基于同步輻射顯微CT研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)黑土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的影響

姜 宇,范昊明,侯云晴,劉 博,郭芯宇,馬仁明

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽(yáng) 110866

凍融作用作為一種自然現(xiàn)象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)。東北黑土區(qū)位于中緯度地帶,秋末和春初易形成土壤季節(jié)性融化層與凍土層的周期性變化[1-2],該周期性變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。土壤結(jié)構(gòu)指土壤中原生顆粒和次生顆粒以及土粒間所構(gòu)成孔隙的不同排列形式,是維持土壤功能的基礎(chǔ),也是影響侵蝕過(guò)程的重要因素。作為土壤結(jié)構(gòu)重要組成單元的團(tuán)聚體,其大小分布和穩(wěn)定性影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性[3-4]。因此,研究?jī)鋈谧饔脤?duì)黑土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的影響具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)團(tuán)聚體影響的研究已經(jīng)逐步開(kāi)展,由于凍融作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響,因此,凍融過(guò)程被認(rèn)為是影響團(tuán)聚體形成和破碎的重要因子。Benoit研究發(fā)現(xiàn)凍融作用對(duì)團(tuán)聚體破碎的影響與凍融強(qiáng)度、團(tuán)聚體顆粒大小和團(tuán)聚體水分含量有關(guān)[5]。Six則表示凍融過(guò)程對(duì)團(tuán)聚體的物理破壞隨凍融次數(shù)不斷累積,其中大團(tuán)聚體破碎尤為明顯[6]。此外,關(guān)于凍融作用對(duì)團(tuán)聚體影響的研究多側(cè)重于其對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。王恩姮等[7]、范昊明等[8]在此方面進(jìn)行研究得出相近的結(jié)論,即凍融作用使大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性降低,但提高了小粒級(jí)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

前人對(duì)于凍融作用下團(tuán)聚體的形成、破碎機(jī)制及穩(wěn)定性變化做了大量研究,但缺乏對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙特征的研究,而團(tuán)聚體孔隙特征決定了團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)性,因此,開(kāi)展凍融作用對(duì)團(tuán)聚體孔隙特征影響的研究尤為重要。隨著技術(shù)的發(fā)展,高精度同步輻射CT技術(shù)對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的可量化研究已達(dá)到微團(tuán)聚體尺度[9-11]。我國(guó)上海光源X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站(BL13W1)可以進(jìn)行高分辨率的三維成像,為三維土壤微結(jié)構(gòu)研究提供了條件。本研究利用上海光源同步輻射顯微CT對(duì)凍融作用下5—7 mm的大團(tuán)聚體的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,獲取孔隙特征的定性、定量指標(biāo),進(jìn)而分析不同凍融循環(huán)周期對(duì)土壤大團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。為進(jìn)一步揭示黑土區(qū)季節(jié)性?xún)鋈趯?duì)黑土結(jié)構(gòu)的影響以及水土流失的防治提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)與樣品采集

取土地點(diǎn)為黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣,地理坐標(biāo)為126°18′43.7796″E,47°27′42.0726″N。用內(nèi)徑為4.8 cm,高為15 cm的PVC管采集0—15 cm土層范圍的原狀土體。采樣方式為原位靜壓法,采集后將土柱的上下兩端均用保鮮膜封閉,防止土壤水分快速散失發(fā)生干裂；在采集、運(yùn)輸和試驗(yàn)過(guò)程中注意防止對(duì)原狀土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

凍融試驗(yàn)前,將原狀土柱置于4℃下恒溫保存。利用去離子水慢速濕潤(rùn)至土壤中,然后進(jìn)行18 h以上的悶土處理,達(dá)到40%的質(zhì)量含水率,誤差范圍控制在3%以?xún)?nèi),在悶土期間用保鮮膜包裹土樣以減少含水率的變化。將裝有原狀土的PVC管置于溫度可調(diào)控的凍融機(jī)中,進(jìn)行不同凍融循環(huán)周期的試驗(yàn)。

每年的11月份到次年3月份,黑土一般處于凍結(jié)狀態(tài)；3—5月份,0—20 cm土層內(nèi)溫度變動(dòng)于0℃上下,表現(xiàn)出“晝?nèi)谝箖觥钡奶攸c(diǎn)[12]。結(jié)合拜泉縣當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,設(shè)置凍融溫度為-10—7℃。該溫度下當(dāng)?shù)貎鋈谥芷跒?0天左右,因此試驗(yàn)設(shè)置凍融循環(huán)周期為0、1、3、5、7、10、15次和20次。為確保試驗(yàn)過(guò)程中土柱可完全凍結(jié)、融化,本試驗(yàn)采取的是12 h凍結(jié),12 h融化的緩慢凍融過(guò)程。完成凍融循環(huán)后將土壤風(fēng)干過(guò)篩,獲取5—7 mm團(tuán)聚體用于結(jié)構(gòu)的測(cè)定。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定(土壤理化分析1978)；土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定；土壤質(zhì)地劃分根據(jù)美國(guó)制劃分標(biāo)準(zhǔn)；土壤容重、飽和持水量、田間持水量和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。供試土樣相關(guān)理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 CT掃描和圖像重建

