一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法

摘要

本发明公开了土壤结构探究技术领域的一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，包括以下步骤：选取取样地点；供试土样采集；测定基本指标；冻融循环试验；供试团聚体收集；CT扫描；图像处理；验证方案效果；土壤团聚体结构可视化；土壤团聚体结构特征定量分析；本发明利用了同步辐射显微CT技术从微观尺度对冻融条件下的土体及团聚体内部结构进行原位、无损的分析。结合图像处理技术实现冻融条件下土体内部结构的三维可视化，使得土壤孔隙结构的研究更加直接和定量化，利用该技术对冻融作用与土壤结构进行研究。孔隙特征是描述土壤结构的重要因子，对冻融条件下土壤及团聚体孔隙特征的系统性研究是创新点。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤结构探究技术领域，具体涉及一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法。

背景技术

冻融作用作为一种自然现象普遍存在于中、高纬度及高海拔地区。东北黑土区位于中纬度地带，是我国重要的商品粮生产基地之一，在秋末和春初时期易形成土壤季节性融化层与冻土层的周期性变化，该周期性变化对土壤结构产生强烈的影响。土壤结构是一个空间组织系统，由土壤颗粒和团聚体的固相和具有不同大小、形状、特征和空间排列的孔隙空间两部分组成，是维持土壤功能的基础，也是影响侵蚀过程的重要因素。作为土壤结构的重要组成单元——团聚体，其孔隙结构特征影响着其稳定性、持水性和抗蚀性。因此，探究连续冻融循环条件下黑土区团聚体孔隙结构变化特征，有助于加深土壤侵蚀机制的理解，保护宝贵的黑土资源。

现有对冻融条件下土壤结构的研究已经做了大量工作，对团聚体结构的研究多是研究冻融作用对稳定性的影响，对团聚体的形成、破碎机制及稳定性变化做了大量研究，以揭示黑土团聚体变化特征。但是现有技术研究仍存在不足之处：

1.现有技术对于冻融作用下团聚体的形成、破碎机制及稳定性变化做了一定工作，但缺乏对团聚体内部结构特征的研究。

2.由于CT扫描获取的图像分辨率的限制，现有技术多用于土壤大孔隙的研究。近年来，高精度同步辐射显微CT技术对土壤孔隙结构的量化研究已达到微团聚体尺度，使得土壤结构的研究延伸到团聚体微结构。

3.现有技术对冻融作用下孔隙特征的研究局限于孔隙率与孔径进行研究，尚未结合孔隙数量、大小、形状、连接等孔隙特征展开研究。

因此，亟需设计一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，包括以下步骤：

S1：选取取样地点；根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地；

S2：供试土样采集；采用原位静压法，用内径为4.8cm，高为5cm的PVC管采集0～15cm土层范围的原状土体，将土柱用保鲜膜封闭，冻融试验前，将原状土柱置于4℃下恒温保存；

S3：测定基本指标；土壤理化性质采用常规方法测定，土壤机械组成采用吸管法测定，土壤质地划分根据美国制划分标准，土壤容重、饱和持水量、田间持水量和总孔隙度采用环刀法测定，土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法；

S4：冻融循环试验；将装有原状土的PVC管置于温度可调控的冻融机中，进行不同冻融循环周期的试验，采取12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程；

S5：供试团聚体收集；将进行冻融处理的土柱剖开，去除被非试验因素扰动的土壤，置于通风的阴凉干燥处，待散失适宜水分后，掰成土块，阴干后过筛，获取不同粒径的团聚体；

S6：CT扫描；利用上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站的同步辐射显微CT完成本试验5～7mm粒径的团聚体样品图像的获取；

S7：图像处理；利用上海光源PITRE软件完成图像重建，首先对图像进行相位恢复，然后将12位投影图像转换为16位，如图1a，生成正弦图像，如图图1b，利用背投影算法重建获取切片图像，如图1c，重建后将切片图像存储为8位tiff格式，三维团聚体结构的可视化利用Image J完成，如图1d，图像处理是实现数字图像定量分析的必要和关键步骤；

S8：验证方案效果；为了验证本发明技术方案的实际效果，选取东北典型黑土为研究对象，采用连续冻融循环试验方法，定性和定量研究冻融循环条件下黑土团聚体孔隙结构变化过程，试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次，采取的是12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程；

S9：土壤团聚体结构可视化；对于冻融循环条件下典型黑土团聚体结构可视化，不同冻融循环次数下团聚体的二维形态有明显的差异，从二维图像可以看出未经冻融时团聚体孔隙以小孔隙为主，随着冻融循环次数的增加孔隙不断增大，三维图像表明随着冻融循环次数的增加，团聚体孔隙度明显增大，图像观察表明，多次冻融循环后，团聚体内部孔隙增大，连通性增强，团聚体内部由于孔隙的连通呈现网络状结构；

