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,孟晨,王兴,朱志昊,宋乃平,杜灵通

(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)

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、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、影响植被对养分的吸收利用等一系列生态问题[2]。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]。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、维护生态安全至关重要[4]。

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、土壤特性、气候条件和其他非生物因素[5]。土壤类型和土地利用方式[6]、人为干扰、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。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,Wang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30 a生林地达到最大;Cui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;Meng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10 a,25 a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。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。

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]。柠条作为沙地造林的理想树种,以其根系发达、固土能力强、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]。然而,随着柠条生长过程中根系吸水、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11～20 a阶段开始出现,直到深部土壤水分接近≥30 a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。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、土、生过程及柠条林精细化管理提供科学依据及理论支撑[16]。本研究利用CT 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。

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(37°57′23″—37°83′47″N,106°77′99″—107°50′70″E),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]。研究区平均海拔1 600 m,近30 a间平均气温为8.34℃,年均降水量约为296.99 mm,属于典型的温带大陆性季风气候[18]。夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,两季平均温差28℃左右,一年中无霜期为150 d。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2 710 mm。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。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(Lespedezapotaninii)、草木樨状黄耆(Astragalusmelilotoides)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、阿尔泰狗娃花(Asteraltaicus)、狗尾草(Setariaviridis)、短花针茅(Stipabreviflora)、绵蓬(Corispermumhyssopifolium)、老瓜头(Cynanchumkomarovii)等。

1.2 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200 m×200 m 的研究区,共在研究区设置4个样地,每个样地设置5 m×5 m 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9 a生样地(2011年种植)、14 a生样地(2006年种植)、24 a生样地(1996 年种植)、35 a 生样地(1985年种植),样地基本情况见表1。

表1 试验点样地信息Table 1 Information of test sites

通过对样地进行调查后,在人工引入的9 a,14 a,24 a,35 a的4种柠条样地各选取4个重复样点,草地样地(0 a)选取2个重复样点。由于CT 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65 mm 以内,所以用高度为65 mm、内径为50 mm 的自制环刀在每个样点的0—10 cm,10—20 cm 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×4个重复+1个对照×2个重复)×2层土壤=共计36个环刀样品。采样方法同Meng等[3]一致。另外,每个样地分别用普通环刀、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)。

表2 样地土壤基本性质Table 2 Basic properties of soil in sample plots

1.3 数据分析

1.3.1 CT 扫描与图像处理 CT 扫描所用仪器为三英精密有限公司生产的nano Voxel-5000系列双射线源CT 系统(相关参数为:空间分辨率、像素细节分辨能力200 nm,供测样品尺寸直径×高度＜600 mm×600 mm)。扫描用自制环刀所取的36个原状土柱,每个土柱会得到2 094张横向切层图像。首先利用Image 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。然后在Avizo 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。具体方法如下:用Non-Local Meanes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,利用Volume-edit模块截取圆柱并生成mask,最终得到体素为0.137 mm/pixel(X 方向)×0.137 mm/pixel(Y 方向)×0.2 mm/pixel(Z方向)的三维立体图像。

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。经观察分析后决定去除土柱上下两端和圆周各1 mm 的数据。利用Avizo 2019.1软件中的ROI工具,去除上下两端1 mm 及边缘1 mm 的图像数据。最终得到X,Y 轴-24～24 mm,Z轴-32～32 mm的土柱三维立体图像数据。对图像进一步解析,提取所有孔径＞0.1 mm 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。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。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、大孔隙三维可视化,利用Avizo2019.1软件的Label analysis模块对根系及大孔隙的参数分别进行计算,通过Label analysis模块分析可以得到每个孔隙的等效直径、体积、表面积、直线长度、平滑度、异质性及空间位置。

利用Excel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(1 mm/层)大孔隙的平均等效半径、体积密度、表面积密度(表面积之和除于总体积)、长度密度(直线长度之和除于总体积)、总数量、及连接度。

1.4 数据分析

运用SPSS 26的one-way ANOVA 分析不同处理间的差异显著性(p≤0.05),用Origin 2021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。

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CT 扫描及图像处理技术,对人工灌丛恢复过程中35 a,24 a,14 a,9 a,0 a土壤进行取样测定,分析土壤大孔隙三维结构特征(图1)。可以看出,0 a样地中土壤大孔隙分布更为分散,孔径小且连接度差。35 a样地土壤中形成的大孔隙数量多、连通性高,形成了致密的网络状结构。

图1 0-200 mm 土壤大孔隙几何分布特征Fig.1 Characterization of the geometric distribution of 0-200 mm soil macropores

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)。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。其中,0—100 mm 土层柠条引入后土壤大孔隙数量的增大幅度高于100—200 mm土层。在0—100 mm 土层内,9 a,14 a,24 a,35 a样地中土壤大孔隙数量密度和0 a相比,分别增加了48.7%,66.3%,74.8%,197.9%,而在100—200 mm 土层,9 a,24 a,35 a样地较之0 a分别增加了41.5%,63.3%,69.5%,14 a样地减少了18.5%。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—100 mm)土壤增加幅度要大于深层土壤。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—40 mm 土层)后降低(40—165 mm 土层)的趋势。

