張麗萍 陳儒章 鄔燕虹 鄧龍洲

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院土水資源與環(huán)境研究所，浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058）

土壤侵蝕是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，侵蝕會(huì)導(dǎo)致地表組成物質(zhì)粗化，顆粒大小混雜無(wú)規(guī)律，土壤剖面結(jié)構(gòu)變差，保水保土性能降低［1-3］，使得土壤發(fā)育不同于典型的地帶性土壤，尤其在一些風(fēng)化殘積坡地形成的粗骨性土和巖成土地區(qū)，土壤剖面發(fā)育的理化特性與地帶性土壤的差異非常明顯［3-4］。土壤孔隙是土壤體的主要組成要素，是重要的土壤物理參數(shù)，土壤孔隙特性對(duì)土壤水肥氣熱的比例以及再分配過(guò)程的影響很大［5］。其中土壤大孔隙是引起土壤水肥滲漏的優(yōu)先通道，也是土壤污染物運(yùn)移的主要通道，其結(jié)果會(huì)造成養(yǎng)分的滲漏、灌溉水的浪費(fèi)和地下水的污染。因此，研究這些地區(qū)土壤大孔隙的數(shù)目、等級(jí)、分布和連通性對(duì)土體水分入滲、產(chǎn)匯流過(guò)程、土壤的改良和水肥的調(diào)控均具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)和大孔隙的研究，前提條件是不破壞土壤結(jié)構(gòu)保持其原狀，以往的學(xué)者利用染色法［6］、切片法［7］、水分穿透法［8］，圖像濾波技術(shù)［9］和張力入滲儀法［10-11］對(duì)土壤大孔隙進(jìn)行了研究，但是這些方法在操作過(guò)程中較為繁瑣，且易對(duì)原狀土壤造成擾動(dòng)，不能很好地反映出土壤孔隙本身的性狀，而計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）是一種專門用來(lái)無(wú)損檢測(cè)和探傷的技術(shù)［12］。隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，CT掃描系統(tǒng)性能的不斷提高，因此可以利用CT掃描直接測(cè)量非擾動(dòng)土體內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布［13-17］。目前利用CT掃描技術(shù)對(duì)土壤孔隙度以及土壤孔隙空間分布狀況等的研究，已經(jīng)成為研究土壤孔隙特征的趨勢(shì)［18-20］，對(duì)坡地土壤大孔隙的研究也有了一定的深入［21-23］。但是，關(guān)于坡地土壤侵蝕對(duì)土壤剖面大孔隙特征的研究還需進(jìn)一步的深化。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，結(jié)合土壤剖面不同深度多層位總孔隙度的試驗(yàn)室精確測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其作為CT圖像處理的控制閾值，進(jìn)而提高了研究精度。在此基礎(chǔ)上，解譯出孔徑大于1 mm的各級(jí)孔隙所占的比例，進(jìn)而研究侵蝕性風(fēng)化花崗巖坡地不同地貌部位大孔隙的空間分布特征，為坡地土壤養(yǎng)分滲漏和污染物的遷移以及壤中流的水動(dòng)力學(xué)特征提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究所用的土柱樣品取自浙江省嵊州市上東水庫(kù)水土保持監(jiān)測(cè)站。該監(jiān)測(cè)站位于浙江省中部偏東，曹娥江上游，年平均氣溫16.4℃，1月平均氣溫4.2℃，7月平均氣溫28.6℃。年平均降水量1 446 mm，日照1 988 h，無(wú)霜期235 d，地貌類型為浙東低山丘陵及臺(tái)地。所屬的地帶性土壤為紅壤，土壤發(fā)育母質(zhì)為風(fēng)化花崗巖殘積層。研究區(qū)屬于典型的南方紅壤水力侵蝕區(qū)，整個(gè)坡面均以雨滴擊濺侵蝕和片蝕為主，侵蝕強(qiáng)度較大。土地利用類型為園地，坡度22°，植被覆蓋度＜45%。根據(jù)實(shí)地勘查，選擇典型的侵蝕性地形坡面，在所選的同一坡面的坡頂、坡中、坡底分別選取3個(gè)剖面（均屬于侵蝕型剖面，土體中無(wú)堆積現(xiàn)象），經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，在每個(gè)地貌位置各選擇1個(gè)最底層土壤風(fēng)化程度目視相一致的剖面，作為樣品采集的剖面。土柱樣品采集的地貌部位為該監(jiān)測(cè)站4號(hào)徑流小區(qū)，坡頂，坡中，坡底（圖1），通過(guò)對(duì)土壤層與下伏母質(zhì)層的區(qū)別鑒定，根據(jù)3個(gè)坡段土壤層厚度對(duì)應(yīng)層位的相對(duì)一致性，土柱采樣深度確定為70 cm。所用裝載土柱的容器為長(zhǎng)70 cm、內(nèi)徑11 cm的PVC管，共采集土柱9根（每個(gè)剖面3個(gè)重復(fù)）并做好標(biāo)記，土柱取好后，立即將每段土柱兩端密封，放在用泡沫填充的箱子里，同時(shí)用支架固定好，以減少在運(yùn)輸過(guò)程中的震動(dòng)。在采集土柱的同時(shí)，每個(gè)剖面對(duì)應(yīng)由下到上，分層等間隔用環(huán)刀采集土壤樣品（每個(gè)土樣為同一層位平行位移后的三個(gè)重復(fù)），混合裝于同一樣品袋中，備用于測(cè)量土壤剖面各個(gè)層位的容重和顆粒組成，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)層位的總孔隙度，其中，顆粒組成用吸管法測(cè)定。

