荒漠草原人工檸條引入后土壤大孔隙拓撲結構演變特征

楊志強,孟晨,王興,朱志昊,宋乃平,杜靈通

(1.寧夏大學農學院,銀川 750021;2.寧夏大學西北土地退化與生態系統恢復國家重點實驗室培養基地,銀川 750021;3.西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室,銀川 750021;4.寧夏大學生態環境學院,銀川 750021)

僅占土壤體積1%的大孔隙,可傳導90%的水流通量[1],是影響水分、養分運移與分布的主要因素,會導致農藥及化肥等進入并污染地下水及河流、影響植被對養分的吸收利用等一系列生態問題[2]。異質性土壤環境下大孔隙的三維幾何分布及拓撲結構特征是決定上述生態過程的主要因素[3]。因此,量化并分析土壤大孔隙幾何分布及拓撲結構特征對于認識水分或養分分布、維護生態安全至關重要[4]。

以往研究表明,土壤大孔隙的形成和演變在很大程度上取決于農業管理、土壤特性、氣候條件和其他非生物因素[5]。土壤類型和土地利用方式[6]、人為干擾、土壤動物和凍融等[7-9]因素都會影響大孔隙的形態分布特征。此外,人工植被建設同樣是影響土壤大孔隙特征的重要因素,例如,Wang等[10]研究不同林齡人工檸條林地和天然草地的土壤大孔隙結構發現,檸條林地土壤大孔隙平均直徑在30 a生林地達到最大;Cui等[11]發現檸條林地的平均孔徑和面積遠高于果樹人工林地和苜蓿地;Meng等[3]發現人工混交林地的土壤大孔隙數量密度及長度密度顯著高于純林地;華瑞[12]以退耕10 a,25 a林地和草地為研究對象,發現植被建設導致土壤大孔隙數量增加,且增加幅度隨著退耕年限的增加而愈加顯著?？梢?人工植被建設是影響土壤大孔隙幾何分布及拓撲結構的重要因素,認識人工植被建設及恢復過程中的土壤大孔隙演變特征,對于指導植被的可持續恢復具有重要意義。

荒漠草原屬于草原向荒漠的過渡帶,是我國北方生態屏障的前沿,在國家生態格局中具有極其重要的作用[13]。檸條作為沙地造林的理想樹種,以其根系發達、固土能力強、耐旱等諸多優勢,不僅能夠有效提高造林的整體質量,而且對改善生態環境起著積極的作用[14]。然而,隨著檸條生長過程中根系吸水、蒸發蒸騰作用耗水,加上荒漠草原地區降水不能得到及時補充,土壤水分下降導致土壤干層在11～20 a階段開始出現,直到深部土壤水分接近≥30 a階段的枯萎系數,從而造成植被的萎蔫或者永久衰敗[15],影響了自然植被恢復過程中土人工林的穩定性和可持續性。了解檸條生長過程中土壤大孔隙演變特征,可為認識檸條林地下水、土、生過程及檸條林精細化管理提供科學依據及理論支撐[16]。本研究利用CT 掃描技術和深度學習的圖像處理技術,提取孔徑當量＞0.1 mm 的孔隙作為大孔隙,對荒漠草原不同林齡檸條林地土壤大孔隙幾何分布及拓撲結構特征進行分析,以期理解人工檸條林生長對地下生態過程的影響,為區域人工林恢復管理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區吳忠市鹽池縣(37°57′23″—37°83′47″N,106°77′99″—107°50′70″E),北部與毛烏素沙地相鄰,東南部銜接黃土高原,地勢南高北低[17]。研究區平均海拔1 600 m,近30 a間平均氣溫為8.34℃,年均降水量約為296.99 mm,屬于典型的溫帶大陸性季風氣候[18]。夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,兩季平均溫差28℃左右,一年中無霜期為150 d。降雨集中分布在7—9月份,可達全年的60%以上,年均蒸發量為2 710 mm。受蒙古西伯利亞氣流的影響,全年主要風向為西風和西北風,多發生在春季。研究區內主要土壤類型為灰鈣土和風沙土,主要植被有牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilotoides)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)、狗尾草(Setariaviridis)、短花針茅(Stipabreviflora)、綿蓬(Corispermumhyssopifolium)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)等。

