荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征

第31卷第2期2024年4月
水土保持研究
R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
V o l .31,N o .2
A p
r .,2024
收稿日期:2023-01-19 修回日期:2023-04-11
资助项目:宁夏重点研发计划项目(2021B E B 04012,2022B E G 02003,2019B F G 02010);宁夏自然科学基金(2022A A C 03012,2021A A C 05005
) 第一作者:杨志强(1996 ),男,甘肃通渭人,硕士研究生,研究方向为水土保持与荒漠化防治㊂E -m a i l :176********@163.c o m
通信作者:孟晨(1990 ),男,宁夏石嘴山人,博士,副研究员,主要从事水土保持与土壤水文研究㊂E -m a i l :m e n g
c h e n @n x u .e
d u .c n h t t p :ʊs t b c y j .p a p
e r o n c e .o r g
D O I :10.13869/j
.c n k i .r s w c .2024.02.024.杨志强,孟晨,王兴,等.荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征[J ].水土保持研究,2024,31(2):92-100.
Y a n g Z h i q i a n g ,M e n g C h e n ,W a n g X i n g ,e t a l .E v o l u t i o no f S o i lM a c r o p o r eT o p o l o g i c a l S t r u c t u r eA f t e r t h eA r t i f i c i a l I n t r o d u c t i o no f C a r a g
a n a k o r s h i n s k i i i nD e s e r t S t e p p
e [J ].R e s e a r c ho
f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2024,31(2):92-100.荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙
拓扑结构演变特征
杨志强1,
2,3,孟晨2,3,4,王兴2,3,4,朱志昊2,3,4,宋乃平2,3,4,杜灵通2,3,4
(1.宁夏大学农学院,银川750021;2.宁夏大学西北土地退化与生态系统恢复国家重点实验室培养基地,银川750021;3.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,银川750021;4.宁夏大学生态环境学院,银川750021
)摘 要:[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㊂[方法]以宁夏盐池县典型荒漠草原区风沙土生境的草地(0a )及9,14,24,35a 生人工柠条林为对象,分别进行原状土柱采集㊁C T 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㊁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㊂[结果]通过三维图像可以看出,和0a 样地相比,随着林龄增加,各样地在0
200mm 土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂㊂定量分析表明,和0a 样地相比,不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度㊁长度密度㊁等效直径㊁连接度之间差异显著(p <0.05),而表面积密度㊁体积密度无显著差异(p >0.05)㊂具体表现为在0 100mm 和100 200mm 土层大孔隙数量密度㊁长度密度均显著增加(p <0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0 100mm )增幅要大于深层土壤(100 200mm );等效直径在0 100mm 土层显著减小,在100 200mm 土层显著增加(p <0.05),而连接度变化规律恰好相反㊂进一步分析发现,林龄与大孔隙数量密度㊁长度密度㊁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)㊂[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㊁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㊂
关键词:荒漠草原;人工柠条;土壤大孔隙;拓扑结构;C T 扫描
中图分类号:S 152.5 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2024)02-0092-09
E v o l u t i o no f S o i lM a c r o p o r eT o p o l o g
i c a l S t r u c t u r eA f t e r t h eA r t i f i c i a l I n t r o d u c t i o no f C a r a g a n ak o r s h i n s k i i i nD e s e r t S t e p p
e Y a n g Z h i q i a n g 1,2,
3,M e n g C h e n 2,3,
4,W a n g X i n g 2,3,
4,Z h uZ h i h a o 2,3,
4,S o n g N a i p i n g 2,3,
4,D uL i n g t o n g
2,3,
4
(1.C o l l e g e o f A g r i c u l t u r e ,N i n g x i aU n i v e r s i t y ,Y i n c h u a n 750021,C h i n a ;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f
L a n dD e g r a d a t i o na n dE c o s y s t e m R e s t o r a t i o n i nN o r t h w e s tC h i n a ,N i n g x i aU n i v e r s i t y ,
Y i n c h u a n 750021,C h i n a ;3.K e y L a b o r a t o r y o f R e s t o r a t i o na n dR e c o n s t r u c t i o no f D e g r a d e dE c o s y s t e mi nN o r t h w e s tC h i n a ,M i n i s t r y o f
E d u c a t i o n ,Y i n c h u a n 750021,C h i n a ;4.C o l l e g e o f E c o l o g y a n dE n v i r o n m e n t ,N i n g x i aU n i v e r s i t y ,
Y i n c h u a n 750021,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h ea i m so f t h i s s t u d y a r e t ou n d e r s t a n dt h ee f f e c t so f p l a n t e d C a r a g
a n ak o r s h i n s k i i o n s o i l e c o l o g i c a l p r o c e s s e s ,a n dt o p r o v i d eas c i e n t i f i c
b a s i sf o rt h e m a n a g e m e n to fa r t i f i
c i a lv e g e t a t i o n .[M e t h o
d s ]T h i s s t u d y f o c u s
e d o n t h e p l a n t e d C .k o r s h i n s k i i
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g e s r a n g i n g
f r o m9y e a r s t o 35y e a r s i na t y p i c a l d e s e r t
g r a s s l a n d a r e a o fY a n c
