荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征

[目的]认识人工柠条种植对土壤生态过程的影响,从而为人工植被的管理提供科学依据。[方法]以宁夏盐池县典型荒漠草原区风沙土生境的草地(0 a)及9,14,24,35 a生人工柠条林为对象,分别进行原状土柱采集、CT扫描及图像处理分析,获取土壤大孔隙几何分布特征,量化大孔隙表面积、等效直径和连接度等拓扑结构参数,研究了柠条生长过程中土壤大孔隙演变特征。[结果]通过三维图像可以看出,和0 a样地相比,随着林龄增加,各样地在0—200 mm土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂。定量分析表明,和0 a样地相比,不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度、长度密度、等效直径、连接度之间差异显著(p<0.05),而表面积密度、体积密度无显著差异(p>0.05)。具体表现为在0—100 mm和100—200 mm土层大孔隙数量密度、长度密度均显著增加(p<0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0—100 mm)增幅要大于深层土壤(100—200 mm);等效直径在0—100 mm土层显著减小,在100—200 mm土层显著增加(p<0.05),而连接度变化规律恰好相反。进一步分析发现,林龄与大孔隙数量密度、长度密度、表面积密度呈显著正相关(p<0.05),与大孔隙等效直径呈显著负相关(p<0.01),与大孔隙体积密度差异不显著(p>0.05)。[结论]人工柠条林的引入会促进土壤大孔隙致密网络状结构形成,改善大孔隙表面积、连接度等拓扑结构,且随着林龄增加,对土壤改良效果越明显。

不同耕作方式对广西蔗田土壤生物性和非生物性孔隙结构的影响

【目的】探究传统旋耕与粉垄耕作方式对广西蔗田土壤生物性和非生物性孔隙结构的影响,以期为该地区甘蔗生产中合理选择耕作方式提供理论依据。【方法】以蔗田土壤为研究对象,设粉垄耕作20 cm(F20)和传统旋耕20cm(X20)2种处理,于甘蔗伸长期采集土壤样品,测定0~40 cm深度土层的土壤颗粒分布、容重及有机质含量;利用X射线CT扫描技术并结合ImageJ 1.53c及MATLAB 2019a等软件分离获取土壤生物性和非生物性孔隙的二维和三维特征参数,并对2种处理下孔隙结构进行三维重构可视化。【结果】与X20处理相比,F20处理0~40 cm土层的黏粒含量平均值显著降低32.16%(P<0.05,下同),而粉粒含量平均值显著提高12.82%。F20处理0~10 mm孔径范围的二维生物性孔隙数量高于X20处理,二者非生物性二维孔隙数量差异不明显;F20处理的生物性孔隙圆度较X20处理显著提高10.58%。在孔隙三维参数中,F20处理的生物性孔隙连通度较X20处理显著提高67.55%,其余参数均小于X20处理;F20处理非生物性孔隙的孔隙度、弯曲度、连通度和比表面积均低于X20处理,但均无显著差异(P>0.05)。在三维重构图中,X20处理生物性孔隙多分布在0~10 cm土壤表层区域,F20处理的生物性孔隙则在10~30 cm土层中形成了更多向下延伸的连续管状结构;X20处理的非生物性孔隙分布较疏松,F20处理的作物根系主要生长区周围存在较多非生物性孔隙。【结论】粉垄耕作形成的生物性孔隙结构优于传统旋耕,特别是在形成上下连通的生物性孔隙和更密集的非生物孔隙分布方面具有一定优势,可更好地促进水肥运移通道的形成。在广西甘蔗种植过程中,可采用粉垄耕作以有效改善土壤孔隙结构。