图2 不同林龄柠条林不同土层深度大孔隙拓扑结构Fig.2 Macropore topology of Caragana korshinskii forest at different soil depths of different ages

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Table 3 Macro-pore topological characteristics of Caragana korshinskii forest with different ages at different soil depths

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)。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。其中,在0—100 mm 土层中,9 a,14 a,24 a,35 a样地大孔隙长度密度分别是0 a的1.3,1.5,1.6,2.4倍,而在100—200 mm土层中,9 a,24 a,35 a样地大孔隙长度密度分别为0 a的2.2,1.7,1.6倍,表层土壤(0—100 mm)中的增加幅度随林龄增加而增大,而深层土壤(100—200 mm)中的大孔隙长度密度增加幅度随林龄增加而减小。另外,除了9 a样地外,其他各样地大孔隙长度密度均表现为0—100 mm 土层大于100—200 mm 土层。

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)。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。在0—100 mm 土层中,和0 a相比,14 a,24 a,35 a样地土壤大孔隙体积密度分别增加了11.0%,37.8%,71.9%,9 a样地中减少了2.7%,而在100—200 mm 土层中,14 a,24 a,35 a样地土壤大孔隙体积密度分别增加了5.0%,39.5%,216.8%,9 a样地减少了5.0%。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—200 mm)＞表层土壤(0—100 mm)。另外,除了35 a样地,其他各样地大孔隙体积密度均表现为0—100 mm 土层大于100—200 mm 土层。

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)。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。在0—100 mm 土层中,9 a,14 a,24 a,35 a样地大孔隙表面积密度分别为0 a的1.0倍、1.4倍、1.3倍、1.7倍,而在100—200 mm 土层中,9 a,24 a,35 a样地大孔隙体积密度分别为0 a的1.2 倍、1.3 倍、2.3 倍,可见在0—100 mm 及100—200 mm 土层的大孔隙表面积在柠条生长过程中的变化幅度相同。另外,除了35 a样地,其他各样地大孔隙表面积密度均表现为0—100 mm 土层大于100—200 mm 土层。

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层土壤大孔隙等效直径之间差异显著(p＜0.05)。柠条引入后,土壤大孔隙等效直径整体表现为增大趋势。其中在0—100 mm土层,9 a,14 a,35 a样地中土壤大孔隙平均等效直径较0 a分别减少了5.6%,2.8%,7.9%,而在100—200 mm土层中,14 a,24 a,35 a样地土壤大孔隙等效直径较0 a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。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(9～14 a)后降低(24～35 a)的趋势。

图3 不同林龄土壤大孔隙平均等效直径分布Fig.3 Distribution of average equivalent diameter of soil macropores at different forest ages

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)。随着柠条林龄增加,0—100 mm 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—200 mm 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。其中,在0—100 mm土层,9 a,14 a,24 a,35 a样地土壤大孔隙连接度相比0 a分别减少了7.8%,7.1%,12.1%,14.5%;10—20 cm 土层,9 a,14 a,24 a,35 a样地大孔隙连接度相比0 a分别增加了17.7%,39.7%,33.7%,27.9%。

3 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、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)。其中,林龄与大孔隙数量密度、长度密度、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)。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。

图4 柠条林龄与土壤大孔隙结构参数相关关系Fig.4 Correlation between the age of Caragana korshinskii stand and soil macropore structure parameters

4 讨论

本研究发现,柠条引入后,0—100 mm 和100—200 mm 土层中土壤大孔隙数量密度、长度密度、体积密度、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]。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]。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。本研究发现9 a,14 a,24 a,35 a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0.14 mm,而石辉等[21]研究发现林地土壤大孔隙半径范围集中在0.3～2.4 mm,吕刚等[22]发现大孔隙半径范围分布在0.5～2.3 mm。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。本研究发现0—100 mm 土层大孔隙数量密度、长度密度、体积密度等均大于100—200 cm 土层,而大孔隙等效直径相反,表现为100—200 mm 土层大于0—100 mm土层。这是因为坡位、气候等对表层(0—100 mm)土壤表面积密度和长度密度等影响显著,且直径小于2 mm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(0.7～1 mm)的形成,从而降低了大孔隙的平均直径[23]。

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。本研究发现0 a和9 a样地0—100 mm土层大孔隙连接度要大于0—200 mm 土层,而随着柠条林龄增加14 a,24 a,35 a样地大孔隙连接度相反,表现为100—200 mm 土层连接度大于0—100 mm土层。这主要与土壤孔隙数量、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。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—200 mm 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。

土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小、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、气体扩散和生物活动等过程[25]。因此,量化孔隙几何特征(体积、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。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],CT 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变特征之间的关系。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。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。

5 结论

(1)通过CT 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。和0 a样地相比,9 a,14 a样地0—200 mm 土层大孔隙数量整体较少,而24 a,35 a样地在0—200 mm 土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂。

(2)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)。和0 a样地相比,9 a,14 a,24 a,35 a样地在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);和0 a相比,不同林龄柠条林地大孔隙等效直径在0—100 mm 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—100 mm 土层显著增加,而在100—200 mm 土层显著减小(p＜0.05)。

(3)通过相关性分析发现,林龄与大孔隙数量密度、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)。表明柠条林龄对土壤大孔隙的结构及几何分布影响显著。