基于CT扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究——以种植百喜草为例.pdf
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1、第4 3卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 5 修回日期:2 0 2 3-0 1-0 1 资助项目:国家重点研发计划项目“陆路交通基础设施与生态环境协调机制研究及集成示范”(2 0 2 1 Y F B 2 6 0 0 1 0 5)第一作者:张亭(1 9 9 6),女(汉族),新疆维吾尔自治区石河子市人,硕士研究生,研究方向为植物生态学。E m a i l:z t c
2、 d u t 2 0 2 21 6 3.c o m。通信作者:曹龙熹(1 9 8 2),男(汉族),河南省驻马店市人,博士,研究员,主要从事水土保持与生态修复等方面的研究。E m a i l:l o n g x i c a oc d u t.e d u.c n。基于C T扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究 以种植百喜草为例张 亭1,施明明2,李 鑫2,王新军3,曹龙熹1(1.成都理工大学 生态环境学院,四川 成都6 1 0 0 5 9;2.成都理工大学地球科学学院,四川 成都6 1 0 0 5 9;3.交通运输部科学研究院,北京1 0 0 0 2 9)摘 要:目的分析百喜草土柱孔隙结构与
3、土壤抗侵蚀能力之间的联系,为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据。方法依托植物土柱长期微区试验,通过C T扫描技术研究种植百喜草的土柱孔隙指标(孔隙长度密度、体积密度、表面积密度和孔隙数密度),开展边坡水槽冲刷试验。设置3个坡度(1 0,2 0 和3 0)和5个流量(0.8,1.6,2.4,3.2,4.0L/s)组合量化土壤抗侵蚀能力,分析孔隙指标与抗侵蚀能力因子之间的关系。结果百喜草土柱孔隙发育程度随生长时间不断增强,而随土层深度减弱;4个孔隙结构指标在05c m土层的数值远大于51 0c m土层,且表层05c m的平均土壤细沟可蚀性(0.0 2 6s/m)和临界水流剪切力(7
4、.0P a)分别是下层51 0c m的0.3 3,1.5 4倍。结论植物根系发育的孔隙指标能够表征土壤抗侵蚀能力变化,C T扫描获取的4个孔隙结构指标与细沟可蚀性等因子显著相关,其中孔隙表面积密度与土壤抗侵蚀能力指标关系最为密切。关键词:百喜草;C T扫描;孔隙结构;土壤分离速率;细沟可蚀性文献标识码:B 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 5-0 1 4 8-0 8 中图分类号:S 1 5 4.4,S 1 5 7文献参数:张亭,施明明,李鑫,等.基于C T扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(5):1 4 8-1 5 5.
5、D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 5.0 1 8;Z h a n gT i n g,S h iM i n g m i n g,L iX i n,e t a l.As t u d yo np o r es t r u c t u r ea n ds o i l e r o s i o nr e s i s t a n c eo f s o i l c o l u m nb a s e do nC Ts c a n n i n gt e c h n o l o g yJ.B u l l e t i no fS o i l a n
6、 dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(5):1 4 8-1 5 5.AS t u d yo nP o r eS t r u c t u r ea n dE r o s i o nR e s i s t a n c eo fS o i lC o l u m nB a s e do nC TS c a n n i n gT e c h n o l o g yT a k i n gB a h i a g r a s sP l a n t a t i o na sa nE x a m p l eZ h a n gT i n g1,S h iM i
7、 n g m i n g2,L iX i n2,W a n gX i n j u n3,C a oL o n g x i1(1.C o l l e g eo fE c o l o g ya n dE n v i r o n m e n t,C h e n g d uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,C h e n g d u,S i c h u a n6 1 0 0 5 9,C h i n a;2.C o l l e g eo fE a r t hS c i e n c e s,C h e n g d uU n i v e r s i t yo
8、 fT e c h n o l o g y,C h e n g d u,S i c h u a n6 1 0 0 5 9,C h i n a;3.C h i n aA c a d e m yo fT r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 0 2 9,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i l c o l u m np o r e s t r u c t u r ea n d
