基于数字图像技术的土壤孔隙结构定量研究进展

土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小、数量搭配和空间分布状况的综合反映，其结构的复杂性和异质性决定着土壤水分迁移、气体扩散和生物活动等过程。近年来数字图像技术的发展虽然实现了土壤孔隙结构的直接可视化和定量化，但孔隙提取的精度仍然受采样方法、设备分辨率和分割技术的限制。本文基于现有土壤孔隙研究方法的发展历程，以图像获取、图像分割和量化分析为主线，综述了当前常用土壤孔隙研究方法(间接法和直接法)的基本原理、主要步骤和优缺点，剖析了从图像中提取孔隙结构的分割技术，概括了孔隙结构的常用量化指标，最后针对现有研究方法存在的问题和不足，对未来研究方法的发展方向进行了展望。     

黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征

以明确自然界中广泛存在的层状结构土壤孔隙分布特征为目的。选黄土高原典型坝地土壤剖面为研究对象，利用CT扫描技术分析耕作层、犁底层、心土层土壤三维结构，探讨层状土孔隙参数随土层结构变化及界面层孔隙特征。结果表明：(1)瘦长型孔隙(孔隙形状系数≤0.2)是各土层土壤孔隙的主要形态。各土层的孔隙参数具有明显差异。耕作层的总孔隙度最高，大孔隙(≥1 mm)分布较多；犁底层孔隙总数量最高，含有较多孤立的小孔隙(≥0.1～0.5 mm)和微小孔隙(≥0.06～0.1 mm),但连通性最差；心土层孔隙参数多数介于耕作层与犁底层之间。(2)坝地剖面层状土壤具有一定厚度的界面层，各孔隙参数均在土层界面位置存在突变点，具有明显分界现象。孔隙特征参数均呈过渡位置渐变、界面位置突变的规律。在界面层，犁底层土壤总孔隙度和连通性与耕作层相比，分别显著下降41.6%,69.8%;心土层在界面层的土壤总孔隙度和连通性与犁底层相比，分别显著增高30.4%,52.3%。(3)孔隙孔径大小与孔隙形态密切相关，大孔隙形态多呈瘦长型，而微小孔隙形状则多呈规则型。(4)土层越深，连通性与总孔隙度、孔隙总数量、孔径分布及孔隙形状的...     

长期施用畜禽粪便对土壤孔隙结构特征的影响

畜禽粪便中含有大量有害物质可能影响农业土壤质量。土壤孔隙结构是反映土壤质量的重要指标。探讨长期施用畜禽粪便对土壤孔隙结构特征的影响,对于理解畜禽粪便对农业土壤质量影响有重要意义。该文分析稻麦轮作土壤上长期(20年)施用畜禽粪便和化肥土壤孔隙度、孔隙分布、贮水性能及土壤饱和导水率等土壤孔隙结构指标。研究结果显示,长期施用畜禽粪便处理显著改变了土壤孔隙分布和土壤总孔隙度,施用畜禽粪便耕层土壤大孔隙和中孔隙的比例分别是施用化肥处理的1.48～1.70倍和1.35～1.75倍;耕层土壤总孔隙度也比施用化肥处理增加7.5%～11.3%。长期施用畜禽粪便显著提高了土壤贮水性能,施用畜禽粪便耕层土壤饱和含水量、毛管持水量以及田间持水量分别比施用化肥土壤提高了11.63%～23.98%,12.24%～21.72%和11.08%～16.25%。施用鸡粪和猪粪耕层土壤饱和导水率均大于180 cm/d,分别为施用化肥土壤的2.83倍和2.88倍。土壤有机碳与土壤孔隙结构指标间有极显著的相关关系,表明土壤有机碳在土壤孔隙结构的形成和稳定过程中起着重要作用。本研究结果表明,长期施用畜禽粪便主要是通过提高土壤有机碳来改善土壤孔隙结构特征。     

