運用同步輻射顯微CT揭示紅壤團聚體內孔隙形態與空間分布*

吳呈鋒，於修齡，盧升高

（浙江大學環境與資源學院，杭州 310058）

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，對調節土壤的物理、化學和生物過程起著重要作用，是土壤肥力的基礎。土壤團聚體內部存在十分復雜的孔隙系統，這種復雜的孔隙系統及其空間分布決定了土壤團聚體的主要功能，以及發生在團聚體內部的各種物理、化學和生物學過程，并對土壤的各種功能起著調控作用[1-3]。通過對團聚體內部孔隙系統的研究，可以了解土壤團聚體的肥力作用和調控水、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，土壤團聚體內部微環境的高度變異性，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]，團聚體內從中心向邊緣的孔隙大小分布是控制土壤團聚體穩定性和力學性質的主要機制。因此，對土壤團聚體內部微結構和孔隙的研究對深入理解土壤各種物理、化學和生物學性質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構，無法反映團聚體內部的“真實”孔隙特性和復雜的空間變化規律，需要發展原位非擾動狀態進行表征的方法。

顯微CT技術廣泛用于研究不同材料（土壤、骨胳、陶瓷、水泥等）的孔隙結構[3，8-10]，它可以原位無損直觀地描述孔隙度、孔隙大小分布、連通性和形態等孔隙特性。近年，較普通顯微CT光源穩定、能量高、成像效果好的同步輻射顯微CT（SR-mCT）得到應用[4，9-12]。同步輻射顯微CT技術可無損地獲取土壤團聚體連續切面圖像以及完整的三維（3D）結構，定量計算不同類型及大小團聚體內部的孔隙數量、孔隙度和3D分布模式等。目前，已應用SR-mCT研究耕作、土地利用方式和施肥等對團聚體內部孔隙特性的影響[13-19]。如Peth等[15]采用同步輻射顯微CT技術研究傳統農田和草地的土壤結構，系統分析了孔隙參數（如孔隙度、孔徑分布、孔隙長度、孔隙形狀等），發現二者的團聚體孔隙結構存在顯著性差異。周虎等[16，20]利用同步輻射顯微CT技術研究了紅壤恢復過程和水稻土不同利用年限的團聚體微結構演變規律。盡管隨著CT技術的發展，對團聚體內孔隙特性已有初步了解，但對于團聚體內部孔隙的形態以及空間分布與定量方面存在著一系列挑戰。本研究以紅壤為材料，采用同步輻射X射線顯微CT技術對團聚體內部結構進行連續掃描，獲取高分辨率土壤團聚體三維結構圖像，應用數字圖像處理方法定量分析團聚體微結構特征，包括孔隙數量、孔隙度、幾何形狀及連通性、三維結構以及空間分布，試圖解釋團聚體孔隙特征與團聚體結構穩定性的內在聯系，建立原位無損地研究團聚體內部結構的新方法，利用團聚體內孔隙結構來理解土壤肥力實質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育的低丘紅壤（網紋黏化濕潤富鐵土），以兩個代表性土壤（標記為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測定。土壤樣品的基本理化性質見表1。由表可知，兩個土壤樣品的平均黏粒含量、有機質和游離鐵含量無顯著差異，表明土壤團聚體的主要膠結物質含量基本相同。土壤全土的水穩性團聚體含量、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）等團聚體穩定性指標存在明顯差異，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，在光學顯微鏡下挑選形狀規則、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，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。團聚體結構的三維可視化利用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狀偽影，會對團聚體結構分析造成一定的干擾。為了準確提取土壤孔隙結構數據，須采用圖像處理方法去除環狀偽影。環狀偽影的去除主要步驟包括對圖像進行傅里葉變換、濾波、傅里葉逆變換標等步驟。圖像的降噪處理采用中值濾波法，濾波半徑設置為1像素。中值濾波由ImageJ軟件完成。圖像二值化分割采用ImageJ軟件內置的固定模式分割法，由ImageJ軟件根據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

為了避免邊緣效應，提高分析精度，本研究選取了團聚體內部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。由于土壤團聚體內部的網絡孔隙是高度相連的，因此在定量分析前先將孔隙提取出來?？紫兜奶崛∮蒊mage 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、空間坐標等參數分析由ImageJ軟件的counter 3D插件包完成?？紫兜男螒B、各向異性和玫瑰圖的生成由BoneJ插件包完成。并利用軟件重構樣品中孔隙的3D結構，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，然后通過將所有孔隙的三維坐標投影至X-Y平面上，并將直角坐標轉化為極坐標。轉化方程為：式中，R為孔隙在極坐標中的半徑參數，θ為孔隙在極坐標中的方位參數。將轉換后的坐標使用MATLAB軟件繪制成孔隙空間分布等高圖。

