洪明海，黃介生，曾文治，伍靖偉，王雪揚(.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 43007；.江蘇省鹽城市第三人民醫(yī)院，江蘇 鹽城 400)

0 引 言

土壤是植物根系從中獲取營養(yǎng)物質和水分的基礎，是植物賴以生存的根基，而土壤孔隙結構和孔隙分布是影響土壤質地、肥力、含水量等土壤性質的重要因素。土壤孔隙是土體內部的空隙，是土壤結構的重要組成部分，土壤孔隙的數量、大小、分布及其連通性對土壤持水能力有著十分重要的作用[1]，影響著土壤有機污染物的吸附/解吸過程[2]。已有的研究多關注降雨[3-6]、土壤改良措施[7]、耕作方式、種植模式等對土壤孔隙的影響，很少考慮鹽分對土壤結構的影響。然而，土壤鹽漬化已經成為土地退化和影響作物生長的主要威脅。位于華北的內蒙古河套灌區(qū)，是我國最大的自流灌區(qū)，由于強烈的蒸發(fā)、較少的降水量和較淺的地下水位，約70%的耕地受到土壤鹽漬化的影響。因此，有必要就鹽分對土壤結構的影響機理展開研究，這對進一步認識土壤和植物的作用過程、改良和利用鹽漬土有著重要的意義。

要定量研究鹽分對土壤孔隙結構的影響機理，必須獲取高精度的原狀土壤孔隙結構并對其進行預處理和提取分析。獲取土壤孔隙度最為經典的方法是根據土壤容重和密度進行計算[8]，但是這種方法的工作量大、耗時長。另一種較為常用的獲取原狀土壤孔隙結構的方法為序列數字圖像技術[9]，但該方法操作復雜并且獲取的切片圖像精度較低，對原狀土壤帶有一定的破壞性。近年來，CT成像技術[10]以其快速、準確、便捷等優(yōu)點廣泛應用于醫(yī)學、農業(yè)、生物等多個領域，由于CT成像技術可以在不破壞土壤樣品的情況下對研究對象的內部結構進行掃描和測定，且成像及分析速度快，操作過程相對簡便，該技術已經被逐漸應用于土壤孔隙結構的可視化和定量化研究[11]。本文通過CT掃描獲得內蒙古河套灌區(qū)6個不同鹽分水平下原狀土壤的連續(xù)切面圖像，利用數字圖像處理技術并結合Arcgis 10.1軟件以及python程序批量提取連續(xù)圖像的土壤孔隙結構參數，并對獲取的原狀土樣圖像和孔隙參數進行對比分析，探求土壤鹽分對土壤孔隙的影響機制，為鹽漬土的改良和合理利用提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 供試土壤及CT掃描

供試土樣取至內蒙古自治區(qū)五原縣義長試驗站永聯基地(108°00′16.14″ E，41°04′11.57″ N)，海拔約為1 030 m，地處黃河北岸，為河套灌區(qū)(處106°20′ E～109°19′ E， 40°19′ N～41°18′ N)鹽漬土地帶。

首先利用土壤三參數傳感器(W.E.T Sensor, DELTA-T Co. Ltd)選擇6塊不同鹽分水平的田塊，并對每個田塊取樣帶回實驗室用雷磁DDSJ-318電導率儀準確測定土壤水溶液的EC1∶5值，最后通過公式[12,13]換算，以飽和土壤水浸提液的電導率ECe表示，各田塊鹽分值如下：田塊1(S1:ECe=1.51 dS/m)；田塊2(S2:ECe=4.33 dS/m)；田塊3(S3:ECe=15.33 dS/m)；田塊4(S4：ECe=21.31 dS/m)；田塊5(S5：ECe=28.89 dS/m)；田塊6(S6：ECe=54.92 dS/m)，其余田塊各層ECe值如表 1所示。

然后利用Φ50 mm×50 mm的PVC管在上述6個田塊分別采集原狀土樣，將取出土樣密封后用冷藏箱運至江蘇省鹽城市第三人民醫(yī)院進行CT掃描，所用CT機器型號為Discovery CT750 HD，CT掃描參數為：電壓140 kV，電流220 mA，層厚0.63 mm，設置窗寬(Window width)、窗位(Window level)為1×580，對每個土樣連續(xù)掃描80張CT圖片，圖像輸出DICOM格式醫(yī)學圖片[圖1(a)]。

