蔡太义1,2，黄会娟1，白玉红3，王新闯1，刘 通1，马守臣1
(1.河南理工大学 中原地区土地资源综合监测与持续利用野外科学观测研究基地，河南 焦作 454000; 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008; 3.河南省科学院能源研究有限公司，河南 郑州 450008)
摘 要:不同复垦年限下土壤孔隙微结构特征及其与复垦年限的关系尚未明确。为了探明矿区不同复垦年限土壤孔隙的微结构特征，选取河南省辉县市赵固煤矿复垦3 a(FK3)和10 a(FK10)土壤处理，并以原状地貌(CK)为对照。利用显微CT技术扫描200 mm田间原状土柱，结合Image J软件及其插件对土壤孔隙结构进行三维重建及分析。结果表明，复垦土壤孔隙结构稳定具有空间和时间的层次性和顺序性。随着复垦年限的增加，土壤孔隙度、孔隙数量、成圆率、分形维数和欧拉值总体呈逐渐增加趋势。从土壤剖面来看，0～30 mm土壤孔隙结构尚处于紊乱状态，孔隙数量表现为FK3>CK>FK10，而40～80 mm土层趋于稳定，孔隙数量呈现为CK>FK3>FK10。土壤剖面孔隙度与孔隙数量变化趋势基本一致。与FK3相比，CK和FK10的分形维数分别显著(P<0.05)增加了16.1%和12.3%，但FK10与CK间无显著差异(P<0.05)。相关分析表明，分形维数能综合表征土壤孔隙数量和形态特征，可作为沉陷区复垦土壤结构恢复状况的定量评价指标。本研究表明，复垦年限对沉陷区土壤结构修复具有较大影响，土壤结构达到稳定状态需经过10 a左右的时间。
关键词:土壤;孔隙度;复垦年限;分形维数;显微CT
中图分类号:TD88
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3196-08
CAI Taiyi1,2，HUANG Huijuan1,BAI Yuhong3,WANG Xinchuang1,LIU Tong1,MA Shouchen1
(1.Land Research Integrated Monitoring and Sustainable Utilization in CCPG，Field Science Observation & Research Base of MLRC，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China; 2.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 3.Henan Academy of Science Institute of Energy Co.,Ltd.，Zhengzhou 450002，China)
Abstract:The quantification of complex pore structures under different reclamation times and their relationships to reclamation time remains elusive.The authors have compared the soil pore microstructures under 0 a (CK treatment),3 a (FK3 treatment) and 10 a (FK10 treatment).Intact soil columns were taken from 200 mm depths with PVC tube (50 mm in diameter,200 mm in height) in Zhaogu subsidence area,Huixian County,Henan Province,China.The soil columns were scanned using X-ray computed tomography at a voxel resolution of 0.23 mm×0.23 mm×0.20 mm.After the reconstruction by the Image J software and its plug-in,the characteristics of macropore networks were quantified,including soil pore number,circle rates,fractal dimension and Euler value.The analysis of variance indicated that the reclamation time significantly influenced the spatial and temporal hierarchy and sequence.The porosity,pore number,circle rates,fractal dimension and Euler value were of greater under CK and FK10 than FK3.From the reclamation soil profile,the soil pore structure at depths 0-30 mm was still in a disordered state,while the 40-80 mm soil layer tended to be stable.Soil pore number in size order were FK3>CK>FK10 at depths 0-30 mm and CK>FK3>FK10 at depths 40-80 mm.The change trend of soil porosity was similar to that of soil pore number at depths 0-200 mm.The fractal dimension of CK and FK10 was increased significantly (P<0.05) by 16.1% and 12.3% compared with the FK3,respectively,but there was no significant (P<0.05) difference between FK10 and CK.As shown by the correlation analysis,the fractal dimension can comprehensively characterize the quantity and morphological characteristics of soil pores,and can be used as a quantitative evaluation index for the restoration of reclaimed soil structure in the subsidence area.The study shows that the reclamation time has some significant implications for the soil structure restoration in the subsidence area,and it takes about 10 years for the soil structure to reach a stable state.
