基于Image-Pro Plus的土壤顆粒微形態定量化研究

徐祥明，王海蘭，覃靈華

(贛南師范大學地理與規劃學院，江西贛州 341000)

目前，我國的水稻產量占世界的40%，稻田面積占世界的23%[1]。水稻土壤資源是我國最重要的土壤資源之一[2]。土壤微形態學主要是應用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究土壤的原狀微觀形態，及土壤各類顆粒的組配和空間分布、形態、結構，并分析微觀形態的發生和形成機理的一門學科[3]。經過近70年的發展，土壤微形態學取得了較大的進步，并為土壤學科和相關學科研究的發展作出了獨特的貢獻[4-5]。當鑒別土壤類型發生困難時，土壤微形態學技術能找出新的區分特征。每個土類、亞類及其他土壤分類單元，特別是它們的各個發生層次都有其特定的微結構，從土壤微形態的薄片中可以看出這些現象[6]。土壤微形態不僅可以闡明土壤的內在發生學本質，而且能作為鑒別土壤類型的指標。我國土壤系統分類是以診斷層和/或診斷特性為依據的，診斷層是用于鑒定土壤類別，在性質上有一系列定量規定的特定土層。目前，在已經確立的水稻土壤定量診斷指標中，多數是依據土壤理化性質參數確定的。國內對水稻土壤微形態的研究程度較低，已經積累的第一手微形態數據十分有限，且多為描述性的微形態特征[7]，因此還未能提煉出能供土壤系統分類所采用的微形態診斷指標。

Image-Pro Plus(簡稱IPP)圖像處理分析軟件是美國Media Cybernetics公司開發的代表國際最新水平的全32位圖象處理與分析系統軟件。有學者研究了NIKON NISBR、Image J、MicroMorph等軟件對數碼圖像中土壤孔隙、土壤結構等的定量化，取得了較好的成果[8-10]。目前，有學者應用IPP對土壤掃描電鏡圖像進行處理分析，得到了較好的結果[11]，但未見應用IPP研究偏光顯微鏡下土壤薄片的顆粒微形態特征參數。土壤微形態方法在土壤形成演化和發生分類中起到了重要的作用[12]，本研究用IPP軟件對土壤微形態圖像中土壤顆粒進行定量化研究，以期為目前還屬定性的土壤微形態研究提供半定量或定量化的研究方向，為土壤微形態應用于水稻土壤診斷分類提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究區位于亞熱帶地區，分屬貴州省巖溶山區(106°40′16″E，26°26′47″N)和成都市平原丘陵區(104°11′46″E，30°59′40″N)，年平均氣溫≥14 ℃，為水稻生長提供了必要的熱量條件，土壤多為熱性土壤，年平均降水量700～1 800 mm，這種雨熱同季的氣候特點有利于水稻的生長發育，因此，在此區域水田分布較廣。長期的水耕栽培形成了各種典型的水稻土壤。剖面GH01、GH02位于貴州省貴陽市花溪區喀斯特峰叢洼地，剖面GS01、GS02位于四川省廣漢市三星堆遺址，4個剖面的環境特征及理化性質如表1所示。

1.2 試驗方法

本試驗土壤樣品為各水稻土壤剖面的診斷表層土壤，參考《土壤理化分析與剖面描述》中的試驗方法[13]。以環刀法取土壤微形態原狀土樣，制成標準薄片，偏光顯微鏡下進行觀察研究并攝像。微形態特征參數的定量測量應用IPP軟件進行分析，圖片依次進行灰度轉換、閾值設置等圖像處理，然后對選擇區域進行分類測量。為了保證數據的可靠性和代表性，每張薄片至少選擇8個區域進行測量。

表1 土壤剖面特征及基本理化性質

1.3 計算方法

顆粒輪廓線分形維數的計算使用尺碼法[14]，即用某個選定尺碼以分規方式沿著顆粒輪廓曲線測量，保持尺碼分規兩端的落點始終在輪廓曲線上，如此測量全部曲線后，所得曲線長度就是選定尺碼與分規度量步數之積。選擇n個尺碼ri(i=1，2，…，n)測量表面輪廓曲線，每個尺碼測得的曲線長度為Li，因此得到1組數據[r1，L1]，[r2，L2]，…，[rn，Ln]。在雙對數坐標中以最小二乘法原理對尺碼和曲線長度2個參數進行直線回歸，根據回歸直線的斜率就可以得到輪廓曲線的分形維數估計值，輪廓曲線分形維數表達為Dc=1-k，其中k是回歸直線的斜率。對于各向同性表面，Ds=Dc+1，其中Ds為顆粒表面分形維數。

