甘 磊，张静举，黄太庆，陈晓冰，马 蕊，张金莲，陈廷速

基于CT技术的甘蔗地不同耕作措施下土壤孔隙结构研究

甘 磊1，2，张静举1，3，黄太庆4，陈晓冰3，马 蕊3，张金莲5，陈廷速5

(1.桂林理工大学，广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004;2.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004;3.桂林理工大学，环境科学与工程学院，广西桂林 541004;4.广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007;5.广西农业科学院微生物研究所，广西南宁 530007)

【目的】开展不同耕作措施下土壤孔隙结构研究，为土地合理耕作及耕地水土保持提供参考。【方法】以广西甘蔗地为研究对象，在常规耕作和三年免耕条件下，利用CT(Computed tomography)扫描技术，通过相关插件计算获得甘蔗地土壤孔隙数量、孔隙体积和表面积，土壤弯曲度、孔隙连通性和水力半径等孔隙结构，并进行三维重建和可视化。【结果】耕作区的孔隙面密度大于免耕作区;耕作区的孔隙度均值(1.069%)和孔隙数均值(1194个)都小于免耕区的孔隙度均值(1.195%)和孔隙数均值(1519个);由弯曲度和连通性的均值数据可知，耕作区(1.374、0.512)大于免耕作区(1.333、0.299)。翻耕破坏土壤原有结构，导致土壤中的大孔隙数量和孔隙度减少，但增加中小孔隙的数量。使得在二维分布中耕作区的孔隙面密度大于免耕区，而在土壤表层三维形态特征中免耕区土壤孔隙较耕作区分布更密集;翻耕破除了土壤孔隙之间的孤立性，增加了土壤的连通性，使得耕作区的弯曲度、连通性大于免耕区。【结论】适当耕作比免耕有助于土壤内部的连通和导水，促进作物吸水以减少土壤水分流失。

CT技术;土壤孔隙结构;三维重建;甘蔗地;免耕;广西

【研究意义】土壤是结构复杂的多孔介质，由于孔隙结构的高度空间变异性，决定了水分在土壤中分布和运动的复杂性[1]。耕作措施不仅可改变原有的土壤界面特征，更改变了土壤的孔隙特征，而由不同耕作措施所带来的各种效应，都可以归结为土壤孔隙的变化间接改变其理化性能[2]。广西作为我国甘蔗的主产区，其不同的耕作方式对土壤孔隙结构的改变必然会影响甘蔗地土壤内部的连通性和导水性，因此研究广西甘蔗地不同耕作方式下土壤孔隙结构，对该地区合理进行甘蔗种植和耕地水土保持具有重要意义。【前人研究进展】土壤孔隙的几何形态是影响土壤中水分运动和溶质运移的关键因子之一，孔隙的连通性、孔隙大小和孔隙度都会对土壤溶液的流动速度和通量分布的均匀性产生直接影响[3]。Beven和German[4]的研究引起人们对土壤中较大孔隙及与之相关的水流和溶质运移现象的关注，在较大孔隙中快速运动的水流几乎不与周围土壤基质作用[5]，造成土壤溶质流失和农业用水浪费，削弱了土壤对污染物的净化作用[6]，导致地下水污染[7-9]。过去对于孔隙研究由于缺乏先进的非破坏性定量研究，测量工作十分困难，并且研究成果多是得到二维数据[10-11]。目前，在土壤孔隙研究中运用较多的是利用CT扫描技术探究土壤孔隙对水分运动过程的影响[12]，识别和分析盐渍土壤孔隙结构[13]，研究退化沙质草地土壤孔隙结构特征[14]。与传统土壤孔隙获取方法相比，CT扫描技术是一种无损害非侵入的三维成像技术[15]，既可以得到与原状土壤实际情况相符的孔隙结构三维立体成像，方便查看土柱内部结构，又不损坏土壤孔隙结构[16]。【本研究切入点】利用CT扫描技术对广西甘蔗地在不同耕作措施下对土壤孔隙结构的影响进行研究，具有方便快捷、不损坏土壤结构等优势。【拟解决的关键问题】通过CT扫描量化免耕和耕作条件下土壤孔隙数量、弯曲度、连通性等指标，并可视化土壤孔隙结构三维特征，分析两种不同耕作措施下甘蔗地土壤孔隙结构特征，为当地农业耕作、灌溉和施肥等管理措施提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西自治区农业科学院武鸣里建科研基地(23。14′N;108。02′E)，处于我国低纬地区，其土壤母质为第四纪红土，基部岩层属于石灰岩，经过人工管理后试验区地势较为平坦，年平均气温为21.6℃，年平均相对湿度达79.0%，年均降雨量约1304.2 mm，属中亚热带季风气候。甘蔗经济作物为主要的旱地耕作物，本试验根据耕作与否的条件划分成两个次级区域:甘蔗耕作区(T)、甘蔗免耕区(NT)，其中免耕年限为3年。

