運用同步輻射顯微CT揭示紅壤團聚體內(nèi)孔隙形態(tài)與空間分布*

吳呈鋒，於修齡，盧升高

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對調(diào)節(jié)土壤的物理、化學(xué)和生物過程起著重要作用，是土壤肥力的基礎(chǔ)。土壤團聚體內(nèi)部存在十分復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)，這種復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)及其空間分布決定了土壤團聚體的主要功能，以及發(fā)生在團聚體內(nèi)部的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，并對土壤的各種功能起著調(diào)控作用[1-3]。通過對團聚體內(nèi)部孔隙系統(tǒng)的研究，可以了解土壤團聚體的肥力作用和調(diào)控水、肥、氣、熱的原理，理解土壤團聚體的各種過程和功能。團聚體內(nèi)部孔隙的空間變異是其物理固碳的主要機制，土壤團聚體內(nèi)部微環(huán)境的高度變異性，阻止了有機碳分解微生物的進入和酶對土壤有機碳的分解作用[1，4-5]。研究表明[6-7]，團聚體內(nèi)從中心向邊緣的孔隙大小分布是控制土壤團聚體穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)的主要機制。因此，對土壤團聚體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和孔隙的研究對深入理解土壤各種物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)具有重要的理論意義，也是了解許多土壤過程和機制的鑰匙。然而，目前大多數(shù)研究均是基于對土壤團聚體宏觀特征的研究，采用的研究方法基本均破壞了團聚體的結(jié)構(gòu)，無法反映團聚體內(nèi)部的“真實”孔隙特性和復(fù)雜的空間變化規(guī)律，需要發(fā)展原位非擾動狀態(tài)進行表征的方法。

顯微CT技術(shù)廣泛用于研究不同材料（土壤、骨胳、陶瓷、水泥等）的孔隙結(jié)構(gòu)[3，8-10]，它可以原位無損直觀地描述孔隙度、孔隙大小分布、連通性和形態(tài)等孔隙特性。近年，較普通顯微CT光源穩(wěn)定、能量高、成像效果好的同步輻射顯微CT（SR-mCT）得到應(yīng)用[4，9-12]。同步輻射顯微CT技術(shù)可無損地獲取土壤團聚體連續(xù)切面圖像以及完整的三維（3D）結(jié)構(gòu)，定量計算不同類型及大小團聚體內(nèi)部的孔隙數(shù)量、孔隙度和3D分布模式等。目前，已應(yīng)用SR-mCT研究耕作、土地利用方式和施肥等對團聚體內(nèi)部孔隙特性的影響[13-19]。如Peth等[15]采用同步輻射顯微CT技術(shù)研究傳統(tǒng)農(nóng)田和草地的土壤結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析了孔隙參數(shù)（如孔隙度、孔徑分布、孔隙長度、孔隙形狀等），發(fā)現(xiàn)二者的團聚體孔隙結(jié)構(gòu)存在顯著性差異。周虎等[16，20]利用同步輻射顯微CT技術(shù)研究了紅壤恢復(fù)過程和水稻土不同利用年限的團聚體微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。盡管隨著CT技術(shù)的發(fā)展，對團聚體內(nèi)孔隙特性已有初步了解，但對于團聚體內(nèi)部孔隙的形態(tài)以及空間分布與定量方面存在著一系列挑戰(zhàn)。本研究以紅壤為材料，采用同步輻射X射線顯微CT技術(shù)對團聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行連續(xù)掃描，獲取高分辨率土壤團聚體三維結(jié)構(gòu)圖像，應(yīng)用數(shù)字圖像處理方法定量分析團聚體微結(jié)構(gòu)特征，包括孔隙數(shù)量、孔隙度、幾何形狀及連通性、三維結(jié)構(gòu)以及空間分布，試圖解釋團聚體孔隙特征與團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，建立原位無損地研究團聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新方法，利用團聚體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)來理解土壤肥力實質(zhì)和各種土壤過程機理。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤樣品采自浙江衢州第四紀紅土發(fā)育的低丘紅壤（網(wǎng)紋黏化濕潤富鐵土），以兩個代表性土壤（標(biāo)記為Q4和Q12）為材料。土地利用方式Q4為裸地，Q12為園地（柑橘）。每個土壤由5個采樣點混合而成。土壤樣品風(fēng)干后，一部分原狀土用于團聚體分析，另一部分過100目篩供土壤基本性質(zhì)測定。土壤樣品的基本理化性質(zhì)見表1。由表可知，兩個土壤樣品的平均黏粒含量、有機質(zhì)和游離鐵含量無顯著差異，表明土壤團聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)含量基本相同。土壤全土的水穩(wěn)性團聚體含量、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）等團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)存在明顯差異，Q4的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）分別為0.55 mm和0.69 mm；Q12分別為1.03 mm和0.78 mm。團聚體抗壓強度（TS）Q12明顯大于Q4。土壤總孔隙度Q4明顯大于Q12。通過干篩法篩選出3～5 mm團聚體，在光學(xué)顯微鏡下挑選形狀規(guī)則、近球形的團聚體樣品多顆以備用。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic proprieties of two studied soil samples

