黄土沟壑区不同地形部位土壤大孔隙特征研究

切沟沟底、沟缘和坝地侵蚀发生和发展的过程不同,通过采集三种地形条件的原状土柱,利用CT扫描手段揭示土壤大孔隙随地形和深度变化的规律。结果表明:(1)三种地形条件对土壤大孔隙参数具有显著影响;与已有结果相比,地形条件对土壤大孔隙参数的影响弱于植被的作用;(2)不同土层(厚50 mm)大孔隙参数差异显著,沟缘土壤大孔隙度均值和变异系数在102 mm深度具有上下分异明显的特点;(3)大孔隙数分别与黏粒含量和饱和导水率呈显著和极显著负相关关系,沟底土壤大孔隙的连通性较沟缘和坝地更好。沟底和沟缘土壤的大孔隙通道主要受植物根系作用影响,坝地土壤大孔隙受长期淤积和水分渗透作用影响,上述因素造成三种地形条件土壤大孔隙特征产生差异。     

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。     

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...     

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。     

利用X射线CT研究多尺度土壤结构

土壤结构影响着土壤中的各种物理、化学和生物学过程。近年来,X-射线CT已经发展为研究土壤结构的主要手段。本文首先介绍X射线CT的基本原理,然后总结了主要的CT类型及其在土壤结构研究中的应用。在此基础上,举例介绍了医用CT、工业显微CT和同步辐射显微CT在大土柱（直径100 mm,高200 mm）、小土柱（直径30 mm,高30 mm）和团聚体（直径5 mm）结构研究中的应用,利用CT图像的处理和分析方法,分析了不同大小样品的孔隙分布特征,讨论了综合利用不同类型CT研究不同尺度土壤结构的方法。     

土壤大孔隙及其研究方法

  目的  土壤大孔隙是土壤水气迁移交换的主要通道,研究土壤大孔隙与水分入渗特征对探究水文连通时空变化强烈的山丘区坡地有重要意义,可为红壤丘陵区土地高效利用提供参考。  方法  研究通过电子计算机断层扫描技术和双水头渗透计法,定量研究了粤北红壤丘陵区不同土地利用方式土壤大孔隙与水分入渗特征。  结果  不同土地利用方式的土壤理化性质存在明显差异。林地为砂质黏壤土,园地为黏土,耕地为黏壤土,土壤容重随着土层深度的增加而变大,土壤有机质含量随土层深度的增加而减小。土壤大孔隙度、大孔隙总体积和总表面积表现为：林地 > 园地 > 耕地,大孔隙数量则表现为：园地 > 林地 > 耕地,随着土层深度的增加,土壤大孔隙度和大孔隙数量呈减少趋势;土壤大孔隙平均直径表现为：林地 > 耕地 > 园地,不同土地利用方式的土壤大孔隙直径都主要集中在0 ~ 3 mm。土壤大孔隙度与土壤容重呈显著负相关,与有机质和砂粒含量呈显著正相关性。土壤饱和导水率表现为：园地 > 林地 > 耕地,土壤饱和导水率除受容重影响外,还与有机质含量、大孔隙长度相关。  结论  不同土地利用方式会使大孔隙和饱和导水率等土壤理化性质产生显著差异。林地的大孔隙度和大孔隙总表面积最大,而园地的大孔隙数量和饱和导水率最大。     

基于CT研究冻融对高寒草甸土壤孔隙结构的影响

冻融是影响高寒地区土壤结构的重要物理因素,以青海湖流域高寒草甸作为研究对象,通过野外采集原状土柱、室内冻融循环模拟、CT扫描和图像解译等方法,研究冻融循环对高寒草甸冻胀丘和丘间地的土壤大孔隙结构特征的影响。结果表明,随着冻融循环次数的增加,高寒草甸冻胀丘和丘间地土壤大孔隙度均呈现“减小—增加—减小”的趋势,冻融循环对土壤大孔隙度的降低主要在第1次冻融循环内形成的,且大孔隙的平均等效直径、平均体积、平均分枝长度、分枝密度和节点密度的变化规律与大孔隙度变化规律基本一致;冻融循环对高寒草甸冻胀丘土壤大孔隙的影响明显大于丘间地,其土壤大孔隙度随土层深度变化存在2个峰值,受冻融循环的影响,峰值大小和位置有所变动,且30—80 mm土层深度的土壤孔隙结构较草毡层其他位置更为敏感。     

