一種定量測定土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種定量測定土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法，屬于土壤研究技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)具有復雜的物理結(jié)構(gòu)特征，國內(nèi)外目前尚無統(tǒng)一有效的方法直觀定量測定土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外學者利用非破壞性的微觀分析技術(shù)，比如
電子顯微鏡、掃描電鏡-能譜分析技術(shù)(SEM-EDX)等手段研究土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學組成。通過這些方法可以發(fā)現(xiàn)不同來源、腐殖化程度的土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)在電子顯微鏡下呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)差異，如絮狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)及層、絮狀相間結(jié)構(gòu)。但是利用電子顯微鏡、掃描電鏡等手段只能從視覺上定性分辨土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性，而有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的定量分析、形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定等方面的研究無法實現(xiàn)。
[0003] 因此，引入一種新的技術(shù)手段實現(xiàn)土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)結(jié)構(gòu)定量測定是非常有必要的?；谕?a href='/zhuanli/list-17642-1.html' target='_blank'>
輻射的顯微計算機
斷層掃描成像(macro-CT)技術(shù)可以通過光、電
信號轉(zhuǎn)換的方式捕獲土壤結(jié)構(gòu)的細節(jié)特征并進行定量測定，該方法具有快速、成像
對比度強、
分辨率高的優(yōu)點。目前，國內(nèi)外學者多用此技術(shù)進行土壤孔隙結(jié)構(gòu)、分布及其優(yōu)先流關(guān)系以及土壤團聚體的分形特征等方面的研究。隨著該方法在應(yīng)用過程中不斷被優(yōu)化、升級，逐漸被應(yīng)用于土壤團聚體的微結(jié)構(gòu)特征分析，比如分析土壤團聚體內(nèi)部孔隙分形結(jié)構(gòu)的變化等。Flavel?R?J等運用顯微CT技術(shù)和標準方法研究對比了不同磷肥處理的土壤剖面中的谷類根系的分布情況，結(jié)果顯示用顯微CT技術(shù)在孔隙結(jié)構(gòu)研究方面具有更快速、準確的優(yōu)點(Flavel?R?J,Guppy?C?N,Tighe?M,et?al.Non-destructive?quantification?of?cereal?roots?in?soil?using?high-resolution?X-ray?tomography[J].Journal?of?Experimental?Botany:2012:421)。
[0004] 但是土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)在土壤中分布隨機，結(jié)構(gòu)復雜，定量測定相對困難，需要對土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)進行一系列的預處理和實驗方法的優(yōu)化、改進，因此，目前尚沒有人把該方法應(yīng)用在土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的測定上，基于前人研究的
基礎(chǔ)，
發(fā)明人首次采用提出采用顯微CT技術(shù)對土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征進行定量測定。
發(fā)明內(nèi)容
[0005] 針對上述問題，本發(fā)明提供了一種定量測定土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法。該方法首先通過濕篩分級和