1.2 樣地選取與取樣方法

試驗在寧夏鹽池縣荒漠草原區內進行,實地調查后在坡度較為平緩的地帶設置200 m×200 m 的研究區,共在研究區設置4個樣地,每個樣地設置5 m×5 m 的試驗區,另外選取1種草地作為對照,4種在草地上人工種植的不同年限的檸條林作為試驗樣地,即9 a生樣地(2011年種植)、14 a生樣地(2006年種植)、24 a生樣地(1996 年種植)、35 a 生樣地(1985年種植),樣地基本情況見表1。

表1 試驗點樣地信息Table 1 Information of test sites

通過對樣地進行調查后,在人工引入的9 a,14 a,24 a,35 a的4種檸條樣地各選取4個重復樣點,草地樣地(0 a)選取2個重復樣點。由于CT 掃描設備精度限制,為確保土壤大孔隙分析的精確性,每個掃描樣品的高度需要控制在65 mm 以內,所以用高度為65 mm、內徑為50 mm 的自制環刀在每個樣點的0—10 cm,10—20 cm 土層處各取2個環刀樣品,用于分析土壤大孔隙特征,即共有(4個林齡×4個重復+1個對照×2個重復)×2層土壤=共計36個環刀樣品。采樣方法同Meng等[3]一致。另外,每個樣地分別用普通環刀、鋁盒和自封袋各取3個土壤樣品帶回實驗室,測定樣地土壤基本理化性質(表2)。

表2 樣地土壤基本性質Table 2 Basic properties of soil in sample plots

1.3 數據分析

1.3.1 CT 掃描與圖像處理 CT 掃描所用儀器為三英精密有限公司生產的nano Voxel-5000系列雙射線源CT 系統(相關參數為:空間分辨率、像素細節分辨能力200 nm,供測樣品尺寸直徑×高度＜600 mm×600 mm)。掃描用自制環刀所取的36個原狀土柱,每個土柱會得到2 094張橫向切層圖像。首先利用Image J軟件對掃描得到的所有橫向切層圖像進行預處理,得到二值化圖像。然后在Avizo 2019.1圖像處理軟件中導入二值化圖像,通過對每個土柱的所有橫切圖像進行三維重構,可得到每個原狀土樣的三維可視化圖像。具體方法如下:用Non-Local Meanes模塊濾波,整合處理后設置閾值分割,為了使重構模型接近真實試件,還需要通過裁剪功能修改單位,利用Volume-edit模塊截取圓柱并生成mask,最終得到體素為0.137 mm/pixel(X 方向)×0.137 mm/pixel(Y 方向)×0.2 mm/pixel(Z方向)的三維立體圖像。

1.3.2 參數分析 由于在采樣過程中,土柱邊緣會產生反向的土壤壓力,導致邊緣土壤結構發生改變,因此在三維重建后,需要去除這種邊緣效應帶來的誤差。經觀察分析后決定去除土柱上下兩端和圓周各1 mm 的數據。利用Avizo 2019.1軟件中的ROI工具,去除上下兩端1 mm 及邊緣1 mm 的圖像數據。最終得到X,Y 軸-24～24 mm,Z軸-32～32 mm的土柱三維立體圖像數據。對圖像進一步解析,提取所有孔徑＞0.1 mm 的孔隙,計算相關參數及其在圖像中的位置,構建土壤大孔隙分布特征。大孔隙的閾值選取方法及各項特征參數的具體計算方法如下:

通過預制空氣管法確定根系的閾值范圍[3],在確定閾值范圍后對選取出的大孔隙進行視覺直觀檢查,以確保閾值設置的合理,沒有大面積的錯誤。確定閾值后分別勾畫出土柱三維結構中的根系及大孔隙,使得土柱根系、大孔隙三維可視化,利用Avizo2019.1軟件的Label analysis模塊對根系及大孔隙的參數分別進行計算,通過Label analysis模塊分析可以得到每個孔隙的等效直徑、體積、表面積、直線長度、平滑度、異質性及空間位置。

利用Excel對所得數據進行分析總結,由于大孔隙及細根數量較多,不能逐一分析,因此計算各原狀土柱每層(1 mm/層)大孔隙的平均等效半徑、體積密度、表面積密度(表面積之和除于總體積)、長度密度(直線長度之和除于總體積)、總數量、及連接度。