2 結果與分析

2.1 水稻土壤顆粒微形態定量化特征

土壤微形態中的粗顆粒與細物質的比值C/F15 μm(C/F15 μm=直徑大于15 μm的粗顆粒數量/直徑小于15 μm的顆粒數量)可以反映土壤骨骼顆粒中粗粒質、細粒物質的數量比例。試驗結果表明，本研究中的水稻土顆粒的C/F15 μm均大于1，說明土壤顆粒都以粗粒質為主。等圓直徑(等圓直徑是與顆粒面積相等的圓的直徑)、面積、周長等都是土壤顆粒重要的形態指標，它們可以反映顆粒的大小和輪廓的長短。顆粒的圓度(圓度=4×π×面積/周長2)可以反映顆粒與圓的近似度，值越大說明越接近圓形，同時也可以反映出顆粒的緊湊程度；偏心率(偏心率是與顆粒等效的橢圓的長軸和短軸的比例，定義為長軸/短軸，偏心率總是≥1)也可用來表示顆粒與圓的近似度，偏心率越接近于1，說明顆粒越逼近圓形(越緊湊)。顆粒定向性指與顆粒等效的橢圓(有著相同面積、相同一階矩和二階矩的橢圓)的長軸與豎軸間的夾角，0°≤夾角≤180°，可以反映土壤的應力過程，是土壤顆粒微觀結構的一個重要指標。顆粒輪廓線分形維數可表征微形態圖像上的顆粒輪廓的分形特征，反映輪廓線的曲折復雜程度；顆粒表面分形維數則是表征顆粒表面形狀的分形特征，反映顆粒表面的曲折復雜情況。4個剖面診斷表層的顆粒微形態特征分別如圖1至圖4所示。

對土壤顆粒各微形態指標間做了相關性分析，以診斷表層GH02為例，顆粒平均直徑(所有顆粒直徑的算術平均值)與顆粒面積呈極顯著正相關，y=91.188x-2 169.100，r=0.955；顆粒平均直徑與顆粒周長呈極顯著正相關，y=4.299x-17.394，r=0.963；顆粒周長與顆粒面積呈極顯著正相關，y=20.267x-1 638，r=0.947；顆粒圓度與顆粒輪廓線分形維數呈顯著負相關，y=-0.166x+1.214，r=0.631。可見，各微形態指標之間是互相關聯的，其中，平均直徑、等圓直徑、周長、面積等指標偏重于描述顆粒的大小、粗細，而圓度、顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數等指標則側重于描述顆粒的形態特征和表面的粗糙復雜程度。微形態定量指標的使用可以綜合評價土壤顆粒的大小、形態及表面特征。

2.2 水稻土壤顆粒微形態差異

2.2.1 貴州省貴陽市喀斯特地貌水稻土壤顆粒微形態的差異 由表2可知，2個剖面在C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度、顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數等形態特征上均存在顯著性差異(P<0.05)，在顆粒定向性、偏心率上無顯著性差異。剖面GH02診斷表層土壤顆粒的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度均顯著大于剖面GH01診斷表層土壤顆粒的值，而其顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數均顯著小于剖面GH01診斷表層土壤顆粒的值(P<0.05)。

2.2.2 四川省廣漢市三星堆水稻土壤顆粒微形態的差異 由表3可知，2個剖面在C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長等形態特征上存在顯著差異(P<0.05)，而在圓度、顆粒定向性、偏心率、顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數上無顯著差異。剖面GS02診斷表層土壤顆粒的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長均顯著大于剖面GS01診斷表層相應的值(P<0.05)。

表2 貴州省貴陽市喀斯特地貌2個水稻土剖面的土壤顆粒微形態的差異

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

表3 四川省廣漢市三星堆2個水稻土剖面的土壤顆粒微形態的差異

3 討論與結論

分形維數是復雜形體不規則性的量度。本研究中得到顆粒輪廓分形維數和顆粒表面分形維數2個分形維數，其中顆粒輪廓分形維數可以用圖像軟件求得，其原理是尺碼法，而顆粒表面分形維數可以通過簡單的換算求得。已有的土壤顆粒分形維數多采用土壤顆粒質量(數量)分形維數和體積分形維數2種來表示[15-17]，在計算土壤質量和體積分形維數的推導過程中須要作一些假設，而本研究應用Image-Pro Plus軟件可以直接求得2種分形維數，不須作任何假設，結果更直觀、準確。

本研究對2種水稻土壤顆粒形態的C/F15 μm、等圓直徑、面積、周長、圓度、顆粒定向性、偏心率、顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數等進行了計算和統計分析，這些微形態定量指標的使用可以綜合評價土壤顆粒的大小、形態及表面特征。目前，單個微形態指標的指示意義研究較多，但對其進行綜合評價的研究較少[9]。本研究中，等圓直徑、周長、面積等指標偏重于描述顆粒的大小、粗細，而圓度、顆粒輪廓線分形維數、顆粒表面分形維數等指標則側重于描述顆粒的形態特征和表面的粗糙復雜程度。

土壤微形態在水稻土壤的發生分類中起著重要的作用，但由于缺乏定量化的描述，一直難以將之應用于的定量化的系統分類中，將IPP軟件結合土壤微形態應用于水稻土壤系統分類將是土壤分類的一個新方向。本研究探討了用IPP軟件對土壤微形態圖像中土壤顆粒進行定量化的可能性，可以為目前還屬定性的土壤微形態研究提供半定量或定量化的研究方向。結果表明，IPP軟件能較好地對土壤微形態中土壤顆粒的形態進行定量化研究。

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