基于Image-Pro Plus的土壤顆粒微形態(tài)定量化研究

徐祥明，王海蘭，覃靈華

(贛南師范大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院，江西贛州 341000)

目前，我國的水稻產(chǎn)量占世界的40%，稻田面積占世界的23%[1]。水稻土壤資源是我國最重要的土壤資源之一[2]。土壤微形態(tài)學(xué)主要是應(yīng)用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究土壤的原狀微觀形態(tài)，及土壤各類顆粒的組配和空間分布、形態(tài)、結(jié)構(gòu)，并分析微觀形態(tài)的發(fā)生和形成機(jī)理的一門學(xué)科[3]。經(jīng)過近70年的發(fā)展，土壤微形態(tài)學(xué)取得了較大的進(jìn)步，并為土壤學(xué)科和相關(guān)學(xué)科研究的發(fā)展作出了獨(dú)特的貢獻(xiàn)[4-5]。當(dāng)鑒別土壤類型發(fā)生困難時(shí)，土壤微形態(tài)學(xué)技術(shù)能找出新的區(qū)分特征。每個(gè)土類、亞類及其他土壤分類單元，特別是它們的各個(gè)發(fā)生層次都有其特定的微結(jié)構(gòu)，從土壤微形態(tài)的薄片中可以看出這些現(xiàn)象[6]。土壤微形態(tài)不僅可以闡明土壤的內(nèi)在發(fā)生學(xué)本質(zhì)，而且能作為鑒別土壤類型的指標(biāo)。我國土壤系統(tǒng)分類是以診斷層和/或診斷特性為依據(jù)的，診斷層是用于鑒定土壤類別，在性質(zhì)上有一系列定量規(guī)定的特定土層。目前，在已經(jīng)確立的水稻土壤定量診斷指標(biāo)中，多數(shù)是依據(jù)土壤理化性質(zhì)參數(shù)確定的。國內(nèi)對(duì)水稻土壤微形態(tài)的研究程度較低，已經(jīng)積累的第一手微形態(tài)數(shù)據(jù)十分有限，且多為描述性的微形態(tài)特征[7]，因此還未能提煉出能供土壤系統(tǒng)分類所采用的微形態(tài)診斷指標(biāo)。

Image-Pro Plus(簡稱IPP)圖像處理分析軟件是美國Media Cybernetics公司開發(fā)的代表國際最新水平的全32位圖象處理與分析系統(tǒng)軟件。有學(xué)者研究了NIKON NISBR、Image J、MicroMorph等軟件對(duì)數(shù)碼圖像中土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)等的定量化，取得了較好的成果[8-10]。目前，有學(xué)者應(yīng)用IPP對(duì)土壤掃描電鏡圖像進(jìn)行處理分析，得到了較好的結(jié)果[11]，但未見應(yīng)用IPP研究偏光顯微鏡下土壤薄片的顆粒微形態(tài)特征參數(shù)。土壤微形態(tài)方法在土壤形成演化和發(fā)生分類中起到了重要的作用[12]，本研究用IPP軟件對(duì)土壤微形態(tài)圖像中土壤顆粒進(jìn)行定量化研究，以期為目前還屬定性的土壤微形態(tài)研究提供半定量或定量化的研究方向，為土壤微形態(tài)應(yīng)用于水稻土壤診斷分類提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究區(qū)位于亞熱帶地區(qū)，分屬貴州省巖溶山區(qū)(106°40′16″E，26°26′47″N)和成都市平原丘陵區(qū)(104°11′46″E，30°59′40″N)，年平均氣溫≥14 ℃，為水稻生長提供了必要的熱量條件，土壤多為熱性土壤，年平均降水量700～1 800 mm，這種雨熱同季的氣候特點(diǎn)有利于水稻的生長發(fā)育，因此，在此區(qū)域水田分布較廣。長期的水耕栽培形成了各種典型的水稻土壤。剖面GH01、GH02位于貴州省貴陽市花溪區(qū)喀斯特峰叢洼地，剖面GS01、GS02位于四川省廣漢市三星堆遺址，4個(gè)剖面的環(huán)境特征及理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)土壤樣品為各水稻土壤剖面的診斷表層土壤，參考《土壤理化分析與剖面描述》中的試驗(yàn)方法[13]。以環(huán)刀法取土壤微形態(tài)原狀土樣，制成標(biāo)準(zhǔn)薄片，偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察研究并攝像。微形態(tài)特征參數(shù)的定量測(cè)量應(yīng)用IPP軟件進(jìn)行分析，圖片依次進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、閾值設(shè)置等圖像處理，然后對(duì)選擇區(qū)域進(jìn)行分類測(cè)量。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和代表性，每張薄片至少選擇8個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

表1 土壤剖面特征及基本理化性質(zhì)