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i C o u n t y ,N i n g x i a .T h e c h a n g e s i n t h e g e o m e t r i cd i s t r i b u t i o na n d t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o fm a c r o p o r e s i ns o i l a f t e r t h e i n t r o d u c t i o no f C .k o r s h i n s k i i w e r es t u d i e d .C o m p u t e d t o m o g r a p h y (C T )s c a n n i n g a n d i m a g e p r o c e s s i n g w e r e a p p l i e d t o s o i l s a m p
l e s c o l l e c t e d f r o mt h e u n d i s t u r b e d
s o i l c o l u m n t o i d e n t i f y t h e g e o m e t r i c d i s t r i b u t i o no f s o i lm a c r o p o r e s a n d t h e i r t o p o l o g i c a l p a r a m e t e r s.T h e s e p a r a m e t e r s i n c l u d e d m a c r o p o r es u r f a c ea r e a,e q u i v a l e n td i a m e t e r,a n dc o n n e c t i v i t y.[R e s u l t s]T h et h r e e-d i m e n s i o n a l(3D)C Ti m a g e s i n d i c a t e d a r e l a t i v e l y s m a l l n u m b e r o fm a c r o p o r e s i n t h e0 200mms o i l l a y e r o f p l o t s0a,w h e r e a s t h o s e i nt h e0 200mml a y e ro fo t h e r p l o t sw e r es i g n i f i c a n t l y h i g h e ra n ds h o w e da m o r e c o m p l e x s t r u c t u r ew i t h s t a n d a g e.Q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s s h o w e d t h e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t h e q u a n t i-t i e s,l e n g t h s,e q u i v a l e n t d i a m e t e r s,a n d c o n n e c t i v i t y o fm a c r o p o r e s o f t h e s a m e s o i l l a y e r s b e t w e e n d i f f e r e n t a g e s o f C.k o r s h i n s k i i f o r e s t(p<0.05),a l t h o u g h t h e r ew e r e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n s u r f a c e a r e a d e n s i t y a n d v o l u m e d e n s i t y(p>0.05).T h e q u a n t i t y d e n s i t y a n d l e n g t h d e n s i t y o fm a c r o p o r e s i n t h e0 100m ma n d100 200m ms o i l l a y e r s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d(p<0.05)w i t h t h e i n c r e a s e o f f o r e s t a g e,w i t h t h a t i n s u r f a c e s o i l(0 100m m)e x c e e-d i n g t h a t i n d e e p s o i l(100 200mm).T h e e q u i v a l e n tm a c r o p o r e d i a m e t e r s f o r d i f f e r e n t a g e s o f C.k o r s h i n s k i i
f o r e s t d e c r e a s e d a n d i n c r e a s e ds i
g n i f i c a n t l y i n0 100mma n d100 200mms o i l l a y e r s,r e s p e c t i v e l y(p<
0.05).I n c o n t r a s t,m a c r o p o r e c o n n e c t i v i t y i n c r e a s e d a n dd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y i n t h e0 100mma n d100 200mms o i l l a y e r s,r e s p e c t i v e l y(p<0.05).F u r t h e r a n a l y s i s s h o w e d p o s i t i v e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n s t a n d a g e a n d t h en u m b e r d e n s i t y,l e n g t hd e n s i t y,a n ds u r f a c e a r e ad e n s i t y o fm a c r o p o r e s(p<0.05),b u t an e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t h t h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r o fm a c r o p o r e s(p<0.01),w h e r e a s t h e r ew a s n o s i g n i f i c a n t r e l a t i o n-s h i p w i t ht h ev o l u m ed e n s i t y o f m a c r o p o r e s(p>0.05).[C o n c l u s i o n]T h ea r t i f i c i a l i n t r o d u c t i o no f C. k o r s h i n s k i i f o r e s t c a n p r o m o t eac o m p l e xa n dc o m p a c tm a c r o p o r en e t w o r ks t r u c t u r e,t h e r e b y i m p r o v e t h e t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o fm a c r o p o r e s a n d i n c r e a s e s o i l c o n n e c t i v i t y.T h e s e e f f e c t s o n s o i l i n c r e a s ew i t h i n c r e a s e o f f o r e s t a g e.T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y c a n i n f o r mt h e u s e o f a r t i f i c i a l v e g e t a t i o n f o r r e s t o r a t i o n a n dm a n a g e-m e n t o f a e o l i a n s o i l i na r i d a n d s e m i-a r i d a r e a s.