1.6 統計分析

統計分析使用 IBM SPSS22.0統計學軟件包。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 果

2.1 土壤團聚體內孔隙形態與各向異性

圖1為土壤團聚體CT掃描圖以及對應感興趣體元（VOI）經重構所得的三維結構圖。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，且大孔隙數量較多，孔隙形狀呈長條形或不規則矩形，同時能觀察到圓形、長條形小孔隙。Q12團聚體內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結構圖，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構、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，呈現出發育完善的孔隙結構；Q12孔隙3D圖以小孔隙為主，未發現大孔隙存在，且小孔隙分布較為致密。2D和3D孔隙形貌圖表明，兩種土壤孔隙結構存在明顯差異。Q4與Q12團聚體不同的孔隙結構特征對于團聚體結構穩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，大孔隙形態各異，形成疏松結構，導致抗壓強度較低；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構，與土壤抗壓強度測定結果一致。

圖1 土壤團聚體二維（A和B）、三維（C和D）結構與孔隙各向異性（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有不同的生長方向、大小分布、排列規律和疏密程度，由此導致孔隙結構特征和功能不同。它是團聚體內不同大小、方向、形狀孔隙分布排列的綜合反映，可指示團聚體孔隙結構狀況。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，顏色越紅表示數量越多，顏色偏藍則相反。Q4和Q12孔隙各向異性呈現出明顯的差異性，主要表現為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、分布規律呈現出多樣性，更為復雜，而Q12團聚體孔隙生長較為一致。結合圖1孔隙二維、三維結構圖可以得出，Q4大孔隙發育完整，孔隙分布完善，空間排列有規律，形成了很好的孔隙性能，是團聚體結構性能突出的表現，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構的形成，因此團聚體穩定性Q12不如Q4。Q4和Q12團聚體孔隙整體呈現出較大的差異，造成團聚體結構性能的差異。

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樣品單孔隙形態各異，有圓柱體形、長條形、不規則形等形態。同樣，Q12樣品的孔隙形態也呈多樣性。對比Q4與Q12多連通孔隙形態可知，Q4多聯通孔隙連通性較好，能將多個孔隙完整連接成一條孔徑，且兩孔隙連通節點過渡平緩，Q12樣品多連通孔隙連接處則出現較多“瓶頸”，即在連通處孔徑內徑驟減。同時，Q4多連通孔隙呈現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、養分、熱量在土壤中的傳導，形成了良好的團粒結構與疏松的土質，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構的發育。

圖2 土壤團聚體單孔隙和多聯通孔隙三維形貌圖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構性，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構，穩定性也更強。在團聚體內部，＞30 μm孔隙度與＜30 μm孔隙度間存在顯著差異。土壤孔隙系統是由大小從納米到毫米尺度的連續孔隙組成，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，其內部孔隙的復雜性和空間變異性，是土壤團聚體多樣性功能的基礎，如水分吸持、土壤固碳等?？梢灶A計，團聚體內孔隙大小分布和空間分布的差異顯著改變了團聚體內部微環境，土壤孔隙從孔隙數量（大?。┖涂臻g分布影響和控制土壤的功能，包括水、氣、養分和微生物的空間分布。團聚體內孔隙的分析結果也表明土壤孔隙大小和分布對土壤管理措施和環境變化十分敏感，可用于評價土壤孔隙對長期施肥、耕作和土壤修復的響應等。

圖3 土壤團聚體內孔隙大小分布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，團聚體內孔隙的空間變異是微生物群落和有機質保護的主要機理[1，5，15]。根據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信息，通過投影和坐標轉換，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。土壤孔性是土壤結構性的反映，不同粒徑孔隙的空間分布規律決定著水、肥、氣、熱等介質在土壤中的傳輸，直接影響土壤物理-力學性質及土壤團聚體結構穩定性。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，團聚體結構更為疏松，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 論

應用同步輻射顯微CT和數字圖像處理技術，分析了兩種不同穩定性的紅壤團聚體內部孔隙結構，包括團聚體的3D形態和孔隙的各向異性、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，孔隙形態各異，各向異性呈橢圓形，孔隙生長方向、分布規律呈現出多樣性，多聯通孔隙連通性較好；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較多“瓶頸”。SR-mCT結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，不同結構性能的團聚體內孔隙空間分布呈現出不同的模式。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?？紫犊臻g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構性能差異的原因。結果表明，SR-mCT分析的團聚體孔隙結構較好地解釋了土壤團聚體穩定性機理，幫助預測和模擬土壤團聚體中的各種物理過程和宏觀功能。為利用團聚體內部孔隙結構來理解土壤肥力實質和各種土壤過程機理提供科學依據。