S10：土壤团聚体结构特征定量分析；结果表明，在冻融循环过程中孔隙数量并未随冻融循环次数增加呈现规律性变化，而孔隙节点数量增加是由于冻融循环导致孔隙出现裂隙或由于多个孔隙相连产生新的节点，对孔隙形状与连通性影响较大，团聚体孔隙度随冻融循环次数的增多持续增长状态；当冻融循环达到15次以后原有的结构已经被改变，团聚体内部裂隙明显，在大团聚体内部形成多个小团聚体，达到新的稳定状态，受冻融循环的影响减小甚至不再受其影响，此时的大团聚体结构脆弱，极易破碎；多次的冻融循环使得土壤孔隙结构不断变化，但当冻融循环次数在15次以上时孔隙结构变化不再明显。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在上述S1中，PVC管下部打入地下部分为尖状，以为减小采样对土壤结构的影响。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在上述S4中，设置冻融温度为－10～7℃，试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在上述S5中，过筛操作过程中，筛子孔径分别为3mm、5mm和7mm，以获取不同粒径的团聚体，试验选取5～7mm粒径的团聚体用于团聚体结构测定。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在上述S6中，光子能量设置为30000eV，分辨率为3.25μm，曝光时间为1.8s，样品台与探测器距离为15cm，每个样品采集1440张图像。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在S7中，由于不同CT切片图像间亮度差别较大，首先利用Image J软件中的Normalize命令对图像进行归一化处理，为了准确提取土壤孔隙结构数据，本研究采用全局阈值法，结合实际的土壤孔隙状况调试确定图像的分割阈值。

进一步的，上述研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法中，在上述S8中，试验土壤为典型黑土，砂粒、粉粒和黏粒含量分别为16.08％、47.57％和36.35％，有机质含量为32.87g/kg，土壤质量含水率为40％，饱和持水量为55.40％，田间持水量为36.17％，总孔隙度为60.38％。耕作层平均土壤容重为1.05g/cm3。试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次，采取12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对目前研究中存在的主要问题，有效的利用了同步辐射显微CT技术从微观尺度对冻融条件下的土体及团聚体内部结构进行原位、无损的分析。结合图像处理技术实现冻融条件下土体内部结构的三维可视化，使得土壤孔隙结构的研究更加直接和定量化，利用该技术对冻融作用与土壤结构进行研究。孔隙特征是描述土壤结构的重要因子，对冻融条件下土壤及团聚体孔隙特征的系统性研究也是本研究的创新点之一，对土壤孔隙的各项指标全面的定量化分析为土壤结构的深入研究提供了方法，也为土壤水分与气体存储和运移的研究提供了新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明土壤团聚体的投影、正弦、切片和三维结构图像；

图2为本发明不同冻融循环次数下土壤团聚体二维和三维结构图；

图3为本发明不同冻融次数下团聚体孔隙度变化图；

图4为本发明方法流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，包括以下步骤：

S1：选取取样地点；根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地；

S2：供试土样采集；采用原位静压法，用内径为4.8cm，高为5cm的PVC管采集0～15cm土层范围的原状土体，将土柱用保鲜膜封闭，冻融试验前，将原状土柱置于4℃下恒温保存；试验过程中注意避免或尽量减小人为因素对原状土体结构的扰动；

S3：测定基本指标；土壤理化性质采用常规方法测定，土壤机械组成采用吸管法测定，土壤质地划分根据美国制划分标准，土壤容重、饱和持水量、田间持水量和总孔隙度采用环刀法测定，土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法；

S4：冻融循环试验；将装有原状土的PVC管置于温度可调控的冻融机中，进行不同冻融循环周期的试验，采取12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程，为确保试验过程中土柱可完全冻结、融化；

S5：供试团聚体收集；将进行冻融处理的土柱剖开，去除被非试验因素扰动的土壤，置于通风的阴凉干燥处，待散失适宜水分后，掰成土块，操作过程中注意避免人为破坏其结构，阴干后过筛，获取不同粒径的团聚体；

S6：CT扫描；利用上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站的同步辐射显微CT完成本试验5～7mm粒径的团聚体样品图像的获取；

S7：图像处理；利用上海光源PITRE软件完成图像重建，首先对图像进行相位恢复，然后将12位投影图像转换为16位，如图1a，生成正弦图像，如图图1b，利用背投影算法重建获取切片图像，如图1c，重建后将切片图像存储为8位tiff格式，三维团聚体结构的可视化利用Image J完成，如图1d，图像处理是实现数字图像定量分析的必要和关键步骤；由于显微CT图像分辨率为3.25μm，不能分辨出更小的孔隙，所以本文仅研究大于3.25μm的团聚体孔隙。

S8：验证方案效果；为了验证本发明技术方案的实际效果，选取东北典型黑土为研究对象，采用连续冻融循环试验方法，定性和定量研究冻融循环条件下黑土团聚体孔隙结构变化过程，试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次，采取的是12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程；

