張保華，陶寶先，曹建榮，劉子亭

（聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院，山東 聊城 252000）

土壤孔隙是土壤固相的土?；蛲翀F之間的空隙，其大小、形狀、連續(xù)性和穩(wěn)定性等特征［1］，對水分和溶質(zhì)運移、土壤肥力和植物根系伸展等有著極其重要的影響［1-2］。在田間和自然狀況下，決定土壤孔度和孔徑分配的基本因素是土粒的粗細與排列、松緊狀況、有機質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)［1，3］，其中土壤顆粒不同的空間排列構(gòu)成不同的孔隙幾何、數(shù)量特征［4］。在黃河下游沖積平原地區(qū)，由于黃河泥沙含量高且歷史上多次改道泛濫，形成了該地區(qū)土壤質(zhì)地的復雜性和質(zhì)地剖面層次的多樣性［5-6］，對土壤孔隙的通氣透水性、肥力提升產(chǎn)生較大影響。因而研究黃河下游沖積平原不同質(zhì)地土壤的孔隙形態(tài)特征及其季節(jié)變化，對于改善土壤質(zhì)量具有積極作用。

除土壤質(zhì)地外，農(nóng)業(yè)耕作、灌溉與降水等也會引起孔隙度的增加與降低［7］。輪作比玉米連作、翻耕比免耕均可明顯提升團聚體孔隙度［8］，作物殘茬可引起總孔隙度增加，降低中等孔隙（30～75 μm）數(shù)量，增加大孔隙（＞75 μm）的不規(guī)則性和偏長度［9］。與翻耕相比，長期免耕降低表層（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，增加孔隙結(jié)構(gòu)的復雜程度，尤其是10～15和20～25 cm深度下的孔隙結(jié)構(gòu)［10］。長期灌溉可增加微孔隙、形成低連通和彎曲孔隙［11］，灌溉和排水引起土壤脹縮，土壤收縮可增加孔隙容積、連接性、原有孔隙寬度［12］。對于孔隙的短期變化，玉米生長中灌溉引起耕層大、中等孔隙度分別降低65%、50%，并且在此過程中7次灌溉持續(xù)降低大孔隙度［13］，水稻種植期淹水可減少大、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體收縮而增加［14］。耕翻深度、秸稈還田等對土壤孔隙狀況的改善作用因質(zhì)地不同而存在差異，對壤土改良效果優(yōu)于黏土［15］。

顆粒組成是影響土壤孔隙最根本的因素，但耕作、灌溉等相關(guān)研究中較少考慮。本文在山東省聊城市東昌府區(qū)選擇砂壤、壤、粘壤質(zhì)地且均長期種植冬小麥-夏玉米的農(nóng)田中，于麥收、秋收期間采集樣品，以常規(guī)方法測定孔隙度，結(jié)合土壤薄片圖像處理，研究土壤孔隙形態(tài)參數(shù)變化，以期對改善農(nóng)田土壤質(zhì)量提供幫助。

1 研究區(qū)與樣品

1.1 研究區(qū)域概況

東昌府區(qū)位于山東省西部（E 115°14′～116°08′，N 36°16′～ 36°42′），是聊城市政府駐地，總面積1 254 km2，常住人口102.56萬。屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)、半干燥大陸性氣候，年均溫13.5℃，7月氣溫最高，為26.9℃，1月氣溫最低，為-2.5℃，年均降水量546.9 mm，夏季占全年降水的62.2%，年際變化大，雨熱同期。黃河沖積低平寬廣平原，緩崗、坡地、洼地在平原上交錯分布，為兩大地貌特征，海拔31～38 m，土壤為潮土、少量鹽土，土質(zhì)適宜多種農(nóng)作物的種植，植被均為栽植次生植被，主要種植作物為玉米-小麥、油料、蔬菜。

1.2 樣品采集及分析

在東昌府區(qū)許營鎮(zhèn)繡衣集和汪莊村（砂質(zhì)壤土）、朱老莊鎮(zhèn)田莊村（粘壤土）、北城辦事處東魯村（壤土）選擇長期種植小麥-玉米地塊，于2017年6、10月分小麥季和玉米季兩次取樣。每個取樣季每種質(zhì)地均按5 cm一個層次挖取25 cm深度的土壤剖面各4個，采集混合和原狀2種樣品。其中，原狀樣品用環(huán)刀（規(guī)格：直徑5 cm、高度5 cm）、塑料盒（4 cm×4 cm×4 cm）帶回室內(nèi)，分別用于容重和孔隙度測定、土壤薄片制作；混合樣品60個（3個質(zhì)地×4個重復×5個層次），以自封袋帶回室內(nèi)，自然風干、研磨、過2 mm篩，用于土壤顆粒組成分析。