從表1 可看出，除田塊5(S5)的20～30 mm的17.61 dS/m和田塊6(S6)的0～10 mm的68.97 dS/m兩個值比較異常外，其余各田塊各層ECe值都比較相近。而按照美國農業(yè)部[14]根據飽和土壤水浸提液電導率ECe值對土壤鹽分水平的劃分，所取土樣鹽分水平也列于表 1，2個非鹽田塊(S1、S2)，1個中鹽田塊(S3)，3個高鹽田塊(S4、S5、S6)，無低鹽田塊。

表1 各田塊不同深度電導率值

1.2 圖像處理

由于考慮擾動因素，去除土樣表層的5張和土樣底部的5張CT圖片，選擇余下的70張CT圖像作為此次分析：①需要利用專業(yè)的醫(yī)學圖像處理軟件Sante DICOM Viewer FREE軟件打開CT掃描得到的DICOM醫(yī)學圖片，并進行模式選擇和閾值調整處理，最終轉化為tiff格式保存[如圖1(b)所示]；②為了能使同一批圖片都能用Arcgis10.1地理軟件進行處理，先用ArcCatalog 10.1對tiff格式的圖片構建金字塔顯示(Buid Paramids)；③再利用Arcgis 10.1對圖片定義投影(Define Projection)；④使用裁切工具將tiff格式的柵格圖片剪切(Clip)為我們所要的半徑為20 mm的研究區(qū)域(以圖像中心為原點)；⑤用柵格轉多邊形(Raster to Polygon)工具將校正后的圖片矢量化，得到如圖1(c)所示的圖片；⑥通過多邊形的屬性表提取出每一層孔隙的數量、單個孔隙的周長、單個孔隙的面積等土壤孔隙結構的基礎計算參數作為后續(xù)的分析使用。

圖1 土層切片中的孔隙分布情況

然而，在實際操作過程中，這一列的操作繁瑣、易出錯、處理周期長，且中間可能出現的問題較多，這對于大量的田間試驗的圖像處理是難以接受的；另外在矢量化后的圖片中往往會產生大量的小多邊形，這主要是因為CT得到的土樣圖片中會有很多微小的小孔隙還有非二值化的一些圖像域，都會導致這種錯誤，比如，某個土樣剖面的實際孔隙數只有52個，通過矢量化后得到的多達613個，這對于孔隙結構參數的提取有很大的影響，精度會顯著下降。針對這些問題，在圖像處理初期，用python編程統(tǒng)一將420張tiff圖片編號排序(如：“S1_1.tif”表示的是鹽分水平S1土樣的第一張CT掃描圖片的tiff格式)，并除去那些因為黑白閾值而導致的多邊形使計算結果更加準確，由于Arcgis 10.1版本可外置python窗口處理，因此，前面所介紹的整個過程均通過python編程調用Arcgis 10.1中相應的模塊實現批量處理，且后面的土壤孔隙結構的基礎參數提取(見1.3)亦通過python編程實現并保存為“*.txt”文檔。

1.3 圖像分析

經過圖像處理后提取到的孔隙面積、孔隙周長，按照以下公式[9]計算土樣橫斷面孔隙的成圓率：

C=4 πA/P2

(1)

式中：C為成圓率，其值介于0～1之間，當C=1時表示孔隙為圓形；A為孔隙面積，mm2；P為孔隙的周長，mm。

統(tǒng)計土樣剖面孔隙面積的成圓率的最大值、最小值、平均值、標準差，分析它們在土壤中深度的變化以及在不同鹽分水平之間的差異性。

孔隙數是土壤某層CT切片中孔隙的數目，記為n。

孔隙度的定義為單位容積土壤中孔隙容積所占的百分數如下：

f=Vp/V

(2)

式中：f為土壤的孔隙度，無單位；Vp為土壤孔隙的體積，mm3；V為整個土壤的體積，mm3。

Vp=Sph

(3)

V=Sh

(4)

式中：Sp、S分別表示某一層孔隙的面積和某一層整個截面的面積，mm2。

將公式(3)、(4)代入式(2)中，消去相同的層厚h=0.63 mm，則有：

f=Sp/S

(5)