1.2 團聚體CT掃描

干篩法分離出直徑3～5 mm團聚體，土壤團聚體的顯微CT掃描在上海光源BL13W光束線站進行。將團聚體置于塑料管內(nèi)并固定在樣品臺上，樣品與探測器距離為10 cm。樣品臺在水平方向從0°至180°勻速旋轉(zhuǎn)，以0.25°步長進行掃描。在26 KeV能量下，使用分辨率為3.7 μm的CCD探測器采集土壤團聚體的顯微CT信號，每個樣品共采集720張像素為2 048×2 048的圖像。由于同步輻射機時的限制，每個樣品重復(fù)三次。圖像重建利用上海光源CT Program軟件完成，重建之后每個樣品生成600張大小為2 048×2 048像素的圖像，并將其存儲為8位tif格式。團聚體結(jié)構(gòu)的三維可視化利用ImageJ軟件完成。

1.3 圖像解譯與處理

圖像亮度歸一化、濾波、分割、裁剪以及土壤孔隙系統(tǒng)的三維可視化由軟件ImageJ 1.50完成（the National Institute of Health，USA；http://rsb.info.nih.gov/ij/）。圖像亮度歸一化使用ImageJ軟件enhance contrast模塊中的亮度歸一化命令完成，像素飽和率設(shè)置為0.3%，使不同CT切片的亮度差別最小化。CT掃描過程中常常存在環(huán)狀偽影，會對團聚體結(jié)構(gòu)分析造成一定的干擾。為了準(zhǔn)確提取土壤孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，須采用圖像處理方法去除環(huán)狀偽影。環(huán)狀偽影的去除主要步驟包括對圖像進行傅里葉變換、濾波、傅里葉逆變換標(biāo)等步驟。圖像的降噪處理采用中值濾波法，濾波半徑設(shè)置為1像素。中值濾波由ImageJ軟件完成。圖像二值化分割采用ImageJ軟件內(nèi)置的固定模式分割法，由ImageJ軟件根據(jù)圖像堆棧的直方圖分布自動選擇出分割閾值，將土壤分為孔隙和固相兩相。

1.4 孔隙三維重構(gòu)

為了避免邊緣效應(yīng)，提高分析精度，本研究選取了團聚體內(nèi)部400×400×400的感興趣體元（volume of interest，VOI）進行定量分析。該體元的大小為1.48 mm × 1.48 mm × 1.48 mm。體元的選取由ImageJ軟件完成。由于土壤團聚體內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)孔隙是高度相連的，因此在定量分析前先將孔隙提取出來。孔隙的提取由Image J軟件3D插件包中的watershed split命令完成?？紫兜谋砻娣e、體積、等效直徑、周長、空間坐標(biāo)等參數(shù)分析由ImageJ軟件的counter 3D插件包完成?？紫兜男螒B(tài)、各向異性和玫瑰圖的生成由BoneJ插件包完成。并利用軟件重構(gòu)樣品中孔隙的3D結(jié)構(gòu)，計算樣品中的孔隙大小分布。由于探測器分辨率為3.7 μm，因此將團聚體孔隙分為3.7～5、5～30、30～50、50～80、＞80 μm五個級別。

