基于同步輻射微ct研究不同利用年限水稻土團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征

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1、第27卷第12期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Vol.27No.122011年12月TransactionsoftheCSAEDec.2011343基于同步輻射微CT研究不同利用年限水稻土團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征11※1122周虎，彭新華，張中彬，王亮亮，肖體喬，彭冠云（1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008；2.上海光源（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所），上海201204）摘要：同步輻射微CT（SRμ-CT）可以無損獲取高分辨率、強(qiáng)對(duì)比度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，是研究土壤團(tuán)聚體三維微結(jié)構(gòu)的有效手段。本研究采集了種植水稻20a和40a后表層土壤團(tuán)聚體樣品，應(yīng)

2、用SRμ-CT掃描獲取了9μm分辨率的團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，然后應(yīng)用CT圖像處理方法和3DMA-Rock軟件觀察并定量分析了團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征。隨著種植水稻年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量顯著增加，團(tuán)聚體孔隙數(shù)量和孔隙度顯著增加，比表面積顯著增大。種植水稻20a的土壤團(tuán)聚體呈現(xiàn)致密的黏閉結(jié)構(gòu)，而種植水稻40a的土壤團(tuán)聚體具有由團(tuán)粒狀小團(tuán)聚體構(gòu)成的復(fù)雜多孔微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明隨著種植年限的增加，團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量明顯改善。關(guān)鍵詞：土壤，團(tuán)聚體，微結(jié)構(gòu)，微CT，水稻土，孔隙doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.064中圖分類號(hào)：S152

3、.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-6819(2011)-12-0343-05周虎，彭新華，張中彬，等.基于同步輻射微CT研究不同利用年限水稻土團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12)：343－347.ZhouHu,PengXinhua,ZhangZhongbin,etal.Characterizationofaggregatemicrostructureofpaddysoilscultivatedfordifferentyearswithsynchrotronbasedmicro-CT[J].TransactionsoftheCSAE,2011

4、,27(12):343－347.(inChinesewithEnglishabstract)可以進(jìn)行高分辨率的三維成像，為三維土壤微結(jié)構(gòu)研究0引言提供了條件。本研究利用上海光源SRμ-CT，分析了不同旱地紅壤改為水田后，每年經(jīng)歷一系列淹水還原和利用年限水稻土團(tuán)聚體的三維微結(jié)構(gòu)特征。排水氧化的交替過程，同時(shí)還受到耕作、施肥等人為管1材料與方法理措施的影響。土地利用方式的轉(zhuǎn)變極大地影響了土壤[1]的自然成土過程，改變了土壤性質(zhì)。對(duì)不同利用年限下1.1試驗(yàn)點(diǎn)與樣品采集[2-6]水稻土的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)已經(jīng)開展了大量的研究，采樣點(diǎn)選在江西省鷹潭市余江縣（116°55′E，但是

5、對(duì)土壤物理性質(zhì)，尤其是土壤團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)的研究28°15′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17.7℃，年則報(bào)道很少。均降雨量1785mm。土壤類型為紅壤性水稻土，質(zhì)地為團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)和功能的基本單元，其微結(jié)構(gòu)特黏壤土。種植作物為水稻，一年兩熟制。選取種植水稻征對(duì)土壤水分運(yùn)移、養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動(dòng)等具有重要年限分別為20和40a的兩塊試驗(yàn)田，于2010年6月采[7]意義。研究團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法是制作土壤薄集表層（0～10cm）混合土樣。每塊田選多點(diǎn)采樣，樣片，在顯微鏡下觀察，并利用數(shù)字圖像處理方法進(jìn)行定品混勻后隨機(jī)選擇3個(gè)直徑約為5mm大小的團(tuán)聚體，在[8-9]

6、量分析。但是這種方法僅局限于二維團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的研CT掃描之前置于冰箱中4℃下保存。在采集、運(yùn)輸和試[10]究，而且在制作薄片過程中會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)的收縮。驗(yàn)過程中注意防止破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。其余土樣風(fēng)干后過近年來，以CT掃描為代表的無損探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際篩，用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。上研究三維土壤結(jié)構(gòu)的重要手段。中國(guó)學(xué)者也利用醫(yī)學(xué)1.2CT掃描和圖像重建[11-12]CT開展了土壤大孔隙結(jié)構(gòu)方面的研究。但是醫(yī)用CT試驗(yàn)利用上海光源生物成像線站的SRμ-CT完成，光分辨率較低，不能分辨團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征。2009子能量設(shè)置為28Kev，分辨率為9μm。將樣品固定在樣年，我國(guó)上

7、海光源（ShanghaiSynchrotronRadiation品臺(tái)上，樣品臺(tái)在水平方向從0到180°勻速旋轉(zhuǎn)。在旋Facility，SSRF）建成并正式運(yùn)行，其生物成像線站SRμ-CT轉(zhuǎn)過程中，X光透過樣品并發(fā)生衰減，利用CCD采集衰減后的信號(hào)并存儲(chǔ)為tiff格式12位投影圖像（圖1a），收稿日期：2011-04-11修訂日期：2011-06-15每個(gè)樣品約采集2000張圖像。圖像重建利用上海光源基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAD31B04）；國(guó)家自然科CTProgram軟件完成。首先將12位投影圖像轉(zhuǎn)換為16學(xué)基金（411012