免耕对土壤剖面孔隙分布特征的影响

探明长期免耕措施对土壤孔隙特征、土壤结构及土壤水分参数等影响,可为阐明在小麦、玉米轮作过程中,长期进行免耕对土壤剖面物理特征的改善及其作用机理提供科学依据。采用CT扫描法定量分析了免耕和常规耕作0~100 cm土层土壤孔隙(80~1 000μm、1 000μm、80μm)的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征,同时采用常规方法测定了土壤大团聚体、土壤容重、有效水含量及饱和导水率等。结果表明:长期免耕不仅提高了土壤1 000μm、80~1 000μm、80μm孔隙数,且其孔隙度也相应提高,较常规耕作孔隙数分别提高55.3%、58.2%、57.9%,孔隙度分别提高97.4%、39.4%、72.6%。同时土壤孔隙形态也得到了改善,孔隙成圆率提高。对不同土层而言,免耕更利于提高0~25 cm土层80~1 000μm和80μm孔隙数以及0~45 cm土层1 000μm孔隙数,且显著提高了0~20 cm和25~40 cm土层1 000μm、80μm及0~20 cm土层80~1 000μm的土壤孔隙度。说明长期免耕对土壤剖面孔隙的分布产生一定影响。此外,免耕提高了0~25 cm土层土壤的有效水含量、0~55 cm土层饱和导水率和0.25 mm水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,其作用深度在55 cm以上土层。通过CT扫描测得的土壤孔隙参数与常规方法测定的土壤物理参数之间存在极好的相关性,说明可从微观土壤孔隙特征来表征宏观的土壤物理性质。总之,长期免耕有利于改善土壤结构和土壤孔隙状况,提高土壤的渗透能力及土壤水分的有效性,促进作物的生长。     

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。     

黄土高原旱地苹果园油菜间作对土壤大孔隙结构的影响

采用X-ray computed tomography(CT)技术研究了果树行间不同油菜间作密度(CK:清耕;L:低密度间作;M:中密度间作;H:高密度间作)对土壤大孔隙特征参数的影响。结果表明:油菜间作改善了果树行间(0—60 cm)土壤大孔隙特征,各土层的土壤大孔隙数量、大孔隙面积、大孔隙度等参数分别较清耕显著提高(P<0.05);不同间作密度对土壤大孔隙的作用不同,除10—20 cm外,中密度间作对土壤大孔隙度的改善效果均显著好于其他处理;中密度处理下大孔隙(d>1 mm)在各土层间的数目多、差异小,并且在0—30 cm土壤剖面上的成圆率最高。中、高密度油菜间作的土壤大孔隙特征参数均优于清耕及低密度间作,而中密度间作的土壤大孔隙分布更均匀、形状更规则,是黄土高原旱地苹果园改善土壤结构的适宜间作密度。     

X-ray computed tomography to quantify tree rooting spatial distributions

Poor root development due to constraining soil conditions could be an important factor influencing health of urban trees. Therefore, there is a need for efficient techniques to analyze the spatial distribution of tree roots. An analytical procedure for describing tree rooting patterns from X-ray computed tomography (CT) data is described and illustrated. Large irregularly shaped specimens of undisturbed sandy soil were sampled from various positions around the base of trees using field impregnation with epoxy resin, to stabilize the cohesionless soil. Cores approximately 200 mm in diameter by 500 mm in height were extracted from these specimens. These large core samples were scanned with a medical X-ray CT device, and contiguous images of soil slices (2 mm thick) were thus produced. X-ray CT images are regarded as regularly-spaced sections through the soil although they are not actual 2D sections but matrices of voxels 0.5 mm×0.5 mm×2 mm. The images were used to generate the equivalent of horizontal root contact maps from which three-dimensional objects, assumed to be roots, were reconstructed. The resulting connected objects were used to derive indices of the spatial organization of roots, namely: root length distribution, root length density, root growth angle distribution, root spatial distribution, and branching intensity. The successive steps of the method, from sampling to generation of indices of tree root organization, are illustrated through a case study examining rooting patterns of valuable urban trees.     