微咸水离子组成对膜下滴灌土壤孔隙结构的影响

为探讨不同阳离子组成微咸水灌溉对膜下土壤孔隙结构的影响,开展2a田间定位试验,设置当地地下水灌溉(CK)、NaCl微咸水灌溉(T1)、KCl微咸水灌溉(T2)、CaCl_(2)微咸水灌溉(T3)、MgCl_(2)微咸水灌溉(T4)5个处理,利用CT扫描技术研究不同阳离子组成微咸水对土壤孔隙结构的影响。结果表明:与CK处理相比,随灌水次数增多,添加Na+处理的土壤大孔隙度显著降低,添加K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)处理的土壤大孔隙度显著增加,2022年添加Na+处理的大孔隙度平均降低了44.49%,添加K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)处理的土壤大孔隙度平均分别增加了5.73%、80.73%、25.75%;在2021—2022年期间,与CK相比,4种不同阳离子处理土壤孔隙成圆率均呈增加趋势,其中添加Ca^(2+)、Mg^(2+)处理增加显著,土壤孔隙成圆率平均增加区间分别为25.52%~30.94%、17.46%~23.19%;连续灌溉2a之后,添加Na+和K^(+)处理的土壤开裂程度加重,土壤稳定性变差,而添加Ca^(2+)和Mg^(2+)对改善土壤结构、提高土壤入渗性能作用明显。

西南喀斯特区砾石对石灰土土壤孔隙及水分入渗的影响

[目的]砾石是影响土壤孔隙和水分入渗的重要因素,明确砾石通过改变哪些土壤孔隙特征进而影响水分入渗具有重要意义。[方法]以西南喀斯特地区砾石含量高的石灰土为研究对象,采用CT扫描和室内一维土柱入渗试验,对比分析2种砾石粒径(2.0~5.0,5.0~12.5 mm)和5种砾石含量(0,10%,20%,30%,40%)条件下的土壤孔隙特征及水分入渗特性,并使用结构方程模型探究土壤孔隙特征与入渗特性之间的耦合关系。[结果](1)含砾石土壤的大孔隙度、孔隙连通率、孔隙形状因子、孔隙表面积和孔隙体积均高于无砾石土壤;且当砾石含量为20%和30%时,孔隙连通率与孔隙形状因子和无砾石土壤之间存在显著性差异(p<0.05);(2)砾石改善土壤入渗性能,粒径为2.0~5.0 mm时,砾石含量从10%到40%的稳定入渗率分别是无砾石土壤的4.02,5.00,2.88,5.14倍,累积入渗量分别是1.67,1.76,2.49,2.39倍;粒径为5.0~12.5 mm时,土壤稳定入渗率分别是无砾石的2.20,2.67,4.78,2.78倍,累积入渗量分别是1.42,1.75,2.46,2.02倍。(3)在结构方程模型中砾石含量与孔隙连通率、孔隙等效直径呈正相关关系,孔隙连通率对稳定入渗率的影响最大,孔隙等效直径对累积入渗量的影响最大。[结论]砾石含量主要通过增加土壤孔隙连通率和孔隙等效直径促进水分入渗,研究结果可为深入认识西南喀斯特地区含砾石土壤的水文过程提供科学依据与理论参考。

滇西南宿根甘蔗地土壤大孔隙特征

【目的】准确掌握宿根甘蔗土壤孔隙的变化特征,为甘蔗种植中的土壤管理、土壤水文预测预报等提供依据。【方法】采用空间代替时间法结合土壤水分穿透曲线法测定了不同坡度、不同宿根年限、不同土层的甘蔗地土壤大孔隙。【结果】宿根甘蔗地40 cm深土壤大孔隙半径分布在0.3~3.6 mm,随着孔径的增大,土层深度的增加,大孔隙数量显著减少;随着坡度和年限的增加,小于0.6 mm的大孔隙数量减少得更显著;土壤大孔隙平均半径最大为种植后第4年,且年限间差异主要出现在坡地上;坡地大孔隙面积比和平均体积呈现出随着宿根年限增加其值减小的趋势。【结论】甘蔗地宿根管理下,深层及小孔径大孔隙数量减少是主要趋势,应加强深施肥或原位松土管理。

不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征

首先利用数字图像处理技术提取了东北黑土区长期免耕（no tillage,NT）和翻耕（moldboardtillage,MT）制度下土壤切片中的孔隙信息,然后应用矩方法研究了两种耕作制度下土壤孔隙结构的多重分形特征。结果表明,免耕降低了表层（0-5 cm）大孔隙度（〉500μm）,但是提高了10-15 cm和20-25 cm深度的孔隙度和大孔隙度。土壤孔隙结构在64-1 024像素尺度上具有多重分形特征。广义维（Dq）和多重分形谱（f（α））及相关参数能够反映切片中孔隙结构的特征。表层土壤孔隙多重分形谱明显右偏,随深度增加趋于对称。在同一深度下,免耕处理的Δα（α-10-α10）和ΔD（D-10-D10）均大于翻耕处理,免耕处理增加了孔隙结构的复杂程度,尤其是10-15 cm和20-25 cm深度下的孔隙结构。