本試驗(yàn)樣品圖像的獲取利用上海光源X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站(BL13W1)的同步輻射顯微CT完成,光子能量設(shè)置為30000 eV,分辨率為3.25 μm,曝光時(shí)間為1.8 s,樣品臺(tái)與探測(cè)器距離為15 cm。將樣品固定在樣品臺(tái)上,樣品臺(tái)在水平方向從0到180°勻速旋轉(zhuǎn),每個(gè)樣品采集1440張圖像。圖像重建利用上海光源PITRE軟件完成。PITRE軟件處理圖像首先對(duì)圖像進(jìn)行相位恢復(fù),然后將12位投影圖像轉(zhuǎn)換為16位,生成正弦圖像,然后利用背投影算法重建獲取切片圖像(圖1)。重建后將切片圖像存儲(chǔ)為8位tiff格式。三維團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)(圖1d)的可視化利用Image J完成。

表1 供試土樣理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of studied black soil

總孔隙度=1-容重/比重；砂粒為0.05—2 mm的土壤顆粒、粉粒為0.002—0.05 mm的土壤顆粒、黏粒為<0.002 mm的土壤顆粒

圖1 土壤團(tuán)聚體的投影、正弦、切片和三維結(jié)構(gòu)圖像Fig.1 Radiograph,sino,reconstructed slices and 3-D structure of soil aggregate

1.3 圖像處理

圖像分割是實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像定量分析的必要和關(guān)鍵步驟。由于每個(gè)樣品包含大量的切片,必須通過(guò)批量化處理提高效率。但是不同CT切片圖像間亮度差別較大,首先利用Image J軟件中的Normalize命令對(duì)圖像進(jìn)行歸一化處理。對(duì)灰度圖像的二值分割是土壤結(jié)構(gòu)定量分析的關(guān)鍵,不同分割方法對(duì)土壤結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)果影響很大[13]。為了準(zhǔn)確提取土壤孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),比對(duì)多種分割模式后采用采用全局閾值法,結(jié)合實(shí)際的土壤孔隙度反復(fù)調(diào)試確定每個(gè)圖像的分割閾值。

1.4 孔隙結(jié)構(gòu)分析

為了避免邊界部分的影響,選取團(tuán)聚體中間部分500×500×500體元進(jìn)行圖像分析。土壤孔隙結(jié)構(gòu)分析利用Image J軟件完成。利用Bone J插件計(jì)算土壤孔隙的孔隙骨架、分形維數(shù)、孔隙連通度。利用3D suit將相連的孔隙從孔隙網(wǎng)絡(luò)中提取出來(lái)后計(jì)算孔隙的數(shù)量、體積、長(zhǎng)度、面積等。按孔隙當(dāng)量直徑將孔隙分為3個(gè)等級(jí)：非毛管孔隙>100 μm；毛管孔隙30—100 μm；貯存孔隙<30 μm,分別統(tǒng)計(jì)出其相應(yīng)分級(jí)孔隙度。孔隙數(shù)量是外部孔隙和內(nèi)部孔隙數(shù)量之和?？紫豆?jié)點(diǎn)為多個(gè)孔隙的連接點(diǎn)。通過(guò)公式(1)來(lái)計(jì)算孔隙形狀系數(shù)(F)[14]。

F=Ae/A

(1)

式中,Ae為體積與測(cè)得孔隙體積相等的球體的表面積,而A為孔隙的實(shí)測(cè)表面積。按孔隙形狀系數(shù)將孔隙分為三類(lèi)：規(guī)則型(F≥0.5),不規(guī)則型(0.2

分形維數(shù)和連通性能夠量化不同處理團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)的差異,很好地反映孔隙網(wǎng)絡(luò)狀況。三維分形維數(shù)反映了物體的自相似性和占有空間的有效性,分形維數(shù)越大表明該物體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,且其值介于2—3之間?？紫断到y(tǒng)的連通性通過(guò)計(jì)算歐拉特征值(Euler-Poincaré,Ev)來(lái)體現(xiàn),數(shù)值越小則孔隙系統(tǒng)連通性越高[9]。本研究中分形維數(shù)與歐拉特征值均利用Image J軟件獲得。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