9、s o i l e r o s i o nr e s i s t a n c e f o r s o i lc o l u m n sw i t hB a h i a g r a s sw a sa n a l y z e di no r d e rt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h eo p t i m a la r r a n g e m e n to fp l a n t s f o r s o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o na n d t oa s s e s
10、s t h eb e n e f i t s o f p l a n t i n gB a h i a g r a s s.M e t h o d sT h i s s t u d yw a sc o n d u c t e du s i n g l o n g-t e r me x p e r i m e n t so fB a h i a g r a s sg r o w n i ns o i l c o l u m n s.F o u rp o r e i n d i c a t o r s(p o r el e n g t hd e n s i t y,b u l kd e n s i
11、 t y,s u r f a c e a r e ad e n s i t y,a n dp o r en u m b e r d e n s i t y)o fB a h i a g r a s s s o i l c o l u m n sw e r eq u a n t i f i e db yC Ts c a n n i n gt e c h n o l o g y.F l u s h i n gt e s t su s i n gaf l u m ew i t hv a r i a b l es l o p e sw e r ec a r r i e do u t t oq u a
12、n t i f ys o i l e r o s i o nr e s i s t a n c ea t t h r e es l o p e s(1 0,2 0,a n d3 0)a n df i v er u n o f f r a t e s(0.8,1.6,2.4,3.2,a n d4.0L/s).T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np o r es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n de r o s i o nr e s i s t a n c ef a c t o r s
13、w e r et h e nd e t e r m i n e d.R e s u l t sB a h i a g r a s sr o o ts y s t e m d e v e l o p m e n ti n c r e a s e dd u r i n gt h eg r o w t hp e r i o d,b u td e c r e a s e dw i t hs o i l d e p t h.T h ev a l u e s o f f o u r p o r e s t r u c t u r e i n d i c a t o r s i n05c ms o i l
14、l a y e rw e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s e i n51 0c ms o i l l a y e r,a n dt h ea v e r a g es o i l r i l le r o d i b i l i t y(0.0 2 6s/m)a n dc r i t i c a l s h e a rs t r e s s(7.0P a)i n05c ms u r f a c e l a y e rw e r e 0.3 3a n d 1.5 4 t i m e s t h e v a l u e s o f t h o s e r e
15、 s p e c t i v ep a r a m e t e r s i n51 0c ml o w e rs o i l l a y e r.C o n c l u s i o nT h ep o r e c h a r a c t e r i s t i c so f p l a n t r o o t d e v e l o p m e n t i n d i c a t e d s o i l e r o s i o n r e s i s t a n c e.T h e f o u rp o r es t r u c t u r e i n d i c a t o r so b t
16、 a i n e db yC Ts c a n n i n gw e r es i g n i f i c a n t l yr e l a t e dt of a c t o r ss u c ha sr i l le r o d i b i l i t y.T h ep o r es u r f a c ea r e ad e n s i t yw a sm o s t c l o s e l yr e l a t e dt ot h ee r o s i o nr e s i s t a n c e f a c t o r s.K e y w o r d s:B a h i a g r
17、a s s;C Ts c a n n i n g;p o r e s t r u c t u r e;s o i l d e t a c h m e n t r a t e;r i l l e r o d i b i l i t y 植物是土壤发展过程中很活跃的因素之一,植物根系可以通过物质分解等途径改变土壤理化特性1。除此之外,植物根系还会对土壤力学性能产生深刻影响,根系在土壤中的穿插、缠绕以及嵌入等作用可以增强土壤胶结能力,促进土壤团聚体的形成和稳定,从而改善土壤结构并增强土壤抗侵蚀能力2。这一作用机制是植物水土保持效应的基础,研究植物孔隙与土壤抗侵蚀能力的关系对于水土保持效益评估具有重要
