鹽漬土壤孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征研究

洪明海，徐 馳，曾文治，黃介生，伍靖偉，宋一瀟，董彩琴，王雪揚(yáng)

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；3.江蘇省鹽城市第三人民醫(yī)院，江蘇 鹽城 224001)

0 引 言

土壤鹽漬化可造成土壤肥力下降、作物減產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境惡化，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1-3]。在我國，鹽漬土廣泛分布于淮河以北、西北、華北及青藏高原等地的干旱半干旱地區(qū)的河流沖積平原、盆地和湖泊沼澤地區(qū)和濱海地區(qū)。土壤物理參數(shù)是表征土壤基本信息的指標(biāo)，其中，土壤孔隙結(jié)構(gòu)是影響土壤水分運(yùn)動、土壤內(nèi)部氣熱交換的重要因素，它包括孔隙數(shù)目、孔隙度、孔隙半徑、孔隙大小分布、成圓率等形態(tài)和數(shù)量特征[4,5]，定量描述土壤的孔隙結(jié)構(gòu)有助于鹽漬土壤的開發(fā)和治理。利用土壤容重和土壤密度來計(jì)算孔隙度是一種間接傳統(tǒng)的方法[5]，但其只能得到較為單一的孔隙指標(biāo)；利用實(shí)測的水分特征曲線(或壓汞曲線)來獲取土壤孔隙分布狀況是土壤孔隙分布研究中另一種常用的方法[6]，但水分特征曲線的測量普遍存在工作量大、耗時長的問題；近年來，隨著土壤薄片技術(shù)(也稱圖像序列技術(shù))[7-10]、CT等無損掃描技術(shù)[11,12]的普及和圖像計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，土壤孔隙的研究開始轉(zhuǎn)向于更直接、定量的研究。ImageJ是一個基于java的公共的圖像處理軟件，它是由美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health，http:∥imagej.nih.gov/ij/docs/guide)開發(fā)，具有強(qiáng)大的圖像處理功能，支持多種圖像格式，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[13]。近年來，ImageJ也逐漸應(yīng)用于工程科學(xué)領(lǐng)域，白光紅等[14]利用ImageJ統(tǒng)計(jì)玉米粒的大小并和傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺法對比取得了明顯的效果；Lamb Jonathan C.等[15]用ImageJ輔助拉直顯微成像的玉米染色體；Ohto Masa-aki[16]等、Cunniff Jennifer[17]等通過ImageJ軟件處理植物葉面積。

此外，土壤作為具有統(tǒng)計(jì)意義上自相似對稱特征的多孔介質(zhì)，其孔隙分布具有一定的分形特性[18]，自從Mandelbort[19]建立分形理論以來，分形理論一直是研究和處理復(fù)雜系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具。楊培嶺[20]基于粒徑的重量分布建立了描述土壤復(fù)雜系統(tǒng)的分形模型[21]，克服了Turcotte[22]分形模型在實(shí)用性和計(jì)算精度上的不足，得到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)同[23-27]。

因此，本文通過CT掃描獲得內(nèi)蒙古河套灌區(qū)6個不同鹽分水平下原狀土壤的CT圖像，運(yùn)用ImageJ圖像分析軟件并將其幾何特征分析功能應(yīng)用于鹽漬土壤團(tuán)聚體、土壤孔隙以及圖像形態(tài)特征分析和測定，批量提取連續(xù)圖像的土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，對獲取的原狀土樣圖像和孔隙參數(shù)進(jìn)行對比分析并計(jì)算土壤分形維數(shù)，探求土壤鹽分對土壤孔隙的影響機(jī)制，為豐富和改進(jìn)土壤學(xué)研究手段提供參考和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土樣取至內(nèi)蒙古自治區(qū)五原縣義長試驗(yàn)站永聯(lián)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，為黃河中游的大型灌區(qū)—河套灌區(qū)(處106°20′E～109°19′E，40°19′N～41°18′N)鹽漬土地帶，年降水量為200 mm左右，集中在6-8月，年蒸發(fā)量為2 000 mm以上。強(qiáng)烈的蒸發(fā)使灌區(qū)地下水分被蒸發(fā)后，所攜帶的鹽分在土表層聚集，致使河套灌區(qū)形成非常嚴(yán)重的土壤鹽堿化問題。

1.2 土樣采集和CT掃描

首先利用土壤三參數(shù)傳感器(W.E.TSensor,DELTA-TCo.Ltd)選擇不同鹽分水平的田塊，然后采用6個Φ50 mm×50 mm的PVC管在田塊中采集原狀土樣(S1～S6)，取出原狀土樣密封冷藏保存送至江蘇省鹽城市第三人民醫(yī)院進(jìn)行CT掃描以獲取原狀土樣的分層掃描切片，掃描層厚0.63 mm，CT機(jī)器型號為DiscoveryCT750HD，CT掃描參數(shù)為：電壓140 kV，電流220 mA，每個土樣得到80幅DICOM格式的CT掃描圖像，土壤大孔隙可以清晰地從圖像中顯示出來[圖1(a)]。然后將6個土樣帶回實(shí)驗(yàn)室用雷磁DDSJ-318電導(dǎo)率儀分層測定土壤水溶液的EC1∶5值，最后通過公式[28,29]換算，以飽和土壤水浸提液的電導(dǎo)率ECe表示(表1)，其中鹽分最小值為8.52 dS/m，最大值為33.26 dS/m，粒徑分析試驗(yàn)采用濕篩-吸管法，測定結(jié)果表明6個土樣分別為壤土(S1和S6)和粉質(zhì)壤土(S2～S5)(表1)。

