中国科学：地球科学2010年第40卷第2期：223~231 wwww.scichina.com earth.scichina.com 乡中胜学 论文 黄土高原植被演替下土壤孔隙的定量分析 赵世伟0*，赵勇钢①0，吴金水 ①西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原士壤侵蚀与早地农业国家重点实验室。杨凌712100， 收稿日期2009-05.27：接受日期：2010-0105 美结商餐支携保餐地农限水面息实装密白由研究深图（线号：002Z山、国鉴自结科学塔金重点项目（批准号子9000小、国家十 摘要土壤孔隙特征对黄土高原植被恢复下的土壤水库”重建有着重要影响。本|关键词 文采用时空互代的方法，利用CTCo uted Tom py)扫描和图像处理技术，对 CT(Computed Tomography) 黄土高原子午岭林区5个植被自然恢复演替阶段样地表层15-57mm的土壤孔参 数进行了定量分析，结果表明，在植被自然恢复演替过程中，土壤孔隙数，孔像度 孔隙成圆率和分形维数等孔隙参数得到极显著地提高(P001).表现的规律为顶级 群落阶段>先锋乔木阶段>灌丛醉落阶段>草地群落阶段>弃耕地阶段，说明植被自 土蝶有机质 然恢复能明显促进土壤孔隙状况的提高，并且这种作用随着恢复演替时问的延长 和植被类型的改变逐渐增强，最终在顶级群落阶段土壤孔腺参数达到最优。土壤有 机质含量与各孔碳参数之问均有极显著(P0.001)的线性关系，有机质果积量的增 加可能是植被自然快复过程中土壤孔腺特征变化的主要原因之 严重的水士流失与干早峡水并存，是影响黄士 化为士壤水资源，限制了土壤水库功能的发挥。鉴于 高原地区生态环境建设和农业可持续发展的核心问 土壤水库功能与土壤孔隙特征密切相关，因此，定虽 预.迅速施行植被恢复。利用植物与十塘的相互作用 分析土壤孔隙特征的适宜度及其稳定性，对于评价 巩固黄土独有的“点棱接触支架式多孔结构”，充分 十壤水库的功能北为重要 发挥其疏松和通透性能，恢复“士壤才 大 土壤表层的结构特征对降水资源的转化、储存和 士壤水库的 利用有着重要影响 土壤结构特征包括两个方面 功能是通过一定土层中不同大小孔隙对水分的存器 一是土壤中的固相颗粒或土壤团聚体状况间，二是士 和调节所表现出来的.黄土高原土层深厚，孔隙度较 壤中的孔隙状况物.土壤孔隙.尤其是大孔隙(>1mm】 大故十端水库突量台大到但由干苗十右机质 的一些性质如数目、大小、形状、方向及空间分布等 乏，结构不稳定 在该区集中且强度大的降雨作用下 决定着士壤中水分的流量、流速、流春及持水性能 土壤孔隙状况极易造破坏，使得有限的降水难以转 许多研究表明，黄土高原施行的植被自然恢复措施 引用格式e5O s on the Loess Platea Sci China Earth Sci.2010.doi:中国科学: 地球科学 2010 年 第 40 卷 第 2 期: 223 ~ 231 www.scichina.com earth.scichina.com 引用格式: Zhao S W, Zhao Y G, Wu J S. Quantitative analysis of soil pores under natural vegetation successions on the Loess Plateau. Sci China Earth Sci, 2010, doi: 10.1007/s11430-010-0029-8 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 黄土高原植被演替下土壤孔隙的定量分析 赵世伟①* , 赵勇钢①②, 吴金水③ ① 西北农林科技大学水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100; ② 中国科学院研究生院, 北京 100049; ③ 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125 * E-mail: swzhao@ms.iswc.ac.cn 收稿日期 2009-05-27; 接受日期: 2010-01-05 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室自由研究课题(编号: 10502-Z11)、国家自然科学基金重点项目(批准号: 90502007)、国家十 一五科技支撑计划(编号: 2006BCA01A07)资助 摘要 土壤孔隙特征对黄土高原植被恢复下的“土壤水库”重建有着重要影响. 本 文采用时空互代的方法, 利用 CT(Computed Tomography)扫描和图像处理技术, 对 黄土高原子午岭林区 5 个植被自然恢复演替阶段样地表层 15~57 mm 的土壤孔隙参 数进行了定量分析. 结果表明, 在植被自然恢复演替过程中, 土壤孔隙数、孔隙度、 孔隙成圆率和分形维数等孔隙参数得到极显著地提高(P<0.01), 表现的规律为顶级 群落阶段>先锋乔木阶段>灌丛群落阶段>草地群落阶段>弃耕地阶段, 说明植被自 然恢复能明显促进土壤孔隙状况的提高, 并且这种作用随着恢复演替时间的延长 和植被类型的改变逐渐增强, 最终在顶级群落阶段土壤孔隙参数达到最优. 土壤有 机质含量与各孔隙参数之间均有极显著(P<0.001)的线性关系, 有机质累积量的增 加可能是植被自然恢复过程中土壤孔隙特征变化的主要原因之一. 关键词 CT(Computed Tomography) 扫描 黄土高原 植被演替 土壤孔隙 土壤有机质 严重的水土流失与干旱缺水并存, 是影响黄土 高原地区生态环境建设和农业可持续发展的核心问 题. 迅速施行植被恢复, 利用植物与土壤的相互作用 巩固黄土独有的“点棱接触支架式多孔结构”, 充分 发挥其疏松和通透性能, 恢复“土壤水库”的巨大调 节功能是解决这一问题的根本措施[1,2]. 土壤水库的 功能是通过一定土层中不同大小孔隙对水分的存蓄 和调节所表现出来的. 黄土高原土层深厚, 孔隙度较 大, 故土壤水库容量巨大[3]. 但由于黄土有机质缺 乏、结构不稳定, 在该区集中且强度大的降雨作用下, 土壤孔隙状况极易遭破坏, 使得有限的降水难以转 化为土壤水资源, 限制了土壤水库功能的发挥. 鉴于 土壤水库功能与土壤孔隙特征密切相关, 因此, 定量 分析土壤孔隙特征的适宜度及其稳定性, 对于评价 土壤水库的功能尤为重要. 土壤表层的结构特征对降水资源的转化、储存和 利用有着重要影响[4]. 土壤结构特征包括两个方面: 一是土壤中的固相颗粒或土壤团聚体状况[5], 二是土 壤中的孔隙状况[6]. 土壤孔隙, 尤其是大孔隙(>1 mm) 的一些性质如数目、大小、形状、方向及空间分布等, 决定着土壤中水分的流量、流速、流态及持水性能[7]. 许多研究表明, 黄土高原施行的植被自然恢复措施