因此，如式(5)所示，計算土壤的孔隙度則是計算孔隙的面積占整個土樣剖面面積百分數；分析的剖面取半徑為20 mm的圓形區(qū)域，因此整個剖面的面積為1 256.64 mm2。

2 結果與分析

2.1 土壤孔隙成圓率的變化

土壤孔隙的成圓率(C)是表征土壤孔隙的形態(tài)特征，成圓率值介于0～1之間，其值越接近于1說明土壤的剖面的孔隙越接近圓形。一般認為，成圓率受到土壤孔隙形狀和孔隙大小的影響，較小的孔隙其成圓率一般更接近1，因此根據成圓率可以判斷土壤孔隙的大小。因考慮表層和底部的擾動影響，從表層和底部各去掉了5張切片，故實際分析范圍為3.15～47.25 mm。本次試驗的6個土柱不同深度的成圓率分布如圖2所示?？傮w而言，6個土柱的成圓率值均介于0.5～0.75之間，并且沒有表現出隨土壤深度明顯的規(guī)律性變化，都在0.5～0.75之間波動。

圖2 土壤孔隙成圓率隨深化度的變化

此外，鹽分影響土壤的成圓率。具體而言，S6土樣的鹽分含量最高(ECe=54.92 dS/m)其各層的成圓率也最大，并且成圓率的最大值0.742 5也在S6土樣中出現；S1土樣的鹽分含量最低(ECe=1.51 dS/m)，其平均成圓率也最小。此外，盡管中間鹽分水平的成圓率沒有呈現出明顯的規(guī)律性的變化，但總體而言，除S5土樣，土壤成圓率隨鹽分含量的變化(S2～S4)不斷增大，更接近S1。

2.2 土壤孔隙度的變化

圖3給出的是6個不同鹽分土柱的孔隙度f隨土層深度的變化，其對應的描述性統(tǒng)計分析參數和各層的平均孔隙度值如表2所示。具體而言，土壤孔隙度在土層深度上的變化是中間(約15～35 mm)比較大，兩頭值較小，而35 mm以后各處理的孔隙度也明顯小于上層土壤的，這在表2中也可以體現。此外，與成圓率規(guī)律類似，鹽分最高的S6處理(ECe=54.92 dS/m)孔隙度值最小(0.007)并且與其他鹽分處理的孔隙度差異明顯。同時，根據圖3和表2中給出的標準差0.005 9的值，發(fā)現，S6的波動是最小的，S1處理(ECe=1.51 dS/m)的平均孔隙度最大且孔隙度值在整個深度范圍內最不穩(wěn)定，波動最大。除S5外，孔隙度隨鹽分的升高而表現出減小的趨勢，孔隙度的最大值(0.258 9)和最小值(0.000 1)也分別出現在S1處理和S6處理中。

圖3 土壤孔隙度隨深度的變化

表2 土壤孔隙度描述性統(tǒng)計

2.3 土壤孔隙數的變化

圖4給出的是土壤孔隙數隨深度的變化圖，從圖4中可以看出，土壤孔隙數在土層中的變化存在一定的差異，約在35 mm后都表現為下降的趨勢，深層(約40 mm以后)的土壤孔隙數明顯少于土壤表層和中間土層的土壤孔隙數，因此，從整體趨勢來看，隨著土層深度的增加孔隙數是有先增大后減小的趨勢，位于土層表面的孔隙數較土壤深層的孔隙數多，而中間(約15～35 mm)深度最多，各土層深度范圍內的孔隙數變化都比較集中出現在20～60區(qū)間，并且變化差異較大，除S2(ECe=4.33 dS/m)處理出現81的高孔隙數值外，其他均未超過80的孔隙數值。考慮不同鹽分的影響時，圖像最左側高鹽的S6(ECe=54.92 dS/m)處理的孔隙數最少，這與孔隙度和成圓率的變化規(guī)律都是一致的，因此可以認為高鹽分的土壤孔隙較少，尤其不利于大孔隙的形成。