密度提取的方法提取土壤中的顆粒態(tài)有機質(zhì)，然后顯微CT技術(shù)對顆粒態(tài)有機質(zhì)進行圖像掃描，掃描后的圖像經(jīng)過去除偽影—計算
閾值—
圖像分割—三維重構(gòu)等過程分析，對土壤有機制形態(tài)特征、有機質(zhì)數(shù)量、體積比及體積分布、孔隙大小分布等參數(shù)進行定量。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種定量測定土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，包括以下步驟：
[0007] 1)通過濕篩分級得到大團聚體(250-2000μm)和微團聚體(53-250μm)，然后通過密度提取的方法，分別得到大團聚體的游離顆粒態(tài)有機質(zhì)、微團聚體的游離顆粒態(tài)有機質(zhì)、大團聚體內(nèi)部結(jié)合的顆粒態(tài)有機質(zhì)和微團聚體內(nèi)部結(jié)合的顆粒態(tài)有機質(zhì)；
[0008] 2)任選一組上面的顆粒態(tài)有機質(zhì)，采用顯微CT對其從0到180°勻速旋轉(zhuǎn)進行圖像掃描，共采集960幅以上掃描投影圖像，并記錄各
角度的掃描投影圖像；
[0009] 3)對掃描投影圖像經(jīng)去除偽影、計算閾值和圖像分割處理，將圖像分為孔隙、有機質(zhì)和土壤礦物質(zhì)三部分，然后進行三維重構(gòu)，恢復土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)原貌；
[0010] 4)定量計算土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特征，包括形態(tài)特征、有機質(zhì)數(shù)量、體積比及體積分布、孔隙大小分布等參數(shù)中的一種或者一種以上。
[0011] 所述步驟1)的濕篩分級為：將土壤加入離心管內(nèi)緩慢加
水浸潤，避免快速加水壓
力劇增造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞；然后將離心管倒置在2mm篩(2mm篩下層依次放置配套的250μm和53μm篩)內(nèi)的水面以下，直至土樣完全沉入到篩中；上下移動篩子，通過濕篩分級得到粒徑為250-2000μm大團聚體和53-250μm的微團聚體；
[0012] 所述步驟1)的密度提取為：
[0013] 將密度為1.85g/cm3的NaI溶液和大團聚體(或者微團聚體)加入離心管中，上下顛倒，靜置，過濾分離上層輕組有機質(zhì)，下層樣品重復上述步驟，直至完全分離輕組有機質(zhì)，得到大團聚體(微團聚體)的游離顆粒態(tài)有機質(zhì)；
[0014] 下層重組有機質(zhì)用5g/L的六偏
磷酸鈉分散后濕篩，得到大團聚體(微團聚體)內(nèi)部結(jié)合的顆粒態(tài)有機質(zhì)；
[0015] 分級提取得到的這些組分均用超純水反復洗去鹽分離子，50℃烘干。
[0016] 所述步驟3)的去除偽影、計算閾值和圖像分割為：預處理將圖片去偽影后進行切片分割，輸出為二進制圖像，將二進制圖片轉(zhuǎn)化為八進制圖片后進行閾值分割；閾值的選擇采用全局閾值方法，采用觀察灰度值直方圖來選擇，孔隙對
X射線沒有吸收，灰度值最小，土壤礦物質(zhì)吸收最大，灰度值較大，有機質(zhì)介于二者之間，根據(jù)各組分灰度值不同建立直方圖，直方圖會有2個波峰，選擇2個波峰的中間波谷的灰度值即可作為閾值，將圖像分為孔隙、有機質(zhì)和土壤礦物質(zhì)三部分。
[0017] 進一步的，對圖像進行分割后還可以對有機質(zhì)組分和土壤礦物質(zhì)進行
染色處理，以增強二者的視覺對比。
[0018] 進一步的，所述步驟4)定量計算有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特征采用image?J
軟件完成，有機質(zhì)孔隙大小采用等效直徑的方式來表示。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：
[0020] 1、本發(fā)明首先通過濕篩分級和密度提取的方法提取土壤中的顆粒態(tài)有機質(zhì)并進行分組，從而解決了“土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)在土壤中分布隨機，結(jié)構(gòu)復雜，定量測定相對困難”的問題，為土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的定量測定提供了可能；
[0021] 2、本發(fā)明首次采用顯微CT技術(shù)對土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征進行定量(形態(tài)特征、有機質(zhì)數(shù)量、體積比及體積分布、孔隙大小分布等參數(shù))測定，這為