圖1 ImageJ 處理圖片

1.3 圖像處理

將得到的CT掃描土壤剖面圖像保存到計(jì)算機(jī)中，利用醫(yī)學(xué)圖像軟件Sante DICOM Viewer FREE進(jìn)行圖像的瀏覽和必要的信息查看以及對圖像的篩選，考慮擾動因素，去掉表層的10張和底部的10張掃描圖像，選擇剩下的60張進(jìn)行孔隙分析。然后打開ImageJ軟件進(jìn)行CT圖像分析操作，分析圖像的尺寸，選擇直徑為50 mm的圓形區(qū)域，將圖像編號形成圖像序列組以虛擬桟方式(Import Sequence→Use virtual stack)導(dǎo)入到ImageJ[圖 1(a)]，轉(zhuǎn)換為8-bit圖像，然后根據(jù)人眼識別盡可能保證精度的條件下調(diào)整黑白分辨閾值，下邊界設(shè)0，上邊界設(shè)為180[圖 1(b)]，白色部分為土壤基質(zhì)，黑色部分為土壤孔隙，再利用ImageJ對圖像進(jìn)行顆粒分析(Analyze→Analyze Particles)，獲取每個土層的孔隙數(shù)、孔隙面積、孔隙度、孔隙周長等參數(shù)，軟件輸出處理結(jié)果，保存在EXCEL文檔中。

1.4 分析指標(biāo)

考慮擾動因素去掉了表層的10張和底部的10張切片圖像，因此本次土樣孔隙結(jié)構(gòu)分析范圍為6.3～44.1 mm，分析區(qū)域面積為1 963.5 mm2。土壤孔隙度(f)是土壤孔隙面積Sp與土層的總面積S(S=1 963.5 mm2)的比值。

f=Sp/S

(1)

式中：f為土壤孔隙度，無單位；Sp為土壤孔隙面積，mm2；S為土壤剖面分析范圍面積，mm2。

孔隙的成圓率可用下式計(jì)算：

C=4πSp/P

(2)

式中：C為孔隙的成圓率，無單位，其值介于0～1；Sp為孔隙面積，mm2；P為孔隙周長，mm。

孔隙數(shù)為ImageJ軟件自動統(tǒng)計(jì)。

具有自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，形狀大小各異的土壤顆粒組成的土壤結(jié)構(gòu)，表觀上反映出不規(guī)整的幾何形體。分形維數(shù)就是表征這種不規(guī)整程度的參數(shù)。分形維數(shù)采用1993年楊培嶺[20]提出的用粒徑重量分布表征分形特征。

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙度

圖2是6個鹽分處理的各層土樣孔隙度(f)隨深度的變化，可以看出，從S1到S6，隨著鹽分的增大，土壤孔隙度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，同時，孔隙度變化波動時隨著土壤鹽分含量的增大先減小后增大。

其中S1處理的孔隙度最大，明顯高于其余5個鹽分處理，在深度上呈現(xiàn)一個先變小再升高又變小的趨勢，最大值出現(xiàn)在29.61 mm處，為35.97%；S4的孔隙度最小；孔隙度的最小值0出現(xiàn)在S5鹽分處理(13.23 mm、13.86 mm兩層)；而S2和S3的孔隙度區(qū)分不明顯，相比S1處理的鹽度8.52 dS/m，S2的鹽度為21.89 dS/m，S3的鹽度為24.78 dS/m，S2和S3的鹽度與S1的差別較大。

2.2 孔隙數(shù)

土壤孔隙數(shù)表征的是分析土層孔隙數(shù)的多少，結(jié)合土壤孔隙率可進(jìn)一步分析土層上孔隙的分布以及孔隙的大小情況。ImageJ軟件在進(jìn)行孔隙分析統(tǒng)計(jì)時可以自動計(jì)算和統(tǒng)計(jì)土壤各層剖面的孔隙數(shù)。圖3(a)是6個鹽分處理土壤各層孔隙數(shù)在深度上的變化，圖3(b)是土壤孔隙總數(shù)的變化。圖3(a)中，S1、S2、S3的變化趨勢大致相同，表現(xiàn)為，先增大后減小，S1在40 mm之后略有上升，S2、S3變化一致；而從圖 3(b)來看，S1鹽分的處理的孔隙總數(shù)最大，為2074，S2和S3的孔隙總數(shù)較為接近(S2鹽分處理的為1 860，S3鹽分處理的是1 823)。此外，從圖3(b)中可以看出，隨著鹽分的升高，孔隙總數(shù)先減少后增多；其中S4鹽分處理的孔隙數(shù)最少(481)，從圖3(a)也可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。