由于試驗(yàn)機(jī)時(shí)的限制,本研究每組凍融循環(huán)采集3個(gè)樣品進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中將這3個(gè)樣品作為3個(gè)重復(fù)進(jìn)行分析。利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,多重比較利用LSD法,顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體可視化

圖2是不同凍融循環(huán)次數(shù)下團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維和三維圖像。不同凍融循環(huán)次數(shù)下團(tuán)聚體的二維形態(tài)有明顯的差異(二維圖中白色部分為孔隙,黑色部分為固體顆粒)。如圖所示,0次凍融循環(huán)下的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)比較致密,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)則相對(duì)疏松,形成明顯的大孔隙結(jié)構(gòu),中、小孔隙減少。從二維圖像可以看出未經(jīng)凍融時(shí)團(tuán)聚體孔隙以小孔隙為主,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙不斷增大,5次凍融循環(huán)后團(tuán)聚體出現(xiàn)明顯裂隙,孔隙相連,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,該現(xiàn)象越為明顯。0次凍融循環(huán)下的土壤大團(tuán)聚體內(nèi)部觀察不到中、小團(tuán)聚體的輪廓和邊界。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次時(shí),團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙連通呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀,連通的網(wǎng)絡(luò)狀孔隙將大團(tuán)聚體內(nèi)部固體顆粒分離,在大團(tuán)聚體內(nèi)部可以觀察到明顯的小團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤團(tuán)聚體二維和三維結(jié)構(gòu)Fig.2 2D and 3D visualizations of soil aggregate structures under different freeze-thaw cycles

如圖2所示,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,團(tuán)聚體孔隙度明顯增大。此外,三維圖像中黃色部分為立方體邊緣孔隙,紫色部分為內(nèi)部孔隙。從立方體邊緣黃色部分的孔隙可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,3次凍融循環(huán)后團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙個(gè)體顯著增大,單個(gè)孔隙在不斷增大的同時(shí)與相鄰孔隙相連通。團(tuán)聚體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙,孔隙連通度增大,這與二維圖像顯示結(jié)果一致。圖像觀察表明,多次凍融循環(huán)后,團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙增大,連通性增強(qiáng),團(tuán)聚體內(nèi)部由于孔隙的連通呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 團(tuán)聚體孔隙基本特征

通過(guò)CT 掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù),不僅可以直觀可視化研究土壤團(tuán)聚體的三維結(jié)構(gòu),還可以定量表征團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙的連通性和復(fù)雜性[17-18]。由于顯微CT圖像分辨率為3.25 μm,不能分辨出更小的孔隙,所以本文僅研究大于3.25 μm的孔隙。表2為團(tuán)聚體孔隙的相關(guān)參數(shù)。

如表2所示,孔隙數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化并無(wú)明顯規(guī)律?？紫豆?jié)點(diǎn)數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈增多趨勢(shì),在5次循環(huán)以?xún)?nèi),孔隙節(jié)點(diǎn)數(shù)量無(wú)規(guī)律波動(dòng),但達(dá)到7次凍融循環(huán)以上孔隙節(jié)點(diǎn)數(shù)量較5次以?xún)?nèi)明顯增大,說(shuō)明7次以上的凍融循環(huán)導(dǎo)致孔隙分支增多。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土壤團(tuán)聚體孔隙度不斷增大,孔隙度由0次凍融循環(huán)后的7.8%增加至20次凍融循環(huán)后的23.34%。1次凍融循環(huán)后孔隙度增加了7.69%；3次凍融循環(huán)后孔隙度增加了77.56%；5次凍融循環(huán)后孔隙度增加了96.03%；7次凍融循環(huán)后孔隙度增加了92.95%；10次凍融循環(huán)后孔隙度增加了142.82%；15次凍融循環(huán)后孔隙度增加了206.79%；20次凍融循環(huán)后孔隙度增加了199.23%。數(shù)據(jù)表明,5次凍融循環(huán)與7次凍融循環(huán)對(duì)團(tuán)聚體孔隙度影響相近；15次凍融循環(huán)與20次凍融循環(huán)對(duì)團(tuán)聚體孔隙度影響相近。

在7次凍融循環(huán)以?xún)?nèi),歐拉特征值增減并無(wú)規(guī)律,7次凍融循環(huán)后,歐拉值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小,孔隙連通度增大,分形維數(shù)值先減小后增大,說(shuō)明團(tuán)聚體內(nèi)部的復(fù)雜程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加降低而后增大最后趨于平穩(wěn)。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤團(tuán)聚體孔隙基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 General properties of soil pore network of aggregates under different freeze-thaw cycles