以許營鎮(zhèn)1#、朱老莊鎮(zhèn)2#、北城3#塑料盒原狀樣品制作土壤薄片；具體步驟是：利用198#不飽和聚酯樹脂+固化劑浸漬固化后，進行切片、粗磨、細磨，用環(huán)氧樹脂粘在載玻片上，之后再對另一面進行切片、粗磨、細磨，以冷杉膠粘蓋玻片，制成厚度約30μm的土壤薄片，于偏光顯微鏡下觀察并照相。土壤孔隙形狀描述采用Stoops［16］術(shù)語體系，定量測量用image proplus 6.0軟件處理。

土壤顆粒組成測定采用吸管法；容重、毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法；總孔隙度由比重、容重計算得來，非毛管孔隙度為總孔隙度減毛管孔隙度［17］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每類質(zhì)地的4個土壤剖面各土層土壤顆粒組成、容重、孔隙度測定結(jié)果取平均值。利用單因素方差分析（LSD法）統(tǒng)計各指標在不同土層間以及同一土層、同一指標在6、10月份間的差異。采用Peason相關(guān)分析研究土壤孔隙形態(tài)指數(shù)之間的相關(guān)性，顯著性P＜0.05。統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0軟件。

圖像處理為每個薄片均勻分布，拍攝9張照片，放大倍數(shù)為10×10，image proplus 6.0測定孔隙特征。每張照片大小為2 048×1 536像素，實際大小 1 300 μm×975 μm，像素邊長約 0.63 μm、每個像素約 0.4 μm2。

孔隙形態(tài)指數(shù)如下：

（1）孔隙度（TP）=孔隙所占像素與圖像總像素之比，單位：%。

（2）孔隙當量直徑（ED）［10］：ED=0.63×2 A/π。單位：μm。其中A為孔隙面積（像元）。

（3）孔隙長短徑比率（RR）：即孔隙的最長、最短半徑之比。

（4）孔隙形狀系數(shù)（S）［10］：S=P2/A。其中P為孔隙周長，其值越小孔隙形狀越規(guī)則?？煞譃橐?guī)則（S＜2）、不規(guī)則（2≤S≤5）和復雜（S＞5）3類。

（6） 孔 隙 平 均 孔 徑（Dp）［20］：Dp=0.63×單位：μm。其中Di為孔徑（像元），Si為對應孔隙面積（像元），Sp為孔隙像元總數(shù)。用于反映土體中孔隙總體上的“粗細”。

（7）孔隙復雜度（D）［21］：D=2logP/logA。D、P、A分別為孔隙復雜度、孔隙周長和孔隙面積。D值越高，說明孔隙的扭曲程度越高，孔隙越復雜。反映整幅圖像中孔隙的復雜度。

在image proplus軟件中選擇測量孔隙的直徑（即單個孔隙各方向直徑的平均值）、周長、長短徑比率、圓度、面積，將上述數(shù)據(jù)導出為Excel格式，即可方便地計算以上指標。其中孔隙長短徑比率、孔隙當量直徑、孔隙形狀系數(shù)、孔隙成圓率圖像軟件提取每個孔隙的指標，先將每個圖像取平均值視為原始數(shù)據(jù)，再將9張圖像取均值；孔隙度、孔隙平均孔徑、孔隙復雜度直接取9張圖像指標數(shù)據(jù)的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本性質(zhì)

許營砂粒含量超過55%、粘粒少于15%，為砂質(zhì)壤土；朱老莊砂粒含量為30%～55%、粘粒介于15%～25%，為粘壤土；北城砂粒含量為40%～55%、粘粒少于15%，為壤土（表1）。由方差分析可知，許營土壤的砂粒含量明顯高于其它兩個樣地，但粉、粘粒含量均顯著低于其它兩個樣地（P＜0.05）。

表1 土壤粒徑組成 （%）

由表2可知，6、10月份土壤容重均表現(xiàn)出隨深度增加而增加的趨勢（P＜0.05），可能是上層土壤的壓實作用所致。除許營的5～10 cm土層、北城的15～20 cm土層的容重6、10月有顯著差異外（P＜0.05），其它土層的容重在兩個月份間無明顯差異。朱老莊的0～15 cm 3個土層的容重6、10月有顯著差異外（P＜0.05），其它土層的容重在兩個月份間無明顯差異。6、10月份土壤孔隙度均表現(xiàn)出由表層向下逐漸減少的趨勢。6、10兩月各層土壤總孔隙度的對比結(jié)果與容重相反。表明冬小麥、玉米兩種作物的種植對許營（砂質(zhì)壤土）及北城（壤土）兩個樣地的土壤容重及總孔隙度無明顯影響。然而，種植玉米能顯著增加朱老莊（粘壤土）0～15 cm深度的土壤容重，并降低其土壤總孔隙度。