1.4 數據分析

運用SPSS 26的one-way ANOVA 分析不同處理間的差異顯著性(p≤0.05),用Origin 2021繪制大孔隙各項拓撲結構參數的土壤垂直分布圖及等效直徑分布柱狀圖,并進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同林齡檸條林土壤大孔隙三維結構特征

利用CT 掃描及圖像處理技術,對人工灌叢恢復過程中35 a,24 a,14 a,9 a,0 a土壤進行取樣測定,分析土壤大孔隙三維結構特征(圖1)?？梢钥闯?0 a樣地中土壤大孔隙分布更為分散,孔徑小且連接度差。35 a樣地土壤中形成的大孔隙數量多、連通性高,形成了致密的網絡狀結構。

圖1 0-200 mm 土壤大孔隙幾何分布特征Fig.1 Characterization of the geometric distribution of 0-200 mm soil macropores

2.2 不同林齡檸條林土壤大孔隙數量及長度分布特征

由圖2A及表3可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙數量密度之間差異顯著(p＜0.05)。在檸條引入后,土壤大孔隙數量密度隨之增加,且隨著林齡增加大孔隙數量密度增幅越大。其中,0—100 mm 土層檸條引入后土壤大孔隙數量的增大幅度高于100—200 mm土層。在0—100 mm 土層內,9 a,14 a,24 a,35 a樣地中土壤大孔隙數量密度和0 a相比,分別增加了48.7%,66.3%,74.8%,197.9%,而在100—200 mm 土層,9 a,24 a,35 a樣地較之0 a分別增加了41.5%,63.3%,69.5%,14 a樣地減少了18.5%?？梢?檸條的種植及持續生長會導致土壤大孔隙數量顯著增加,其中表層(0—100 mm)土壤增加幅度要大于深層土壤。此外,隨著土層深度的增加,草地及檸條林地土壤大孔隙數量密度均表現為先升高(0—40 mm 土層)后降低(40—165 mm 土層)的趨勢。

圖2 不同林齡檸條林不同土層深度大孔隙拓撲結構Fig.2 Macropore topology of Caragana korshinskii forest at different soil depths of different ages

表3 不同林齡檸條林地不同土層深度大孔隙拓撲結構特征Table 3 Macro-pore topological characteristics of Caragana korshinskii forest with different ages at different soil depths

由圖2B及表3可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙長度密度之間差異顯著(p＜0.05)。隨著檸條的引入及林齡的增加,土壤大孔隙長度密度呈現增加趨勢。其中,在0—100 mm 土層中,9 a,14 a,24 a,35 a樣地大孔隙長度密度分別是0 a的1.3,1.5,1.6,2.4倍,而在100—200 mm土層中,9 a,24 a,35 a樣地大孔隙長度密度分別為0 a的2.2,1.7,1.6倍,表層土壤(0—100 mm)中的增加幅度隨林齡增加而增大,而深層土壤(100—200 mm)中的大孔隙長度密度增加幅度隨林齡增加而減小。另外,除了9 a樣地外,其他各樣地大孔隙長度密度均表現為0—100 mm 土層大于100—200 mm 土層。

2.3 不同林齡檸條林土壤大孔隙體積及表面積分布特征

從圖2C及表3可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙體積密度之間差異不顯著(p＞0.05)。但分析發現在檸條引入后,土壤大孔隙體積密度隨之增加,且隨著林齡增加增幅增大。在0—100 mm 土層中,和0 a相比,14 a,24 a,35 a樣地土壤大孔隙體積密度分別增加了11.0%,37.8%,71.9%,9 a樣地中減少了2.7%,而在100—200 mm 土層中,14 a,24 a,35 a樣地土壤大孔隙體積密度分別增加了5.0%,39.5%,216.8%,9 a樣地減少了5.0%?？梢?土壤大孔隙體積密度在檸條引入后的變化幅度表現為深層土壤(100—200 mm)＞表層土壤(0—100 mm)。另外,除了35 a樣地,其他各樣地大孔隙體積密度均表現為0—100 mm 土層大于100—200 mm 土層。

