运用同步辐射显微CT揭示红壤团聚体内孔隙形态与空间分布
发布时间：2022-01-07 08:56
团聚体内部复杂的孔隙系统及其空间分布决定土壤团聚体的主要功能,以及发生在团聚体内的各种物理、化学和生物学过程。应用同步辐射X射线显微成像技术（SR-mCT）,对第四纪红土发育的红壤团聚体内部孔隙形态、连通性、各向异性、大小分布和空间分布进行了研究。结果表明,红壤团聚体内部的孔隙形态、孔隙生长方向、大小分布存在明显差异。稳定性较好的团聚体表现为团聚体孔隙含有较多大孔隙、孔隙形态各异、各向异性、多联通孔隙等特征,团聚体内>30mm大孔隙分布比较均匀,中心部位较高,呈中间向圆周减小趋势;反之,稳定性较差的团聚体中,孔隙以小孔隙为主,分布密集,孔隙生长方向均匀,团聚体孔隙空间分布为大孔隙,主要分布在团聚体外围,中心部分分布较少。团聚体内部孔隙的空间分布模式能够很好地解释土壤团聚体结构和稳定性差异的原因。同步辐射显微CT结合图像处理技术能够系统地表征团聚体内孔隙的多样性和空间变异规律,为预测土壤团聚体中各种物理过程提供新途径。
【文章来源】：土壤学报. 2020,57(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
土壤团聚体二维（A和B）、三维（C和D）结构与孔隙各向异性（E和F)
由于同步辐射显微CT图像分辨率为3.7μm，因此本研究的孔隙仅针对>3.7μm的孔隙。根据孔隙大小，将团聚体孔隙分为3.7～5、5～30、30～50、50～80、>80μm五个级别，并比较两个土壤团聚体内孔隙大小分布（PSD）的差异（图3）。Q4的孔隙大小分布以>80μm孔隙最多，约为6.5%，其次为50～80μm，接近6%;30～50、5～30、3.7～5μm孔隙分别为4%、2.5%、1.4%。Q12的孔隙大小分布与Q4不同，总体上以30～50、50～80、>80μm为主，分别为4.1%、4.5%、3.5%，其次为5～30和3.7～5μm两级孔隙分别为1.5%和1.3%。比较分析表明，两个土壤团聚体中3.7～5μm和30～50μm孔隙差异不显著；而5～30、50～80和>80μm孔隙Q4显著高于Q12(P<0.05）。团聚体的孔隙度在一定程度上可反映团聚体结构性，土壤团聚体拥有较大的总孔隙度往往说明团聚体具有良好的团粒结构，稳定性也更强。在团聚体内部，>30?m孔隙度与<30?m孔隙度间存在显著差异。土壤孔隙系统是由大小从纳米到毫米尺度的连续孔隙组成，孔隙的实际大小范围达几个量级。由于CT图像分辨率的限制，对团聚体内部的纳米尺度孔隙无法定量。土壤团聚体作为一个相对独立的封闭体系，其内部孔隙的复杂性和空间变异性，是土壤团聚体多样性功能的基础，如水分吸持、土壤固碳等。可以预计，团聚体内孔隙大小分布和空间分布的差异显著改变了团聚体内部微环境，土壤孔隙从孔隙数量（大小）和空间分布影响和控制土壤的功能，包括水、气、养分和微生物的空间分布。团聚体内孔隙的分析结果也表明土壤孔隙大小和分布对土壤管理措施和环境变化十分敏感，可用于评价土壤孔隙对长期施肥、耕作和土壤修复的响应等。2.3 土壤团聚体内孔隙空间分布