1.2 样品采集

综合考虑甘蔗根系生长深度、深耕深度及成垄情况，对0～8、18～26和40～45 cm土层进行原状土壤样(环刀体积100 cm3)和扰动土壤样采集，每层5个重复，用于测量土壤基本理化性质。CT扫描土样利用内径10 cm、高30 cm的PVC管进行土柱采集，每块样地3个重复，样地面积均为50 m2。运输途中尽量减少原状土样品受到撞击、挤压。

1.3 CT扫描与图像处理

CT机器型号为Discovery CT HD 750(美国GE公司生产)，扫描模式为GSI(宝石能谱成像)，管电压为120 kV，管电流为600 mA。土柱分别垂直扫描后，采用CT自带软件的背景投影算法进行图像重建获得的扫描图像的分辨率为:垂直方向0.625 mm、横向0.4000 mm，512×512像素的图片，共430张。

将CT输出的DICOM格式图片导入ImageJ软件对原图像进行模糊处理和去噪，采用全局阈值分割得到二值图像并利用插件Measure Stack计算出土柱中孔隙在不同土壤深度所对应的孔隙面积密度，并通过插件Volume Viewer进行图像的三维重建和可视化。其中孔隙数量、孔隙体积和表面积等参数利用插件3D-Object Counter计算。土壤孔隙结构特征通过插件BoneJ进行骨架化等操作和细化算法计算获取土壤弯曲度、孔隙连通性和水力半径等信息。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

从耕作和免耕2种耕作措施下甘蔗地土壤基本理化性质(表1)可以看出，在质地方面，两种耕作措施下随土壤深度增加，砂粒含量均随深度减少，粘粒含量反之;而在相同土层，免耕作区的土壤粘粒含量小于耕作区，土壤砂粒含量大于耕作区。针对容重来说，耕作和免耕的土壤相差不大。就有机质而言，在相同土层中，耕作区的有机质含量显著小于免耕区的有机质含量(P＜0.05，下同);在不同土层，仅免耕区出现有机质含量随深度增加而连续增加的现象，另外耕作和免耕2种条件下的土壤最上层有机质含量均显著小于最下层有机质含量，其中耕作区18～26 cm的有机质显著低于其它深度土壤;而免耕区40～46 cm处的有机质含量显著高于其它深度土壤。

表1 甘蔗地土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of sugarcane soil

图1 甘蔗地土柱孔隙面密度随深度的分布Fig.1 Pore surface density distribution with depth of soil column in sugarcane soil

2.2 2种不同耕作措施下土壤孔隙二维分布特征

从图1可以看出，在相同深度土层，耕作区的孔隙面密度整体上比免耕地大，但是其波动范围也相对较大。在耕作区孔隙面密度的分布随土壤深度的变化较为剧烈:0～80 mm处孔隙面密度比及其波动较大，在120～160和220～280mm处孔隙面密度再次出现较大波动。而免耕区的变化与耕作区不同，其孔隙面密度的分布随土壤深度的变化相对均一，仅在0～140 mm中存在较大波动，而其余深度波动不大。

2.3 2种不同耕作措施下的土壤孔隙三维特性

从甘蔗地土柱的孔隙数据(表2)可以看出，孔隙度和孔隙数都属于累计参数，仅仅可以反映土壤结构空间中孔隙和孔隙的数量和大小，但不足以对孔隙在空间中的形状、分布和延伸情况进行展现。因此，采用水力半径、弯曲度和连通性等参数对各土柱土壤孔隙网络结构特征进行定量化的分析。从表2可以看出，耕作区的孔隙度均值(1.069%)和孔隙数均值(1194个)都小于免耕区的孔隙度均值(1. 195%)和孔隙数均值(1519个);耕作区的弯曲度均值(1.374)和连通性均值(0.512)均大于免耕区弯曲度均值(1.333)和连通性均值(0.299);但两者的水力半径差异不显著。