圖1 不同地貌部位樣品采集剖面分布示意圖Fig. 1 Distribution of the soil profile for soil sampling in the studied slope

1.2 CT掃描

本研究土柱中土壤孔隙特征掃描所采用的是德國(guó)西門子雙排螺旋CT掃描儀，掃描方式為雙層螺旋掃描，每層數(shù)據(jù)采集率為1 000個(gè)s-1，每排探測(cè)器通道1 344個(gè)，掃描電壓的峰值為120 kV，掃描電流為110 mA，掃描時(shí)間為1 s，掃描間距為3 cm，掃描層厚為2 cm，掃描方向由土柱底部向頂部，每個(gè)土柱共掃描圖像23幅，共計(jì)207幅圖片。

1.3 閾值確定

目前掃描圖像閾值的確定方法可大致歸為以下五類［24-28］：（1）采用目視解譯與原狀圖像對(duì)比的方法確定解譯標(biāo)準(zhǔn)。（2）采用多人解譯，協(xié)調(diào)核準(zhǔn)的方法。（3）采用的是人為制定已知大孔隙，根據(jù)在CT影像上的灰度，確定解譯標(biāo)準(zhǔn)。（4）在提取二值化孔隙圖像時(shí)結(jié)合試驗(yàn)測(cè)定的孔隙率采用逆分析法確定出分割閾值。（5）類間方差最大準(zhǔn)則法，該方法以圖像分類后的兩類之間方差取得最大為準(zhǔn)則。本研究在吸取前人研究精華的基礎(chǔ)上，為了提高研究精度，設(shè)想由實(shí)際剖面不同深度總孔隙度的實(shí)測(cè)值作為確定閾值的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)測(cè)值計(jì)算得到了每個(gè)土柱剖面總孔隙度隨深度變化的函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)此關(guān)系式計(jì)算出CT各個(gè)掃描深度處的土壤總孔隙度。由此，根據(jù)每層總孔隙度就可以確定出各個(gè)掃描影像的閾值，由此系列閾值利用ArcGIS10.1對(duì)掃描圖片進(jìn)行處理，確定各掃描層的灰度圖像，之后利用ArcGIS就可以統(tǒng)計(jì)出不同孔徑的孔隙。具體步驟為：首先，對(duì)圓孔進(jìn)行矢量化處理；第二，利用剪切工具批量剪切圓孔；第三，選擇閾值，利用柵格計(jì)算器對(duì)孔洞進(jìn)行黑白二值閾值分割；第四，孔隙后處理，最后分析孔洞面積和周長(zhǎng)比，判斷適宜性，若合適，結(jié)束。否則，轉(zhuǎn)至第三步，重新選擇閾值。再根據(jù)大孔隙直徑的確定，統(tǒng)計(jì)出大孔隙的數(shù)目，周長(zhǎng)，面積及各級(jí)大孔隙所占的比例。

