杨永辉，武继承，韩庆元，何方，韩伟锋，杨先明

(1．河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，450002，郑州;2．农业部作物高效用水原阳科学观测站，453514，河南原阳;3．武警河南总队医院，450052，郑州;4．郑州锦荣生物科技有限公司，450002，郑州)

保水剂对土壤孔隙影响的定量分析

杨永辉1，2，武继承1，2，韩庆元3，何方1，2，韩伟锋1，2，杨先明4

(1．河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，450002，郑州;2．农业部作物高效用水原阳科学观测站，453514，河南原阳;3．武警河南总队医院，450052，郑州;4．郑州锦荣生物科技有限公司，450002，郑州)

为探明保水剂不同用量对施入土层土壤孔隙特征及其分布的影响，采用CT扫描法研究盆栽试验条件下小麦收获时的土壤孔隙特征。结果表明:1)施用保水剂均提高了土壤剖面不同土层的土壤孔隙数目、孔隙度和孔隙成圆率。2)随保水剂用量的增加，各土层平均总孔隙数、总孔隙度及成圆率提高;但保水剂用量过高，其总孔隙数增加不明显，总孔隙度和孔隙成圆率降低，但仍高于对照(CK)。3)最终的小麦生物量和籽粒产量表现为54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK。因此，施用保水剂改善了土壤孔隙特征，促进了小麦的生长和产量的提高。各处理中以54 mg/kg保水剂用量对于小麦生物量及产量的提高最为显著，分别较对照提高13.1%和22.2%。

保水剂;CT扫描;土壤孔隙;定量分析

近年来，应用CT扫描技术分析土壤的孔隙度、孔隙分形维数［1-2］和孔隙空间分布状况等成为土壤孔隙特征研究的新方法［3-5］。与常规土壤物理分析方法相比，CT扫描方法具有成像速度快、对土体非破坏性分析、分析精度较高(mm至μm尺度)［6］等优点，且通过连续切片图像的重组进行土体内部结构的三维立体分析等特点［7］。

相关研究［8-10］表明，利用CT扫描后图像处理技术可以研究土壤孔隙的分布、土壤密度空间分布及大小、土壤孔隙度、孔隙表面分形数维、土壤含水量空间分布和非饱和导水率等土壤性质。同时，CT扫描技术可准确揭示大孔隙(直径＞1 mm)的数目、大小和位置［8］，且由土壤密度算出的总孔隙度与由CT得出的结果较为一致［11］。吴华山等［4］、冯杰等［5］、赵世伟等［12］对含有各种大孔隙的原状土柱和已知直径大孔隙的填充土柱进行CT扫描实验，得到大孔隙数目、大小、形状和连通性在土柱横断面和纵断面上的分布。

保水剂能够改善土壤结构［13］，促进团粒的形成、提高水稳性团聚体含量［14-15］;但保水剂施入土壤后对土壤孔隙特征的改善及其分布如何仍不清楚，因此，笔者应用医用CT扫描设备对土壤的孔隙进行扫描，并对图像总孔隙、大孔隙及粗孔隙的参数进行比较分析，旨在研究冬小麦(Triticum aestivum L．)生长过程中，保水剂对土壤的孔隙分布状况的影响，为保水剂对土壤孔隙的作用机制提供一些依据。

1 研究区概况

试验在节水农业禹州试验基地旱地的旱棚中进行，海拔116.1 m，年均降水量674.9 mm(其中60%以上集中在夏季);土壤为褐土，土壤母质为黄土性物质，该地区地势平坦，土壤密度1.22 g/cm3，肥力均匀，耕层有机质质量分数12.3 g/kg、全氮质量分数0.80 g/kg、水解氮质量分数47.82 mg/kg、速效磷质量分数6.66 mg/kg、速效钾质量分数114.8 mg/kg。前茬作物为玉米(Zea may L．)。土壤机械组成为: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 材料与方法