土壤孔隙结构与土壤微环境和有机碳周转关系的研究进展

土壤结构是土壤功能的基础,不仅影响土壤养分的供应、水分的保持及渗透、气体的交换等过程,还为土壤微生物提供了物理生境,并调控土壤有机碳的周转这一关键过程。土壤的孔隙特征能够直接、真实地反映土壤结构的好坏;用土壤的孔隙特征作为试验指标能更好地反映土壤结构对这些过程的调节作用。在此基础上,将高度异质性的土壤孔隙结构同土壤微环境的变化和土壤有机碳的周转过程进行定量分析,对深入了解土壤结构在土壤生态系统中的功能至关重要。因此,着重从土壤孔隙结构对土壤微环境的影响及其与有机碳的关系两方面展开,剖析土壤孔隙结构调控作用下的土壤微环境响应过程,阐述土壤孔隙结构对土壤有机碳周转产生的直接、间接影响,强调土壤孔隙结构在调节土壤有机碳周转进程中的重要作用,并对土壤孔隙结构在调节土壤有机碳周转、植物残体分解及其与微生物协调作用机制等方面研究提出展望。     

土壤孔隙结构定量化研究进展

土壤孔隙结构是土壤结构的重要方面,土壤大孔隙引起的优先流和溶质优先迁移与地下水污染、养分流失和灌溉水浪费都有着密切的关系;对土壤孔隙结构的研究具有重要的实践意义和指导作用。本文在综合国内外研究文献的基础上,对前人研究进行系统总结,介绍土壤孔隙结构的获取手段、孔隙结构的表征和模拟方法,并且对今后土壤孔隙结构研究的热点进行了展望,以期为今后进行土壤孔隙结构建模的深入研究提供帮助。     

土壤孔隙质量分数维D_m二元图像分析及其影响因素研究

本文简要介绍了利用土壤切片的二元图像分析了土壤孔隙结构的质量分数维Dm 的方法 ,并研究比较了四类土壤类型的Dm 及其影响因素。结果表明Dm 可以较好地定量描述土壤孔隙的空间分布特征 ,Dm 与土壤孔隙面积、孔隙孔径分布、土壤深度以及土壤质地之间均具有一定的联系     

探索“透明”土壤体：土壤孔隙学的时代已经启航

土壤是地球表面由固、液、气三相组成的疏松多孔介质体,土壤物理、化学和生物学等过程主要发生在液相和气相填充的土壤孔隙中及其与固相的交界面。随着无损探测土壤孔隙结构、土壤生物化学原位分析和计算机模拟等技术的快速发展和计算能力的提升,从土壤孔隙的形态、结构和功能的角度,原位、直观、精确地研究土壤中动态发生的各种过程成为可能,推动了对真实土壤中各种微观过程与机制的研究。基于前期的研究进展,本文提出,研究透明土壤体的物理学—土壤孔隙学（Soilporelogy）的时代已经启航。土壤孔隙学主要针对土壤孔隙空间,研究其动态变化与土壤物理、土壤化学和土壤生物（生态）互作过程及其效应。以土壤孔隙学为主线,本文首先介绍了获取土壤孔隙方法的进步,进而论述了基于土壤孔隙的流体运动、生物化学过程、根系和生物活动以及土壤微观生态学等的试验和模拟研究。最后,本文对土壤孔隙学的研究方法和理论发展方向进行了展望,相信基于土壤孔隙的研究会推动土壤学研究新的发展。     

生物质炭改良盐渍土CT孔隙图像的多重分形与相对熵特征

定量化分析土壤结构对于了解土壤的物理、化学和生物过程有至关重要的作用。结合尺度分析理论和图像处理技术可从微观角度阐明土壤结构演变过程,解决生物质炭添加对土壤结构影响的争议问题。本研究以江苏滨海盐渍土为研究对象,设置0%、2%、5% （占0~20 cm表层土壤质量比）3个生物质炭添加水平改良盐渍土。每年在水稻收割后,采用塑料环刀取表层（0~20 cm）原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙结构,采用不同的理论方法（多重分形分析和相对熵分析）分析生物质炭改良土壤CT孔隙的复杂尺度行为。结果表明,多重分形分析适合于灰度图像,而相对熵分析适合于二值图像。所有处理的孔隙复杂度逐年增加,生物质炭添加能够加快土壤孔隙结构的发育,孔隙复杂度增加速率更快。在不同生物质炭处理中,2%生物质炭处理的孔隙结构复杂程度最高（?α=0.061,Range?E=0.436）,土壤的孔隙结构改善效果最好。高生物质炭的添加量（5%生物质炭处理）减少孔隙结构的复杂度（?α=0.045,Range?E=0.531）,降低生物质炭的改良效果。本研究从孔隙微观角度为生物质炭改良孔隙结构提供理论依据。     