1.4 大孔隙劃分

土壤大孔隙是指能夠提供優(yōu)先水流和溶質(zhì)運(yùn)移通道的孔隙，但它只是一個(gè)相對(duì)概念，研究者由于對(duì)其理解和定義的不同，使得在對(duì)其確定和劃分時(shí)存在較大分歧。郝振純等［29］對(duì)粉砂壤和粗粉砂黏壤土原狀土柱和回填土柱進(jìn)行CT掃描，將孔徑大于187.8 μm的孔隙定義為大孔隙。Warmer等［30］則將孔徑大于1 mm的孔隙定義為大孔隙。Luxmoore［31］根據(jù)大孔隙的毛管勢(shì)定義，將毛管勢(shì)≥300 Pa的孔隙定義為大孔隙，并根據(jù)表面張力與毛管上升力方程計(jì)算得到了大孔隙的有效孔徑為＞1 mm。Beven和Germane［32］則認(rèn)為當(dāng)量直徑大于 0.03 mm 的孔隙為大孔隙，孫龍等［33］將大孔隙界定為田間持水量到飽和含水量之間的土壤孔隙，根據(jù)土壤水分穿透曲線理論得出大孔隙半徑范圍，并且認(rèn)為等效直徑大于1 mm的土壤大孔隙是能導(dǎo)致優(yōu)先流發(fā)生的優(yōu)先路徑。楊永輝等［34］根據(jù)CT掃描結(jié)果，將統(tǒng)計(jì)出來(lái)的最小孔徑作為大小孔隙的界限。在綜合對(duì)比以往研究成果的基礎(chǔ)上，本次研究將＞1 mm的孔徑定義為大孔隙，并將孔隙等效直徑劃分為5個(gè)等級(jí)：＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、＞7 mm。大孔隙等效直徑R計(jì)算方法為：

式中，A為大孔隙面積；P為大孔隙周長(zhǎng)。

為了分析大孔隙個(gè)數(shù)與大孔隙度的關(guān)系，在等效直徑計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算了大孔隙的成圓率C：

式中，C為成圓率，A為大孔隙面積，P為大孔隙周長(zhǎng)。孔隙成圓率上限為1，下限為0。

根據(jù)所確定的閾值，經(jīng)過(guò)ArcGIS10.1對(duì)掃描圖像的處理和統(tǒng)計(jì)，以及依據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算出了3個(gè)土柱不同深度的大孔隙度、各等級(jí)的等效直徑及大孔隙的成圓率。

2 結(jié) 果

2.1 大孔隙度隨剖面深度的變化特征

在上述測(cè)試、圖像處理和計(jì)算設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出了研究坡面不同地貌部位土壤剖面的大孔隙度、總孔隙度以及大孔隙度占總孔隙度的百分比（表1）。

表1 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙度、總孔隙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics of macro-porosity and total porosity in soil profiles relative to position on the slope （%）

