保水劑對(duì)土壤孔隙影響的定量分析

楊永輝，武繼承，韓慶元，何方，韓偉鋒，楊先明

(1．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，450002，鄭州;2．農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)站，453514，河南原陽(yáng);3．武警河南總隊(duì)醫(yī)院，450052，鄭州;4．鄭州錦榮生物科技有限公司，450002，鄭州)

保水劑對(duì)土壤孔隙影響的定量分析

楊永輝1，2，武繼承1，2，韓慶元3，何方1，2，韓偉鋒1，2，楊先明4

(1．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，450002，鄭州;2．農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)站，453514，河南原陽(yáng);3．武警河南總隊(duì)醫(yī)院，450052，鄭州;4．鄭州錦榮生物科技有限公司，450002，鄭州)

為探明保水劑不同用量對(duì)施入土層土壤孔隙特征及其分布的影響，采用CT掃描法研究盆栽試驗(yàn)條件下小麥?zhǔn)斋@時(shí)的土壤孔隙特征。結(jié)果表明:1)施用保水劑均提高了土壤剖面不同土層的土壤孔隙數(shù)目、孔隙度和孔隙成圓率。2)隨保水劑用量的增加，各土層平均總孔隙數(shù)、總孔隙度及成圓率提高;但保水劑用量過(guò)高，其總孔隙數(shù)增加不明顯，總孔隙度和孔隙成圓率降低，但仍高于對(duì)照(CK)。3)最終的小麥生物量和籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK。因此，施用保水劑改善了土壤孔隙特征，促進(jìn)了小麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。各處理中以54 mg/kg保水劑用量對(duì)于小麥生物量及產(chǎn)量的提高最為顯著，分別較對(duì)照提高13.1%和22.2%。

保水劑;CT掃描;土壤孔隙;定量分析

近年來(lái)，應(yīng)用CT掃描技術(shù)分析土壤的孔隙度、孔隙分形維數(shù)［1-2］和孔隙空間分布狀況等成為土壤孔隙特征研究的新方法［3-5］。與常規(guī)土壤物理分析方法相比，CT掃描方法具有成像速度快、對(duì)土體非破壞性分析、分析精度較高(mm至μm尺度)［6］等優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)連續(xù)切片圖像的重組進(jìn)行土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維立體分析等特點(diǎn)［7］。

相關(guān)研究［8-10］表明，利用CT掃描后圖像處理技術(shù)可以研究土壤孔隙的分布、土壤密度空間分布及大小、土壤孔隙度、孔隙表面分形數(shù)維、土壤含水量空間分布和非飽和導(dǎo)水率等土壤性質(zhì)。同時(shí)，CT掃描技術(shù)可準(zhǔn)確揭示大孔隙(直徑＞1 mm)的數(shù)目、大小和位置［8］，且由土壤密度算出的總孔隙度與由CT得出的結(jié)果較為一致［11］。吳華山等［4］、馮杰等［5］、趙世偉等［12］對(duì)含有各種大孔隙的原狀土柱和已知直徑大孔隙的填充土柱進(jìn)行CT掃描實(shí)驗(yàn)，得到大孔隙數(shù)目、大小、形狀和連通性在土柱橫斷面和縱斷面上的分布。

保水劑能夠改善土壤結(jié)構(gòu)［13］，促進(jìn)團(tuán)粒的形成、提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量［14-15］;但保水劑施入土壤后對(duì)土壤孔隙特征的改善及其分布如何仍不清楚，因此，筆者應(yīng)用醫(yī)用CT掃描設(shè)備對(duì)土壤的孔隙進(jìn)行掃描，并對(duì)圖像總孔隙、大孔隙及粗孔隙的參數(shù)進(jìn)行比較分析，旨在研究冬小麥(Triticum aestivum L．)生長(zhǎng)過(guò)程中，保水劑對(duì)土壤的孔隙分布狀況的影響，為保水劑對(duì)土壤孔隙的作用機(jī)制提供一些依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在節(jié)水農(nóng)業(yè)禹州試驗(yàn)基地旱地的旱棚中進(jìn)行，海拔116.1 m，年均降水量674.9 mm(其中60%以上集中在夏季);土壤為褐土，土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，該地區(qū)地勢(shì)平坦，土壤密度1.22 g/cm3，肥力均勻，耕層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.3 g/kg、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.80 g/kg、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)47.82 mg/kg、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.66 mg/kg、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)114.8 mg/kg。前茬作物為玉米(Zea may L．)。土壤機(jī)械組成為:砂粒(2～0.02 mm)占59.1%，粉粒(0.02～0.002 mm)占22.5%，黏粒(＜0.002 mm)占18.4%。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