土壤孔隙的空间变异影响土壤水分和空气的交换，团聚体内孔隙的空间变异是微生物群落和有机质保护的主要机理[1,5,15]。根据不同大小孔隙的功能，一般将>30μm孔隙作为大孔隙，<30μm为小孔隙。利用Image J软件提取团聚体单位空间的孔隙坐标信息，通过投影和坐标转换，绘制孔隙空间分布等高线图。孔隙等高线图可直观清晰地反映团聚体内孔隙的分布模式。图4为Q4和Q12团聚体<30μm与>30μm两级孔隙空间分布等高线图，蓝色为<30μm孔隙空间分布图，红色为>30μm孔隙空间分布图。图中每个黑点代表团聚体中一个孔隙，等值线的形状代表孔隙分布模式，图中颜色越浅表示孔隙密度越低，颜色越深则孔隙分布越密集。分析Q4和Q12两级孔隙分布模式可知，Q4团聚体中>30μm孔隙分布总体上比较均匀，在整个团聚体面上均有分布，其中以中心部位偏高，呈中间向圆周略有减小趋势；<30μm孔隙主要分布在团聚体中心区域，向四周锐减，边上分布密度较低，说明上述大小的孔隙主要分布在团聚体中心。Q12团聚体>30μm孔隙总体分布密集，主要分布在团聚体外围，且密度较高，而在中心分布较少，说明上述大小的孔隙主要分布在团聚体周围；Q12<30μm孔隙分布与Q4相似，中间分布密度高，四周密度非常低。土壤孔性是土壤结构性的反映，不同粒径孔隙的空间分布规律决定着水、肥、气、热等介质在土壤中的传输，直接影响土壤物理-力学性质及土壤团聚体结构稳定性。综合Q4和Q12两级孔隙分布可知，整体上Q4孔隙分布较Q12更为均衡，以>30μm尤为突出，孔隙空间分布的均匀性意味着孔隙性能更好，团聚体结构更为疏松，土壤耕性较好[14,15]，这与两种土壤抗压强度测定值一致（表1）。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]用显微CT研究不同植被恢复模式的土壤团聚体微结构特征[J]. 赵冬,许明祥,刘国彬,张蓉蓉,脱登峰. 农业工程学报. 2016(09)
[2]基于同步辐射显微CT研究不同施肥措施下水稻土团聚体微结构特征[J]. 李文昭,周虎,陈效民,彭新华,余喜初. 土壤学报. 2014(01)
[3]利用X射线CT研究多尺度土壤结构[J]. 周虎,李文昭,张中彬,彭新华. 土壤学报. 2013(06)
[4]基于同步辐射微CT研究不同利用年限水稻土团聚体微结构特征[J]. 周虎,彭新华,张中彬,王亮亮,肖体乔,彭冠云. 农业工程学报. 2011(12)
[5]土壤显微结构的X光—同步加速器计算机三维图像透视技术[J]. 贺秀斌,冯桓,冯兆东. 土壤学报. 2005(02)
本文编号：3574243
【文章来源】：土壤学报. 2020,57(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
土壤团聚体二维（A和B）、三维（C和D）结构与孔隙各向异性（E和F)
由于同步辐射显微CT图像分辨率为3.7μm，因此本研究的孔隙仅针对>3.7μm的孔隙。根据孔隙大小，将团聚体孔隙分为3.7～5、5～30、30～50、50～80、>80μm五个级别，并比较两个土壤团聚体内孔隙大小分布（PSD）的差异（图3）。Q4的孔隙大小分布以>80μm孔隙最多，约为6.5%，其次为50～80μm，接近6%;30～50、5～30、3.7～5μm孔隙分别为4%、2.5%、1.4%。Q12的孔隙大小分布与Q4不同，总体上以30～50、50～80、>80μm为主，分别为4.1%、4.5%、3.5%，其次为5～30和3.7～5μm两级孔隙分别为1.5%和1.3%。比较分析表明，两个土壤团聚体中3.7～5μm和30～50μm孔隙差异不显著；而5～30、50～80和>80μm孔隙Q4显著高于Q12(P<0.05）。团聚体的孔隙度在一定程度上可反映团聚体结构性，土壤团聚体拥有较大的总孔隙度往往说明团聚体具有良好的团粒结构，稳定性也更强。