續(xù)表

由表1可知，整體而言，在3個(gè)土壤剖面中，均以大孔隙為主。大孔隙度占總孔隙度的比值分布在83.3%～99.7%之間，大于90%以上的數(shù)值占到了62%。就孔隙特征隨剖面變化規(guī)律而言，大孔隙度和總孔隙度均具有隨著土壤剖面深度的加深而減小的趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在0～10 cm深度范圍內(nèi)。但是，從大孔隙度與總孔隙度的比值來(lái)看，隨著土壤剖面深度的加深而加大，說(shuō)明總孔隙度隨剖面深度加深而減小的幅度大于大孔隙度減小的幅度，進(jìn)而可以推測(cè)，隨著土壤剖面深度的加深，孔徑小于1 mm的孔隙所占的比重很小，幾乎全是大孔隙。根據(jù)土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的組合特征，砂土的總孔隙度一般分布在30%～45%，而且孔徑粗，大孔隙比重大，說(shuō)明整個(gè)坡面均處于侵蝕粗化嚴(yán)重的階段。

為了能直觀了解大孔隙度隨著剖面深度的變化規(guī)律，根據(jù)表1大孔隙度隨深度變化的數(shù)據(jù)，求出了不同地貌部位土壤剖面中不同深度的大孔隙度的距平值，并繪制了圖2。

圖2 大孔隙度距平隨剖面深度變化趨勢(shì)Fig. 2 Variation trend of macro porosity anomaly in soil profiles with depth in the profile

由表1和圖2可以看出（圖中X軸的正負(fù)值表示與平均值的差值），就坡頂土壤剖面而言，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于32%～39%之間，整個(gè)剖面大孔隙度值的變幅并不大，大于平均值的層位占到了43%，而大孔隙度與總孔隙度的差值隨著深度的增加而減小，說(shuō)明隨著深度的增加，小孔隙度所占的比例在明顯地減小。在坡中土壤剖面中，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于29%～37%之間，大孔隙度與總孔隙度的差值的較大值出現(xiàn)在土壤表層0～10 cm，較小值則是出現(xiàn)在剖面中下部，但總體上大孔隙度與總孔隙度的差值隨著剖面的增加有減小的趨勢(shì)，這也就意味著隨著土壤剖面深度的增加，小孔隙度也在減小。而在坡底剖面中，大孔隙度在土壤剖面中的分布介于25%～37%之間，但是大孔隙度與總孔隙度的差值隨土壤剖面深度的增加而變化的規(guī)律較為復(fù)雜，沒(méi)有一定的規(guī)律性。從整體上看，在3個(gè)剖面中大孔隙度大于平均值的層位主要分布在0～30 cm深度之間，表現(xiàn)為正距平，而大孔隙度小于平均值的層位主要分布在30～70 cm深度之間，表現(xiàn)為負(fù)距平，只是在坡頂60～70 cm范圍出現(xiàn)兩個(gè)畸點(diǎn)。

2.2 大孔隙個(gè)數(shù)比例及等效直徑級(jí)數(shù)隨剖面深度的變化特征

基于ArcGIS10.1對(duì)掃描圖片不同孔徑等級(jí)個(gè)數(shù)及總孔數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出了大孔隙中不同等效孔徑級(jí)別所占的比重（表2）。

表2 坡地不同地貌部位剖面大孔隙等效直徑各等級(jí)個(gè)數(shù)比例Table 2 Proportion of macro-pores of equivalent diameter in number in the soil profile relative to position of the profile on slopes（%）

續(xù)表

由表2數(shù)據(jù)可知，在3個(gè)土壤剖面中，均以1～3 mm孔徑的大孔隙所占比例最大，3個(gè)土柱的平均值分別為：坡頂70.58%，坡中73.61%，坡底69.74%。在3個(gè)土柱各層的69個(gè)數(shù)據(jù)中，最小比值也在50%以上，最大可達(dá)到88%。3～5 mm孔徑的大孔隙所占比重次之，排在第3位的是＞7 mm孔徑的大孔隙，5～7 mm所占比例最小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)在總孔隙個(gè)數(shù)中，對(duì)于3個(gè)剖面整體而言，大孔隙個(gè)數(shù)所占比重均很大，大部分的比重大于70%，并呈現(xiàn)出隨著深度的增加而減少的趨勢(shì)（圖3）。