采用河南省農(nóng)科院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所研制的營(yíng)養(yǎng)型抗旱保水劑，主要成分為聚丙烯酰胺類(lèi)物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)和稀土等，為白色粉末狀。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)該保水劑的前期研究結(jié)果［16-18］，從經(jīng)濟(jì)、作物產(chǎn)量和水分利用率及對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響等方面出發(fā)，確定保水劑合理施用量范圍，將大田試驗(yàn)保水劑用量折合成單位質(zhì)量土壤的保水劑用量，以其2倍用量為盆栽保水劑用量，故設(shè)置4個(gè)保水劑用量，處理1:0 mg/kg(CK)、處理2:27 mg/kg、處理3:54 mg/kg、處理4:81 mg/kg。不施N肥，普通過(guò)磷酸鈣(P2O5)為533 mg/kg、保水劑與5 kg過(guò)10 mm篩的土混勻施于盆2/3處，盆底層和上層均覆蓋過(guò)篩的土，盆裝土(風(fēng)干土)18 kg，裝好盆后每盆澆足水(5 kg)，待7 d后選擇飽滿(mǎn)的小麥種子播種。裝盆后對(duì)照田間持水量為18%，土壤密度為1.35 g/cm3，在小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行取樣，以確保人為擾動(dòng)作用的消除，保證保水劑與土壤充分作用后的真實(shí)效果。

2.3 CT掃描測(cè)定方法

2.3.1 原狀土柱的采集 原狀土柱的容器是內(nèi)直徑50 mm，厚度2 mm，長(zhǎng)度130 mm的PVC硬質(zhì)管材，并將PVC管的一端打磨成刀口，以便取樣。分別在不同處理盆栽中取3個(gè)重復(fù)土柱。帶回實(shí)驗(yàn)室，放置于4℃左右的冰箱里待用。室內(nèi)準(zhǔn)備2根直徑分別為2.0和2.4 mm的鋼條，直立在PVC管中，并裝入與原狀土柱密度一致的土壤，填滿(mǎn)后再將鋼條拔出，制作2個(gè)已知直徑的大孔隙作為對(duì)照［4-5］。

2.3.2 CT掃描 本實(shí)驗(yàn)采用新型美國(guó)CE公司的PET-CT(DISCOVERYST16)256層極速CT掃描儀。掃描土柱前，對(duì)醫(yī)用CT裝置掃描參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。掃描峰值電壓為120 kV，電流為110 mA，掃描時(shí)間為1 s，掃描厚度為1 mm，土柱掃描從距離頂端10 mm處每隔5 mm掃描1個(gè)橫截面，每土柱共掃描5幅橫截面圖片，試驗(yàn)共12個(gè)土柱，共得到60幅圖像。參數(shù)設(shè)定后，將土柱放入CT掃描儀(圖1)中的X射線管和探測(cè)器列之間，X射線管發(fā)出扇形光束穿過(guò)厚度為1 mm的土柱薄片，位于X射線管對(duì)面的探測(cè)器就可檢測(cè)到己衰減的X射線，并形成投影，投影值重新組合形成一個(gè)圖像。圖像由一定數(shù)量的圖形元素組成，每一個(gè)圖形元素對(duì)應(yīng)掃描物體的一個(gè)位置，依據(jù)于物體各個(gè)位置的X射線衰減系數(shù)把亮度值付給圖像中的每個(gè)圖形元素，掃描土柱不同密度區(qū)就可在圖像中以不同亮度表示，土壤大孔隙就可清晰地顯示出［12］。掃描得到的圖片光盤(pán)，密度越小的區(qū)域就顯示越黑，密度越大就顯示越白。

2.3.3 圖像分析 將得到的土柱橫截面CT光盤(pán)上的圖片保存到計(jì)算機(jī)中，得到“．JPG”格式的灰度圖像。對(duì)CT圖像進(jìn)行圖像分析，圖像處理分析采用ImageJ1.44版本軟件［19］。選取分析圖像的尺寸為50 mm×50 mm。先將所得CT圖像轉(zhuǎn)換為8位圖像，然后進(jìn)行圖像分割。根據(jù)已知大孔隙設(shè)定閾值，選取分割閾值為48，圖像分割后，得到黑白二值圖像，白色部分為基質(zhì)，黑色部分為土壤孔隙。分析的孔隙特征參數(shù)包括孔隙數(shù)目、面積、周長(zhǎng)、成圓率。