2.1 试验材料

采用河南省农科院植物营养与资源环境研究所研制的营养型抗旱保水剂，主要成分为聚丙烯酰胺类物质、有机物质和稀土等，为白色粉末状。

2.2 试验设计

根据对该保水剂的前期研究结果［16-18］，从经济、作物产量和水分利用率及对土壤结构的影响等方面出发，确定保水剂合理施用量范围，将大田试验保水剂用量折合成单位质量土壤的保水剂用量，以其2倍用量为盆栽保水剂用量，故设置4个保水剂用量，处理1:0 mg/kg(CK)、处理2:27 mg/kg、处理3:54 mg/kg、处理4:81 mg/kg。不施N肥，普通过磷酸钙(P2O5)为533 mg/kg、保水剂与5 kg过10 mm筛的土混匀施于盆2/3处，盆底层和上层均覆盖过筛的土，盆装土(风干土)18 kg，装好盆后每盆浇足水(5 kg)，待7 d后选择饱满的小麦种子播种。装盆后对照田间持水量为18%，土壤密度为1.35 g/cm3，在小麦收获后进行取样，以确保人为扰动作用的消除，保证保水剂与土壤充分作用后的真实效果。

2.3 CT扫描测定方法

2.3.1 原状土柱的采集 原状土柱的容器是内直径50 mm，厚度2 mm，长度130 mm的PVC硬质管材，并将PVC管的一端打磨成刀口，以便取样。分别在不同处理盆栽中取3个重复土柱。带回实验室，放置于4℃左右的冰箱里待用。室内准备2根直径分别为2.0和2.4 mm的钢条，直立在PVC管中，并装入与原状土柱密度一致的土壤，填满后再将钢条拔出，制作2个已知直径的大孔隙作为对照［4-5］。

2.3.2 CT扫描 本实验采用新型美国CE公司的PET-CT(DISCOVERYST16)256层极速CT扫描仪。扫描土柱前，对医用CT装置扫描参数进行重新设定。扫描峰值电压为120 kV，电流为110 mA，扫描时间为1 s，扫描厚度为1 mm，土柱扫描从距离顶端10 mm处每隔5 mm扫描1个横截面，每土柱共扫描5幅横截面图片，试验共12个土柱，共得到60幅图像。参数设定后，将土柱放入CT扫描仪(图1)中的X射线管和探测器列之间，X射线管发出扇形光束穿过厚度为1 mm的土柱薄片，位于X射线管对面的探测器就可检测到己衰减的X射线，并形成投影，投影值重新组合形成一个图像。图像由一定数量的图形元素组成，每一个图形元素对应扫描物体的一个位置，依据于物体各个位置的X射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描土柱不同密度区就可在图像中以不同亮度表示，土壤大孔隙就可清晰地显示出［12］。扫描得到的图片光盘，密度越小的区域就显示越黑，密度越大就显示越白。

2.3.3 图像分析 将得到的土柱横截面CT光盘上的图片保存到计算机中，得到“．JPG”格式的灰度图像。对CT图像进行图像分析，图像处理分析采用ImageJ1.44版本软件［19］。选取分析图像的尺寸为50 mm×50 mm。先将所得CT图像转换为8位图像，然后进行图像分割。根据已知大孔隙设定阈值，选取分割阈值为48，图像分割后，得到黑白二值图像，白色部分为基质，黑色部分为土壤孔隙。分析的孔隙特征参数包括孔隙数目、面积、周长、成圆率。

图1 CT扫描土壤示意图Fig．1 Schematic diagram of CT scanning soil

对于大孔隙孔径的划分及对大孔隙最小值的定义均没有得到一致的结论。G．S．Warner［8］和 R．J．Luxmoore［20］认为当量孔径 ＞1 mm的孔隙是大孔隙;而 K．Beven等［21］认为直径 ＞0.03 mm 的孔隙可称为大孔隙。G．S．Warner利用CT扫描准确分析出了＞1 mm的大孔隙。本试验中，由于优化了CT各项参数的设定，并提高了普通扫描仪的分辨率，所以大孔隙的分析精度可达到0.67 mm。

因此，本试验孔隙结果可分为大孔隙(当量直径≥1 mm)和粗孔隙(当量直径0.67～1 mm)2类。CT测定的总孔隙数为大孔隙数和粗孔隙数之和。CT测定的大或粗孔隙度为大或粗孔隙的面积占图象面积的比例(%)，总孔隙度为大孔隙度与粗孔隙度之和。孔隙的成圆率采用如下公式计算得到:

式中:C为成圆率，其值在1和0之间;A为孔隙面积，mm2;L为孔隙周长，mm。

2.4 数据统计方法

各样地各指标值均为3次重复的算术平均值。分析所得数据应用统计学及相关数理统计软件(DPS)处理。

3 结果与分析

图2 各处理土柱25 mm处CT图像示意图Fig．2 Schematic diagram of CT image at 25 mm depth of soil with different treatment

3.1 CT扫描土柱图像及土壤孔隙

应用CT扫描仪对盆栽土柱进行扫描后，得到土柱不同灰度的图像(图2)，图像中黑色区域代表土壤大孔隙，白色区域代表土壤基质，从黑色区域过渡到白色区域的是灰色区域，灰色区域代表有机质、松散的土壤颗粒等。可以看出，土壤中存在大小和形状各异的土壤孔隙，而保水剂用量不同，施用保水剂后其土壤孔隙的大小、形状均各异。从图2还可以看出，随保水剂用量的增加，土壤孔隙数目先增后降，均显著高于对照，且各处理中以54 mg/kg处理土壤孔隙数目最高。

3.2 对土壤总孔隙、大孔隙和粗孔隙特征的影响

本研究中的土壤孔隙分为土壤总孔隙(＞0.67 mm)、大孔隙(＞1.0 mm)和粗孔隙(0.67～1.0 mm)。保水剂施用后对土壤孔隙类型和数目产生重要影响(表1)。可以看出，施用保水剂提高了土壤总孔隙、大孔隙和粗孔隙数目，且随保水剂用量的增加而增加，但81与54 mg/kg处理间差异不显著。其中，随保水剂用量的增加，土壤大孔隙数目分别比对照提高了75.0%、100.0%、125.0%。

表1 各处理不同土层平均土壤孔隙数、孔隙度及成圆率Tab．1 Average soil pore number，soil porosity and round rate in soil layer with different treatments

而各处理的土壤孔隙度表现为:随保水剂用量的增加，土壤总孔隙度先增加再降低，其中，81 mg/kg处理与CK间差异不显著;土壤大孔隙度以27和54 mg/kg处理最大，较对照增加44.8%，但二者间差异不显著，而81 mg/kg处理与对照仍较小，且差异不显著;土壤粗孔隙度各处理间差异不显著。

综上，保水剂的施用不仅提高了土壤大孔隙数目，且粗孔隙数也相应增加，且提高了土壤总孔隙度和大孔隙度。各处理中以27和54 mg/kg处理的总孔隙度和大孔隙度较其他处理高。

3.3 土壤孔隙成圆率

成圆率是表示孔隙形态特征的参数之一，其数值越接近于1，表示孔隙形态越接近于圆，若孔隙面积相同而孔隙周长越不规则，成圆率则越小。

由表1可知，随保水剂用量的增加，土壤孔隙成圆率先增后降，但54和81 mg/kg处理间没有显著差异。说明，保水剂在提高了土壤孔隙度的同时，改善了土壤孔隙的形态，使其孔隙更接近于圆，但用量过高，效果有所降低。

3.4 不同土层总孔隙数、大孔隙数和粗孔隙数分布

保水剂施入土壤中会对其施入部位的土壤结构产生重要影响，从而会影响不同土层的土壤孔隙类型和数目。从图3可以看出，保水剂的施入提高了不同层次土壤的总孔隙数、大孔隙数及粗孔隙数。土壤总孔隙数与粗孔隙数各层次变化趋势基本一致，60～65 cm土层的总孔隙数和粗孔隙数均表现为54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK;而大孔隙数在55～60 cm的土层中表现为81 mg/kg＞27 mg/kg＞54 mg/kg＞CK;65～75 cm大孔隙数表现为54 mg/kg＞81 mg/kg＞27 mg/kg＞CK。表明保水剂的施用提高了不同土层的土壤孔隙数，其中保水剂用量较高时(81 mg/kg)土壤大孔隙数提高最显著。