圖4 土壤孔隙數隨深度的變化

進一步將土壤以層為單位分析每層土壤孔隙的數量以及整個土柱的孔隙數量，其結果如圖5所示。整體而言，S2(ECe=4.33 dS/m)處理的孔隙數量最多，為3 458，S4(ECe=21.31 dS/m)處理、S5(ECe=28.89 dS/m)處理的總孔隙數緊隨其后，S6(ECe=54.92 dS/m)的孔隙數最少[圖5(a)]。觀察圖5～(f)也可發(fā)現，表層土壤(3.15～10 mm)和深層土壤(40～47.25 mm)的孔隙數較中間的少。而不同土層的孔隙數量分析也表明，除了表層3.15～10 mm的S1土樣，其余各層的孔隙數量隨鹽分的變化規(guī)律均與全剖面的規(guī)律一致。而S1土樣3.15～10 mm土層中孔隙數較大可能是由于取樣受到擾動所致。

3 結 語

(1)CT掃描技術能夠非破壞性地獲取土壤結構特征，與其他方法相比，CT掃描方便快速并且能夠準確描述孔隙的數目、大小等幾何參數。

(2)土壤孔隙結構的形成受到鹽分的影響。具體而言，當土壤鹽分較高S6(ECe=54.92 dS/m)時，土壤孔隙的成圓率明顯增加，土壤孔隙度明顯降低并且孔隙度的波動隨鹽分增加逐漸減小，而鹽分最低的S1(ECe=1.51 dS/m)處理，其成圓率明顯較小、孔隙度較大。

(3)所取土柱的總孔隙數以及層間孔隙數隨著鹽分水平的提高表現為先增加后減小的趨勢，較高鹽分條件下(S4、S5)的土壤孔隙數較大，高鹽條件下(S6)的土壤孔隙數最少。

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[1] 孫 梅, 黃運湘, 孫 楠, 等. 農田土壤孔隙及其影響因素研究進展[J]. 土壤通報, 2015,(1):233-238.

[2] 王震宇, 于曉冬, 許 穎, 等. 土壤微孔對有機物吸附/解吸的影響及其表征[J]. 生態(tài)學報, 2009,(4):2 087-2 096.

[3] Marshall T J. A relation between permeability and size distribution of pores[J]. Journal of Soil Science, 1958,9(1):1-8.

[4] Belnap Jayne, Büdel B, Lange Otto L. Biological soil crusts: characteristics and distribution[M]. Springer, 2001.

[5] Fox D M, Bryan R B, Fox C A. Changes in pore characteristics with depth for structural crusts[J]. Geoderma, 2004,120(1):109-120.

[6] 郭 磊. 降雨過程中典型紅壤孔隙時空變化規(guī)律研究[D]. 武漢：華中農業(yè)大學, 2007.

[7] 楊永輝, 武繼承, 毛永萍, 等. 利用計算機斷層掃描技術研究土壤改良措施下土壤孔隙[J]. 農業(yè)工程學報, 2013,(23):99-108.

[8] 程亞南, 劉建立, 張佳寶. 土壤孔隙結構定量化研究進展[J]. 土壤通報, 2012,(4):988-994.

[9] 李德成, Velde B, 張?zhí)伊? 利用土壤的序列數字圖像技術研究孔隙小尺度特征[J]. 土壤學報, 2003,(4):524-528.

[10] 周 虎, 李文昭, 張中彬, 等. 利用X射線CT研究多尺度土壤結構[J]. 土壤學報, 2013,(6):1 226-1 230.

[11] Munkholm Lars J, Heck Richard J, Deen Bill. Soil pore characteristics assessed from X-ray micro-CT derived images and correlations to soil friability[J]. Geoderma, 2012,181:22-29.

[12] Hachicha M, Mansour M, Rejeb S, et al. Applied research for the utilization of Brackish/Saline water in center of Tunisia: water use[C]∥ Salinity evolution and crop response: Proceedings of International Salinity Forum, Riverside, 2005.

[13] Kanzari Sabri, Hachicha Mohamed, Bouhlila Rachida, et al. Simulation of water and salts dynamics in bouhajla (Central Tunisia): Exceptional rainfall effect[J]. Soil and Water Research, 2012,7(1):36-44.

[14] Department Natural Resources Management And. CHAPTER 7-SALTY SOILS[EB/OL]. http:∥www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e08.htm.,2016-04-17.