由圖2D 及表3可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙表面積密度之間差異不顯著(p＞0.05)。但分析發現在檸條引入后,大孔隙表面積密度均增大,且增幅隨著林齡增加而增大。在0—100 mm 土層中,9 a,14 a,24 a,35 a樣地大孔隙表面積密度分別為0 a的1.0倍、1.4倍、1.3倍、1.7倍,而在100—200 mm 土層中,9 a,24 a,35 a樣地大孔隙體積密度分別為0 a的1.2 倍、1.3 倍、2.3 倍,可見在0—100 mm 及100—200 mm 土層的大孔隙表面積在檸條生長過程中的變化幅度相同。另外,除了35 a樣地,其他各樣地大孔隙表面積密度均表現為0—100 mm 土層大于100—200 mm 土層。

2.4 不同林齡檸條林土壤大孔隙等效直徑及連接度分布特征

由圖2E及表3可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙等效直徑之間差異顯著(p＜0.05)。檸條引入后,土壤大孔隙等效直徑整體表現為增大趨勢。其中在0—100 mm土層,9 a,14 a,35 a樣地中土壤大孔隙平均等效直徑較0 a分別減少了5.6%,2.8%,7.9%,而在100—200 mm土層中,14 a,24 a,35 a樣地土壤大孔隙等效直徑較0 a分別增加了6.1%,3.1%,0.6%,表現為隨著林齡增幅減小的趨勢。對比大孔隙等效直徑分布(圖3),發現草地等效直徑分布頻率無顯著規律,而在檸條引入后呈現正態分布,且隨著林齡的增加,大孔徑孔隙比例呈現出先增高(9～14 a)后降低(24～35 a)的趨勢。

圖3 不同林齡土壤大孔隙平均等效直徑分布Fig.3 Distribution of average equivalent diameter of soil macropores at different forest ages

由圖2F可以看出,不同林齡檸條林地同一土層土壤大孔隙連接度之間差異顯著(p＜0.05)。隨著檸條林齡增加,0—100 mm 土層中土壤大孔隙連接度呈減小趨勢,且降幅逐漸增大,而在100—200 mm 土層中,隨著林齡增加,土壤大孔隙連接度呈增加趨勢,且增幅逐漸減小。其中,在0—100 mm土層,9 a,14 a,24 a,35 a樣地土壤大孔隙連接度相比0 a分別減少了7.8%,7.1%,12.1%,14.5%;10—20 cm 土層,9 a,14 a,24 a,35 a樣地大孔隙連接度相比0 a分別增加了17.7%,39.7%,33.7%,27.9%。

3 林齡對大孔隙參數的影響

從圖4可以看出,在所有大孔隙特征參數中,除了大孔隙體積、連接度與部分特征參數之間無顯著相關外,其余特征參數之間均存在顯著相關(p＜0.05)。其中,林齡與大孔隙數量密度、長度密度、連接度之間相關程度更高(p＜0.01),呈極顯著正相關,而林齡與大孔隙等效直徑顯著負相關(p＜0.01)。其中林齡與大孔隙連接度的相關程度最高(r=0.78**,p＜0.01),表明林齡對土壤大孔隙的數量密度影響顯著。

圖4 檸條林齡與土壤大孔隙結構參數相關關系Fig.4 Correlation between the age of Caragana korshinskii stand and soil macropore structure parameters

4 討論

本研究發現,檸條引入后,0—100 mm 和100—200 mm 土層中土壤大孔隙數量密度、長度密度、體積密度、表面積密度變化規律基本一致,均表現為隨著土層深度增加而增加,且隨著林齡增大,增幅越來越大,這與前人的研究結果一致[19]。檸條根系生長會影響土壤大孔隙發育程度,一方面植物根系尖端可以克服土壤滲透阻力進入致密的土壤基質中,導致孔隙空間重組,并在腐爛之后留下生物孔,另一方面根系會沿著阻力最小的路徑生長,從而進入大孔隙[20]。但是無論哪種方式,根系進入土壤后都會改變土壤理化性質,從而促進土壤中大孔隙的形成和發育。本研究發現9 a,14 a,24 a,35 a這4個檸條樣地中大土壤因孔隙等效直徑最大分布范圍不超過0.14 mm,而石輝等[21]研究發現林地土壤大孔隙半徑范圍集中在0.3～2.4 mm,呂剛等[22]發現大孔隙半徑范圍分布在0.5～2.3 mm。這是因為本研究對象為風沙土,而已有研究多為天然林地,有較好的土壤發生層次。本研究發現0—100 mm 土層大孔隙數量密度、長度密度、體積密度等均大于100—200 cm 土層,而大孔隙等效直徑相反,表現為100—200 mm 土層大于0—100 mm土層。這是因為坡位、氣候等對表層(0—100 mm)土壤表面積密度和長度密度等影響顯著,且直徑小于2 mm的孔隙對地形差異高度敏感,潤濕和干燥循環促進了表層土壤中較小孔隙(0.7～1 mm)的形成,從而降低了大孔隙的平均直徑[23]。