3.5 不同土层总孔隙度、大孔隙度和粗孔隙度分布

保水剂的施用提高了土壤的孔隙数，但其孔隙度表现存在一定差异。从图4中可以看出，不同处理土壤各层次总孔隙度与大孔隙度变化趋势一致。而保水剂用量过高，其土壤孔隙度降低，说明高用量保水剂虽然提高了各土层的土壤孔隙数目，但其孔隙度却较低。而保水剂用量适中(54 mg/kg)时，其总孔隙度和大孔隙度均较其他处理高。随土层的加深，除54 mg/kg处理外，土壤孔隙度有所降低。而粗孔隙度各处理间不同层次表现规律不一。

3.6 不同土层土壤孔隙成圆率

图3 各处理不同土层总孔隙数、大孔隙数和粗孔隙数Fig．3 Number of total pore，macropore and rough pore in soil layer with different treatments

图4 各处理不同土层总孔隙度、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响土体的通气和水分传输。从不同层次土壤平均孔隙成圆率(图5)可以看出，土壤孔隙度成圆率在0.40～0.80之间。对照土壤的孔隙成圆率随土层的加深而降低，而保水剂处理中，65 cm土层的孔隙成圆率较低。55～65 cm土层中的孔隙成圆率以54 mg/kg处理显著高于其他处理，但随土层的加深，以高用量保水剂(81 mg/kg)的处理土壤孔隙成圆率较高。说明，保水剂用量不同，其与土壤颗粒胶结和涨缩过程中的接触和胶结程度不同，导致不同层次对应处理间的孔隙成圆率有一定的差别，表明了土壤结构稳定性的差异。

3.7 对小麦生物量及产量的影响

保水剂对土壤孔隙特征的影响，最终表现在小麦生物量和产量。从图6可以看出，小麦收获时的总生物量随保水剂用量的增加先增后降，其中以54 mg/kg处理的生物量最高，保水剂用量过高生物量有所降低，但仍显著高于对照。而小麦的籽粒产量与生物量表现规律一致，仍以54 mg/kg处理效果最为显著。说明，保水剂改善土壤孔隙参数时，也促进了小麦生物量和产量的提高，且以54 mg/kg处理增加幅度最大，分别较对照提高13.1%和22.2%。

图5 各处理不同土层平均孔隙成圆率Fig．5 Average round rate in soil layers with different treatments

图6 各处理小麦生物量及产量Fig．6 Biomass and yield of wheat with different treatments

4 结论与讨论

土壤施入保水剂后，经过小麦整个生育期的生长和干湿交替过程，盆栽土颗粒间胶结增强，土壤孔隙数和孔隙度提高，尤其是大孔隙数和孔隙度。同时，土壤孔隙成圆率显著提高。随保水剂用量的增加，各土层平均总孔隙数、总孔隙度及成圆率提高，但保水剂用量过高，其总孔隙数增加不明显，总孔隙度和孔隙成圆率降低，但仍高于对照。说明保水剂的施用改善了土壤的孔隙状况，有利于作物的生长。

同时，保水剂施用均提高了土壤剖面不同土层的土壤孔隙数目、孔隙度和孔隙成圆率。最终提高了小麦的生物量和籽粒产量，各处理中以54 mg/kg处理的效果较佳。表明，施用保水剂改善土壤孔隙特征的同时，也促进了小麦生长、提高了小麦产量。

本文采用CT扫描技术初步研究了保水剂施用后(小麦收获时)对土壤孔隙参数的影响，但在保水剂吸水前和吸水后的孔隙参数变化如何，有待于进一步研究。

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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．and 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

项目名称:国家863节水农业项目“绿色环保多功能保水制剂”(2006AA100215);河南省重公益性科研项目“河南省潮土区中低产田增产关键技术研究与示范”(081100911600);河南省杰出青年基金项目“保水剂应用对土壤环境的影响研究”(104100510024)

杨永辉(1978—)，男，博士，助理研究员。主要研究方向:土壤生态与节水农业。E-mail:yangyongh@mails．gucas．ac．cn

(责任编辑:程 云)