生物炭添加对盐渍土CT孔隙序列分形特征来源的影响

为了揭示生物炭改良土壤孔隙的复杂结构及其影响因素，以江苏滨海盐渍土为研究对象，采用添加生物炭改良盐渍土，设置0,2%,5%(占表层0—20 cm土重比)3个生物炭添加水平。每年10月在水稻收割后，采用塑料环刀取表层(0—20 cm)原状土，进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙序列。基于多重分形去趋势波动分析理论，并结合数据重排，分析施加生物炭对CT孔隙序列多重分形特征及其来源的影响。结果表明，所有处理的CT孔隙序列的复杂度均随着年份增长；2%生物炭处理的CT孔隙序列的复杂程度较0和5%生物炭处理分别提高7.54%和5.28%;概率密度函数与长程相关性均影响CT孔隙序列的多重分形特征；孔隙和空间的长程相关性是主要影响因素；生物炭的添加促使孔隙分形特征更易受到土壤中生物微生物活动的影响。研究结果为定量化分析生物炭改良盐渍土孔隙结构提供了理论支持。     

氨化秸秆还田对土壤孔隙结构的影响

【目的】土壤孔隙性质是土壤结构性的反映,直接影响着土壤的肥力和水分有效性。定量研究氨化秸秆还田对土壤不同大小等级孔隙数量和孔隙分布的影响,可以为土壤培肥提供科学依据。【方法】采用室内试验方法,设置氨化秸秆加入量为土壤总质量的 0(CK)、 0.384%(S1)、 0.575%(S2)、 0.767%(S3)4个处理,室内培养。在培养0、60、120和180 d,取样测定土壤水分特征曲线(SWRC)数据,利用双指数土壤水分特征曲线模型(DE模型,Double-exponential water retention equation),分析氨化秸秆对土壤剩余孔隙、基质孔隙和结构孔隙的影响; 基于DE模型的微分函数,探究不同氨化秸秆处理对土壤孔隙分布的影响。【结果】不同处理的土壤水分特征曲线SWRC实测值和DE模型模拟值之间的均方根误差介于0.0036和0.0041 cm3/cm3之间,R2介于0.998和0.999之间,土壤含水量模拟值和实测值非常接近1 ∶1,表明DE模型可以准确反映添加氨化秸秆后土壤含水量随吸力的变化规律,较准确地估算土壤不同大小等级孔隙数量变化。培养120 d内,氨化秸秆对土壤剩余孔隙、基质孔隙和结构孔隙影响不显著; 培养180 d时,各处理土壤结构孔隙度表现出随着氨化秸秆添加量的增加而增加的趋势; 此时S3对土壤剩余孔隙影响不显著,显著减小了土壤的基质孔隙度(P0.05),极显著地增加了土壤的结构孔隙度(P 0.01)。在孔隙分布中,氨化秸秆促进了土壤已有孔隙向较大孔隙的发育,显著增加了土壤结构孔隙分布数量; 随着氨化秸秆添加量的增加,土壤结构孔隙的分布数量越大,且峰值出现的越早。氨化秸秆增加了土壤中有机质含量; 土壤结构孔隙和总孔隙均与有机质含量呈显著的正相关关系(P 0.05); 有机质可以黏结团聚土壤的矿物颗粒,有效地促进了土壤结构孔隙的发育; 氨化秸秆对土壤孔隙的影响随着时间的进行越来越明显。【结论】氨化秸秆增加了土壤中有机质含量,促进了土壤孔隙结构的发育,增加了土壤的结构孔隙度和总孔隙度,这对改良和培肥土壤、改善土壤耕性具有重要意义。     

基于CT分析露天煤矿复垦年限对土壤有效孔隙数量和孔隙度的影响

露天煤矿排土场由于排土过程中大型机械压实等作用会对土壤的孔隙结构产生影响,重构适合于植被生长的土壤孔隙结构是排土场土地复垦的重要工作。为对排土场重构土壤孔隙结构进行定量分析,该文采用高精度无损计算机断层扫描技术(CT)对山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场平台全黄土母质覆盖的不同复垦年限(0、20、23 a)以及原地貌的土壤进行分层扫描成像,并利用Photoshop和Arcgis软件对扫描图像进行处理和统计分析,探讨了排土和复垦对土壤孔隙数量和孔隙度的影响,分析了排土场重构土壤大、中和小孔隙的变化。结果表明:原地貌土壤孔隙数量和孔隙度最大,其次是复垦23和20 a的土壤,排土后未复垦土壤孔隙数量和孔隙度最小。采矿和排土等活动由于大型机械压实作用降低了土壤孔隙数量和孔隙度,尤其是大孔隙数量和大孔隙度;土地复垦对增加土壤孔隙数量和孔隙度有一定的作用,但是过程比较缓慢。采矿和排土等活动对表层土壤孔隙数量和孔隙度的影响要高于底层土壤。该研究可为黄土区大型露天煤矿排土场重构土壤结构的优化与土地复垦措施选择提供依据。     