Key words:soils;porosity;reclamation time;fractal dimension;micro-CT
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蔡太义，黄会娟，白玉红，等.基于显微CT研究不同复垦年限土壤孔隙的微结构特征[J].煤炭学报,2018,43(11):3196-3203.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0045
CAI Taiyi，HUANG Huijuan,BAI Yuhong,et al.Using X-ray CT scanning to quantify the microstructural characteristics of soil pore in mining areas along a reclamation time[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3196-3203.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0045
收稿日期:2018-01-08
修回日期:2018-11-22
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41671225，31871553);河南省科技攻关资助项目(162102310422)
作者简介:蔡太义(1972—)，男，河南南阳人，博士，副教授。Tel 0391-3987661，E-mail:caity2008@hpu.edu.cn
通讯作者:马守臣(1972—)，男，河南辉县人,博士，副教授。Tel 0391-3987661，E-mail:mashouchen@126.com
土地复垦不仅是补充耕地的重要措施，而且也是改善矿区生态环境的主要途径[1-2]，其主要包括地貌重塑、土壤重构和植被重建等过程。其中，土壤重构是国内外土地复垦研究的重点[3-6]。当前，重构土壤质量的研究多集中在土壤物理化学性质的变化规律，土壤质量演替规律[7]及土壤质量与植被之间的响应关系等[8]，而定量表征重构土壤结构的研究比较匮乏。研究表明，土壤孔隙结构直接影响水分在土表及土体内的迁移途径及方式，决定土壤的持水性、渗透性、导水性等水力性质，是反映重构土壤质量高低的重要手段[4,9-10]。传统土壤孔隙研究方法主要有染色法、切片法[11]、压汞法和氮气吸附法[12]。然而，这些方法均存在一定程度的局限，尤其不能可视化土壤内部微结构[13]。与传统土壤孔隙获取方法相比，CT断层射线扫描法是一种无损害非侵入的三维成像技术，既可以获得土壤孔隙结构拓扑图像，又不损坏土壤孔隙结构，因此，CT技术逐渐成为研究土壤微结构的热点[12,14]。运用CT技术在研究普通农田土壤大孔隙数量[15]、形状、连通性和分形特征[16-17]，预测水力学性质[18-19]等方面，均已取得明显进展。与普通农田相比，矿区复垦土壤通常经过大型机械碾压，土壤颗粒重新组合，土壤孔隙状况发生较大改变，但迄今为止关于其土壤孔隙结构的变化机理尚不清楚。因此，笔者拟利用CT扫描技术对河南辉县赵固煤矿不同复垦年限以及原地貌的土壤进行测定，定量研究不同复垦年限对土壤孔隙微结构特征的影响，旨在为预测复垦土壤的水力学性质，建立区域的灌溉和耕作制度等提供理论参考。
试验地点位于河南省辉县市赵固煤矿沉陷区(东经113.63°E，35.37°N)，如图1所示。2008年开始对表土剥离和充填复垦治理，下层填充煤矸石后，覆土厚度50～60 cm。研究区属暖温带大陆性季风气候。年平均无霜期214 d，年平均气温14.0 ℃，极端最高气温41.5 ℃，最低气温为零下18.3 ℃。年平均降水量为589.1 mm，降水主要集中在7～8月，约占年降水量的80%以上，年均蒸发量为1 680～2 041 mm。播种、耕作、施肥以及田间管理均相同。