就大孔隙個(gè)數(shù)而言，在坡頂土壤剖面中，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例為24%～92%之間，最大值出現(xiàn)在表層，但絕大部分層位的大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例均大于平均值（68.9%）。深度36cm以上層位均為正離均差，而且變幅不大，正離均差的層位大約占到總層位數(shù)的70%。在坡中土壤剖面中，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例分布在45%～96%之間，絕大部分層位的大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例均接近于平均值（81.65%），幅度不大，較為穩(wěn)定，但正離均差的層位占總層位數(shù)的57%，其小于坡頂，說(shuō)明大孔隙個(gè)數(shù)在剖面的分布差異不大。在坡底土壤剖面中，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例分布在24%～96%之間，大于平均值（72.49%）的層位數(shù)占到了65%，但大孔隙個(gè)數(shù)的比例在剖面中變幅較大，出現(xiàn)了2個(gè)比例較小的層位。

就坡頂整個(gè)剖面而言，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例總體上呈現(xiàn)的趨勢(shì)是隨著剖面深度的增加而減小，直線相關(guān)系數(shù)為0.62。在63～66 cm處最小，在3～6 cm處最大，36～69 cm范圍是大孔隙個(gè)數(shù)比例分布較小的區(qū)域。但坡中剖面不同于坡頂，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例在48～51 cm處最小，在3～6 cm處最大，但是大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例在坡中整個(gè)剖面深度的變化不大，基本上圍繞80%波動(dòng)。對(duì)于坡底而言，大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例在33～36 cm處最小，同樣也是在3～6 cm處最大，但是大孔隙個(gè)數(shù)所占的比例在整個(gè)剖面變化起伏較大。

2.3 大孔隙度與大孔隙個(gè)數(shù)比例的關(guān)系

大孔隙度與大孔隙個(gè)數(shù)比例的比值在坡頂、坡中、坡底均圍繞0.40波動(dòng)，說(shuō)明整體上坡頂、坡中、坡底三個(gè)剖面位置處大孔隙度與大孔隙個(gè)數(shù)比例有一定的規(guī)律。從理論上而言，大孔隙度個(gè)數(shù)比例與大孔隙度應(yīng)該呈正比例關(guān)系，但是分別對(duì)坡頂、坡中、坡底三個(gè)剖面位置處的大孔隙個(gè)數(shù)比例與大孔隙度進(jìn)行相關(guān)性擬合，發(fā)現(xiàn)三個(gè)位置處的相關(guān)系數(shù)分別為0.37、0.31、0.52，相關(guān)性并不好。因?yàn)?，大孔隙度不僅與大孔隙的個(gè)數(shù)有關(guān)，而且還與大孔隙的直徑和成圓率有關(guān)，本次試驗(yàn)將大孔隙分為四個(gè)等級(jí)（表2），但是由于每個(gè)等級(jí)大孔隙的個(gè)數(shù)是不同的，所以總體上而言，大孔隙與大孔隙度的關(guān)系不存在絕對(duì)的正比例關(guān)系，導(dǎo)致了它們之間的相關(guān)性不好。

圖3 大孔隙個(gè)數(shù)占總孔隙個(gè)數(shù)比例隨剖面深度的變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation trend of the ratio of macro-pores / total pores in number with depth in the profile（%）

3 討 論

由結(jié)果分析可知，在不同地貌位置的土壤剖面中，大孔隙度與大孔隙個(gè)數(shù)比例的關(guān)系、大孔隙度與總孔隙度的關(guān)系、大孔隙等效直徑等級(jí)的配比等，隨剖面深度的變化并不一致，而且變化比較復(fù)雜，相互之間的相關(guān)性也并不好，其主要原因是受大孔隙等效直徑大小、各等級(jí)孔徑的成園率、土壤的顆粒組成，以及外部強(qiáng)烈的侵蝕作用所致。