通過對土壤空間內孔隙的連接點以及端點進行計算,可以量化土壤孔隙結構連接度,土壤孔隙的連接度越高,說明孔隙體之間以及土壤孔隙通道連接程度越密切。本研究發現0 a和9 a樣地0—100 mm土層大孔隙連接度要大于0—200 mm 土層,而隨著檸條林齡增加14 a,24 a,35 a樣地大孔隙連接度相反,表現為100—200 mm 土層連接度大于0—100 mm土層。這主要與土壤孔隙數量、體積以及在空間中的分布情況有關[24],一定程度上,土壤孔隙數量的增加可以提高土壤中孤立孔隙之間的連接程度,改善土壤結構使得原本較為緊實的土壤土體變得寬松,從而增加了孤立孔隙間的連接點密度,進而提高該深度的土壤孔隙連接度。另外,土壤孔隙數量密度的增加有利于提高檸條根系的伸展延伸空間,提高大孔隙之間的連接度,這也是在100—200 mm 土層深度中大孔隙數量分布減少的情況下,土壤孔隙的連接度仍出現增加的主要原因。

土壤孔隙結構是土壤孔隙的形態大小、數量搭配和空間分布狀況的綜合反映,其結構的復雜性和異質性決定著土壤水分遷移、氣體擴散和生物活動等過程[25]。因此,量化孔隙幾何特征(體積、表面積等)和拓撲特征(連接度等)有助于我們更好地認識這一過程。而相比于傳統法對土壤破壞程度較大,所獲取數據不能很好地反映土壤理化性質的局限性[26],CT 掃描結合深度學習的圖像處理技術可以在不破壞土壤結構的前提下,快速高效地獲取人工檸條土壤大孔隙幾何分布圖像,為量化其拓撲結構參數奠定基礎,從而精確認識人工檸條生長年限增加和土壤大孔隙演變特征之間的關系。以往研究[27]證明土壤大孔隙的發育會引起土壤水分優先入滲及土壤水分格局的改變,本研究發現檸條的種植及生長會導致土壤大孔隙幾何分布及拓撲結構分布格局的變化,形成不同土層間的異質性分布。這些變化最終會導致檸條種植及生長過程中土壤水分格局的變化,從而影響植物的生長與恢復。

5 結論

(1)通過CT 掃描結合圖像處理技術,可以明顯看出檸條引入年限對大孔隙三維結構的影響。和0 a樣地相比,9 a,14 a樣地0—200 mm 土層大孔隙數量整體較少,而24 a,35 a樣地在0—200 mm 土層大孔隙數量明顯增多且結構更加復雜。

(2)不同林齡檸條林地在同一土層,大孔隙數量密度、長度密度、等效直徑、連接度之間差異顯著(p＜0.05),而表面積密度、體積密度無顯著差異(p＞0.05)。和0 a樣地相比,9 a,14 a,24 a,35 a樣地在0—100 mm 和100—200 mm 土層大孔隙數量密度、長度密度均顯著增加(p＜0.05),且隨著林齡增加,表層土壤(0—100 mm)增幅要大于深層土壤(100—200 mm);和0 a相比,不同林齡檸條林地大孔隙等效直徑在0—100 mm 土層顯著減小,在100—200土層顯著增加(p＜0.05);不同林齡檸條林地大孔隙連接度恰好相反,表現為在0—100 mm 土層顯著增加,而在100—200 mm 土層顯著減小(p＜0.05)。

(3)通過相關性分析發現,林齡與大孔隙數量密度、長度密度呈極顯著正相關(p＜0.01),與表面積密度顯著正相關(p＜0.05),與大孔隙等效直徑顯著負相關(p＜0.01),與大孔隙體積密度差異不顯著(p＞0.05),其中林齡與大孔隙連接度的相關程度最高(r=0.78**,p＜0.01)。表明檸條林齡對土壤大孔隙的結構及幾何分布影響顯著。