1.5 團聚體中孔隙的空間分布

獲取孔隙的空間分布首先需要提取所有孔隙的三維空間坐標(biāo)，然后通過將所有孔隙的三維坐標(biāo)投影至X-Y平面上，并將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)。轉(zhuǎn)化方程為：式中，R為孔隙在極坐標(biāo)中的半徑參數(shù)，θ為孔隙在極坐標(biāo)中的方位參數(shù)。將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)使用MATLAB軟件繪制成孔隙空間分布等高圖。

1.6 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析使用 IBM SPSS22.0統(tǒng)計學(xué)軟件包。本研究使用了單因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD檢驗法用于對比一組或多組變量在P=0.05顯著水平上的差異。

2 結(jié) 果

2.1 土壤團聚體內(nèi)孔隙形態(tài)與各向異性

圖1為土壤團聚體CT掃描圖以及對應(yīng)感興趣體元（VOI）經(jīng)重構(gòu)所得的三維結(jié)構(gòu)圖。2D圖像表明兩種土壤團聚體孔隙形貌存在較大差別，Q4團聚體中存在不同大小孔隙，且大孔隙數(shù)量較多，孔隙形狀呈長條形或不規(guī)則矩形，同時能觀察到圓形、長條形小孔隙。Q12團聚體內(nèi)部的孔隙大部分為小孔隙，很少有中、大孔隙，且小孔隙分布較為均一。圖1C和圖1D為Q4與Q12的孔隙3D結(jié)構(gòu)圖，展示了團聚體孔隙3D空間分布模式。土壤團聚體的3D孔隙圖像表明，兩種土壤團聚體的孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙大小與分布存在明顯差異。Q4孔隙含有較多大、中孔隙，且孔隙連通性較好，呈現(xiàn)出發(fā)育完善的孔隙結(jié)構(gòu)；Q12孔隙3D圖以小孔隙為主，未發(fā)現(xiàn)大孔隙存在，且小孔隙分布較為致密。2D和3D孔隙形貌圖表明，兩種土壤孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差異。Q4與Q12團聚體不同的孔隙結(jié)構(gòu)特征對于團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有明顯的差異。Q4團聚體孔隙分布均勻，不同孔徑孔隙均有分布，大孔隙形態(tài)各異，形成疏松結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗壓強度較低；而Q12團聚體小孔隙居多，分布緊密，小孔隙的分布模式造成緊實致密的團聚體結(jié)構(gòu)，與土壤抗壓強度測定結(jié)果一致。

圖1 土壤團聚體二維（A和B）、三維（C和D）結(jié)構(gòu)與孔隙各向異性（E和F）Fig. 1 Representative 2-D（A and B），3-D images（C and D）and degree of anisotropy（E and F）of soil intra-aggregates pores by SR-mCT

孔隙的各向異性是指孔隙在團聚體內(nèi)有不同的生長方向、大小分布、排列規(guī)律和疏密程度，由此導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)特征和功能不同。它是團聚體內(nèi)不同大小、方向、形狀孔隙分布排列的綜合反映，可指示團聚體孔隙結(jié)構(gòu)狀況。圖1E和圖1F所示為兩種土壤孔隙各向異性玫瑰圖，圖中每個棱角為孔隙生長方向的投影，不同顏色代表該方向上孔隙分布的密集程度，顏色越紅表示數(shù)量越多，顏色偏藍則相反。Q4和Q12孔隙各向異性呈現(xiàn)出明顯的差異性，主要表現(xiàn)為Q4各向異性呈橢圓形，而Q12呈圓形，說明Q4團聚體孔隙生長方向、分布規(guī)律呈現(xiàn)出多樣性，更為復(fù)雜，而Q12團聚體孔隙生長較為一致。結(jié)合圖1孔隙二維、三維結(jié)構(gòu)圖可以得出，Q4大孔隙發(fā)育完整，孔隙分布完善，空間排列有規(guī)律，形成了很好的孔隙性能，是團聚體結(jié)構(gòu)性能突出的表現(xiàn)，而Q12團聚體以小孔隙為主，孔隙分布均一且排列密集，不利于良好團聚體結(jié)構(gòu)的形成，因此團聚體穩(wěn)定性Q12不如Q4。Q4和Q12團聚體孔隙整體呈現(xiàn)出較大的差異，造成團聚體結(jié)構(gòu)性能的差異。