3.1 坡面侵蝕特征對(duì)大孔隙成圓率的影響

孔隙成圓率上限為1，下限為0。數(shù)值越接近于1，孔隙形態(tài)越接近于圓，數(shù)值越小，孔隙形態(tài)越不規(guī)則。土壤孔隙成圓率可以反映出土壤的水分滲透性能，因?yàn)?，在不同形狀孔隙中運(yùn)移的水分和空氣與孔隙周圍土壤的接觸面積不同，對(duì)土壤通氣性能和水分傳輸所產(chǎn)生的影響就不同。根據(jù)幾何原理，在同等面積的條件下，規(guī)則的圓形周長(zhǎng)最小，即成圓率最大，其與土壤水分和空氣的接觸面積最小，有利于水分運(yùn)移。成圓率越小，水分在滲漏過(guò)程中受到的阻力相對(duì)要大，越不利于水分的運(yùn)移。

由式（2）所計(jì)算的3個(gè)剖面不同深度的大孔隙成圓率（表3）可知，就剖面整體而言，坡中的平均成圓率最大（為0.23），坡底的平均成圓率次之（為0.22），坡頂?shù)钠骄蓤A率最小（為0.13）。對(duì)于坡頂而言，在剖面6 cm和36 cm處出現(xiàn)兩個(gè)異動(dòng)較大值，分別為0.46、0.44，而其他各個(gè)層位的大孔隙成圓率幾乎不會(huì)超過(guò)0.2。對(duì)于坡中而言，其成圓率在整個(gè)剖面均有逐漸減小的趨勢(shì)，只是在剖面底部70 cm處出現(xiàn)了一個(gè)較為明顯的異動(dòng)值。對(duì)于坡底而言，其成圓率在整個(gè)剖面幾乎均呈現(xiàn)Z形變化趨勢(shì)，尤其在剖面0～13 cm變化幅度明顯，但大孔隙成圓率最大值還是出現(xiàn)在土壤表層。

表3 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙成圓率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics of circular of macro-pores in soil profile relative to position of the profile on the slope

從本次試驗(yàn)研究來(lái)看，就整個(gè)土壤剖面而言，坡頂?shù)钠骄蓤A率要低于坡中與坡底，這也反映出坡頂在整個(gè)土壤剖面的水分平均入滲能力要弱于坡中與坡底，坡中的平均入滲能力與坡底相近，但是整體而言，坡頂、坡中、坡底平均入滲能力與坡頂、坡中、坡底的土壤侵蝕強(qiáng)度相符合。這主要是由于在研究區(qū)未受侵蝕的土壤，黏粒含量比重大，土壤水分滲透性較?。幌喾?，受到侵蝕的坡面土壤黏粒含量減少，粗顆粒所占的比重加大，土壤水分的滲漏加快。從土壤侵蝕原理出發(fā)，坡頂由于產(chǎn)匯流面積小，單純?cè)馐苡甑螕魹R的侵蝕，所以侵蝕強(qiáng)度弱，坡中與坡底產(chǎn)匯流面積大，侵蝕強(qiáng)度大。