表2 土壤容重與孔隙度

2.2 土壤孔隙形態(tài)類型

3類樣地土壤孔隙形態(tài)類型存在較大差異，但均在玉米生長期間變化較小。許營砂質(zhì)壤土組成物質(zhì)顆粒較粗，以堆集孔隙特別是簡單堆集孔隙為主，少量面狀孔隙，孔隙壁粗糙、吻合程度較差（圖1 a）；同時，受質(zhì)地影響，下層壓實作用不明顯，各土層的孔隙形狀差異不大。朱老莊粘壤土、北城壤土0～5、5～10 cm土層團聚較好、土體疏松部分以復合堆積孔隙為主（圖1 b、c），較大土塊體內(nèi)可見面狀孔隙、不規(guī)則孔洞；10 cm以下則逐漸以孔洞、孔道等連通性較差的孔隙類型為主（圖 2）。

圖1 表層土壤孔隙形態(tài)

圖2 下層土壤孔隙形態(tài)

2.3 土壤孔隙形態(tài)參數(shù)

由表3可知，土壤孔隙度（TP）均表現(xiàn)為隨深度增加而降低，與前述環(huán)刀法測定孔隙度的變化趨勢相同。而且，6月份土壤總孔隙度大于10月份（P＜0.05）。土壤孔隙平均當量直徑（ED）、孔隙平均孔徑（Dp）反映土壤孔隙大小。對于ED，除北城土壤6月份的ED隨土壤深度而下降外，其它樣地均無顯著差異。由方差分析可知，6、10兩月許營土壤的ED值明顯大于其它兩個樣地（P＜0.05）。朱老莊土壤的Dp在6、10兩個月均隨土壤深度下降而減少，北城土壤的Dp僅在10月呈上述趨勢，許營土壤的Dp在各土層間無顯著差異。許營表層土壤6月的ED顯著大于10月（P＜0.05），其原因可能是：許營土壤的砂質(zhì)壤土團聚作用較弱（圖1 a），玉米生長季是一年中降水較集中的時期，相對較多的降水可能減弱團聚體的穩(wěn)定性，增強土壤的堅實度。朱老莊表層土壤6月的ED顯著小于10月（P＜0.05），表明經(jīng)過玉米生長季，朱老莊土壤的孔隙變大。其原因可能是：該點土壤較許營的粘粒含量高，團聚作用明顯強于許營（圖1 b），即使較集中的降水可能影響部分團聚體的穩(wěn)定，但仍能保持較高的土壤團聚作用，進而增加土壤孔隙平均直徑。從孔隙平均孔徑來看，3個樣地各土層在6、10月間基本無差異。這說明ED、Dp兩個指標在反映土壤孔隙大小特征方面仍存差異。因此，研究土壤孔隙大小特征時，應將兩指標聯(lián)合應用，以較全面地反映土壤孔隙的大小特征。

孔隙長短徑比率（RR）反映土壤孔隙的最長、最短半徑之比。由表4可知，朱老莊、北城表層與下層土壤孔隙的RR值在10月均存在明顯差異，基本上隨土壤深度增加而增大（P＜0.05），朱老莊6月的RR值也呈相似趨勢。其原因可能是：朱老莊、北城上層土壤由于團聚作用較強，多為復合堆集孔隙；而下層土壤孔隙形態(tài)多為孔洞、孔道，形態(tài)較為狹長（圖2）。此外，玉米生長季結(jié)束后（10月），壤土的RR值較生長季開始時（6月）明顯降低（P＜0.05）。這意味著玉米生長季結(jié)束后，壤土各層土壤孔隙形狀的扁平化程度較生長季開始時明顯降低。

表3 土壤孔隙形態(tài)指數(shù)

成圓率（C）反映了土壤孔隙形態(tài)與圓形的吻合程度。由表3可知，每個樣地各土層間及同一土層6、10兩月的C值均無顯著差異。表明土壤深度及作物生長均對孔隙成圓率無顯著影響。然而，成圓率會影響土壤通氣性能和水分傳輸。研究表明，C值越高，土壤孔隙越接近于圓，越利于水分在土壤中傳輸、保存及作物吸收利用［19］。本研究3個樣地C值均小于0.5，明顯小于其它研究［19］；由土壤薄片也可能直接觀察到土壤孔隙成圓率較低（圖1），這在一定程度上能影響土壤水分及養(yǎng)分在土壤孔隙中的傳輸及作物吸收。