小叶锦鸡儿灌丛化对退化沙质草地土壤孔隙特征的影响

以内蒙古太卜寺旗地区退化沙质草地为研究对象,对该地区的小叶锦鸡儿灌丛化草地中的灌丛斑块和草地斑块分别取原状土柱各三个进行CT扫描,利用Fiji软件分析土壤孔隙结构特征的差异。研究结果表明,小叶锦鸡儿灌丛化对土壤的孔隙结构有较大影响,灌丛斑块土壤的总孔隙数、大孔隙数、总孔隙度、大孔隙度和孔隙等效直径均大于草地斑块土壤,灌丛斑块土壤的平均大孔隙度是草地斑块土壤的3倍。草地斑块土壤的大孔隙主要分布在0~50 mm土层深度,而灌丛斑块土壤的大孔隙在0~400 mm深度都有分布,这与土壤中灌丛的丰富根系分布有关。     

秸秆不同还田方式对土壤结构及土壤蒸发特性的影响

利用团聚体分形维数、孔隙分形维数等指标,对比分析了秸秆在经过粉碎、氨化及与无机土壤改良剂混合3种措施处理后加入土壤对土壤团聚结构、土壤容重、孔隙度及低吸力段土壤水分蒸发特性的影响,结果表明;粉碎并氨化处理过的秸秆施人土壤后,能显著改善土壤团聚结构,减小土壤容重.增加土壤孔隙度;秸秆加入土壤中会导致处理低吸力段土壤孔隙分形维数变小,孔隙分布均匀性、连通性变差.导致土壤蒸发速率过快,而无机土壤改良剂(氢氧化铁)能有效改善土壤孔隙分布.抑制土壤蒸发.当其与秸秆混合施用时,对雨水保蓄利用效果更好.     

不同利用年限的红壤水稻土孔隙结构差异的图像分析

本文利用目前常用的土壤孔隙结构研究方法,获取了不同利用年限的红壤水稻土在风干状态下的孔隙结构图像,对孔隙结构特征的图像分析结果表明,随着利用年限的延续,孔隙结构逐渐改善,表现在孔隙面积逐渐增加,孔隙的孔径分布和孔隙在土体中的分布逐渐均匀,孔隙中大孔隙比重逐渐增大等方面。     

基于气体分子动理论的土壤孔隙结构特征研究

通过测定两种土壤和一种玻璃珠的两相热导率随气压的变化,分析变压条件下气体分子碰撞平均自由程和多孔介质孔隙结构间的关系.研究计算了表征土壤平均孔隙结构的孔隙特征长度(d),同时依据静态几何学方法计算获取了颗粒平均间距(D).结果表明,基于热传输方法获取的d值是从气体分子碰撞传热的动态观点获取的孔隙结构表征,标识着土壤颗粒...     

中国典型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙特征的定量关系

团聚体结构和稳定性关系着一系列土壤过程。为探明不同类型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙结构变化规律及二者关系，该研究以中国温带与亚热带地区5种地带性土壤（黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤）为研究对象，结合CT扫描、湿筛法和Le Bissonnais法，量化孔隙结构，测定各地带性土壤团聚体平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）。结果表明：团聚体水稳性受到土壤类型和土层深度的综合影响，从大到小依次为黄褐土、褐土、棕壤、黑土和红壤；基于LB法测定的团聚体平均质量直径排序为MWDsw（慢速湿润）>MWDws（预湿润震荡）>MWDfw（快速湿润），即5种团聚体的主要破碎机制是快速湿润引起的消散作用；5种地带性土壤团聚体不同当量直径孔隙度由北至南呈"U"型变化，且这种变化程度随土层深度增加而减弱；团聚体孔隙大小均以30～75 μm孔隙为主，孔隙形状以细长型孔隙为主。细长型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趋势，不规则型和规则型孔隙度变化趋势相反；偏最小二乘回归表明，规则型孔隙度、孔隙平均形状因子、75～100 μm孔隙度和细长型孔隙度与团聚体水稳性显著相关，细长型孔隙起正向作用；规则型孔隙、细长型孔隙、75～100 μm孔隙度和>100 μm孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。研究结果有助于加深土壤团聚体与孔隙特征关系的认识，从而更好地揭示土壤过程作用机制。     