S9：土壤团聚体结构可视化；对于冻融循环条件下典型黑土团聚体结构可视化，不同冻融循环次数下团聚体的二维形态有明显的差异，从二维图像可以看出未经冻融时团聚体孔隙以小孔隙为主，随着冻融循环次数的增加孔隙不断增大，三维图像表明随着冻融循环次数的增加，团聚体孔隙度明显增大，图像观察表明，多次冻融循环后，团聚体内部孔隙增大，连通性增强，团聚体内部由于孔隙的连通呈现网络状结构；

二维图中白色部分为孔隙，黑色部分为固体颗粒，如图2所示，0次冻融循环下的土壤团聚体结构比较致密，随着冻融循环次数的增加，土壤团聚体结构则相对疏松，形成明显的大孔隙结构，中、小孔隙减少。从二维图像可以看出未经冻融时团聚体孔隙以小孔隙为主，随着冻融循环次数的增加孔隙不断增大，5次冻融循环后团聚体出现明显裂隙，孔隙相连，随着冻融循环次数的增多，该现象越为明显。0次冻融循环下的土壤大团聚体内部观察不到中、小团聚体的轮廓和边界。当冻融循环次数达到15次时，团聚体内部孔隙连通呈现网络状，连通的网络状孔隙将大团聚体内部固体颗粒分离，在大团聚体内部可以观察到明显的小团聚体结构；

三维图像表明(三维图中部分为立方体边缘孔隙，部分为内部孔隙)，随着冻融循环次数的增加，团聚体孔隙度明显增大。从立方体边缘的孔隙可以看出，随着冻融循环次数的增加，3次冻融循环后团聚体内部孔隙个体显著增大，单个孔隙在不断增大的同时与相邻孔隙相连通。团聚体内部出现裂隙，孔隙连通度增大，这与二维图像显示结果一致。图像观察表明，多次冻融循环后，团聚体内部孔隙增大，连通性增强，团聚体内部由于孔隙的连通呈现网络状结构。

S10：土壤团聚体结构特征定量分析；结果表明，在冻融循环过程中孔隙数量并未随冻融循环次数增加呈现规律性变化，而孔隙节点数量增加是由于冻融循环导致孔隙出现裂隙或由于多个孔隙相连产生新的节点，对孔隙形状与连通性影响较大，团聚体孔隙度随冻融循环次数的增多持续增长状态；当冻融循环达到15次以后原有的结构已经被改变，团聚体内部裂隙明显，在大团聚体内部形成多个小团聚体，达到新的稳定状态，受冻融循环的影响减小甚至不再受其影响，此时的大团聚体结构脆弱，极易破碎；多次的冻融循环使得土壤孔隙结构不断变化，但当冻融循环次数在15次以上时孔隙结构变化不再明显；

基于表1数据表明，土壤团聚体孔隙数量和内部孔隙数量相较于不经任何处理的0次冻融循环均有减小。孔隙节点数量随冻融循环次数的增加呈增多趋势，在5次循环以内，孔隙节点数量无规律波动，5次冻融循环后呈增长趋势，15次冻融循环后略有下降。但7次冻融循环后的孔隙节点数量较5次之前明显增大，说明冻融循环次数达到7次以上，孔隙分支明显增多。基于图3表明，相较于1次冻融循环的团聚体，3、5、7、10、15次和20次冻融循环后孔隙度分别增加64.88％、82.02％、79.17％、125.48％、184.88％和177.86％。

在上述S1中，PVC管下部打入地下部分为尖状，以为减小采样对土壤结构的影响。

在上述S4中，设置冻融温度为－10～7℃，试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次。

在上述S5中，过筛操作过程中，筛子孔径分别为3mm、5mm和7mm，以获取不同粒径的团聚体，试验选取5～7mm粒径的团聚体用于团聚体结构测定。

在上述S6中，光子能量设置为30000eV，分辨率为3.25μm，曝光时间为1.8s，样品台与探测器距离为15cm，每个样品采集1440张图像。

在S7中，由于不同CT切片图像间亮度差别较大，首先利用Image J软件中的Normalize命令对图像进行归一化处理，为了准确提取土壤孔隙结构数据，本研究采用全局阈值法，结合实际的土壤孔隙状况调试确定图像的分割阈值。

在上述S8中，试验土壤为典型黑土，砂粒、粉粒和黏粒含量分别为16.08％、47.57％和36.35％，有机质含量为32.87g/kg，土壤质量含水率为40％，饱和持水量为55.40％，田间持水量为36.17％，总孔隙度为60.38％。耕作层平均土壤容重为1.05g/cm3。试验设置冻融循环周期为0、1、3、5、7、10、15次和20次，采取12h冻结，12h融化的缓慢冻融过程。

下表为不同冻融次数下团聚体孔隙数量参数。

表1不同冻融次数下团聚体孔隙数量参数

注：不同小写字母表示相同含水率不同冻融循环次数下的数据显著性差异(P<0.05)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。