在团聚体内部，>30?m孔隙度与<30?m孔隙度间存在显著差异。土壤孔隙系统是由大小从纳米到毫米尺度的连续孔隙组成，孔隙的实际大小范围达几个量级。由于CT图像分辨率的限制，对团聚体内部的纳米尺度孔隙无法定量。土壤团聚体作为一个相对独立的封闭体系，其内部孔隙的复杂性和空间变异性，是土壤团聚体多样性功能的基础，如水分吸持、土壤固碳等。可以预计，团聚体内孔隙大小分布和空间分布的差异显著改变了团聚体内部微环境，土壤孔隙从孔隙数量（大小）和空间分布影响和控制土壤的功能，包括水、气、养分和微生物的空间分布。团聚体内孔隙的分析结果也表明土壤孔隙大小和分布对土壤管理措施和环境变化十分敏感，可用于评价土壤孔隙对长期施肥、耕作和土壤修复的响应等。2.3 土壤团聚体内孔隙空间分布
土壤孔隙的空间变异影响土壤水分和空气的交换，团聚体内孔隙的空间变异是微生物群落和有机质保护的主要机理[1,5,15]。根据不同大小孔隙的功能，一般将>30μm孔隙作为大孔隙，<30μm为小孔隙。利用Image J软件提取团聚体单位空间的孔隙坐标信息，通过投影和坐标转换，绘制孔隙空间分布等高线图。孔隙等高线图可直观清晰地反映团聚体内孔隙的分布模式。图4为Q4和Q12团聚体<30μm与>30μm两级孔隙空间分布等高线图，蓝色为<30μm孔隙空间分布图，红色为>30μm孔隙空间分布图。图中每个黑点代表团聚体中一个孔隙，等值线的形状代表孔隙分布模式，图中颜色越浅表示孔隙密度越低，颜色越深则孔隙分布越密集。分析Q4和Q12两级孔隙分布模式可知，Q4团聚体中>30μm孔隙分布总体上比较均匀，在整个团聚体面上均有分布，其中以中心部位偏高，呈中间向圆周略有减小趋势；<30μm孔隙主要分布在团聚体中心区域，向四周锐减，边上分布密度较低，说明上述大小的孔隙主要分布在团聚体中心。Q12团聚体>30μm孔隙总体分布密集，主要分布在团聚体外围，且密度较高，而在中心分布较少，说明上述大小的孔隙主要分布在团聚体周围；Q12<30μm孔隙分布与Q4相似，中间分布密度高，四周密度非常低。土壤孔性是土壤结构性的反映，不同粒径孔隙的空间分布规律决定着水、肥、气、热等介质在土壤中的传输，直接影响土壤物理-力学性质及土壤团聚体结构稳定性。综合Q4和Q12两级孔隙分布可知，整体上Q4孔隙分布较Q12更为均衡，以>30μm尤为突出，孔隙空间分布的均匀性意味着孔隙性能更好，团聚体结构更为疏松，土壤耕性较好[14,15]，这与两种土壤抗压强度测定值一致（表1）。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]用显微CT研究不同植被恢复模式的土壤团聚体微结构特征[J]. 赵冬,许明祥,刘国彬,张蓉蓉,脱登峰. 农业工程学报. 2016(09)
[2]基于同步辐射显微CT研究不同施肥措施下水稻土团聚体微结构特征[J]. 李文昭,周虎,陈效民,彭新华,余喜初. 土壤学报. 2014(01)
[3]利用X射线CT研究多尺度土壤结构[J]. 周虎,李文昭,张中彬,彭新华. 土壤学报. 2013(06)
[4]基于同步辐射微CT研究不同利用年限水稻土团聚体微结构特征[J]. 周虎,彭新华,张中彬,王亮亮,肖体乔,彭冠云. 农业工程学报. 2011(12)
[5]土壤显微结构的X光—同步加速器计算机三维图像透视技术[J]. 贺秀斌,冯桓,冯兆东. 土壤学报. 2005(02)
本文编号：3574243
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