3.2 土壤顆粒組成對(duì)土壤剖面大孔隙分布規(guī)律的影響

土壤質(zhì)地是決定土壤孔隙性好壞的主要因素之一。根據(jù)國(guó)際制標(biāo)準(zhǔn)，將所采集的與土柱剖面位置相同的對(duì)應(yīng)層位的土壤樣品進(jìn)行了顆粒組成測(cè)試，其結(jié)果分為4級(jí)：粗砂粒（2～0.2 mm）、細(xì)砂粒（0.2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。就本研究的坡地而言，整體坡地均以粗砂粒所占比重最大，坡中最大平均值為63.18%，坡底與坡頂相接近，分別為59.48% 和58.33%，屬于重砂土。坡面黏粒含量的平均值以坡底最大為11.84%，坡頂次之為9.99%，坡中最小為9.59%，粉粒含量的平均值仍然以坡底最大為17.28%，坡頂和坡中分別為15.16%和11.04%。為了能定量明確土壤剖面大孔隙與土壤質(zhì)地組成的關(guān)系，用SPSS20.0將各個(gè)粒級(jí)與大孔隙度進(jìn)行相關(guān)性分析（表4）。由表4可見(jiàn)，大孔隙度與粗砂粒呈顯著的正相關(guān)，與黏粒和粉粒呈顯著的負(fù)相關(guān)。在12個(gè)相關(guān)系數(shù)中，坡頂大孔隙度與粗砂粒的相關(guān)性最好，坡底大孔隙度與細(xì)砂粒的相關(guān)性最差。從3個(gè)坡位來(lái)看，坡頂大孔隙度與各粒級(jí)的相關(guān)性均大于其他2個(gè)坡位，坡底的大孔隙度與各粒級(jí)的相關(guān)性均小于其他2個(gè)坡位。

表4 坡地不同地貌部位土壤剖面大孔隙度與粒度組成的相關(guān)性Table 4 Correlation between macro-porosity and paticle size composition relative to position of the profile on the slope

就3個(gè)不同地貌部位的3個(gè)土壤剖面的平均值而言，土壤剖面中大孔隙度值大對(duì)應(yīng)的粗砂粒含量高，其中，坡底土壤剖面中大孔隙度的平均值最小對(duì)應(yīng)的黏粒含量的平均值最大，而粗砂粒含量的平均值小于坡中；坡中土壤剖面中大孔隙度的平均值最大對(duì)應(yīng)的粗顆粒含量的平均值最大，而黏粒含量的平均值最小。坡頂土壤剖面居于二者之間。

從大孔隙度與土壤顆粒組成的對(duì)應(yīng)層位來(lái)看，大孔隙度值比較大的層位與粗砂粒含量高的層位相對(duì)應(yīng)，在坡頂部和中部的土壤剖面中，主要分布在0～20 cm的表層，在坡底部的土壤剖面中其厚度較薄，在表層的0～12 cm之間。大孔隙度值較小的層位與黏粒含量值較大的層位相對(duì)應(yīng)，在坡頂?shù)耐寥榔拭嬷?，主要分布?5～50 cm的土層深度，在坡中部土壤剖面中，分布在40～70 cm較深土層范圍內(nèi)，從20 cm到40 cm之間大孔隙度與土壤顆粒組成的對(duì)應(yīng)關(guān)系較弱，具有層次波動(dòng)的現(xiàn)象。在坡底土壤剖面中，總體趨勢(shì)也是大孔隙度值小的層位對(duì)應(yīng)的黏粒含量較高，大孔隙度值大的層位對(duì)應(yīng)的粗顆粒含量較大，但在土壤剖面中分布的層位具有交錯(cuò)的特征。

分析表明，土壤顆粒組成越細(xì)，總孔隙度越大，而且小孔隙比重越大。以砂粒為主的砂質(zhì)土（砂粒占50%以上），土壤剖面中松散的土壤固相骨架比重較大，顆粒棱角分明，土壤剖面中以不規(guī)則大孔隙為主。