圖1 CT掃描土壤示意圖Fig．1 Schematic diagram of CT scanning soil

對(duì)于大孔隙孔徑的劃分及對(duì)大孔隙最小值的定義均沒(méi)有得到一致的結(jié)論。G．S．Warner［8］和 R．J．Luxmoore［20］認(rèn)為當(dāng)量孔徑 ＞1 mm的孔隙是大孔隙;而 K．Beven等［21］認(rèn)為直徑 ＞0.03 mm 的孔隙可稱(chēng)為大孔隙。G．S．Warner利用CT掃描準(zhǔn)確分析出了＞1 mm的大孔隙。本試驗(yàn)中，由于優(yōu)化了CT各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，并提高了普通掃描儀的分辨率，所以大孔隙的分析精度可達(dá)到0.67 mm。

因此，本試驗(yàn)孔隙結(jié)果可分為大孔隙(當(dāng)量直徑≥1 mm)和粗孔隙(當(dāng)量直徑0.67～1 mm)2類(lèi)。CT測(cè)定的總孔隙數(shù)為大孔隙數(shù)和粗孔隙數(shù)之和。CT測(cè)定的大或粗孔隙度為大或粗孔隙的面積占圖象面積的比例(%)，總孔隙度為大孔隙度與粗孔隙度之和?？紫兜某蓤A率采用如下公式計(jì)算得到:

式中:C為成圓率，其值在1和0之間;A為孔隙面積，mm2;L為孔隙周長(zhǎng)，mm。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

各樣地各指標(biāo)值均為3次重復(fù)的算術(shù)平均值。分析所得數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)及相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件(DPS)處理。

3 結(jié)果與分析

圖2 各處理土柱25 mm處CT圖像示意圖Fig．2 Schematic diagram of CT image at 25 mm depth of soil with different treatment

3.1 CT掃描土柱圖像及土壤孔隙

應(yīng)用CT掃描儀對(duì)盆栽土柱進(jìn)行掃描后，得到土柱不同灰度的圖像(圖2)，圖像中黑色區(qū)域代表土壤大孔隙，白色區(qū)域代表土壤基質(zhì)，從黑色區(qū)域過(guò)渡到白色區(qū)域的是灰色區(qū)域，灰色區(qū)域代表有機(jī)質(zhì)、松散的土壤顆粒等。可以看出，土壤中存在大小和形狀各異的土壤孔隙，而保水劑用量不同，施用保水劑后其土壤孔隙的大小、形狀均各異。從圖2還可以看出，隨保水劑用量的增加，土壤孔隙數(shù)目先增后降，均顯著高于對(duì)照，且各處理中以54 mg/kg處理土壤孔隙數(shù)目最高。

3.2 對(duì)土壤總孔隙、大孔隙和粗孔隙特征的影響

本研究中的土壤孔隙分為土壤總孔隙(＞0.67 mm)、大孔隙(＞1.0 mm)和粗孔隙(0.67～1.0 mm)。保水劑施用后對(duì)土壤孔隙類(lèi)型和數(shù)目產(chǎn)生重要影響(表1)。可以看出，施用保水劑提高了土壤總孔隙、大孔隙和粗孔隙數(shù)目，且隨保水劑用量的增加而增加，但81與54 mg/kg處理間差異不顯著。其中，隨保水劑用量的增加，土壤大孔隙數(shù)目分別比對(duì)照提高了75.0%、100.0%、125.0%。

表1 各處理不同土層平均土壤孔隙數(shù)、孔隙度及成圓率Tab．1 Average soil pore number，soil porosity and round rate in soil layer with different treatments

而各處理的土壤孔隙度表現(xiàn)為:隨保水劑用量的增加，土壤總孔隙度先增加再降低，其中，81 mg/kg處理與CK間差異不顯著;土壤大孔隙度以27和54 mg/kg處理最大，較對(duì)照增加44.8%，但二者間差異不顯著，而81 mg/kg處理與對(duì)照仍較小，且差異不顯著;土壤粗孔隙度各處理間差異不顯著。

綜上，保水劑的施用不僅提高了土壤大孔隙數(shù)目，且粗孔隙數(shù)也相應(yīng)增加，且提高了土壤總孔隙度和大孔隙度。各處理中以27和54 mg/kg處理的總孔隙度和大孔隙度較其他處理高。