利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙

为探明不同土壤结构改良措施（秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂）对土壤孔隙特征及分布的影响,采用计算机断层（computed tomography,CT）扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及0.13~1.0 mm孔隙数,且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳,其次为保水剂和秸秆覆盖,对照最低。此外,不同措施显著提高了土壤的田间持水量和〉0.25 mm水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,且各处理中,仍以有机肥和免耕处理效果最佳,其田间持水量分别较对照提高了15.9%和16.4%,而土壤容重较对照降低了6.8%和8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和〉0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。

黄土丘陵区退耕还林后不同林地土壤孔隙与贮水特性

为探索退耕还林工程中树种配置措施对林地土壤水文性质的影响,在黄土丘陵区采用环刀法测定了退耕还林后10年生刺槐、侧柏、油松林分的土壤孔隙度和贮水能力。(1)各种林分都具有明显改善土壤贮水性能的作用,表现为降低土壤容重,增加土壤孔隙度及贮水量;改善程度以刺槐林分为最大,油松林分次之,侧柏林分较小。(2)各种林分对土壤(非毛管孔隙度)滞留贮水量的提高程度均大于对(毛管孔隙度)吸持贮水量的提高程度。(3)林地土壤贮水性能的垂直空间变异性较明显,随着土层深度的增加,土壤容重增加而土壤孔隙度和贮水量减小。

长期施用畜禽粪便对土壤孔隙结构特征的影响

畜禽粪便中含有大量有害物质可能影响农业土壤质量。土壤孔隙结构是反映土壤质量的重要指标。探讨长期施用畜禽粪便对土壤孔隙结构特征的影响,对于理解畜禽粪便对农业土壤质量影响有重要意义。该文分析稻麦轮作土壤上长期(>20年)施用畜禽粪便和化肥土壤孔隙度、孔隙分布、贮水性能及土壤饱和导水率等土壤孔隙结构指标。研究结果显示,长期施用畜禽粪便处理显著改变了土壤孔隙分布和土壤总孔隙度,施用畜禽粪便耕层土壤大孔隙和中孔隙的比例分别是施用化肥处理的1.48～1.70倍和1.35～1.75倍;耕层土壤总孔隙度也比施用化肥处理增加7.5%～11.3%。长期施用畜禽粪便显著提高了土壤贮水性能,施用畜禽粪便耕层土壤饱和含水量、毛管持水量以及田间持水量分别比施用化肥土壤提高了11.63%～23.98%,12.24%～21.72%和11.08%～16.25%。施用鸡粪和猪粪耕层土壤饱和导水率均大于180 cm/d,分别为施用化肥土壤的2.83倍和2.88倍。土壤有机碳与土壤孔隙结构指标间有极显著的相关关系,表明土壤有机碳在土壤孔隙结构的形成和稳定过程中起着重要作用。本研究结果表明,长期施用畜禽粪便主要是通过提高土壤有机碳来改善土壤孔隙结构特征。

基于CT技术的甘蔗地不同耕作措施下土壤孔隙结构研究

【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。

沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分形与孔隙结构特征

为探索人为活动干扰下植物群落变化对土壤物理结构特征的影响,运用土壤分形学和水文学原理与方法研究沂蒙山林区7种植物群落下的土壤颗粒组成、分形维数、土壤孔隙度及其相关性。结果表明:在长期农业耕作等人为干扰下,玉米作物、板栗经济林和灌草丛群落下的土壤颗粒呈粗粒化特征,分形维数显著降低,土壤总孔隙度和毛管孔隙度下降,非毛管孔隙度增加,土壤物理结构呈现退化状态;而处于长期封禁保护下的森林群落,土壤颗粒分形维数较大,粉黏粒等细粒物质的含量较高,孔隙结构状况较好。研究区土壤颗粒组成具有石质山地典型的粗骨土结构特征,森林群落能显著增加土壤中粉黏粒等细粒物质的含量和对土壤空隙的填充能力,是其改善土壤物理结构的分形学机制。土壤颗粒分形维数与土壤粉黏粒含量、总孔隙度和毛管孔隙度之间存在明显的线性正相关,而与土壤砂粒含量和非毛管孔隙度具有线性负相关关系,它能较好表征植物群落变化对土壤颗粒组成和孔隙状况的影响,因而可作为评价土壤物理结构质量的一项综合性指标。