Soil macropore networks derived from X-ray computed tomography in response to typical thaw slumps in Qinghai-Tibetan Plateau,China

Journal of Soils and Sediments - Thaw slumps are widely distributed in the Qinghai-Tibet Plateau (QTP) due to global warming and engineering constructions. However, an understanding of the effect...     

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。     

利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙

为探明不同土壤结构改良措施（秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂）对土壤孔隙特征及分布的影响,采用计算机断层（computed tomography,CT）扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及0.13～1.0 mm孔隙数,且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳,其次为保水剂和秸秆覆盖,对照最低。此外,不同措施显著提高了土壤的田间持水量和＞0.25 mm 水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,且各处理中,仍以有机肥和免耕处理效果最佳,其田间持水量分别较对照提高了15.9%和16.4%,而土壤容重较对照降低了6.8%和8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和＞0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。     

基于全卷积网络的土壤断层扫描图像中孔隙分割

针对土壤断层扫描图像中存在部分容积效应及因孔隙成分复杂、结构不规则等引起的分割精度低的问题,该文提出一种全卷积网络(fully convolutional network,FCN)土壤孔隙分割方法,为土壤科学研究提供技术支持。该文以黑土土壤断层扫描图像为研究对象,通过卷积和池化运算输出不同尺度的孔隙特征图;将孔隙的深层特征和浅层特征相融合,采用上采样算子对融合特征进行插值操作,从而输出孔隙的二值图。与大津法、分水岭法、区域生长法和模糊C均值聚类法(Fuzzy C-means,FCM)4种常用孔隙分割方法的对比结果表明,FCN法在低,中,高3种孔隙密度的土壤图像中优于其他4种方法。FCN法的平均分割正确率为98.1%,比4种常用方法分别高25.6%,48.3%,55.7%和9.5%;FCN法的平均过分割率和欠分割率分别为2.2%和1.3%,仅为次优方法(FCM法)的33.8%和23.6%。通过融合土壤孔隙结构的多重特征,FCN法能够实现土壤孔隙整体和局部信息的精准判断,为土壤学的研究提供了一种更加智能化的技术手段。     

Variations in pore distribution of reconstructed soils induced by opencast mining and land rehabilitation based on computed tomography images

Opencast coal mining is an anthropogenic activity that changes the antecedent soil profile, and it was important to understand the distribution characteristics of soil pore and then select suitable land rehabilitation measures. To better quantify the pore distribution characterization of reconstructed soils in opencast coalmine dumps, high-resolution and non-destructive computed tomography (CT) method was used to study the effect of opencast coal-mining and land rehabilitation on the soil pore distribution by scanning soils from the Antaibao Opencast Coal-mine in China. The soils were taken from the dump platforms with different rehabilitation time and an unmined site. ImangeJ 2 was used to process the scanned images and the soil pore densities and porosities of different pore sizes were used to analyze the distribution characteristics of soil pore. Opencast mining activities decreased soil pore density and soil porosity, especially in macropores. Compared to unmined soils, the total porosity of the non-rehabilitated soils reduced by 25.0%, 20.5%, 17.7% at the depths of 0–25, 25–50, 50–75 cm, respectively. Vegetation rehabilitation should be used to develop soil pore structure and improve the proportion of different pore sizes.     

基于CT的青海湖流域芨芨草草地土壤大孔隙特征分析

为探究青海湖流域芨芨草草地的土壤大孔隙特征,以青海湖流域芨芨草草地为研究对象,在研究区芨芨草斑块处和芨芨草斑块间分别采集原状土柱,每块样地选取3个重复样品,通过对样品进行CT扫描并利用Fiji软件解译的方法分析土壤孔隙的结构特征差异。结果表明:芨芨草斑块土壤平均大孔隙数量、不同深度大孔隙数量、平均大孔隙度以及不同深度大孔隙度均大于芨芨草斑块间土壤。芨芨草斑块土壤大孔隙平均数量是芨芨草斑块之间的2.8倍,平均大孔隙度是芨芨草斑块间的12.1倍,芨芨草斑块的土壤大孔隙度随土壤深度增加呈先增加后减少的趋势,斑块间的大孔隙度呈递减趋势。