表2 甘蔗地土柱的孔隙数据Table 2 Pore data of soil columns in sugarcane soil

利用CT扫描数据成像的甘蔗耕作区和免耕区土壤孔隙结构三维形态特征如图2～3所示。整体而言，免耕区土壤孔隙较耕作区土柱土壤孔隙分布更密集，特别是在土壤表层。从图2中看出耕作区(T1和T2)的土壤孔隙结构表层稀疏并随着土壤深度增加分布逐渐密集，但T3土柱未见此变化，其在土柱中部土壤孔隙分布相对较疏松。免耕区土壤孔隙结构基本随土壤深度增加且趋向于密集，但NT2整体都表现为较密集。

3 讨 论

3.1 2种不同耕作措施对土壤基本性质的影响

在2种耕作措施下土壤质地均随深度的增加呈现出粘粒含量增加而砂粒含量减小的趋势，这应是由该地区土壤母质的发育所决定的。但在相同土层，特别是上层土壤中免耕区土壤粘粒含量要小于耕作区，应是翻耕作用造成土壤大颗粒的破碎所致[17-18]。耕作区未呈现有机质含量随深度增加的现象主要因翻耕将土壤上下层进行了混合[19]，破坏了原有的分布规律。而2种耕作措施下土壤上层有机质含量明显小于下层主要归咎于甘蔗根系生长主要集中在30 cm以上土壤[20]，对有机质的消耗也就更多;同样由于翻耕提高通气性和通水性有利于土作物生长[19]，对有机质的需求也就更多，从而导致相同土层中耕作区有机质含量低于免耕区。一般而言耕作会改变土壤容重[21-22]，但在本研究中耕作区和免耕区土壤容重没有显著性差异，这可能与施肥改善土壤容重有一定的关系。

图2 甘蔗地耕作区的土壤孔隙三维图Fig.2 Soil pore three-dimensional figure of sugarcane soil in tillage plot

图3 甘蔗地免耕作区的土壤孔隙三维图Fig.3 Soil pore three-dimensional figure of sugarcane soil in non-tillage plot

3.2 2种不同耕作措施下土壤孔隙二维特征

在相同深度土层，耕作区的孔隙面密度均值大于免耕区的孔隙面密度，主要是翻耕破坏土层结构，对大孔隙破坏较多，导致土壤中的大孔隙数量减少，而增加中小孔隙的数量[23-24]，从而增大了孔隙面密度。同时，翻耕改变土壤界面特征，提高通气性，通水性，有利于土壤中的微生物、动植物活动，也会增加中小孔隙的数量[25]。其中在2个实验区出现的较大波动可能与蚯蚓等生物活动有关[1]。耕作区土壤表层0～80 mm孔隙面密度及其波动较大，主要是因为耕作使得表层土壤结构疏松孔隙增多;由于耕作对下层土壤的压实作用，特别是在犁底层附近，引起孔隙容重增加，造成孔隙度减少[26]。免耕区不存在翻耕，土壤结构保持稳定，其孔隙面密度波动较小。