图1 试验区位置
Fig.1 Location of the study area
依据不同复垦年限，选取复垦10 a的相对稳定沉陷区(FK10)和复垦3 a的不稳定沉陷区(FK3)，并以临近农民无沉陷的耕地(原状地貌)为对照(CK)的3个试验区进行对比研究。各样地分别选取3个10 m×10 m小区作为处理，其播种、耕作、施肥以及田间管理方式均相同。试验区作物为冬小麦-夏玉米一年两熟。各处理基本理化性质见表1。
遵循环刀法取垂直土壤容重原理，取样时用橡皮锤小心均匀用力敲击200 mm的PVC管(外直径为50 mm，下端口加工成刀口状)，使其垂直均匀受力并逐渐进入土壤，待PVC管全部进入土壤后，人工从四周挖掘取出，用壁纸刀修平上下端口，用塑料薄膜全部缠绕后，前后端盖上PVC盖子。样品完整取好后带回实验室，放置于4 ℃左右的冰箱里待用。其他土壤理化指标取样及测定参照常规取样及分析方法[20]。
表1 不同处理0～20 cm土壤基本理化性质
Table 1 Basic soil properties of 0-20 cm soil under different treatments
1.3.1 CT扫描
采用解放军第91中心医院CT扫描中心的菲利浦256层极速CT。该CT主要应用在医学领域，为保证扫描土壤样品图像的质量和精度，重新把仪器扫描参数峰值电压设定为120 kV,电流为120 mA,扫描时间为2.9 s，扫描层厚为0.31 mm/层，体素大小0.23 mm × 0.23 mm ×0.20 mm。每个土柱扫描550幅横截面图片，共9个土柱(3个处理，3个重复)，共采集4950幅扫描图像。
1.3.2 图像处理与分析
首先利用ImageJ1.51 K软件进行图像重建，采用背投影算法重建获得大小为1 024×1 024像素的16位tiff格式的灰度图像，再将其转存为8位tiff格式的灰度图像，灰度值范围为0～255。利用软件的Normalize命令对图像进行归一化处理。为了避免边界部分的影响，选取土柱中间部分31 mm(长)×20 mm(宽)进行图像分析。
本研究首先采用Ostu值法[21]，然后结合事先标定的土壤孔隙，不断调试最终确定图像的分割阈值。图像二值化后，黑色和白色两种颜色分别代表土壤孔隙和基质。土柱孔隙三维结构通过ImageJ 3D viewer插件实现(图2)。同时，利用ImageJ插件获取土壤孔隙度、分形维数和连通性等指标。由于图像分辨率的限制,本文中土壤大孔隙仅指当量孔径>100 μm的土壤。
图2 大孔隙图像处理分析与定量表征流程
Fig.2 Procedures used in this study for image analysis and quantification of macropore networks
采用SPSS19.0软件对不同处理孔隙结构参数的差异性进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD法，P=0.05)，Sigma plot 12.5制图。
不同复垦年限土壤孔隙的三维结构存在明显差异(图3)。总体来看，不同处理土壤土壤孔隙数量均呈现为随深度增加而逐渐减少的趋势，尤以CK和FK3处理更为明显。各处理均未形成相对连续、管状的生物孔隙或根系孔隙。表明试验区较低的土壤有机质含量对土壤孔隙形成和发育具有较大影响(表1)。从土壤孔隙密度来看，CK处理上部土壤孔隙分布最密，FK10次之，FK3最稀疏，下部土壤以FK10处理密度最大，FK3最稀少，说明随着复垦年限的延长，土壤有效孔隙数量不断得到增加。从土壤孔隙联通性来看，依照CK> FK10> FK3次序连通性呈逐渐降低趋势，其中，与CK相比，FK10处理虽然孔隙较大，但连通性整体较弱，FK3连通性较FK10更弱，说明，复垦年限对土壤孔隙连通性改善具有明显影响。此外，FK10和FK3处理的上部均可以观察到一些贯穿土壤横截面，且不连续的大孔隙，这可能是土壤重构时因不稳定土壤基质形成的裂隙所致。