土壤學尤其是土壤有機質(zhì)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
附圖說明
[0022] 圖1是土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)顯微CT掃描圖片；
[0023] 圖2是土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)顯微CT掃描圖片重構(gòu)后的切片轉(zhuǎn)化為八進制圖片；
[0024] 圖3是區(qū)分有機質(zhì)和土壤礦物質(zhì)的閾值分析示例圖；
[0025] 圖4是分割染色后的土壤有機質(zhì)顆粒分布圖，其中灰色為有機質(zhì)組分，綠色為附著的礦物組分；
[0026] 圖5是選取體積
像素為500×500×500的土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的3D重構(gòu)圖。
具體實施方式
[0027] 本技術(shù)發(fā)明方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，具體實施方式鑒定方法按照以下步驟進行。
[0029] 1、濕篩分級提取土壤中的團聚體
[0030] 采集黃河三角洲濱海濕地蘆葦生長區(qū)的土壤樣品，準確稱取20g土樣于100mL離心管中，緩慢加水浸潤，水土比約為2:1，此過程防止
風干土中快速加水造成團聚體孔隙內(nèi)氣壓不穩(wěn)，團聚體崩裂，破壞其
穩(wěn)定性。然后將離心管倒置在2mm篩(2mm篩下層依次放置配套的250μm和53μm篩)內(nèi)的水面以下，直至土樣完全沉入到篩中。上下移動篩子，3cm/次，25次/分鐘。通過濕篩分級得到粒徑為250-2?000μm大團聚體和53-250μm的微團聚體樣品，再進一步分離顆粒態(tài)有機質(zhì)；
[0031] 2、密度提取的方法提取顆粒態(tài)有機質(zhì)
[0032] 用密度為1.85g/cm3的NaI溶液對大團聚體和微團聚體進行密度分級，即取5g團聚體樣品于100mL離心管中，固液比為1:7，上下顛倒1min，靜置30min后，過濾分離上層輕組有機質(zhì)，下層樣品重復上述步驟，直至完全分離輕組有機質(zhì)，得到大團聚體(250-2?000μm)和微團聚體(53-250μm)的游離顆粒態(tài)有機質(zhì)(fPOM)。
[0033] 下層重組有機質(zhì)用5g/L的六偏磷酸鈉分散16h后濕篩，得到團聚體內(nèi)部結(jié)合的顆粒態(tài)有機質(zhì)(iPOM)，各組分樣品標記為：fPOM(250-2?000μm)、iPOM(250-2?000μm)、fPOM(53-250μm)、iPOM(53-250μm)。分離得到的這些組分均用超純水反復洗去鹽分離子，50℃烘干。
[0034] 3、用顯微CT技術(shù)對顆粒態(tài)有機質(zhì)進行圖像掃描
[0035] 任選一組上面的顆粒態(tài)有機質(zhì)，本研究以fPOM(250-2000μm)組分的顆粒態(tài)有機質(zhì)為例；進行顯微CT實驗分析，土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的顯微CT掃描成像實驗在上海
光源BL13WX射線成像光束線站完成。
[0036] 將樣品放置在0.6mL的塑料離心管中，固定在樣品臺上。樣品臺距離探測器約為15cm。樣品掃描參數(shù)設(shè)置為：
光子能量為18keV，分辨率3.25μm，樣品臺水平方向從0到180°勻速旋轉(zhuǎn)，曝光時間1.2s，共采集1080幅投影圖像，CCD探測器記錄各角度的掃描投影圖(如圖1所示的圖是其中一幅)。然后將每個樣品的1080個投影用于CT圖像的重構(gòu)，得到1508張切片，每個投影圖的分辨率為2048像素×2048像素。樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建采用
濾波反投影算法。
[0037] 4、對掃描圖像進行分析
[0038] 顯微CT掃描過程中可能會存在環(huán)狀偽影，偽影在切片分割前需要去除，去除偽影和切片分割采用免費軟件PITRE完成(http://webint.ts.infn.it/en/research/exp/beats2/pitre.html)。圖像分割和三維重構(gòu)
渲染采用免費軟件image?J?1.50(the?National?Institute?of?Health，USA；http://rsb.info.nih.gov/ij/)以及
插件BoneJ和3D模