K e y w o r d s:d e s e r ts t e p p e;p l a n t e d C a r a g a n ak o r s h i n s k i i;s o i lm a c r o p o r e;t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e;c o m p u t e d t o m o g r a p h y(C T)s c a n
仅占土壤体积1%的大孔隙,可传导90%的水流通量[1],是影响水分㊁养分运移与分布的主要因素,会导致农药及化肥等进入并污染地下水及河流㊁影响植被对养分的吸收利用等一系列生态问题[2]㊂异质性土壤环境下大孔隙的三维几何分布及拓扑结构特征是决定上述生态过程的主要因素[3]㊂因此,量化并分析土壤大孔隙几何分布及拓扑结构特征对于认识水分或养分分布㊁维护生态安全至关重要[4]㊂
以往研究表明,土壤大孔隙的形成和演变在很大程度上取决于农业管理㊁土壤特性㊁气候条件和其他非生物因素[5]㊂土壤类型和土地利用方式[6]㊁人为干扰㊁土壤动物和冻融等[7-9]因素都会影响大孔隙的形态分布特征㊂此外,人工植被建设同样是影响土壤大孔隙特征的重要因素,例如,W a n g等[10]研究不同林龄人工柠条林地和天然草地的土壤大孔隙结构发现,柠条林地土壤大孔隙平均直径在30a生林地达到最大;C u i等[11]发现柠条林地的平均孔径和面积远高于果树人工林地和苜蓿地;M e n g等[3]发现人工混交林地的土壤大孔隙数量密度及长度密度显著高于纯林地;华瑞[12]以退耕10a,25a林地和草地为研究对象,发现植被建设导致土壤大孔隙数量增加,且增加幅度随着退耕年限的增加而愈加显著㊂可见,人工植被建设是影响土壤大孔隙几何分布及拓扑结构的重要因素,认识人工植被建设及恢复过程中的土壤大孔隙演变特征,对于指导植被的可持续恢复具有重要意义㊂
荒漠草原属于草原向荒漠的过渡带,是我国北方生态屏障的前沿,在国家生态格局中具有极其重要的作用[13]㊂柠条作为沙地造林的理想树种,以其根系发达㊁固土能力强㊁耐旱等诸多优势,不仅能够有效提高造林的整体质量,而且对改善生态环境起着积极的作用[14]㊂然而,随着柠条生长过程中根系吸水㊁蒸发蒸腾作用耗水,加上荒漠草原地区降水不能得到及时补充,土壤水分下降导致土壤干层在11~20a阶段开始出现,直到深部土壤水分接近ȡ30a阶段的枯萎系数,从而造成植被的萎蔫或者永久衰败[15],影响了自然植被恢复过程中土人工林的稳定性和可持续性㊂了解柠条生长过程中土壤大孔隙演变特征,可为认识柠条林地下水㊁土㊁生过程及柠条林精细化管理提供科学依据及理论支撑[16]㊂本研究利用C T扫描技术和深度学习的图像处理技术,提取孔径当量>0.1 mm的孔隙作为大孔隙,对荒漠草原不同林龄柠条林地土壤大孔隙几何分布及拓扑结构特征进行分析,以
39
第2期杨志强等:荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征
期理解人工柠条林生长对地下生态过程的影响,为区域人工林恢复管理提供科学依据㊂
1 研究方法
1.1 研究区概况
研究区位于宁夏回族自治区吴忠市盐池县(37ʎ57'23ᵡ 37ʎ83'47ᵡN ,106ʎ77'99ᵡ 107ʎ50'70ᵡE ),北部与毛乌素沙地相邻,东南部衔接黄土高原,地势南
高北低[17]
㊂研究区平均海拔1600m ,近30a 间平均气
温为8.34ħ,年均降水量约为296.99m m ,属于典型的温带大陆性季风气候[18
]㊂夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,
两季平均温差28ħ左右,一年中无霜期为150d ㊂降雨集中分布在7 9月份,可达全年的60%以上,年均蒸发量为2710m m ㊂受蒙古西伯利亚气流的影响,
全年主要风向为西风和西北风,多发生在春季㊂研究区内主要土
壤类型为灰钙土和风沙土,主要植被有牛枝子(L e s p
e d e -z a p o t a n i n i i )㊁草木樨状黄耆(A s t r a g
a l u s m e l i l o -t o i d e s )㊁苦豆子(S o p h o r aa l o p e c u r o i d e s )㊁猪毛蒿(A r t e m i s i as c o p a r i a )㊁阿尔泰狗娃花(A s t e ra l t a i -c u s )㊁狗尾草(S e t a r i av i r i d i s )㊁短花针茅(S t i p a