图3 原状地貌(CK)、复垦10 a(FK10)和复垦3 a(FK3)处理孔隙的三维可视化效果
Fig.3 Three-dimensional visualization of soil macropore networks for the soil columns of CK,FK10 and FK3 treatments
复垦年限对土壤孔隙数量有着显著的影响，表现为随着复垦年限增加，土壤孔隙数量呈逐渐增加趋势(图4)。从整个土壤剖面来看，与CK相比，复垦3 a(FK3)土壤剖面整体孔隙数量最少，复垦10 a(FK10)后，土壤孔隙数量逐渐接近原状土壤(CK)。这与黄晓娜等[22] 研究的山东省济宁市的采煤塌陷地的结论基本一致。图4同时表明，土层深度对土壤孔隙数量同样有着显著的影响，所有处理的孔隙数量均随土层深度的增加呈减少的趋势，但并不是简单地递减，而是呈现波动递减趋势。其中，CK处理剖面土壤孔隙数量表现出先增加后减少的变化趋势，FK3明显表现为随土层增加而减少的趋势，FK10处理不同土层趋于稳定。0～30 mm土层，FK3处理孔隙平均数量最多(4～6个)，CK次之(2～3个)，FK10最少(1个)，这说明复垦前3 a由于客土不稳定加之人为耕作，致使表层土壤孔隙数量较多，而复垦10 a，耕作层基本稳定，故孔隙数量逐渐接近CK。40～80 mm土层，CK平均数量最多(5～7个)，FK3略高于FK10但均明显小于CK，这表明40～80 mm为复垦土壤稳定的过渡层，变化规律不够明显。80～200 mm，FK10处理孔隙数量逐渐接近CK，均明显高于FK3(110和200 mm土层除外)，这说明40～80 mm土层，大约经过10 a时间已基本稳定，3 a时间明显处于不稳定期，但由于试验条件的限制，经过5 a或8 a的时间的土壤样本无法采集，基本可以肯定的是，经过10 a的稳定时，40～80 mm土层复垦土壤已基本稳定下来，而0～30 mm土层稳定的时间尚需深入探讨。
图4 不同处理不同土层深度土壤孔隙数量变化
Fig.4 Variation on number of soil pores at different soil depths from different treatments
图5 不同处理不同土层深度土壤孔隙度变化
Fig.5 Variation on soil porosity at different soil depths from different treatments
土壤剖面孔隙度变化总体和土壤孔隙数量变化趋势一致(图5)，即随着复垦年限增加土壤孔隙度呈递增趋势。土壤孔隙度由高到低变化次序为CK>FK10>FK3，FK10孔隙度逐渐接近于CK，说明经过10 a的复垦，加之土壤慢慢熟化，在物理化学性质上都有逐渐优化的趋势。从土壤剖面来看，CK处理孔隙度最大，整个剖面成“Z”形变化趋势，在20～80 mm土层与FK10和FK3的差异尤为明显。在80～200 mm处，FK10处理孔隙度有逐渐接近CK的趋势，尤其110 mm土层已略微超过CK。图4同时表明，不同处理的孔隙度差异主要集中在0～100 mm土层，说明复垦年限对重构土壤的影响主要集中在该土层。本研究表明，从垂直土壤剖面来看，土壤孔隙度随土层增加表现为逐渐减少趋势，这与王金满等[23]在山西平朔矿区研究的结论不同，王金满等研究认为，复垦23 a,20 a和0 a的土壤表层孔隙数量明显低于底层土壤。造成结论差异可能与不同土壤母质有关(后者为全黄土母质，本文为砂壤土)，也可能因不同复垦年限，不同的稳定性有较大关系。