同一行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 團(tuán)聚體孔隙分布特征

圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤團(tuán)聚體孔隙大小分布。如圖所示,孔徑大小分布以>100 μm孔徑的非毛管孔隙為主,占總孔隙度60%以上。數(shù)據(jù)表明,孔徑<30 μm的孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度有所減小,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別減小22.22%、7.78%、65.56%、13.33%、62.22%、67.78%和64.44%?？讖皆?0—100 μm的孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度有所減小,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別減小30.54%、56.16%、68.47%、47.78%、74.88%、78.33%和75.86%?？讖?100 μm的孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度有所增大,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別增加29.42%、149.79%、195.06%、171.81%、272.43%、377.37%和363.58%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,>100 μm孔徑的非毛管孔隙孔隙度不斷增大；30—100 μm的毛管孔隙孔隙度不斷減??；<30 μm的貯存孔隙在7次凍融循環(huán)后穩(wěn)定在總孔隙度的2%以下。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤團(tuán)聚體孔隙大小分布Fig.3 Pore size distributions of soil aggregates under different freeze-thaw cycles同一孔徑分級(jí)的不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 土壤團(tuán)聚體孔隙形狀特征

土壤孔隙形狀影響著土壤的水力特性,尤其是瘦長(zhǎng)型孔隙,由于其較大的孔壁表面積,更有利于水分和氣體的存儲(chǔ)[19]。圖4表明,瘦長(zhǎng)型孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度增大,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別增加17.02%、48.45%、63.20%、53.56%、67.22%、68.56%和69.19%。不規(guī)則型孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度有所減小,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別減小23.13%、68.99%、84.71%、72.40%、89.93%、91.28%和93.06%。規(guī)則型孔隙隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加孔隙度有所減小,相較于0次凍融循環(huán)的團(tuán)聚體,1、3、5、7、10、15次和20次凍融循環(huán)后孔隙度分別減小20.25%、48.53%、78.5%、64.67%、83.94%、86.80%和85.01%。瘦長(zhǎng)型孔隙為土壤團(tuán)聚體孔隙的主要形態(tài),其所占孔隙度大約為60%,且經(jīng)過(guò)凍融處理后瘦長(zhǎng)型孔隙度不斷提高后趨于穩(wěn)定,20次凍融循環(huán)后瘦長(zhǎng)型孔隙占總孔隙度96%。而規(guī)則型和不規(guī)則孔隙所占孔隙度比例呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。這與圖1中觀察到的現(xiàn)象一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土壤團(tuán)聚體中產(chǎn)生了更多的細(xì)長(zhǎng)的不規(guī)則的孔隙,呈現(xiàn)明顯的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤團(tuán)聚體孔隙形狀分布Fig.4 Pore shape distribution of soil aggregates under different freeze-thaw cycles同一孔隙形狀的不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)；各型孔隙體積占總孔隙體積的百分比為規(guī)則型孔隙度,不規(guī)則型孔隙度和瘦長(zhǎng)型孔隙度

3 討論

土體的凍融過(guò)程,實(shí)質(zhì)上就是土中水的凍結(jié)和融化過(guò)程,當(dāng)土中水凍結(jié)時(shí),體積膨脹,使得土顆粒間的孔隙體積增大,而當(dāng)冰融化時(shí),孔隙體積減小,所以?xún)鋈谶^(guò)程將會(huì)改變土顆粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)接,排列方式,從而改變土壤結(jié)構(gòu)[20-21]。此外,凍融作用會(huì)造成土顆粒之間原始固有膠結(jié)逐漸減弱,黏聚力不斷降低[22]。

孔隙度是受凍融循環(huán)影響最基礎(chǔ)、直觀的孔隙特征參數(shù)。凍融初期,未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的團(tuán)聚體孔隙內(nèi)含有一定水分。凍融循環(huán)開(kāi)始時(shí),孔隙中的水轉(zhuǎn)化成冰,體積增大,導(dǎo)致團(tuán)聚體孔隙變大；冰晶融化時(shí),孔隙未能恢復(fù)凍結(jié)前狀態(tài),此過(guò)程循環(huán)往復(fù)。此外,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,被冰晶擠壓而產(chǎn)生形變的孔隙恢復(fù)能力逐漸減弱。以上兩個(gè)因素導(dǎo)致孔隙體積不斷增大,團(tuán)聚體孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到15次以后原有的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被改變,團(tuán)聚體內(nèi)部裂隙明顯,在大團(tuán)聚體內(nèi)部形成多個(gè)小團(tuán)聚體,達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),受凍融循環(huán)的影響減小甚至不再受其影響。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)此時(shí)的大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)脆弱,極易破碎。多次的凍融循環(huán)使得土壤孔隙結(jié)構(gòu)不斷變化,但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)在15次以上時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)變化不再明顯。

