崗區(qū)曲線先是呈小幅度的波動增加狀態(tài)，到10 cm處開始大的波動，到16 cm時又開始平穩(wěn)的變化。增城區(qū)曲線先是呈大幅度的波動增加，6 cm深度之后趨于平緩，并有下降趨勢，于12～14 cm有小幅波動。

動物和植物根系都可以形成管狀大孔隙，增城土壤利用土壤生物活動[6]，當動物活動[5]和根系腐爛[7-8]就形成大量的大孔隙系統(tǒng)。因此，增城區(qū)土壤為剛收割完的土壤，前茬栽植的水稻根系大部分腐爛在耕作層中；增城土壤2～12 cm范圍內(nèi)含有豐富的相互連通的孔隙、孔洞和洞穴，是根系、螞蟻和蚯蚓的活動所產(chǎn)生的。蘿崗區(qū)土壤已收割完一段時間，表面已開始長有雜草，表層土存在根系呼吸。微小動物活動位于淺層根系。

3 結(jié)論與討論

通過使用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)對廣州2個地區(qū)的2類土壤的分布規(guī)律和變化特征進行分析，結(jié)果2類土壤大孔隙系統(tǒng)變化存在著差異，也存在共同點，主要規(guī)律為土壤大孔隙數(shù)目等指標在不同的土壤時期也不相同，土壤大孔隙在0.011～0.019 cm區(qū)間的孔隙數(shù)量占比最大，同一地區(qū)土壤不同孔隙直徑沿深度分布情況相似，兩地土壤均隨著土層深度的加深，大孔隙度逐漸減小。

4 參考文獻

[1] GERMANN P F，EDWARDS W M，OWENS L B.Profiles of bromide and increased soil moisture after infiltration into soils with macropores[J].Soil Sci Soc Am J，1984，48：237-244.

[2] 王彬儼，程金花，張洪江，等.北京昌平區(qū)農(nóng)地土壤大孔隙特征[J].水土保持學報，2012，26（3）：189-193.

[3] 余長洪，周明耀.兩種土壤大孔隙結(jié)構(gòu)差異的數(shù)字圖像分析[J].廣東水利水電，2007，1（1）：27-35.

[4] 鄭飛.年份不同壓實度黏性土微細觀孔隙結(jié)構(gòu)研究及分形表征[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2014.

[5] OMOTI U，WILD A.Use of fluorescent dyes to mark the pathways of solute movement through soils under leaching conditions，2.Field experiments[J].Soil Sci，1979，128（2）：98-104.

[6] MURPHY C P，BANFIELD C F.Pore space variability in a subsurface horizon of tow soils[J].J Soil Sci，1978，29：156-166.

[7] PENMAN H L，SCHOFIELD R K.Drainage and evaporation from fallow soil at Roth Amsted[J].J Agric Sci，1941，31：74-109.

[8] 劉偉.土壤大孔隙及其研究方法[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2001，12（3）：465-468.