圖2所示為Q4和Q12團聚體樣品中所提取的單孔隙以及多孔隙連通性示意圖。Q4樣品單孔隙形態(tài)各異，有圓柱體形、長條形、不規(guī)則形等形態(tài)。同樣，Q12樣品的孔隙形態(tài)也呈多樣性。對比Q4與Q12多連通孔隙形態(tài)可知，Q4多聯(lián)通孔隙連通性較好，能將多個孔隙完整連接成一條孔徑，且兩孔隙連通節(jié)點過渡平緩，Q12樣品多連通孔隙連接處則出現(xiàn)較多“瓶頸”，即在連通處孔徑內(nèi)徑驟減。同時，Q4多連通孔隙呈現(xiàn)出孔隙形狀的多樣性，各向異性較好，而Q12孔隙各向異性較差。兩樣品不同的單孔隙、多連接孔隙形態(tài)造成了整體孔隙性能的差異，Q4良好的孔隙連通性能有利于水分、空氣、養(yǎng)分、熱量在土壤中的傳導(dǎo)，形成了良好的團粒結(jié)構(gòu)與疏松的土質(zhì)，同時有利于作物根系在土壤中的生長，共同決定著團聚體結(jié)構(gòu)的發(fā)育。

圖2 土壤團聚體單孔隙和多聯(lián)通孔隙三維形貌圖Fig. 2 3-D image of single and connected pores structure intra-aggregate pores

2.2 土壤團聚體內(nèi)孔隙大小分布

由于同步輻射顯微CT圖像分辨率為3.7 μm，因此本研究的孔隙僅針對＞3.7 μm的孔隙。根據(jù)孔隙大小，將團聚體孔隙分為3.7～5、5～30、30～50、50～80、＞80 μm五個級別，并比較兩個土壤團聚體內(nèi)孔隙大小分布（PSD）的差異（圖3）。Q4的孔隙大小分布以＞80 μm孔隙最多，約為6.5%，其次為50～80 μm，接近6%；30～50、5～30、3.7～5 μm孔隙分別為4%、2.5%、1.4%。Q12的孔隙大小分布與Q4不同，總體上以30～50、50～80、＞80 μm為主，分別為4.1%、4.5%、3.5%，其次為5～30和3.7～5 μm兩級孔隙分別為1.5%和1.3%。比較分析表明，兩個土壤團聚體中3.7～5 μm和30～50 μm孔隙差異不顯著；而5～30、50～80和＞80 μm孔隙Q4顯著高于Q12（P＜0.05）。團聚體的孔隙度在一定程度上可反映團聚體結(jié)構(gòu)性，土壤團聚體擁有較大的總孔隙度往往說明團聚體具有良好的團粒結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性也更強。在團聚體內(nèi)部，＞30 μm孔隙度與＜30 μm孔隙度間存在顯著差異。土壤孔隙系統(tǒng)是由大小從納米到毫米尺度的連續(xù)孔隙組成，孔隙的實際大小范圍達幾個量級。由于CT圖像分辨率的限制，對團聚體內(nèi)部的納米尺度孔隙無法定量。土壤團聚體作為一個相對獨立的封閉體系，其內(nèi)部孔隙的復(fù)雜性和空間變異性，是土壤團聚體多樣性功能的基礎(chǔ)，如水分吸持、土壤固碳等?？梢灶A(yù)計，團聚體內(nèi)孔隙大小分布和空間分布的差異顯著改變了團聚體內(nèi)部微環(huán)境，土壤孔隙從孔隙數(shù)量（大?。┖涂臻g分布影響和控制土壤的功能，包括水、氣、養(yǎng)分和微生物的空間分布。團聚體內(nèi)孔隙的分析結(jié)果也表明土壤孔隙大小和分布對土壤管理措施和環(huán)境變化十分敏感，可用于評價土壤孔隙對長期施肥、耕作和土壤修復(fù)的響應(yīng)等。

圖3 土壤團聚體內(nèi)孔隙大小分布Fig. 3 Pore size distribution（PSD）of intra-aggregate pores in soils