在凍融循環(huán)過(guò)程中孔隙數(shù)量并未隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)規(guī)律性變化。該現(xiàn)象是由于在水與冰的相變過(guò)程中除孔隙體積的增長(zhǎng)外也會(huì)有新的孔隙形成,因此孔隙數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加并無(wú)規(guī)律性變化；從切片分析結(jié)果來(lái)看,內(nèi)部孔隙數(shù)量與外部孔隙數(shù)量變化也無(wú)規(guī)律性變化。而孔隙節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加是由于凍融循環(huán)導(dǎo)致孔隙出現(xiàn)裂隙或者多個(gè)孔隙由于不斷擴(kuò)大相連,這與瘦長(zhǎng)型孔隙孔隙度占比不斷增大原理相同。

連通性與分形維數(shù)能很好的反應(yīng)團(tuán)聚體形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化[4]。歐拉指數(shù)判定孔隙連通性結(jié)果表明,凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到7次以上有改善團(tuán)聚體孔隙連通性的作用,而分形維數(shù)并未受凍融循環(huán)影響呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

受凍融作用的影響,非毛管孔隙、毛管孔隙和貯存孔隙的孔隙度變化顯著。凍融作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改變?cè)诓煌瑑鋈谘h(huán)次數(shù)下有所不同,由于該過(guò)程對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變存在著復(fù)雜的不確定性,因此在3、5次和7次凍融循環(huán)下孔隙分級(jí)的規(guī)律性略微不同,但7次凍融循環(huán)后規(guī)律清晰,整體趨勢(shì)顯著。非毛管孔隙度比例隨凍融循環(huán)次數(shù)增加不斷增大,而毛管孔隙與貯存孔隙占比不斷減小,該現(xiàn)象是由于凍融作用的循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致小孔隙體積增大,促進(jìn)了大孔隙的形成,進(jìn)而使非毛管孔隙、毛管孔隙和貯存孔隙的占比產(chǎn)生變化。而土壤團(tuán)聚體大孔隙的形成,進(jìn)一步導(dǎo)致水分運(yùn)移速率增加。孔徑較大的大孔隙具有較強(qiáng)的水力傳導(dǎo)性,但這種促進(jìn)作用是有限的,孔隙之間的連通性也是決定水流運(yùn)移速率的主要因素[23]。因此,凍融循環(huán)對(duì)水分運(yùn)移速率的增加產(chǎn)生一定促進(jìn)作用。

凍融循環(huán)對(duì)孔隙形狀可產(chǎn)生影響。結(jié)合圖2中二維、三維圖像與圖4的定性、定量分析表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,規(guī)則孔隙與不規(guī)則孔隙的孔隙度占比均減小,而瘦長(zhǎng)型孔隙占比顯著增大,這與凍融循環(huán)造成大團(tuán)聚體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙直接相關(guān)。此外,原本的單個(gè)孔隙相連通也使得孔隙形狀更趨近于瘦長(zhǎng)型,造成規(guī)則與不規(guī)則孔隙的占比減小。由于瘦長(zhǎng)型孔隙的增多更有利于水分與氣體的存儲(chǔ)[20],因此,凍融循環(huán)對(duì)土壤水分與氣體的存儲(chǔ)和運(yùn)移產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié)論

本文利用同步輻射顯微CT和數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)研究團(tuán)聚體三維微結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的可視化。結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,團(tuán)聚體孔隙度增大,在15次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定；瘦長(zhǎng)型孔隙孔隙度占比增加,規(guī)則與不規(guī)則孔隙趨勢(shì)相反；>100 μm孔隙占比不斷增大；孔隙連通性在7次凍融循環(huán)后顯著改善；孔隙節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；孔隙數(shù)量和分形維數(shù)無(wú)顯著性變化。該研究為凍融侵蝕的研究以及春季解凍期水土流失的防治提供理論依據(jù)。此外,凍融循環(huán)對(duì)黑土團(tuán)聚體孔隙特征產(chǎn)生影響的同時(shí),對(duì)土壤水分的存儲(chǔ)與運(yùn)移以及團(tuán)聚體破碎機(jī)制產(chǎn)生一定影響,而國(guó)內(nèi)外關(guān)于該方面影響的研究尚且不足。