氨化秸秆还田对土壤孔隙结构的影响

【目的】土壤孔隙性质是土壤结构性的反映,直接影响着土壤的肥力和水分有效性。定量研究氨化秸秆还田对土壤不同大小等级孔隙数量和孔隙分布的影响,可以为土壤培肥提供科学依据。【方法】采用室内试验方法,设置氨化秸秆加入量为土壤总质量的0(CK)、0.384%(S1)、0.575%(S2)、0.767%(S3)4个处理,室内培养。在培养0、60、120和180 d,取样测定土壤水分特征曲线(SWRC)数据,利用双指数土壤水分特征曲线模型(DE模型,Double-exponential water retention equation),分析氨化秸秆对土壤剩余孔隙、基质孔隙和结构孔隙的影响;基于DE模型的微分函数,探究不同氨化秸秆处理对土壤孔隙分布的影响。【结果】不同处理的土壤水分特征曲线SWRC实测值和DE模型模拟值之间的均方根误差介于0.0036和0.0041 cm^3/cm^3之间,R^2介于0.998和0.999之间,土壤含水量模拟值和实测值非常接近1∶1,表明DE模型可以准确反映添加氨化秸秆后土壤含水量随吸力的变化规律,较准确地估算土壤不同大小等级孔隙数量变化。培养120 d内,氨化秸秆对土壤剩余孔隙、基质孔隙和结构孔隙影响不显著;培养180 d时,各处理土壤结构孔隙度表现出随着氨化秸秆添加量的增加而增加的趋势;此时S3对土壤剩余孔隙影响不显著,显著减小了土壤的基质孔隙度(P<0.05),极显著地增加了土壤的结构孔隙度(P<0.01)。在孔隙分布中,氨化秸秆促进了土壤已有孔隙向较大孔隙的发育,显著增加了土壤结构孔隙分布数量;随着氨化秸秆添加量的增加,土壤结构孔隙的分布数量越大,且峰值出现的越早。氨化秸秆增加了土壤中有机质含量;土壤结构孔隙和总孔隙均与有机质含量呈显著的正相关关系(P<0.05);有机质可以黏结团聚土壤的矿物颗粒,有效地促进了土壤结构孔隙的发育;氨化秸秆对土壤孔隙的影响随着时间的进行越来越明显。【结论】氨化秸秆增加了土壤中有机质含量,促进了土壤孔隙结构的发育,增加了土壤的结构孔隙度和总孔隙度,这对改良和培肥土壤、改善土壤耕性具有重要意义。

六盘山典型植被下土壤大孔隙特征

利用水分穿透曲线法和Poiseuille方程研究了六盘山8种典型植被类型下土壤大孔隙的半径与密度特征．结果表明：研究区典型植被下土壤大孔隙半径在0．4～2．3mm，加权平均半径为0．57～1．21mm，平均值为0．89mm；大孔隙密度变化范围为57～1117个·dm^-2，平均408个·dm^-2；半径〉1．4mm的大孔隙密度较小，其数量仅占大孔隙总数量的6．86％；大孔隙面积与土柱水分出流面积的百分比（简称土壤大孔隙面积比）介于0．76％～31．26％，平均为10．82％．研究区土壤大孔隙密度为阔叶林大于针叶林，亚高山草甸与阔叶林相当，灌丛与针叶林相当；土壤大孔隙面积比为阔叶林高于针叶林，灌丛与阔叶林相当，亚高山草甸与针叶林相当．

土壤大孔隙流研究进展

介绍了大孔隙及大孔隙流的定义、多种表现形式及其重要特征、产生机理和室内外实验研究概况,以及染色示踪、切片、穿透曲线、张力入渗仪、X射线CT扫描摄像和雷达探测等方法的研究进展,揭示这些实验方法的优点与存在的问题.并指出由于影响大孔隙及大孔隙流的因素较复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法,提高模拟手段,不断完善大孔隙流理论,使大孔隙流研究迈上一个新台阶.