2.3 土壤團聚體內(nèi)孔隙空間分布

土壤孔隙的空間變異影響土壤水分和空氣的交換，團聚體內(nèi)孔隙的空間變異是微生物群落和有機質(zhì)保護的主要機理[1，5，15]。根據(jù)不同大小孔隙的功能，一般將＞30 μm孔隙作為大孔隙，＜30 μm為小孔隙。利用ImageJ軟件提取團聚體單位空間的孔隙坐標(biāo)信息，通過投影和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，繪制孔隙空間分布等高線圖?？紫兜雀呔€圖可直觀清晰地反映團聚體內(nèi)孔隙的分布模式。圖4為Q4和Q12團聚體＜30 μm與＞30 μm兩級孔隙空間分布等高線圖，藍色為＜30 μm孔隙空間分布圖，紅色為＞30 μm孔隙空間分布圖。圖中每個黑點代表團聚體中一個孔隙，等值線的形狀代表孔隙分布模式，圖中顏色越淺表示孔隙密度越低，顏色越深則孔隙分布越密集。分析Q4和Q12兩級孔隙分布模式可知，Q4團聚體中＞30 μm孔隙分布總體上比較均勻，在整個團聚體面上均有分布，其中以中心部位偏高，呈中間向圓周略有減小趨勢；＜30 μm孔隙主要分布在團聚體中心區(qū)域，向四周銳減，邊上分布密度較低，說明上述大小的孔隙主要分布在團聚體中心。Q12團聚體＞30 μm孔隙總體分布密集，主要分布在團聚體外圍，且密度較高，而在中心分布較少，說明上述大小的孔隙主要分布在團聚體周圍；Q12＜30 μm孔隙分布與Q4相似，中間分布密度高，四周密度非常低。土壤孔性是土壤結(jié)構(gòu)性的反映，不同粒徑孔隙的空間分布規(guī)律決定著水、肥、氣、熱等介質(zhì)在土壤中的傳輸，直接影響土壤物理-力學(xué)性質(zhì)及土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜合Q4和Q12兩級孔隙分布可知，整體上Q4孔隙分布較Q12更為均衡，以＞30 μm尤為突出，孔隙空間分布的均勻性意味著孔隙性能更好，團聚體結(jié)構(gòu)更為疏松，土壤耕性較好[14，15]，這與兩種土壤抗壓強度測定值一致（表1）。

圖4 土壤團聚體內(nèi)孔隙（＞30 μm和＜30 μm）空間分布Fig. 4 Spatial distribution of intra-aggregate pores（＞30 μm and ＜30 μm）in soils

3 結(jié) 論

應(yīng)用同步輻射顯微CT和數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析了兩種不同穩(wěn)定性的紅壤團聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，包括團聚體的3D形態(tài)和孔隙的各向異性、孔隙的連通性、大小分布和空間分布。兩種土壤團聚體孔隙形貌存在明顯差異，Q4團聚體孔隙含有較多大孔隙，孔隙形態(tài)各異，各向異性呈橢圓形，孔隙生長方向、分布規(guī)律呈現(xiàn)出多樣性，多聯(lián)通孔隙連通性較好；Q12團聚體孔隙以小孔隙為主，分布密集，孔隙各向異性為圓形，團聚體孔隙生長較為一致，多連通孔隙連接處則出現(xiàn)較多“瓶頸”。SR-mCT結(jié)合圖像分析建立了土壤團聚體中＞30 μm大孔隙和＜30 μm的空間分布模式，不同結(jié)構(gòu)性能的團聚體內(nèi)孔隙空間分布呈現(xiàn)出不同的模式。Q4團聚體＞30 μm孔隙分布比較均勻，以中心部位偏高，呈中間向圓周略有減小趨勢；Q12團聚體＞30 μm孔隙分布密集，主要分布在團聚體外圍，中心分布較少。孔隙空間分布的均勻性意味著孔隙性能更好，從團聚體孔隙空間分布模式可以很好地解釋土壤團聚體結(jié)構(gòu)性能差異的原因。結(jié)果表明，SR-mCT分析的團聚體孔隙結(jié)構(gòu)較好地解釋了土壤團聚體穩(wěn)定性機理，幫助預(yù)測和模擬土壤團聚體中的各種物理過程和宏觀功能。為利用團聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)來理解土壤肥力實質(zhì)和各種土壤過程機理提供科學(xué)依據(jù)。