18、意义。土壤抗侵蚀能力是指土壤抵制水力、风力、重力或冻融等破坏、离散、运输和沉积的能力3,在科学研究和实际应用中可以表示为多种不同意义的指标,具体到土壤侵蚀过程研究中,可依据临界水流剪切力模型使用土壤分离速率、细沟可蚀性、临界水流剪切力等指标进行描述4,这是WE P P等土壤侵蚀过程模型用于细沟侵蚀过程模拟的理论基础,也是描述土壤抵抗细沟水流冲刷侵蚀能力的重要依据。由于植物根系在稳定土壤结构和防治土壤侵蚀方面的重要作用,学者们通过试验研究探讨了根系特征对土壤抗侵蚀能力的影响。研究表明,根系能够通过固结土壤颗粒来增加侵蚀阻力,从而降低土壤分离速率,土壤分离速率随根系质量或长度密度的增加呈不同的函数
19、趋势下降5。植物根系对细沟可蚀性和临界水流剪切力也具有显著影响,许多研究都表明细沟可蚀性随着根长密度的增加而降低,而临界水流剪切力则随根系质量密度增加而增加6。学者们通过以上研究建立了根系指标与抗侵蚀能力指标之间的量化方程,而获取根系结构信息是构建根系抗侵蚀能力关系方程的基本前提。由于土壤的不透明性,现有研究大多采用挖掘法和土钻法等传统方法测量根系指标,此类方法不仅耗时费力,同时还会对根系产生破坏并影响分析结果。近年来,具备非侵入、便捷性等优点的X射线C T扫描技术被逐渐应用到土壤学研究领域7,其基本原理是利用X射线对不同物质的穿透率差异,使用探测器在不同角度接受透射信号,从而构建样品断层的空
20、间结构。C T扫描技术提供了一种原位三维可视化孔隙和土壤结构表达方法,可用于量化土壤孔隙形状、大小和分布状况等特征信息8,研究土壤水力特性、饱和导水率、水分特征曲线等指标9,分析植物根系生长演变趋势以及土壤团聚体微结构特征响应1 0等。基于C T扫描技术研究土壤大孔隙和植物根系特征是当前的学术热点与前沿方向。大量研究表明土壤大孔隙的形成与根系发育密切相关,C T扫描获取的大孔隙指标与植物根系形态之间具有较高相似性1 1-1 2,通过C T扫描技术提取根系发育形成的孔隙指标,可以在一定程度上定量表征植物根系的原位结构信息,在此基础上探究孔隙指标与土壤抗侵蚀能力之间的关系有助于深入揭示根系的固土作
21、用机制,同时也便于建立抗侵蚀能力指标与土壤C T扫描领域前沿研究成果之间的联系,从而为土壤抗侵蚀能力研究提供新的视角。而目前与土壤孔隙C T扫描相关的研究主要侧重于土壤结构和溶质运动等方面,针对土壤抗侵蚀能力的研究尚不多见。基于此,本研究选取百喜草这一常见的水土保持植物类型,通过C T扫描技术研究其根系的孔隙结构特征和根土复合物土壤分离速率特征,对比不同生长时期百喜草植物孔隙指标及其固土效果的差异,尝试建立孔隙指标与土壤抗侵蚀能力指标之间的关系,从而为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据。1 材料与方法1.1 试验设计方案采用P V C管填充土柱试验研究根系形成的孔隙结构及其对土
22、壤抗侵蚀能力的影响。本研究选择的百喜草为禾本科草类植物,其栽种方式简易、生长周期短、适应能力强、根系发达,具有优良的水土保持性能1 3。试验于2 0 2 1年5月初在成都理工大学生态环境学院香樟试验基地进行。试验用土来自成都市郊农田区,土壤类型为潮土,土壤质地为壤土,有机质含量为1 0.4g/k g;将土壤过筛去除石块等杂质之后填入5 0c m深的土槽,其中下 层3 5c m的土壤过1 0mm筛,表层1 5c m土壤过5mm筛,采用逐层压实的方法进行填土,根据实际条件将土壤容重控制在1.2g/c m3左右。完成填土后将P V C管垂直嵌入表941第5期 张亭等:基于C T扫描技术的土柱孔隙结构
23、及其抗侵蚀能力研究层土壤,用于试验的P V C管直径为1 1c m,由5c m高的上下两层合并组成1 0c m高的柱体,用胶带将其中间固定。完成P V C土柱布设后播种百喜草种子,播种密度为1 5g/m2,种植之后定期进行浇水、除草。试验共设置了1 5 0个百喜草P V C管土柱,为了对比研究植物孔隙的作用,本研究在05c m土层设置了1 0 0个不种植百喜草的对照土柱,共计2 5 0个P V C土柱用于开展C T扫描和水槽冲刷试验。1.2 C T扫描和孔隙指标提取分别于2 0 2 1年7月、9月和1 1月进行3次土柱扫描,每次采集5个百喜草土柱样品,剪去茎秆只保留其根系,使用保鲜膜密封土柱样
24、品以免土体破坏,将样品送至四川省友谊医院采用医学C T(L i g h t-S p e e d V C T)系 统 进 行 扫 描,此C T系 统 能 量 为1 2 0k V,1 0 0mA,扫描图片D F OV为1 2 0mm,扫描间隔为0.6 3mm。每个1 0c m高的P V C土柱可以得到1 6 5张像素大小为5 1 25 1 2的8位图,每体素对应0.6 3mm0.2 1 2mm0.2 1 2mm的样品。本研究3个时段共扫描1 5个百喜草根系P V C土柱样品,扫描流程如下所示。使用S n a t eD i c o m V i e w e r软件将C T扫描的原始图片转为t i f
25、f格式,然后利用I m a g eJ软件按以下流程进行图像处理:首先将图像堆栈裁剪到长宽均为8 5.0 5mm的感兴趣区域(R O I)以避免P V C管壁带来的边际影响,然后先将切割后的图像转换为8-b i t图像并重建灰度图像堆栈进而进行3 D中值滤波和噪点消除1 4,结合实际土壤孔隙情况设置分割阈值得到二值化图像,利用M e a s u r eS t a c k插件可计算土柱不同深度的孔隙面积密度等指标。通过I m a g e-A d j u s t进行亮度调节并设定阈值提取主要孔隙要素,植物孔隙与背景的分割阈值是通过将二值化的孔隙与实际根系进行对比直至差值1%得到,这能保证与根系较高的
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- 基于 CT 扫描 技术 孔隙 结构 及其 侵蚀 能力 研究 种植 百喜草
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