b r e -v i f l o r a )㊁绵蓬(C o r i s p e r m u m h y s s o p i f o l i u m )㊁老瓜头(C y n a n
c h u mk o m a r o v i i )等㊂1.2 样地选取与取样方法
试验在宁夏盐池县荒漠草原区内进行,实地调查
后在坡度较为平缓的地带设置200mˑ200m 的研
究区,共在研究区设置4个样地,每个样地设置5m ˑ5m 的试验区,另外选取1种草地作为对照,4种
在草地上人工种植的不同年限的柠条林作为试验样地,即9a 生样地(2011年种植)㊁14a 生样地(2006年种植)㊁24a 生样地(1996年种植)㊁35a 生样地
(1985年种植)
,样地基本情况见表1㊂表1 试验点样地信息T a b l e 1 I n f o r m a t i o no f t e s t s i t e s
样地海拔/m 纬度(N )经度(E )9a
149737ʎ49'107ʎ29'14a 148938ʎ27'106ʎ13'24a 149137ʎ49'107ʎ29'35a 151937ʎ49'107ʎ30'0a 1511
37ʎ49'
107ʎ29'
通过对样地进行调查后,在人工引入的9a ,14a
,24a ,35a 的4种柠条样地各选取4个重复样点,草地样地(0a )选取2个重复样点㊂由于C T 扫描设备精度限制,为确保土壤大孔隙分析的精确性,每个扫描样品的高度需要控制在65mm 以内,所以用高度为65mm ㊁内径为50mm 的自制环刀在每个样点的0 10c m ,10 20c m 土层处各取2个环刀样品,
用于分析土壤大孔隙特征,即共有(4个林龄ˑ4个重复+1个对照ˑ2个重复)ˑ2层土壤=共计36个环
刀样品㊂采样方法同M e n g 等[3]
一致㊂另外,每个样地分别用普通环刀㊁铝盒和自封袋各取3个土壤样品
带回实验室,测定样地土壤基本理化性质(表2
)㊂表2 样地土壤基本性质
T a b l e 2 B a s i c p r o p e r t i e s o f s o i l i n s a m p
l e p l o t s 样地土层深度/c m 大孔隙度/%
土壤容重/(g
㊃m -3)稳渗速率/(mm ㊃m i n
-1
)土壤含水量/%9a 0 10
2.221.44ʃ0.022.23ʃ0.069.47ʃ0.2610 201.841.48ʃ0.012.57ʃ0.218.84ʃ0.6514a 0 102.781.29ʃ0.072.73ʃ0.068.85ʃ1.36
10 205.341.34ʃ0.013.00ʃ0.1012.23ʃ2.9824a 0 101.581.32ʃ0.012.67ʃ0.156.60ʃ4.5510 201.331.27ʃ0.033.00ʃ0.267.58ʃ1.7535a 0 101.801.31ʃ0.073.53ʃ0.2511.65ʃ1.8810 201.661.32ʃ0.053.37ʃ0.3210.05ʃ1.960a
0 101.631.31ʃ0.032.70ʃ0.207.98ʃ1.1110 201.32
1.36ʃ0.01
3.20ʃ0.30
7.80ʃ0.35
1.3 数据分析
1.3.1 C T 扫描与图像处理 C T 扫描所用仪器为三英精密有限公司生产的n a n o V o x e l -5000系列双射线源C T 系统(相关参数为:空间分辨率㊁像素细节分辨能力200n m ,供测样品尺寸直径ˑ高度<600mmˑ
600mm )㊂扫描用自制环刀所取的36个原状土柱,
每个土柱会得到2094张横向切层图像㊂首先利用
I m a g
e J 软件对扫描得到的所有横向切层图像进行预处理,得到二值化图像㊂然后在A v i z o 2019.1图像处理软件中导入二值化图像,通过对每个土柱的所有横切图像进行三维重构,可得到每个原状土样的三维可视化图像㊂具体方法如下:用N o n -L o c a lM e a n e s 模块滤波,整合处理后设置阈值分割,为了使重构模型接近真实试件,还需要通过裁剪功能修改单位,利
49 水土保持研究 第31卷
用V o l u m e-e d i t模块截取圆柱并生成m a s k,最终得到体素为0.137m m/p i x e l(X方向)ˑ0.137m m/p i x e l(Y方向)ˑ0.2m m/p i x e l(Z方向)的三维立体图像㊂