1.3 計(jì)算方法

顆粒輪廓線分形維數(shù)的計(jì)算使用尺碼法[14]，即用某個(gè)選定尺碼以分規(guī)方式沿著顆粒輪廓曲線測(cè)量，保持尺碼分規(guī)兩端的落點(diǎn)始終在輪廓曲線上，如此測(cè)量全部曲線后，所得曲線長度就是選定尺碼與分規(guī)度量步數(shù)之積。選擇n個(gè)尺碼ri(i=1，2，…，n)測(cè)量表面輪廓曲線，每個(gè)尺碼測(cè)得的曲線長度為Li，因此得到1組數(shù)據(jù)[r1，L1]，[r2，L2]，…，[rn，Ln]。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中以最小二乘法原理對(duì)尺碼和曲線長度2個(gè)參數(shù)進(jìn)行直線回歸，根據(jù)回歸直線的斜率就可以得到輪廓曲線的分形維數(shù)估計(jì)值，輪廓曲線分形維數(shù)表達(dá)為Dc=1-k，其中k是回歸直線的斜率。對(duì)于各向同性表面，Ds=Dc+1，其中Ds為顆粒表面分形維數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻土壤顆粒微形態(tài)定量化特征

土壤微形態(tài)中的粗顆粒與細(xì)物質(zhì)的比值C/F15 μm(C/F15 μm=直徑大于15 μm的粗顆粒數(shù)量/直徑小于15 μm的顆粒數(shù)量)可以反映土壤骨骼顆粒中粗粒質(zhì)、細(xì)粒物質(zhì)的數(shù)量比例。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究中的水稻土顆粒的C/F15 μm均大于1，說明土壤顆粒都以粗粒質(zhì)為主。等圓直徑(等圓直徑是與顆粒面積相等的圓的直徑)、面積、周長等都是土壤顆粒重要的形態(tài)指標(biāo)，它們可以反映顆粒的大小和輪廓的長短。顆粒的圓度(圓度=4×π×面積/周長2)可以反映顆粒與圓的近似度，值越大說明越接近圓形，同時(shí)也可以反映出顆粒的緊湊程度；偏心率(偏心率是與顆粒等效的橢圓的長軸和短軸的比例，定義為長軸/短軸，偏心率總是≥1)也可用來表示顆粒與圓的近似度，偏心率越接近于1，說明顆粒越逼近圓形(越緊湊)。顆粒定向性指與顆粒等效的橢圓(有著相同面積、相同一階矩和二階矩的橢圓)的長軸與豎軸間的夾角，0°≤夾角≤180°，可以反映土壤的應(yīng)力過程，是土壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)。顆粒輪廓線分形維數(shù)可表征微形態(tài)圖像上的顆粒輪廓的分形特征，反映輪廓線的曲折復(fù)雜程度；顆粒表面分形維數(shù)則是表征顆粒表面形狀的分形特征，反映顆粒表面的曲折復(fù)雜情況。4個(gè)剖面診斷表層的顆粒微形態(tài)特征分別如圖1至圖4所示。

對(duì)土壤顆粒各微形態(tài)指標(biāo)間做了相關(guān)性分析，以診斷表層GH02為例，顆粒平均直徑(所有顆粒直徑的算術(shù)平均值)與顆粒面積呈極顯著正相關(guān)，y=91.188x-2 169.100，r=0.955；顆粒平均直徑與顆粒周長呈極顯著正相關(guān)，y=4.299x-17.394，r=0.963；顆粒周長與顆粒面積呈極顯著正相關(guān)，y=20.267x-1 638，r=0.947；顆粒圓度與顆粒輪廓線分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，y=-0.166x+1.214，r=0.631?？梢姡魑⑿螒B(tài)指標(biāo)之間是互相關(guān)聯(lián)的，其中，平均直徑、等圓直徑、周長、面積等指標(biāo)偏重于描述顆粒的大小、粗細(xì)，而圓度、顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)等指標(biāo)則側(cè)重于描述顆粒的形態(tài)特征和表面的粗糙復(fù)雜程度。微形態(tài)定量指標(biāo)的使用可以綜合評(píng)價(jià)土壤顆粒的大小、形態(tài)及表面特征。

2.2 水稻土壤顆粒微形態(tài)差異

2.2.1 貴州省貴陽市喀斯特地貌水稻土壤顆粒微形態(tài)的差異 由表2可知，2個(gè)剖面在C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度、顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)等形態(tài)特征上均存在顯著性差異(P<0.05)，在顆粒定向性、偏心率上無顯著性差異。剖面GH02診斷表層土壤顆粒的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度均顯著大于剖面GH01診斷表層土壤顆粒的值，而其顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)均顯著小于剖面GH01診斷表層土壤顆粒的值(P<0.05)。

2.2.2 四川省廣漢市三星堆水稻土壤顆粒微形態(tài)的差異 由表3可知，2個(gè)剖面在C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長等形態(tài)特征上存在顯著差異(P<0.05)，而在圓度、顆粒定向性、偏心率、顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)上無顯著差異。剖面GS02診斷表層土壤顆粒的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長均顯著大于剖面GS01診斷表層相應(yīng)的值(P<0.05)。