塊完成。圖像分割時首先通過灰度值直方圖中的雙峰，以雙峰的中間的谷點作為分割閾值，確定分割閾值后，將圖像分為孔隙、有機質(zhì)和土壤礦物質(zhì)三部分。定量分析主要選取大小為500×500×500像素的典型區(qū)域進行。定量分析參數(shù)：有機質(zhì)大小、體積、數(shù)量以及孔隙大小等分析采用image?J軟件完成。有機質(zhì)孔隙大小采用等效直徑的方式來表示。
[0039] 具體操作過程為：預處理將圖片去偽影后進行切片分割，輸出為二進制圖像(全黑)，將二進制圖片轉(zhuǎn)化為八進制圖片(如圖2)后進行閾值分割，灰度值范圍為0～255，其中，0表示黑色，
亮度最低，255表示亮度最高的純白色。閾值的選擇采用全局閾值方法，對需處理的圖像進行實驗分析，采用觀察直方圖來選擇，孔隙對X射線沒有吸收，灰度值最小，土壤礦物質(zhì)吸收最大，灰度值較大，有機質(zhì)介于二者之間，根據(jù)各組分灰度值不同建立直方圖，直方圖會有2個波峰，選擇2個波峰的中間波谷的灰度值可作為閾值，其中區(qū)分有機質(zhì)和礦物質(zhì)的分割閾值分析示例如圖3所示。轉(zhuǎn)換前可適當進行平滑處理讓邊界輪廓清晰提高
信噪比。對圖像進行分割后還可以對有機質(zhì)組分和土壤礦物質(zhì)進行染色處理，以增強二者的視覺對比(圖4)。最后選用3D分析工具將1508張切片重構(gòu)，恢復土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)原貌，鑒于數(shù)據(jù)龐大，處理過程中可以選則提取500×500×500像素的體積(圖5)進行分析，并對顆粒態(tài)有機質(zhì)的體積比、單位體積的數(shù)量進行定量分析，結(jié)果如表1所示。其中，體積比是有機質(zhì)與取樣體積(500×500×500)的比值。
[0040] 表1土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)體積比、數(shù)量和形態(tài)特征
[0041]
[0042] 5、土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)定量分析
[0043] 顯微CT技術(shù)研究土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的方法可以借鑒土壤孔隙形貌的描述方式，將顆粒態(tài)有機質(zhì)形貌因子(或孔隙)表示如下：
[0044] F＝As/A
[0045] 其中As是與顆粒態(tài)有機質(zhì)體積相等的球體的表面積；A是顆粒態(tài)有機質(zhì)的實際表面積。當F＝1時，表示顆粒態(tài)有機質(zhì)是完美的球體，當F值減小，顆粒態(tài)有機質(zhì)則呈現(xiàn)拉長型或無規(guī)則型。
[0046] 顆粒態(tài)有機質(zhì)的形態(tài)特征分析結(jié)果如表1所示。
[0047] 進一步對顆粒態(tài)有機質(zhì)的體積分布進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。
[0048] 表2土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)體積分布特征
[0049]
[0050] 土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)孔隙大小均使用等效直徑來表示。根據(jù)等效直徑的大小，將顆粒態(tài)有機質(zhì)孔隙分成四部分，分別為超微孔隙(<5μm)、微孔隙(5-30μm)、中孔隙(30-80μm)和大孔隙(>80μm)。考慮到本研究掃描圖片的分辨率為3.25μm，故將顆粒態(tài)有機質(zhì)中超微孔隙和微孔隙劃分為一個區(qū)間，即3.25-30μm。顆粒態(tài)有機質(zhì)的孔隙度分布特征如表3所示。其中孔隙度是孔隙體積與取樣體積(500×500×500)的比值。
[0051] 表3土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)孔隙大小分布
[0052]
[0053] 采用上述方法可以繼續(xù)定量測定iPOM(250-2?000μm)、fPOM(53-250μm)、iPOM(53-250μm)的空間結(jié)構(gòu)。
[0054] 本發(fā)明為土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)(形態(tài)特征、有機質(zhì)數(shù)量、體積比及體積分布、孔隙大小分布等參數(shù))的定量測定提供了有效的方法，這為土壤學尤其是土壤有機質(zhì)的深入研究奠定了基礎(chǔ)方法。