復雜度（D）反映了土壤孔隙的扭曲程度。由表3可知，每個樣地各土層間及同一土層6、10兩月的D值均無顯著差異。表明土壤深度及作物生長均對孔隙復雜度無顯著影響。由方差分析可知，6月許營土壤的D值明顯小于其它兩個樣地（P＜0.05），但朱老莊及北城土壤間無顯著差異。其原因可能與土壤質(zhì)地及團聚作用有關(guān)。許營土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土（表1），土壤組成物質(zhì)較粗，團聚作用較弱，從土壤薄片中較難觀察到形態(tài)較好的土壤團聚體，多形成簡單堆集孔隙；而朱老莊及北城土壤中粉粘粒含量較高，土壤團聚作用較強，在土壤薄片中可見明顯的土壤團聚體，形成復合堆集孔隙（圖1 b、c）。因此，許營砂質(zhì)壤土孔隙復雜度小于其它兩個樣地。

土壤孔隙的形狀系數(shù)（S）反映了土壤孔隙形狀的規(guī)則程度，其值越小孔隙形狀越規(guī)則［10］。由表3可知，3個樣地的S值遠大于5，即3個樣地的土壤孔隙形狀很復雜、不規(guī)則，這與成圓率的結(jié)果較為一致。由方差分析可知，6月許營土壤的S值明顯高于朱老莊，10月許營土壤的S值明顯高于其它兩個樣地（P＜0.05）。

3 討論

土壤孔隙能較好地反映土壤結(jié)構(gòu)性。由表2、3可知，土壤總孔隙度及毛管孔隙度隨土壤深度增加而逐漸降低。其主要原因可能是上層土壤的壓實作用所致。由相關(guān)分析可知，土壤容重與孔隙度、Dp值呈顯著負相關(guān)。表明上層土壤對下層土壤的壓實作用，致使孔隙平均當量直徑Dp值下降，土壤孔隙度降低，從而增加了下層土壤的容重。由相關(guān)分析可知，土壤總孔隙度（TP2）與C值呈顯著負相關(guān)，與S值呈顯著正相關(guān)，表明土壤總孔隙度越大，土壤孔隙的復雜扭曲程度越小，孔隙的形狀越不規(guī)則、越復雜（表4）。由表3可知，許營表層土壤的TP值略大于其它兩個樣地，且10月許營表層土壤的S值大于其它兩個樣地。土壤薄片的結(jié)果也表明，許營的土壤孔隙以簡單堆集孔隙為主，孔隙壁粗糙，而朱老莊、北城的土壤團聚作用較好，其土壤孔隙壁較許營土壤略為規(guī)則、圓滑（圖1）。此外，10月土壤總孔隙度明顯低于6月，表明玉米生長季增加了土壤總孔隙度（表3）。其原因可能是：玉米生長季（6～10月）是一年降水最多的時期，相對較多的降水可能會降低土壤團聚體的穩(wěn)定性，進而降低土壤的總孔隙度。此外，麥收時農(nóng)業(yè)機械壓實也會降低土壤孔隙度，增加土壤容重。

表4 相關(guān)分析結(jié)果

土壤質(zhì)地（砂、粉、粘粒含量）能夠影響土壤孔隙形態(tài)。由相關(guān)分析可知，土壤孔隙平均當量直徑與砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與粉、粘粒含量呈顯著負相關(guān)。土壤孔隙復雜度與砂粒含量成顯著負相關(guān)，而與粉、粘粒含量呈顯著正相關(guān)。砂粒含量與土壤孔隙的形狀系數(shù)呈顯著正相關(guān)，與粘粒含量呈顯著負相關(guān)。表明，許營土壤砂粒含量越高，越容易形成大孔隙，但孔隙的復雜、扭曲程度越小，孔隙形狀越不規(guī)則。反之，朱老莊、北城土壤粉、粘粒含量越高，形成的土壤孔隙越小，孔隙形狀較規(guī)則，但孔隙的復雜、扭曲程度越大。此外，由實驗測得的土壤總孔隙度與土壤薄片測得的土壤總孔隙度具有明顯的相關(guān)性（表4），表明土壤薄片分析也是較好的土壤孔隙測量方法。綜上，土壤質(zhì)地（砂、粉、粘粒含量）能夠影響土壤孔隙形態(tài)。

4 結(jié)論

土壤容重均隨深度增加而增加且10月份均大于6月份，粘壤土容重增加幅度大于壤土、砂質(zhì)壤土。土壤孔隙度均為表層向下逐漸減少且10月份低于6月份。

砂質(zhì)壤土孔隙形狀均以簡單堆集孔隙為主。而粘壤土、壤土則以復合堆積孔隙為主，且土壤團聚作用較強。

不同質(zhì)地土壤的孔隙平均當量直徑、土壤孔隙復雜度及土壤孔隙形狀系數(shù)存在明顯差別，且與砂、粉、粘粒含量顯著相關(guān)。表明土壤質(zhì)地（砂、粉、粘粒含量）能夠影響孔隙形態(tài)。