表2 貴州省貴陽市喀斯特地貌2個(gè)水稻土剖面的土壤顆粒微形態(tài)的差異

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

表3 四川省廣漢市三星堆2個(gè)水稻土剖面的土壤顆粒微形態(tài)的差異

3 討論與結(jié)論

分形維數(shù)是復(fù)雜形體不規(guī)則性的量度。本研究中得到顆粒輪廓分形維數(shù)和顆粒表面分形維數(shù)2個(gè)分形維數(shù)，其中顆粒輪廓分形維數(shù)可以用圖像軟件求得，其原理是尺碼法，而顆粒表面分形維數(shù)可以通過簡單的換算求得。已有的土壤顆粒分形維數(shù)多采用土壤顆粒質(zhì)量(數(shù)量)分形維數(shù)和體積分形維數(shù)2種來表示[15-17]，在計(jì)算土壤質(zhì)量和體積分形維數(shù)的推導(dǎo)過程中須要作一些假設(shè)，而本研究應(yīng)用Image-Pro Plus軟件可以直接求得2種分形維數(shù)，不須作任何假設(shè)，結(jié)果更直觀、準(zhǔn)確。

本研究對(duì)2種水稻土壤顆粒形態(tài)的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度、顆粒定向性、偏心率、顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)等進(jìn)行了計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，這些微形態(tài)定量指標(biāo)的使用可以綜合評(píng)價(jià)土壤顆粒的大小、形態(tài)及表面特征。目前，單個(gè)微形態(tài)指標(biāo)的指示意義研究較多，但對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究較少[9]。本研究中，等圓直徑、周長、面積等指標(biāo)偏重于描述顆粒的大小、粗細(xì)，而圓度、顆粒輪廓線分形維數(shù)、顆粒表面分形維數(shù)等指標(biāo)則側(cè)重于描述顆粒的形態(tài)特征和表面的粗糙復(fù)雜程度。

土壤微形態(tài)在水稻土壤的發(fā)生分類中起著重要的作用，但由于缺乏定量化的描述，一直難以將之應(yīng)用于的定量化的系統(tǒng)分類中，將IPP軟件結(jié)合土壤微形態(tài)應(yīng)用于水稻土壤系統(tǒng)分類將是土壤分類的一個(gè)新方向。本研究探討了用IPP軟件對(duì)土壤微形態(tài)圖像中土壤顆粒進(jìn)行定量化的可能性，可以為目前還屬定性的土壤微形態(tài)研究提供半定量或定量化的研究方向。結(jié)果表明，IPP軟件能較好地對(duì)土壤微形態(tài)中土壤顆粒的形態(tài)進(jìn)行定量化研究。

[1]李慶逵.中國水稻土[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[2]龔子同，張甘霖，陳志誠，等.土壤發(fā)生與系統(tǒng)分類[M].北京：科學(xué)出版社，2007：37-39.

[3]Bullock P，F(xiàn)edoroff N，Jongerius A，et al.Handbook for soil thin section description[M].Wolverhampton：Waine Research Publications，1985：115-230.

[4]Stoops G.Guidelines for analysis and description of soil and regolith thin sections[M].Wisconsin：Soil Science Society of America，Inc.，2003.

[5]Stoops G，Marcelino V，Mees F.Interpretation of micromorphological features of soils and regoliths[M].Amsterdam：Elsevier，2010：623-663.

[6]何毓蓉，黃成敏，周紅藝.成都平原水耕人為土診斷層的微形態(tài)特征與土壤基層分類[J].山地學(xué)報(bào)，2002，20(2)：157-163.

[7]Xu X M，He Y R，Huang C M，et al.Micromorphological features of diagnostic horizons in several soils in southwest China：implication for soil taxonomic classification[J].Journal of Mountain Science，2010，7(1)：73-82.

[8]龐獎(jiǎng)勵(lì)，黃春長，張戰(zhàn)平.周原全新世復(fù)合古土壤和成壤環(huán)境的微形態(tài)學(xué)研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2003，40(1)：22-28.

[9]畢利東，張 斌，潘繼花.運(yùn)用Image J軟件分析土壤結(jié)構(gòu)特征[J].土壤，2009，41(4)：654-658.

[10]李德成，李忠佩，Velde B，等.不同利用年限的紅壤水稻土孔隙結(jié)構(gòu)差異的圖像分析[J].土壤，2002，34(3)：134-137.

[11]張季如，祝 杰，黃 麗，等.土壤微觀結(jié)構(gòu)定量分析的IPP圖像技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(4)：80-83.

[12]徐祥明，何毓蓉.國外土壤微形態(tài)學(xué)研究的進(jìn)展[J].山地學(xué)報(bào)，2011，29(6)：721-728.

[13]劉光崧.土壤理化分析與剖面描述[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[14]郭 飛，徐紹輝，劉建立.土壤圖像孔隙輪廓線分形特征及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(7)：6-10.

[15]Prosperini N，Perugini D.Particle size distribution of some soils from the Umbria Region(Italy)：fractal analysis and numerical modelling[J].Geoderma，2008(145)：185-195.

[16]楊培嶺，羅遠(yuǎn)培，石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學(xué)通報(bào)，1993，38(20)：1896-1899.

[17]楊金玲，李德成，張甘霖，等.土壤顆粒粒徑分布質(zhì)量分形維數(shù)和體積分形維數(shù)的對(duì)比[J].土壤學(xué)報(bào)，2008，45(3)：413-419.