1.3.2参数分析由于在采样过程中,土柱边缘会产生反向的土壤压力,导致边缘土壤结构发生改变,因此在三维重建后,需要去除这种边缘效应带来的误差㊂经观察分析后决定去除土柱上下两端和圆周各1mm的数据㊂利用A v i z o2019.1软件中的R O I工具,去除上下两端1mm及边缘1mm的图像数据㊂最终得到X,Y轴-24~24mm,Z轴-32~32mm 的土柱三维立体图像数据㊂对图像进一步解析,提取所有孔径>0.1mm的孔隙,计算相关参数及其在图像中的位置,构建土壤大孔隙分布特征㊂大孔隙的阈值选取方法及各项特征参数的具体计算方法如下:
通过预制空气管法确定根系的阈值范围[3],在确定阈值范围后对选取出的大孔隙进行视觉直观检查,以确保阈值设置的合理,没有大面积的错误㊂确定阈值后分别勾画出土柱三维结构中的根系及大孔隙,使得土柱根系㊁大孔隙三维可视化,利用A v i z o2019.1软件的L a b e l a n a l y s i s模块对根系及大孔隙的参数分别进行计算,通过L a b e l a n a l y s i s模块分析可以得到
每个孔隙的等效直径㊁体积㊁表面积㊁直线长度㊁平滑度㊁异质性及空间位置㊂
利用E x c e l对所得数据进行分析总结,由于大孔隙及细根数量较多,不能逐一分析,因此计算各原状土柱每层(1mm/层)大孔隙的平均等效半径㊁体积密度㊁表面积密度(表面积之和除于总体积)㊁长度密度(直线长度之和除于总体积)㊁总数量㊁及连接度㊂1.4数据分析
运用S P S S26的o n e-w a y A N O V A分析不同处理间的差异显著性(pɤ0.05),用O r i g i n2021绘制大孔隙各项拓扑结构参数的土壤垂直分布图及等效直径分布柱状图,并进行相关性分析㊂
2结果与分析
2.1不同林龄柠条林土壤大孔隙三维结构特征
利用C T扫描及图像处理技术,对人工灌丛恢复过程中35a,24a,14a,9a,0a土壤进行取样测定,分析土壤大孔隙三维结构特征(图1)㊂可以看出,0a 样地中土壤大孔隙分布更为分散,孔径小且连接度差㊂35a样地土壤中形成的大孔隙数量多㊁连通性高,形成了致密的网络状结构㊂
图10-200m m土壤大孔隙几何分布特征
F i g.1C h a r a c t e r i z a t i o no f t h e g e o m e t r i c d i s t r i b u t i o no f0-200m ms o i lm a c r o p o r e s
2.2不同林龄柠条林土壤大孔隙数量及长度分布特征
由图2A及表3可以看出,不同林龄柠条林地同一土层土壤大孔隙数量密度之间差异显著(p<0.05)㊂在柠条引入后,土壤大孔隙数量密度随之增加,且随着林龄增加大孔隙数量密度增幅越大㊂其中,0 100m m土层柠条引入后土壤大孔隙数量的增大幅度高于100 200m m土层㊂在0 100m m土层内,9a,14a,24a, 35a样地中土壤大孔隙数量密度和0a相比,分别增加了48.7%,66.3%,74.8%,197.9%,而在100 200m m土层,9a,24a,35a样地较之0a分别增加了41.5%, 63.3%,69.5%,14a样地减少了18.5%㊂可见,柠条的种植及持续生长会导致土壤大孔隙数量显著增加,其中表层(0 100mm)土壤增加幅度要大于深层土壤㊂此外,随着土层深度的增加,草地及柠条林地土壤大孔隙数量密度均表现为先升高(0 40mm土层)后降低(40 165mm土层)的趋势㊂
由图2B及表3可以看出,不同林龄柠条林地同一土层土壤大孔隙长度密度之间差异显著(p<0.05)㊂随着柠条的引入及林龄的增加,土壤大孔隙长度密度呈现增加趋势㊂其中,在0 100m m土层中,9a,14a,24a, 35a样地大孔隙长度密度分别是0a的1.3,1.5,1.6,2.4倍,而在100 200m m土层中,9a,24a,35a样地大孔隙长度密度分别为0a的2.2,1.7,1.6倍,表层土壤(0 100mm)中的增加幅度随林龄增加而增大,而深层土壤(100 200mm)中的大孔隙长度密度增加幅度随林龄增加而减小㊂另外,除了9a样地外,其他各样地大孔隙长度密度均表现为0 100mm土层大于100 200mm土层㊂
59
第2期杨志强等:荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征
图2不同林龄柠条林不同土层深度大孔隙拓扑结构