不同耕作方式对砂姜黑土孔隙结构特征的影响

砂姜黑土黏闭僵硬问题突出，耕作是改良其结构的重要措施之一。本文基于安徽龙亢农场砂姜黑土耕作试验基地，采集免耕（No-tillage, NT）、旋耕（Rotary tillage, RT）和深翻（Deep ploughing, DP）处理的原状土柱（高20 cm，直径10 cm），利用X射线CT扫描技术和ImageJ 软件等对土壤孔隙结构进行三维重建和可视化处理，定量分析了不同耕作方式对土壤的孔隙度、孔径大小分布、孔隙形态特征、网络特征以及土壤饱和导水率的影响。结果表明：（1）与免耕相比，旋耕和深翻下土壤的大孔隙度分别增加了192.7%和261.1%（P < 0.05）；与旋耕相比，深翻下土壤大孔隙度增加了23.4%；（2）相较于免耕，旋耕和深翻显著增加了土壤孔隙的水力半径、紧密度、分形维数和全局连通性（P < 0.05），显著降低了各向异性程度和欧拉数（P < 0.05），土壤饱和导水率得到显著提升，且深翻的改良效果总体优于旋耕；（3）相关分析表明土壤饱和导水率与除水力半径外的孔隙结构特征参数均存在显著相关（P < 0.05），其中与连通性最大孔隙度的相关性最高（r=0.833**，P < 0.01）。综上所述，深翻扩大了土壤孔隙的水力半径，改善了连通性，提升了复杂程度，从而构建了相对良好的土壤孔隙形态和网络结构，提高了导水能力，消减砂姜黑土结构性障碍效果显著。     

孔隙结构图像分析中不同试验因素对分析结果的影响

研究了不同试验因素 (包括图像分辨率、土壤切片定向性、分析区域大小等 )对孔隙结构图像分析结果的影响以及试验误差 ,并简要介绍了用于分析土壤孔隙结构的土壤切片及数字图像的制备技术。结果表明 :不同试验因素对分析结果均会产生一定的影响 ,试验误差约在 1 0 %。这表明同一研究中应保持试验条件的相对一致以保证分析结果的可靠性和可比性     

基于CT扫描研究青海湖流域高寒草甸不同坡位土壤大孔隙结构特征

以青海湖流域的高寒草甸土壤为研究对象,对该高寒草甸的坡上、坡中和坡下土壤分别取原状土柱进行CT扫描,利用Fiji软件分析土壤大孔隙结构特征的差异。结果表明:坡位对土壤的大孔隙结构有较大影响,坡上土壤的大孔隙数量、大孔隙度和大孔隙等效直径均大于坡中土壤,坡中土壤的大孔隙参数大于坡下土壤,坡上土壤的平均大孔隙度是坡中和坡下土壤的15.5和46.5倍。坡上土壤的大孔隙主要分布在150~400 mm土层深度,而坡中土壤的大孔隙主要分布在0~150 mm深度,坡下土壤的大孔隙主要在0~200 mm深度分布。坡上和坡中土壤的大孔隙形成主要是在土壤团聚体的作用下形成,植物根系在坡下土壤的大孔隙形成中占主导作用。     

青海湖流域土壤大孔隙特征与理化性质的相关性研究

土壤大孔隙是土壤水分、空气和化学物质运移优先流的主要途径。本文以青海湖流域土壤为研究对象,在青海湖沙柳河流域取原状土柱,利用CT扫描与Fiji软件相结合的方法,实现了土壤大孔隙结构的三维可视化,以及断层横截面土壤大孔隙度、大孔隙数量和大孔隙等效直径等的量化;并探讨了样地土壤大孔隙特征与理化性质的相关性。结果表明:青海湖流域土壤大孔隙主要分布在土壤表层0~100 mm,100 mm以下大孔隙较少;土壤全磷含量分别与土壤大孔隙数量、大孔隙等效直径有显著相关性;土壤全氮、有机质含量分别与土壤大孔隙平均等效直径有显著相关性;土壤体积质量与大孔隙度、大孔隙平均等效直径等有显著相关性;土壤中0.002≤Ф0.02 mm的颗粒含量与大孔隙的分布特征相关性较大。