3.3 土壤孔隙成圓率

成圓率是表示孔隙形態(tài)特征的參數(shù)之一，其數(shù)值越接近于1，表示孔隙形態(tài)越接近于圓，若孔隙面積相同而孔隙周長(zhǎng)越不規(guī)則，成圓率則越小。

由表1可知，隨保水劑用量的增加，土壤孔隙成圓率先增后降，但54和81 mg/kg處理間沒(méi)有顯著差異。說(shuō)明，保水劑在提高了土壤孔隙度的同時(shí)，改善了土壤孔隙的形態(tài)，使其孔隙更接近于圓，但用量過(guò)高，效果有所降低。

3.4 不同土層總孔隙數(shù)、大孔隙數(shù)和粗孔隙數(shù)分布

保水劑施入土壤中會(huì)對(duì)其施入部位的土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，從而會(huì)影響不同土層的土壤孔隙類(lèi)型和數(shù)目。從圖3可以看出，保水劑的施入提高了不同層次土壤的總孔隙數(shù)、大孔隙數(shù)及粗孔隙數(shù)。土壤總孔隙數(shù)與粗孔隙數(shù)各層次變化趨勢(shì)基本一致，60～65 cm土層的總孔隙數(shù)和粗孔隙數(shù)均表現(xiàn)為54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK;而大孔隙數(shù)在55～60 cm的土層中表現(xiàn)為81 mg/kg＞27 mg/kg＞54 mg/kg＞CK;65～75 cm大孔隙數(shù)表現(xiàn)為54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK。表明保水劑的施用提高了不同土層的土壤孔隙數(shù)，其中保水劑用量較高時(shí)(81 mg/kg)土壤大孔隙數(shù)提高最顯著。

3.5 不同土層總孔隙度、大孔隙度和粗孔隙度分布

保水劑的施用提高了土壤的孔隙數(shù)，但其孔隙度表現(xiàn)存在一定差異。從圖4中可以看出，不同處理土壤各層次總孔隙度與大孔隙度變化趨勢(shì)一致。而保水劑用量過(guò)高，其土壤孔隙度降低，說(shuō)明高用量保水劑雖然提高了各土層的土壤孔隙數(shù)目，但其孔隙度卻較低。而保水劑用量適中(54 mg/kg)時(shí)，其總孔隙度和大孔隙度均較其他處理高。隨土層的加深，除54 mg/kg處理外，土壤孔隙度有所降低。而粗孔隙度各處理間不同層次表現(xiàn)規(guī)律不一。

3.6 不同土層土壤孔隙成圓率

圖3 各處理不同土層總孔隙數(shù)、大孔隙數(shù)和粗孔隙數(shù)Fig．3 Number of total pore，macropore and rough pore in soil layer with different treatments

圖4 各處理不同土層總孔隙度、大孔隙度和粗孔隙度Fig．4 Total pore，macropore and rough pore in soil layer with different treatments

土壤剖面孔隙分布特征影響土體的通氣和水分傳輸。從不同層次土壤平均孔隙成圓率(圖5)可以看出，土壤孔隙度成圓率在0.40～0.80之間。對(duì)照土壤的孔隙成圓率隨土層的加深而降低，而保水劑處理中，65 cm土層的孔隙成圓率較低。55～65 cm土層中的孔隙成圓率以54 mg/kg處理顯著高于其他處理，但隨土層的加深，以高用量保水劑(81 mg/kg)的處理土壤孔隙成圓率較高。說(shuō)明，保水劑用量不同，其與土壤顆粒膠結(jié)和漲縮過(guò)程中的接觸和膠結(jié)程度不同，導(dǎo)致不同層次對(duì)應(yīng)處理間的孔隙成圓率有一定的差別，表明了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的差異。

3.7 對(duì)小麥生物量及產(chǎn)量的影響

保水劑對(duì)土壤孔隙特征的影響，最終表現(xiàn)在小麥生物量和產(chǎn)量。從圖6可以看出，小麥?zhǔn)斋@時(shí)的總生物量隨保水劑用量的增加先增后降，其中以54 mg/kg處理的生物量最高，保水劑用量過(guò)高生物量有所降低，但仍顯著高于對(duì)照。而小麥的籽粒產(chǎn)量與生物量表現(xiàn)規(guī)律一致，仍以54 mg/kg處理效果最為顯著。說(shuō)明，保水劑改善土壤孔隙參數(shù)時(shí)，也促進(jìn)了小麥生物量和產(chǎn)量的提高，且以54 mg/kg處理增加幅度最大，分別較對(duì)照提高13.1%和22.2%。

