一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法
本专利技术涉及土壤结构探究
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：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ImageJ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；为了验证本专利技术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ImageJ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，本专利技术的有益效果是：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：选取取样地点；根据研究需要，选择具有代表性的坡耕地；/nS2：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；/nS3：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；/nS4：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；/nS5：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；/nS6：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；/nS7：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；/nS8：验证方案效果；为了验证本专利技术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；/nS9：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；/nS10：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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种研究冻融条件下土壤团聚体孔隙结构特征的方法，其特征在于，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ImageJ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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马任明，姜宇，刘博，范昊明，
申请(专利权)人：沈阳农业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21