F i g.2M a c r o p o r e t o p o l o g y o f C a r a g a n ak o r s h i n s k i i f o r e s t a t d i f f e r e n t s o i l d e p t h s o f d i f f e r e n t a g e s
2.3不同林龄柠条林土壤大孔隙体积及表面积分布
特征
从图2C及表3可以看出,不同林龄柠条林地同一土层土壤大孔隙体积密度之间差异不显著(p>0.05)㊂但分析发现在柠条引入后,土壤大孔隙体积密度随之增加,且随着林龄增加增幅增大㊂在0 100m m土层中,和0a相比,14a,24a,35a样地土壤大孔隙体积密度分别增加了11.0%,37.8%,71.9%,9a样地中减少了2.7%,而在100 200mm土层中,14a,24a,35a样地土壤大孔隙体积密度分别增加了5.0%,39.5%, 216.8%,9a样地减少了5.0%㊂可见,土壤大孔隙体积密度在柠条引入后的变化幅度表现为深层土壤(100 200mm)>表层土壤(0 100mm)㊂另外,除了35a样地,其他各样地大孔隙体积密度均表现为0 100mm土层大于100 200mm土层㊂
由图2D及表3可以看出,不同林龄柠条林地同一土层土壤大孔隙表面积密度之间差异不显著(p> 0.05)㊂但分析发现在柠条引入后,大孔隙表面积密度均增大,且增幅随着林龄增加而增大㊂在0 100 mm土层中,9a,14a,24a,35a样地大孔隙表面积密度分别为0a的1.0倍㊁1.4倍㊁1.3倍㊁1.7倍,而在100 200mm土层中,9a,24a,35a样地大孔隙体积密度分别为0a的1.2倍㊁1.3倍㊁2.3倍,可见在0 100mm及100 200mm土层的大孔隙表面积在柠条生长过程中的变化幅度相同㊂另外,除了35a 样地,其他各样地大孔隙表面积密度均表现为0 100mm土层大于100 200mm土层㊂
2.4不同林龄柠条林土壤大孔隙等效直径及连接度
分布特征
由图2E及表3可以看出,不同林龄柠条林地同一土
69水土保持研究第31卷
层土壤大孔隙等效直径之间差异显著(p <0.05)㊂柠条引入后,土壤大孔隙等效直径整体表现为增大趋势㊂其中在
0 100m m 土层,9a ,14a ,35a 样地中土壤大孔隙平均等
效直径较0a 分别减少了5.6%,2.8%,7.9%,而在100 200m m 土层中,14a ,24a ,35a 样地土壤大孔隙等效直径
较0a 分别增加了6.1%,3.1%,0.6%,表现为随着林龄增幅减小的趋势㊂对比大孔隙等效直径分布(图3),发现草地等效直径分布频率无显著规律,而在柠条引入后呈现正态分布,且随着林龄的增加,大孔径孔隙比例呈现出先增高(9~14a )后降低(24~35a
)的趋势㊂由图2F 可以看出,
不同林龄柠条林地同一土层土壤大孔隙连接度之间差异显著(p <0.05)㊂随着柠条林龄增加,0 100mm 土层中土壤大孔隙连接度呈减小趋势,且降幅逐渐增大,而在100 200mm 土层中,随着林龄增加,土壤大孔隙连接度呈增加趋势,
且增幅逐渐减小㊂其中,在0 100m m 土层,9a ,14a
,24a ,35a 样地土壤大孔隙连接度相比0a 分别减少了7.8%,7.1%,12.1%,14.5%;10 20c m 土层,9a ,14a ,24a ,35a 样地大孔隙连接度相比0a 分别增加了17.7%,39.7%,33.7%,27.9%㊂
表3 不同林龄柠条林地不同土层深度大孔隙拓扑结构特征
T a b l e 3 M a c r o -p o r e t o p o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f C a r a g a n ak o r s h i n s k i i f o r e s tw i t hd i f f e r e n t a g e s a t d i f f e r e n t s o i l d e p t h s 样地深度/mm 数量密度/(个㊃mm -3)
长度密度/(mm ㊃mm -3)
体积密度/(mm 3㊃mm -3)
表面积密度/(mm 2㊃mm -3)
等效直径/mm
连接度9a 0 100
1.4814ʃ0.0186c 0.2128ʃ0.0026c 0.0142ʃ0.0024a 0.2264ʃ0.0257a 0.1263ʃ0.0002c 17
2.0643ʃ0.7372b 100 2001.5106ʃ0.0362B 0.3371ʃ0.0083A 0.0113ʃ0.0019A 0.2227ʃ0.0173A 0.1247ʃ0.0002D 15
