何冲祝　余长洪　陈晓茵

摘要 以广州市增城区、萝岗区稻田土壤为对象，运用数字图像制备分析技术对广州市稻田土壤进行了试验。通过构建土壤大孔隙结构相关的因素，对广州市增城区、萝岗区稻田土壤大孔隙结构在土壤纵断面上的演变情况进行分析。结果表明：由于土壤所处时期不同，大孔隙数目、大小和形状在横断面上和纵断面上的分布是不同的。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm区间的孔隙数量占比最大，同一地区土壤不同孔隙直径沿深度变化相似，都是土层深度越深，大孔隙度越小。

关键词 稻田土壤；数字图像；大孔隙；特征；广东广州

中图分类号 S152.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）04-0178-02

大孔隙（macropore）是土壤中普遍存在的，其是土壤水分和养分等物质进行交换和运输的主要通道[1]。因此，研究大孔隙对评估土壤污染物风险，确定灌溉、施肥以及种植作物方案等提供理论依据，对稻田大孔隙的研究能够为农地实施有效耕作措施提供必要的参考[2]，同时也可以为研究同类型的问题提供参考意见。

1 材料与方法

1.1 土柱制备

1.1.1 原状土取样。本研究的研究区域为广州市，研究采样点选定在增城区和萝岗区，时间分别为2016年3月29日和2016年4月20日，所取土壤均为处于生育期刚收割完的稻田土。取土方法是利用PVC管（内径11 cm，壁厚2 mm）在土壤深度20 cm处进行垂直取样，取样时一定要避免扰动取样点土壤造成试验误差[3]。当PVC管达到预定深度时，将环绕PVC管周围土壤挖开，削土刀将土柱从根部切断，即得到试验用的原状土柱，过程必须保持土壤稳定性。

1.1.2 土柱浸渍。对获取的土样进行风干处理后，缓慢间隔加入环氧树脂和T-31型环氧固化剂（凤凰牌，2∶1的配置）进行浸泡，然后使用分析纯丙酮（CH3COCH3，ρ=0.70 g/mL）稀释土样，在稀释的同时加入染色剂亚甲基蓝，当加入的环氧树脂和T-31型环氧固化剂稳定高于土样表面高度0.5 cm后，土柱浸渍工作完成。

1.2 图像获取

静置完成后用切片厚度为1 mm的切割机沿管长每2 cm进行切片，将切割好的土样切片直接置于扫描仪（EPSON）上，以1 200 dpi的扫描分辨率，真彩式模式将土样切割面扫描输入计算机，获取切片截面图像。

1.3 图像处理

应用Photoshop和Image-Pro Plus软件对已获取的图像进行分析处理。使用Photoshop软件进行图像预处理，图像保持在1 200 dpi像素，以PVC管圆心为原点分划出半径为8 cm的圆形土样，接着使用Image-Pro Plus处理，为了区分土体基质和孔隙，将图像转化为黑白二元化，此时黑色区域代表孔隙，白色区域代表土壤基质。随后用软件自带的识别统计功能，统计出孔隙的数量、孔径、面积[4]。为了便于分析，按平均孔径由小到大的方式划分9个不同区间的孔隙级别，同时将超过区间及小于0.005 cm的孔隙排除。在同一区间内，孔径取平均孔径的平均值，用 r 表示，面积在同一区间内求和。以平均孔径为基礎划分的区间在对黏性土微观孔隙结构定量研究方面非常有代表性[5]。

2 结果与分析

2.1 对比2个地区大孔隙区别

将2个地区不同孔径等级的孔径数量进行统计，绘制出图1。就图表中的等级进行说明分为9个等级：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。

由图1可知，萝岗区的孔隙数量整体开始缓步上升（0～5 000个），中间陡增（5 000～25 000个），中后期先后经历小幅下降（从25 000个降至15 000个），等级7到等级8小幅上升，后期骤减。增城区孔隙数量曲线整体开始增长快速后（0～7 500个）保持数量一定（7 300～7 500个），中期快速增长（7 500～30 000个），中后期先骤减（从35 000个降至15 000个），在等级7到等级8区间孔隙数量处于稳定，后期快速下降。

2处土壤都呈现先缓慢增加再快速上升，最后分2个阶段下降，但增城区土壤的前期缓慢增加时存在“平台”，而萝岗区土壤在后期下降的过程中有小幅反弹。土壤大孔隙在0.011～0.019 cm区间的孔隙数量占比最大。

2.2 土壤大孔隙沿深度变化分析

由图2可知，增城、萝岗两地土壤均随着土层深度的加深，大孔隙度逐渐减小。在2～8 cm深度范围内，萝岗土壤大孔隙度减少幅度大，从15.9%下降到9.7%；而增城土壤则变化较为平缓，从20.6%下降到17.4%。在12～16 cm深度范围内，增城土壤大孔隙度变化幅度大，从14.7%下降到3.1%；而萝岗土壤则呈现出平缓的趋势，从7.4%下降到5.7%。2个地区土壤中各个孔径等级沿深度的变化曲线相似。萝岗区曲线先是呈小幅度的波动增加状态，到10 cm处开始大的波动，到16 cm时又开始平稳的变化。增城区曲线先是呈大幅度的波动增加，6 cm深度之后趋于平缓，并有下降趋势，于12～14 cm有小幅波动。

动物和植物根系都可以形成管状大孔隙，增城土壤利用土壤生物活动[6]，当动物活动[5]和根系腐烂[7-8]就形成大量的大孔隙系统。因此，增城区土壤为刚收割完的土壤，前茬栽植的水稻根系大部分腐烂在耕作层中；增城土壤2～12 cm范围内含有丰富的相互连通的孔隙、孔洞和洞穴，是根系、蚂蚁和蚯蚓的活动所产生的。萝岗区土壤已收割完一段时间，表面已开始长有杂草，表层土存在根系呼吸。微小动物活动位于浅层根系。

3 结论与讨论

通过使用数字图像制备分析技术对广州2个地区的2类土壤的分布规律和变化特征进行分析，结果2类土壤大孔隙系统变化存在着差异，也存在共同点，主要规律为土壤大孔隙数目等指标在不同的土壤时期也不相同，土壤大孔隙在0.011～0.019 cm区间的孔隙数量占比最大，同一地区土壤不同孔隙直径沿深度分布情况相似，两地土壤均随着土层深度的加深，大孔隙度逐渐减小。

4 参考文献

[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] 王彬俨，程金花，张洪江，等.北京昌平區农地土壤大孔隙特征[J].水土保持学报，2012，26（3）：189-193.

[3] 余长洪，周明耀.两种土壤大孔隙结构差异的数字图像分析[J].广东水利水电，2007，1（1）：27-35.

[4] 郑飞.年份不同压实度黏性土微细观孔隙结构研究及分形表征[D].武汉：湖北工业大学，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] 刘伟.土壤大孔隙及其研究方法[J].应用生态学报，2001，12（3）：465-468.