孔隙成圆率是表征土壤孔隙的形态指数(数值为0～1)，值越接近1，说明土壤剖面孔隙越接近圆形[16]。通常认为，成圆率受到土壤孔隙形状和孔隙大小的影响，较小孔隙的成圆率一般更接近1，因此根据成圆率可以判断土壤孔隙的大小。图6表明,FK10成圆率和CK差异较小，但和FK3差异较大，说明复垦年限对土壤孔隙成圆率有较大影响，且表现为随着复垦年限增加，土壤孔隙形态不断得到改善和优化。其中，复垦10 a后(FK10)的土壤孔隙成圆率已逐渐接近原状地貌土壤CK处理(110和145 mm例外)。图6同时表明FK3处理不同土层均出现零星且散乱的低成圆率数值，可能是矿区土壤复垦过程中时因土壤重构产生土壤裂隙(成圆率异常小)所致。
图6 不同处理各土层土壤孔隙平均成圆率
Fig.6 Average soil circle rates in soil layers in different treatments
从土壤剖面来看，3个处理成圆率均随土壤深度增加而呈现波浪形变化趋势。CK,FK10和FK3剖面成圆率变异系数分别为64.9%,98.1%和104.4%。其中，复垦10 a后土壤孔隙成圆率变异系数与原状地貌(CK)变异系数的差异较小，说明随着复垦年限增加，土壤孔隙逐渐趋于规则，加强了水分在土壤中的传输、保存及作物吸收与利用[16]。这与黄晓娜等[24]研究结果(随着复垦年限增加，土壤孔隙的成圆率逐渐接近于圆形)基本一致。不同的是，黄晓娜等发现复垦10 a后土壤孔隙成圆率变化范围为0.75～0.79，而本研究则为0.42～0.98。本研究变异系数明显高于前者的原因可能与土壤类型(分别为潮土及砂壤土)以及不同复垦机械压实程度和植被恢复作用有关。
土壤3D结构参数对复垦年限具有明显响应(表2)。与CK处理相比，FK10和FK3处理的土壤孔隙数量及总孔隙度分别显著(P<0.05)降低了45.2%和73.6%，12.5%和75.0%。说明随着复垦年限的延长，在人为耕作方式、作物根系及土壤微生物作用下，土壤孔隙数量不断增加，土壤孔隙数量特征不断改善[25]。
分形维数描述的是土壤孔隙的自相似特性，是土壤孔隙不规则性的综合体现[26]。由表2可知，FK10处理分形维数虽然低于CK，但两者间无显著差异，说明复垦土壤经过10 a的不断演化，其土壤孔隙结构逐步趋于复杂和稳定，但FK3处理分形维数较CK和FK10分别显著(P<0.05)降低16.1%和12.3%，表明该土壤孔隙结构正处于极不稳定时期。
表2 不同处理土柱孔隙3D结构参数
Table 2 Soil pore 3D structure parameters of soil column under different treatments
欧拉值表征土壤孔隙等不规则介质的连通性。表1可知，随复垦年限增加，复垦处理土壤的欧拉值也不断提高，其中，FK10欧拉值较FK3显著提高47.7%，但较CK显著降低40.9%，说明复垦年限虽然明显影响了土壤孔隙的复杂度，但重构土壤孔隙的联通性与原地貌土壤仍有较大差距，一定程度上限制了复垦土壤水分及溶质的快速运移。
相关分析进一步表明(表3)，分形维数和欧拉值均与孔隙数量极显著(P< 0.01)相关，而与孔隙度显著(P< 0.05)相关。这与冯杰等[27] 研究结果一致，即土壤孔隙度与分形维数并不是简单的一一对应关系，因为孔隙度仅反映大孔隙的大小及数量，而分形维数则综合反映了土壤孔隙的形状和分布。因此，分形维数能从孔隙数量及形态特征两个方面，综合反映复垦土壤孔隙的微结构特征，在评价土壤质量时更有优势。
表3 土壤孔隙结构参数间的相关系数
Table 3 Correlation coefficient matrix of soil pore structure parameters
注:** 表示极显著差异，Highly significant P< 0.01;* 表示显著差异Significant at P<0.05.