微观尺度上土壤孔隙及其分维数的SEM分析

对两类不同质地土壤的SEM图像,利用数字图像技术分析孔隙的大小、数量及其分布规律,由测量数据给出了微观尺度上土壤孔隙的质量分维数Dm和表面分维数Ds。结果表明:Dm与土壤质地、容重、孔隙度、孔径分布等之间存在一定的相关关系,土壤质地越细、容重越大、孔隙度越低、小孔隙越多,Dm越大,Dm与土壤容重和孔隙度均存在显著线性回归关系;Ds反映了土壤孔隙轮廓边界的曲折程度,孔隙轮廓越不规则,Ds越大,土壤中各孔隙的Ds分布符合总体正态分布形式。Dm和Ds的数值大小对不同利用方式和耕作制度下的土壤较为敏感,分维数可为土壤科学管理提供依据。

鲁中山区采取不同生态修复措施时的土壤粒径分形与孔隙结构特征

为探索水土保持生态修复工程对土壤物理性质的改良效应,运用分形学理论与方法,研究鲁中山区4种生态修复措施对土壤颗粒组成和孔隙结构的影响。结果表明:1)各种修复措施对土壤水文物理性状都有明显改善作用。具体表现在,土壤中细粒物质含量提高,砂粒含量降低,而土壤分形维数增加,孔隙数量(尤其是毛管孔隙数量明显)增多,土壤密度减小。2)4种修复措施对土壤物理性状的改善程度不同,改良作用最大的是荒坡造林,其次是疏林补植和梯田封育,最小的是荒坡封禁。3)土壤分形维数与细粒物质含量、孔隙数量、土壤密度之间都存在一定的相关性,在作为综合指标定量描述土壤水文物理性状方面具有较大研究价值。

土壤大孔隙及其研究方法

阐述了土壤大孔隙的定义、孔径划分类型及其成因 ,比较了各种研究方法的适用性和局限性 .土壤大孔隙是可以提供优先水流路径的孔隙 ,其孔径大小为 >0 .0 3mm .大孔隙形状具有多样性 ,既有形状不规则的裂隙和裂缝 ,也有近似圆柱状的管道 .土壤动物对土壤的挖掘作用 ,植物根系在土壤中的穿插作用 ,冻融和干湿交替过程及化学过程是产生大孔隙的主要原因 .大孔隙的研究方法可分为直接观测法和间接描述法 ,并各有其适用性和局限性 .土壤大孔隙研究的最终目的是调控它 ,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供一条新途径 .

保水剂对土壤孔隙影响的定量分析

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%。

六盘山典型植被类型土壤中石砾对大孔隙形成的影响

六盘山山区土壤中存在大量的石砾,对土壤大孔隙的形成具有重要影响。为了深刻了解和评价土壤中石砾对大孔隙形成的可能作用,本研究分析了六盘山典型植被类型下土壤中的石砾体积含量、大孔隙度变异以及石砾体积含量对大孔隙度、大孔隙半径与密度的影响。结果表明,石砾含量增加导致土壤大孔隙的平均半径和体积增大,特别是导致半径大于1.4 mm的大孔隙密度的增大,但对较小半径的大孔隙密度影响不大;总体上,石砾对土壤大孔隙度的形成影响随土深的增加而越来越明显,说明六盘山地区土壤的大孔隙明显同时受到生物因素和石砾含量因素的影响。

长白山主要类型森林土壤大孔隙数量与垂直分布规律

利用张力入渗仪测量和计算了长白山自然保护区中4种主要类型土壤(暗棕色森林土、棕色针叶林土、山地生草森林土和山地苔原土)中半径范围分别在≥0.5mm、0.25～0.5mm和0.1～0.25mm的大孔隙数量与分布,并探讨了大孔隙的存在对土壤饱和渗水量的影响.结果表明:暗棕色森林土中大孔隙数量随土壤深度的增加而减少,自地表向下至40cm以内土层的变化较快,在40cm以下土层内的变化较慢;棕色针叶林土和山地苔原土中大孔隙数量随土壤深度的增加而增加;山地生草森林土中大孔隙数量随土壤深度的变化不大.大孔隙占土壤体积的比例虽然很小,却对土壤饱和渗水量的传导起到了重要作用.