3.3 2种不同耕作措施下的土壤孔隙三维特性

耕作区的孔隙度和孔隙数均小于免耕区，原因主要为免耕区因为没有受到机械压实影响，保留了土壤原有的孔隙结构，而翻耕破坏土壤中的大孔隙结构。翻耕破坏土壤表层原有孔隙结构，尤其是土壤中较大孔隙结构网络，一方面保留了中小孔隙网络，另一方面增大表层土壤孔隙数量，但机械翻耕又会对土层有压实作用，客观上又减少孔隙数量。众多学者的研究均表示耕作的压实作用往往会导致土壤孔隙的减少[27-29]，从而对于本研究而言，尽管表层土壤孔隙数量增多，但对于整个土柱而言，其孔隙是减少的。耕作区和免耕区的水力半径没有明显变化，说明虽然耕作破坏较大孔隙网络结构，但中小孔隙结构的存在，对土壤孔隙的水力传导性无较大的影响。就弯曲度而言，耕作区的弯曲度大于免耕区，保留的小的孔隙结构继续发育，导致孔隙在土壤中的分支总数增加，复杂的孔隙网络结构增大了水流沿孔隙通道的实际流经路程[30]。耕作区的连通性大于免耕区，主要是耕作在改变土壤结构的同时也使通水性、通气性得到提高[3]，使得孤立大孔隙结构发生改变，产生相连的通道，促进水分和运移物质的快速流动。耕作和免耕条件下的土壤孔隙的三维分布存在明显差异，主要原因是免耕区由于不受机械耕作的影响，土壤结构比较均匀，容重在剖面的分布较一致，孔隙度变化不明显，而耕作措施造成表层较大孔隙结构被破坏且数量有所减少，但同时破除了土壤孔隙之间的孤立性，增加了土壤的连通性。因此，在本研究中适当耕作条件下的土壤比免耕条件下的土壤连通性和导水性好，可促进作物吸水以减少土壤水分流失，可为广西地区甘蔗种植中土地合理耕作提供一定的理论依据。而扫描结果中T3和NT2土柱与其它土柱结果存在一定的差别这主要是由于土壤分布的异质性导致的。

4 结 论

本研究条件下，翻耕破坏土壤原有结构，导致土壤中的大孔隙数量减少，中小孔隙的数量增加，使得土壤结构的二维分布中耕作区的孔隙面密度大于免耕作区;在土壤三维形态特征中免耕区土壤孔隙较耕作区土柱土壤孔隙分布更密集，特别是在土壤表层，但耕作区的弯曲度、连通性大于免耕区。适当耕作比免耕条件有助于改善土壤内部连通和导水情况，促进植物吸水以减少土壤水分损失。

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(责任编辑 汪羽宁)

Pore Structure in Sugarcane Soil under Different Tillage M anagements Based on CT Scanning

GAN Lei1，2，ZHANG Jing-ju1，3，HUANG Tai-qing4，CHEN Xiao-bing3，MA Rui3，ZHANG Jin-lian5，CHEN Ting-su5
(1.Guilin University of Technology，Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Plot，Guangxi Guilin 541004，China;2.Guilin University of Technology，Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，GuangxiGuilin541004，China;3.Guilin University of Technology，Collegeof Environmental Scienceand Engineering，GuangxiGuilin 541004，China;4.Agricultural Resource and Environment Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning 530007，China;5.Microbiology Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning530007，China)

【Objective】The study aims to provide reference for appropriate tillage and conservation of soil and water，the soil pore structures under different tillagemanagements were studied.【Method】Sugarcane fields under the tillage and non-tillage for 3 years in Guangxi had been studied.CT，with related pluginswas applied to calculate the quantity，volume and surface area of soil pore，the connectivity and tortuosity of soil，aswell as hydraulic radius.The three-dimensional reconstruction and visualization of soil pore structure had been conducted.【Result】The pore surface density of tillage plotwas greater than non-tillage plot.However，the values of pore density(1.069%)and pore number(1194)in tillage plotwere less than thatof values(1.195%，1519)in non-tillage plot.The average tortuosity and connectivity in tillage plot(1.374，0.512)were greater than these values(1.333，0.299)in non-tillage plot.Destroyed soil structure by tillage induced the reduction ofmacropores and porosity but increase ofmesopores and micropores，which led to the greater pore surface density in tillage plot compared to non-tillage plot in two-dimension distribution.However，in three dimensionalmorphological characteristics，the distribution of soil poreswasmore intensive in non-tillage plot than that in tillage plot，especially in top soil.Tillage could break the isolation among soil pores and increase the connectivity and tortuosity in tillage plot.【Conclusion】The appropriate tillagemanagements improved the inner connection and hydraulic conductivity of soil，finally promoted water uptake of sugarcane and reduced soilwater loss. Key words:CT technology;Soil pore structure;Three-dimensional reconstruction;Sugarcane field;Non-tillage;Guangxi

S566.1

A

1001-4829(2017)8-1843-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.025

2017-05-06

国家自然科学基金项目(41501230，31360356);广西自然科学基金项目(2016GXNSFAA380197);广西农业科学院基本科研业务专项项目(2015JZ34)

甘 磊(1983-)，男，湖南岳阳人，博士，副教授，主要从事土壤结构与土壤水热运动模拟研究工作，E-mail:allengl2006@163.com。