3.6138ʃ0.6261D 14a 0 1001.6562ʃ0.0270b 0.2468ʃ0.0039b 0.0162ʃ0.0039a 0.2484ʃ0.0361a 0.1301ʃ0.0002b 173.5338ʃ0.5115b 100 2000.8707ʃ0.0185D 0.1354ʃ0.0031D 0.0125ʃ0.0033A 0.1624ʃ0.0230A 0.1327ʃ0.0003A 182.3694ʃ0.8778A 24a 0 1001.7411ʃ0.0155b 0.2621ʃ0.0024b 0.0201ʃ0.0068a 0.2875ʃ0.0637a 0.1340ʃ0.0003a 16
4.2163ʃ0.5910c
100 2001.7435ʃ0.0209A 0.2584ʃ0.0028B 0.0166ʃ0.0024A 0.2422ʃ0.0181A 0.1289ʃ0.0002B 174.5990ʃ0.5400B 35a 0 1002.9669ʃ0.0441a 0.4040ʃ0.0064a 0.0251ʃ0.0091a 0.3789ʃ0.0706a 0.1232ʃ0.0002d 159.7698ʃ0.5123d 100 2001.8098ʃ0.0322A 0.2510ʃ0.0044B 0.0377ʃ0.0278A 0.4110ʃ0.2202A 0.1258ʃ0.0002C 166.9928ʃ0.4865C 0a
0 1000.9961ʃ0.0427d 0.1669ʃ0.0079d 0.0146ʃ0.0052a 0.2179ʃ0.0499a 0.1338ʃ0.0011a 186.7975ʃ1.8094a 100 2001.0677ʃ0.0177C
0.1555ʃ0.0027C
0.0119ʃ0.0075A
0.1799ʃ0.0755A
0.1251ʃ0.0003D
130.5558ʃ5.1063E
注:表中大㊁小写字母分别表示0 64mm ,100 164mm 土层不同林龄柠条林地土壤大孔隙各项参数存在显著性差异(p <0.
05)㊂3 林龄对大孔隙参数的影响
从图4可以看出,在所有大孔隙特征参数中,除
了大孔隙体积㊁连接度与部分特征参数之间无显著相关外,其余特征参数之间均存在显著相关(p <0.
05)㊂其中,林龄与大孔隙数量密度㊁长度密度㊁连接度之间相关程度更高(p <0.
01),呈极显著正相关,而林龄与大孔隙等效直径显著负相关(p <
0.01)㊂其中林龄与大孔隙连接度的相关程度最高(r =0.78**
,p <
0.01),表明林龄对土壤大孔隙的数量密度影响显著㊂
4 讨论
本研究发现,柠条引入后,0 100mm 和100
200mm 土层中土壤大孔隙数量密度㊁长度密度㊁体积密度㊁表面积密度变化规律基本一致,均表现为随着土层深度增加而增加,且随着林龄增大,增幅越来
越大,这与前人的研究结果一致[
19]
㊂柠条根系生长会影响土壤大孔隙发育程度,一方面植物根系尖端可
以克服土壤渗透阻力进入致密的土壤基质中,导致孔隙空间重组,并在腐烂之后留下生物孔,另一方面根
系会沿着阻力最小的路径生长,从而进入大孔隙[
20
]㊂但是无论哪种方式,根系进入土壤后都会改变土壤理化性质,从而促进土壤中大孔隙的形成和发育㊂本研究发现9a ,14a ,24a ,35a 这4个柠条样地中大土壤因孔隙等效直径最大分布范围不超过0.14mm ,
而石辉等[21
]研究发现林地土壤大孔隙半径范围集中在0.3~2.4mm ,
吕刚等[22
]发现大孔隙半径范围分布在0.5~2.3mm ㊂这是因为本研究对象为风沙土,
而已有研究多为天然林地,有较好的土壤发生层次㊂本研
究发现0 100mm 土层大孔隙数量密度㊁
长度密度㊁体积密度等均大于100 200c m 土层,而大孔隙等效直径相反,表现为100 200m m 土层大于0 100mm 土层㊂这是因为坡位㊁气候等对表层(0 100mm )土壤表面积密度和长度密度等影响显著,且直径小于2mm 的孔隙对地形差异高度敏感,
润湿和干燥循环促进了表层土壤中较小孔隙(0.7~1mm )
的形成,从而降低了大孔隙的平均直径[
23
]㊂7
9第2期 杨志强等:荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征
图3不同林龄土壤大孔隙平均等效直径分布
F i g.3D i s t r i b u t i o no f a v e r a g e e q u i v a l e n t d i a m e t e r o f