复垦土壤质量的评价指标自1988年《土地复垦规定》实施以来,土地复垦已形成了一些成熟的方法和技术,但复垦土壤质量的评价指标仍显得比较散乱、评价标准及评价方法也不够统一。胡振琪等[28]在复垦土地验收方案中指出，复垦耕地环境质量评价宜采用内梅罗指数法，并给出了简单的评价指标。卞正富[29] 从影响复垦土地生产力要素着手，提出了复垦土壤生产力指数的修正模型和熵流模型。黄晓娜等[22]把土壤颗粒分形维数能作为判断煤炭塌陷区土壤恢复状况、土壤肥力评价的检验指标。赵冬等[30]在关于黄土丘陵区植被恢复过程的研究表明，分形维数和连通性可作为该区的土壤质量评价指标。侯湖平等[31]从土壤微生物角度指出，土壤优势菌群的数量结构变化，能够反映复垦土壤的质量状况。总体来看，反映复垦土壤质量的评价指标大致分为3类:综合类、模型评价类和少数定量评价类型指标。随着土壤结构定量化研究的深入，采用具有代表性的定量指标开展复垦土壤质量评价将是发展趋势。本研究表明(表3)，分形维数与孔隙数量极显著(P< 0.01)相关，与土壤孔隙度显著(P<0.05)相关，但限于CT扫描分辨率的限制，未能采集到土壤孔隙三维结构的成圆率参数，故无法分析其与分形维数的相关性，成为本研究的不足之处，也将是下一步研究的重点。但是，从选取评价指标的获取便利性、标准统一性和定量化来看，分形维数作为矿区复垦土壤质量的定量评价指标具有明显的优势。
由于地质构造和土壤类型的差异，复垦土壤的稳定年限具有不确定性。本研究表明(图4，5)，复垦10 a(FK10)的40～80 mm土层土壤孔隙数量和孔隙度逐步接近正常土壤(CK)，而0～30 mm土层土壤的孔隙数量和孔隙度尚处于紊乱状态，这表明0～30 mm土层需要更长的稳定时间，这可能是由于复垦土壤结构在空间和时间具有显著的层次性和秩序性，导致该层土壤尚未形成稳定结构。然而，由于本研究中复垦工程的限制，无法采集到5～8 a的复垦土壤样品，但从复垦3 a(FK3)和复垦10 a(FK10)的土壤剖面变化趋势来看(图4,5)，40～80 mm土层在5～8 a的时间有可能与原状地貌土壤(CK)的土壤孔隙数量和孔隙度接近，即实现40～80 mm土层结构的相对稳定。其他不同稳定年限相关研究中已呈现了类似结果。其中，BI和ZHANG[32]的植物修复试验表明，种植沙棘5～8 a后，能有效改善土壤理化性质，增加土壤微生物数量和酶活性，但由于试验条件的局限，8 a以上的试验数据是否具有可持续性尚未明确。曹杰[33]进行不同复垦年限(分别为1,2,4,5,6,8,10,15,18,20,22和25 a)油松林样地的修复效果表明，复垦5,6,8和10 a复垦土壤的有机质及全氮含量无显著差异(P<0.05),因土壤有机质和土壤孔隙度显著相关，据此推测安太堡露天煤矿复垦5,6,8和10 a复垦土壤的孔隙度可能也无显著差异。鉴此，本研究复垦5～8 a的土壤孔隙数量和孔隙度等土壤结构特征，也有可能接近复垦10 a的土壤结构特征，但限于试验条件无法取得5～8 a复垦土壤样本，故下一步应寻找5～8 a的复垦土壤，以检验该推测的可能性。但可以明确的是，无论是本试验或是其他相关研究均表明，煤矿区复垦土壤经过10 a左右平衡时间，土壤结构基本可达到稳定状态。
(1)复垦土壤孔隙结构具有空间和时间的层次性和顺序性。0～30 mm土层土壤孔隙数量和孔隙度尚处于紊乱状态，孔隙数量整体表现为FK3>CK>FK10，而40～80 mm土层，孔隙数量则表现为CK>FK3>FK10，土壤孔隙度与孔隙数量变化趋势基本一致。
(2)土壤孔隙成圆率随着复垦年限增加，得到逐步改善和优化。复垦10a后(FK10)的土壤孔隙成圆率已逐渐接近原状地貌土壤CK处理，复垦3a处理剖面均出现散乱的成圆率数值。从土壤剖面来看，3个处理成圆率均随土壤深度增加而呈现波浪形变化趋势。CK,FK10和FK3土壤剖面成圆率变异系数分别为64.9%,98.1%和104.4%。
(3)复垦土壤40～80 mm土层结构稳定约需经过10a(也可能仅需5～8 a)，0～30 mm土层结构可能需要更长时间。
(4)分形维数能从土壤孔隙数量、孔隙度和形态特征等多个方面，综合反映复垦土壤孔隙的微结构特征，能够作为煤矿区复垦土壤修复状况的评价指标。
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