3.3 坡面侵蝕特征對(duì)土壤剖面大孔隙分布規(guī)律的影響

一般地帶性土壤剖面孔性特征表現(xiàn)為“上虛下實(shí)”，要求在土壤表層總孔度為50%～60%，通氣孔隙度在10%～20%之間，下層的總孔隙度為50%左右，通氣孔隙度在10%左右。本研究坡面由于受到強(qiáng)烈的水力侵蝕，坡面粗化現(xiàn)象嚴(yán)重，黏粒和部分粉粒在坡面徑流的侵蝕和搬運(yùn)作用下流失。土壤表層的黏粒和粉粒含量均最小，與3個(gè)土壤剖面表層大孔隙度最大相一致。在3個(gè)土壤剖面中總孔隙度均較小，而且主要是大孔隙（屬于通氣孔隙），雖然總孔隙度和大孔隙度均隨土壤剖面深度的加深而減小，但大孔隙度所占的比重卻是隨著土壤剖面深度的加深而加大，幾乎均在90%以上。

在同一坡面的不同地貌部位，由于侵蝕強(qiáng)度具有明顯的差異，所以在坡頂、坡中和坡底土壤剖面的孔性特征也存在一定的差異。在降雨強(qiáng)度較小的情況下，坡面不會(huì)產(chǎn)生徑流，整個(gè)坡面均遭受降雨的雨滴擊濺侵蝕；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，坡頂由于匯水面積較小，仍然單純地遭受降雨的雨滴擊濺侵蝕，而坡中與坡底由于匯水面積較大，既有雨滴擊濺侵蝕，同時(shí)還疊加坡面徑流的侵蝕，所以從整體上而言，坡中與坡底的侵蝕強(qiáng)度較大。由此可得，在坡頂土壤剖面中，大孔隙度占總孔隙度的比例變化規(guī)律較好。坡底由于處于沉沙池的上端，坡面徑流在此處容易匯集，使得坡底匯流面積最大，結(jié)果導(dǎo)致了其侵蝕強(qiáng)度大于坡頂，使得坡底大孔隙度的比例變化幅度較大，最大值與最小值相差能達(dá)到16%以上，而且在剖面中的變化規(guī)律不明顯，波動(dòng)較大。這主要是因?yàn)?，在侵蝕環(huán)境下，土壤表層松散顆粒易被坡面徑流沖刷而流失掉，而導(dǎo)致表層土壤大孔隙比例變化幅度較大，即侵蝕強(qiáng)度越大，大孔隙比例變化幅度越大。在坡地中部侵蝕較坡頂嚴(yán)重，所以在坡中土壤剖面中，從上至下大孔隙度占總孔隙度的比重均很大（85%以上），大于90%的層位占到了83%，孔隙的結(jié)構(gòu)性較差。

4 結(jié) 論

在侵蝕性風(fēng)化花崗巖母質(zhì)上發(fā)育的坡地土壤，土壤剖面大孔隙結(jié)構(gòu)的空間特征受不同地貌部位差別性水力侵蝕的影響非常明顯。土壤剖面中以大孔隙為主，大孔隙度占總孔隙度的比率均大于83%，在坡中土壤剖面中可達(dá)到90%以上，不同地貌位置3個(gè)土壤剖面的比率排序?yàn)椋浩轮校酒碌祝酒马?，這一比值并隨深度的增加而增大。大孔隙度和大孔隙個(gè)數(shù)在土壤剖面中的分布以0～30 cm深度的表層為最大。大孔隙等效孔徑的比例結(jié)構(gòu)極不協(xié)調(diào)，1～3 mm的孔徑個(gè)數(shù)占大孔隙個(gè)數(shù)的比例約占到了70%以上。由成圓率所表征的大孔隙形狀，在一定程度上可以反映土壤剖面的機(jī)械組成，研究結(jié)果揭示了：細(xì)顆粒越多，成圓率越大，粗顆粒越多，大孔隙度越大這一規(guī)律。總之，嚴(yán)重的土壤侵蝕改變了典型地帶性土壤剖面的孔隙結(jié)構(gòu)，致使坡地土壤剖面水肥氣熱的協(xié)調(diào)運(yùn)行受到了嚴(yán)重影響，大孔隙比率的異常增大和結(jié)構(gòu)的不合理是導(dǎo)致坡地土壤漏水漏肥的關(guān)鍵所在。

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