s o i lm a c r o p o r e s a t d i f f e r e n t f o r e s t a g e s 注:*代表pɤ0.05,**代表pɤ0.01㊂
图4柠条林龄与土壤大孔隙结构参数相关关系
F i g.4C o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e a g e o f C a r a g a n ak o r s h i n s k i i
s t a n da n d s o i lm a c r o p o r e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s
通过对土壤空间内孔隙的连接点以及端点进行计算,可以量化土壤孔隙结构连接度,土壤孔隙的连接度越高,说明孔隙体之间以及土壤孔隙通道连接程度越密切㊂本研究发现0a和9a样地0 100mm 土层大孔隙连接度要大于0 200mm土层,而随着柠条林龄增加14a,24a,35a样地大孔隙连接度相反,表现为100 200m m土层连接度大于0 100m m 土层㊂这主要与土壤孔隙数量㊁体积以及在空间中的分布情况有关[24],一定程度上,土壤孔隙数量的增加可以提高土壤中孤立孔隙之间的连接程度,改善土壤结构使得原本较为紧实的土壤土体变得宽松,从而增加了孤立孔隙间的连接点密度,进而提高该深度的土壤孔隙连接度㊂另外,土壤孔隙数量密度的增加有利于提高柠条根系的伸展延伸空间,提高大孔隙之间的连接度,这也是在100 200mm土层深度中大孔隙数量分布减少的情况下,土壤孔隙的连接度仍出现增加的主要原因㊂
土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小㊁数量搭配和空间分布状况的综合反映,其结构的复杂性和异质性决定着土壤水分迁移㊁气体扩散和生物活动等过程[25]㊂因此,量化孔隙几何特征(体积㊁表面积等)和拓扑特征(连接度等)有助于我们更好地认识这一过程㊂而相比于传统法对土壤破坏程度较大,所获取数据不能很好地反映土壤理化性质的局限性[26],C T扫描结合深度学习的图像处理技术可以在不破坏土壤结构的前提下,快速高效地获取人工柠条土壤大孔隙几何分布图像,为量化其拓扑结构参数奠定基础,从而精确认识人工柠条生长年限增加和土壤大孔隙演
89水土保持研究第31卷
变特征之间的关系㊂以往研究[27]证明土壤大孔隙的发育会引起土壤水分优先入渗及土壤水分格局的改变,本研究发现柠条的种植及生长会导致土壤大孔隙几何分布及拓扑结构分布格局的变化,形成不同土层间的异质性分布㊂这些变化最终会导致柠条种植及生长过程中土壤水分格局的变化,从而影响植物的生长与恢复㊂
5结论
(1)通过C T扫描结合图像处理技术,可以明显看出柠条引入年限对大孔隙三维结构的影响㊂和0a 样地相比,9a,14a样地0 200mm土层大孔隙数量整体较少,而24a,35a样地在0 200mm土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂㊂
(2)不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度㊁长度密度㊁等效直径㊁连接度之间差异显著(p< 0.05),而表面积密度㊁体积密度无显著差异(p>0.05)㊂和0a样地相比,9a,14a,24a,35a样地在0 100 mm和100 200mm土层大孔隙数量密度㊁长度密度均显著增加(p<0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0 100mm)增幅要大于深层土壤(100 200mm);和0a相比,不同林龄柠条林地大孔隙等效直径在0 100mm土层显著减小,在100 200土层显著增加(p<0.05);不同林龄柠条林地大孔隙连接度恰好相反,表现为在0 100mm土层显著增加,而在100 200mm土层显著减小(p<0.05)㊂
(3)通过相关性分析发现,林龄与大孔隙数量密度㊁长度密度呈极显著正相关(p<0.01),与表面积密度显著正相关(p<0.05),与大孔隙等效直径显著负相关(p<0.01),与大孔隙体积密度差异不显著(p> 0.05),其中林龄与大孔隙连接度的相关程度最高(r= 0.78**,p<0.01)㊂表明柠条林龄对土壤大孔隙的结构及几何分布影响显著㊂
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