圖5 各處理不同土層平均孔隙成圓率Fig．5 Average round rate in soil layers with different treatments

圖6 各處理小麥生物量及產(chǎn)量Fig．6 Biomass and yield of wheat with different treatments

4 結(jié)論與討論

土壤施入保水劑后，經(jīng)過(guò)小麥整個(gè)生育期的生長(zhǎng)和干濕交替過(guò)程，盆栽土顆粒間膠結(jié)增強(qiáng)，土壤孔隙數(shù)和孔隙度提高，尤其是大孔隙數(shù)和孔隙度。同時(shí)，土壤孔隙成圓率顯著提高。隨保水劑用量的增加，各土層平均總孔隙數(shù)、總孔隙度及成圓率提高，但保水劑用量過(guò)高，其總孔隙數(shù)增加不明顯，總孔隙度和孔隙成圓率降低，但仍高于對(duì)照。說(shuō)明保水劑的施用改善了土壤的孔隙狀況，有利于作物的生長(zhǎng)。

同時(shí)，保水劑施用均提高了土壤剖面不同土層的土壤孔隙數(shù)目、孔隙度和孔隙成圓率。最終提高了小麥的生物量和籽粒產(chǎn)量，各處理中以54 mg/kg處理的效果較佳。表明，施用保水劑改善土壤孔隙特征的同時(shí)，也促進(jìn)了小麥生長(zhǎng)、提高了小麥產(chǎn)量。

本文采用CT掃描技術(shù)初步研究了保水劑施用后(小麥?zhǔn)斋@時(shí))對(duì)土壤孔隙參數(shù)的影響，但在保水劑吸水前和吸水后的孔隙參數(shù)變化如何，有待于進(jìn)一步研究。

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Quantitative analysis of the effect of water-retaining agent on soil pores

Yang Yonghui1，2，Wu Jicheng1，2，Han Qingyuan3，He Fang1，2，Han Weifeng1，2，Yang Xianming4

(1．Institute of Plant Nutrition ＆ Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，450002，Zhengzhou;2．Yuanyang Scientific Observatory of Crops Using Water，Ministry of Agriculture，453514，Yuanyang，Henan;3．Corps Hospital of Armed Police in Henan，450052，Zhengzhou;4．Zhengzhou Jinrong Bio-technology Co．，Ltd，450002，Zhengzhou:China)

In order to ascertain the effect of water-retaining agent on the characteristics and distribution of soil pore in different soil layers，the technique of CT(Computed Tomography)scan was used to study characteristics of soil porosity under potted experiment when Triticum aestivum L．harvesting．The results indicated that soil pore number，porosity and pore round rate increased after application of water-retaining agent，which promoted transmission of soil moisture and nutrition．With the increase of applied waterretaining agent，average total pore number，total porosity and into round rate in different soil layers increased，but over a certain amount of applied water-retaining agent the total number of pore increased not obviously，while total porosity and pore round rate decreased，but still higher than the control(CK)．The order of biomass and yield of wheat applied with water-retaining agent was as follows:54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK．It was concluded that water retaining-agent improved characteristics of soil pore，promoted the growth of Triticum aestivum L．a(chǎn)nd increased yield．In addition，among different treatments the effect of treatment by appling 54 mg/kg of water-retaining agent on the biomass and yield was the highest，and compared to control，the biomass and yield increased by 13.1%and 22.2%respectively．

water-retaining agent;CT(Computed Tomography)scan;soil pores;quantitative analysis

2011-06-13

2011-09-08

項(xiàng)目名稱(chēng):國(guó)家863節(jié)水農(nóng)業(yè)項(xiàng)目“綠色環(huán)保多功能保水制劑”(2006AA100215);河南省重公益性科研項(xiàng)目“河南省潮土區(qū)中低產(chǎn)田增產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(081100911600);河南省杰出青年基金項(xiàng)目“保水劑應(yīng)用對(duì)土壤環(huán)境的影響研究”(104100510024)

楊永輝(1978—)，男，博士，助理研究員。主要研究方向:土壤生態(tài)與節(jié)水農(nóng)業(yè)。E-mail:yangyongh@mails．gucas．a(chǎn)c．cn

(責(zé)任編輯:程 云)