圖2 孔隙度的分布特征

圖3 孔隙數(shù)的分布特征

2.3 分形維數(shù)

從計(jì)算分形維數(shù)的回歸方程的決定系數(shù)R2來看，最小值為0.966(表1最后一列)，說明根據(jù)楊培嶺提出的方法計(jì)算分形維數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)美國土壤質(zhì)地分類，6個土樣可以劃分為兩類，從S1到S6，其分形維數(shù)分別為2.72、2.65、2.59、2.58、2.64、2.66，其中，S1土樣的分形維數(shù)值最大，為2.72，S4土樣的分形維數(shù)值最小，為2.58。而隨著鹽分值的升高，土壤的分形維數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大，同樣最小值出現(xiàn)在S4鹽分處理，這一規(guī)律與之前的孔隙度、孔隙數(shù)的規(guī)律是一致的，這進(jìn)一步說明鹽分對于土壤的物理指標(biāo)是有影響的，但是相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，鹽分和分形維數(shù)的相關(guān)度并不高，且為一負(fù)值(-0.56)。結(jié)合土壤質(zhì)地的分類來看，S1和S6(均為壤土)的分形維數(shù)值均大于其余4個鹽分水平土壤(均為粉質(zhì)壤土)，壤土的分形維數(shù)平均值為2.69，粉質(zhì)壤土的分形維數(shù)平均值為2.61，說明壤土的分形維數(shù)值是比粉質(zhì)壤土的大；而“<0.002 mm”粒級與分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99則進(jìn)一步說明黏粒含量越高，對于分形維數(shù)的影響越大，即土壤質(zhì)地變細(xì)，分形維數(shù)有變大的趨勢[26, 27]。此外，通過與Image軟件提取的孔隙數(shù)、孔隙度、成圓率進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)與這些物理指標(biāo)并無明顯關(guān)系。這些結(jié)論也與楊培嶺[20]和郭中領(lǐng)等[30]的結(jié)果一致。

表1 土樣物理指標(biāo)和分形維數(shù)

2.4 ImageJ圖像分析方法討論

土壤孔隙影響著土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移、土壤肥力、植物根系伸展和土壤動物活動。通常，土壤孔隙度是根據(jù)土壤的自然容重和土壤干密度[土壤孔隙度=(1-自然容重/干密度)×100%]來計(jì)算的；另外，通過測定土壤水分特征曲線，得到一系列土壤含水量和土壤吸力的數(shù)值，再根據(jù)茹林公式(d=3/p，d是與土壤吸力相當(dāng)?shù)耐寥揽紫吨睆剑琾是所施加吸力的厘米水柱高)計(jì)算與吸力相當(dāng)?shù)耐寥揽紫吨睆絒5]。與以上兩種間接計(jì)算土壤孔隙面積(直徑)的方法相比較， ImageJ不僅可以提取孔隙面積，同時還能提取出孔隙周長、孔隙數(shù)、且可以批量提取，操作上更簡單、更方便、更省時，提取參數(shù)更多。圖像處理方面，相比采用染色技術(shù)的切片方法[5]以及ARCGIS結(jié)合Python批量處理的方法[11]，ImageJ進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)提取的過程中，不需要二次編程，不需要對圖像進(jìn)行校正，處理過程更簡單，更省時且不產(chǎn)生二次破壞同時還具有可重復(fù)性。因此，ImageJ在土壤孔隙識別上的應(yīng)用優(yōu)勢是顯而易見的，處理過程中，對于軟件自動識別出現(xiàn)偏差的孔隙可以手動調(diào)整然后自動更新到統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，方便后期的數(shù)據(jù)編輯和處理。當(dāng)然，和幾乎所有的圖像閾值分析方法類似，ImageJ最大的缺點(diǎn)是，最開始的閾值設(shè)置需要通過人工肉眼去識別盡可能接近真實(shí)情況地定出黑白分辨閾值。

3 結(jié) 語

(1)CT結(jié)合ImageJ的方法可以快速準(zhǔn)確地獲取土壤孔隙的大小、數(shù)目等幾何參數(shù)，處理過程方便快捷，操作簡單，更能批量處理。

(2)鹽分影響土壤孔隙的形成。具體而言，隨著鹽度的增加，土壤孔隙度先減小后增加，S1鹽分處理的孔隙度明顯大于其他鹽分處理，S4鹽分處理的孔隙度最小；而土壤孔隙數(shù)也表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，S4總孔隙數(shù)最少(481)。在本次土樣深度分析范圍(6.3～44.1 mm)內(nèi)，土壤孔隙結(jié)構(gòu)隨深度并無明顯的關(guān)系。

(3)土壤分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，鹽分影響土壤的分形維數(shù)，隨著鹽分的增加，分形維數(shù)先減小后增大，S4最小(2.58)，同鹽分對土壤孔隙的影響規(guī)律一致，進(jìn)一步說明鹽分影響土壤的物理性質(zhì)。結(jié)合土壤質(zhì)地可以發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地變細(xì)，分形維數(shù)有增大的趨勢。

□

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