第45卷第2期 土壤学报 Vd 45.No 2 2008年3月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Mar.,2008 微观尺度上土壤孔隙及其分维数的SEM分析 张季如黄丽祝杰黄文竞 (武汉理工大学士木工程与建筑学院.武汉4370 摘要对两类不同质地土壤的SM图像，利用数字图像技术分析孔隙的大小，数量及其分布规律】 由测量数据给出了微观尺度上土壤孔隙的质量分潍数Dm和表面分维数D.,结果表明：D与土壤质地、容 重、孔隙度、孔径分布等之间存在一定的相关关系，土壤质地越细、容重越大、孔隙度越低、小孔隙越多，D越 大，D与土壤容重和孔隙度均存在显著线性回归关系：D,反映了土壤孔隙轮廓边界的曲折程度.孔隙轮廓越 不规则，D,越大，土壤中各孔隙的D,分布符合总体正态分布形式.D和D,的数值大小对不同利用方式和耕 作制度下的土壤较为敏感，分维数可为士壤科学管理提供依据。 上壤孔壁微观尺度：质量分推 D;表面分维数D:SEI分析 S15232 文献标识 A 土壤是一种具有自相似结构的多孔介质，具有 明显的分形特征。许多学者将分形理论运用于土壤 1材料与方法 结构，以及土士壤持水、水分运动参数等的研究11。 土壤机械组成是土壤最基本的物理性质之一，以粒 11供试土壤与SEM图像制备 径重量或数量分布表征的分形特性常被用来描述土 供试土壤取自武汉市龙泉山生态农业园耕层土 壤质地状况刀。土壤结构状况研究的另一方面是 壤，园区土地的利用方式主要为花卉、蔬菜、茶叶和 土壤孔隙结构。Andm学利用土壤切片的二元 水果种植。 8个 上壤样品分别取自莱地、桃园、茶 图像研究了描述二维空间孔隙分布特征的质量分维 园、橘园、早地、裸地.其中桃子和柑橘种于1995年 数D和孔隙边缘粗糙度的表面分维数D。 些学 茶叶种于1998年。采样深度0-20m.土壤颗粒组 者分析了D与土壤孔隙结构、质地、埋深、干缩裂 成按国际制，用比重计速测法测定。编号L1一 缝等土壤性质以及耕作方式之间的关系9风：一些 :5的土壤质地为粉砂壤土，编号Q1~CL3的质 学者研究了D.与土壤质地、埋深、土壤水力性质和 地为黏壤土。 原状土样风干后切成直径20mm厚3m的试式 样，再用锋利小刀将试样切成两半，暴露出新鲜表面 D和D.作为描述土壤孔隙结构的有用指标已成为 供研究。刀切法与掰断法相比的优点是获得的土壤 切面穿过所有微结构单元，可避免试样掰断时易造成 众多学者的共识。 固体颜粒剥离而在切面上形成伪隙从而导致孔隙 近年来迅速发展的数字图像技术为土壤结构的 结构失真。试验采用S5610LV型扫描电镜(SE 定量分析提供了一个强有力的工具网，尤其对土壤 在8个土样中各选择一幅代表性强的王M图 孔隙表面分形和土壤结构进行小尺度(m)研究更 像作为分析对象。为使分析具有可比性所选图像 具有优势。本文首先利用数字图像技术对土壤微观 的放大倍数均为1000倍，图像分辨率(Q0954如 结构的SM图像讲行定量分析：在此基础上，研究 pmd)、分析区域(127.8m×95.8m)完全相同。 微观尺度上的土壤孔隙质量分维数D和表面分 12图像分析方法 数D.并探讨其在不同土壤质地和利用方式上的差 数字图像分析采用PP专业图像分析软件。利 异和作用。 用其图像采集、图像处理、尺寸测量、计数等功能，对 幸中国得士后科学基金(2008B400资助 作者简介：张季如(1964、).男，教授.解士生导师.主要从事土壤性质和环境岩土工程等方而的研究，Bmgr@whd.用* 中国博士后科学基金(2003034010) 资助 作者简介: 张季如(1964~ ) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事土壤性质和环境岩土工程等方面的研究。E
mail: zhangjr@whut. edu. cn 收稿日期: 2006- 10- 08; 收到修改稿日期: 2006- 12- 14 微观尺度上土壤孔隙及其分维数的 SEM 分析 张季如 黄 丽 祝 杰 黄文竞 ( 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 武汉 430070) 摘 要 对两类不同质地土壤的 SEM 图像, 利用数字图像技术分析孔隙的大小、数量及其分布规律, 由测量数据给出了微观尺度上土壤孔隙的质量分维数 D m和表面分维数 Ds。结果表明: Dm与土壤质地、容 重、孔隙度、孔径分布等之间存在一定的相关关系, 土壤质地越细、容重越大、孔隙度越低、小孔隙越多, Dm越 大, Dm与土壤容重和孔隙度均存在显著线性回归关系; Ds反映了土壤孔隙轮廓边界的曲折程度, 孔隙轮廓越 不规则, Ds越大, 土壤中各孔隙的 Ds分布符合总体正态分布形式。D m和 Ds的数值大小对不同利用方式和耕 作制度下的土壤较为敏感, 分维数可为土壤科学管理提供依据。 关键词 土壤孔隙; 微观尺度; 质量分维数 Dm; 表面分维数 Ds; SEM 分析 中图分类号 S15232 文献标识码 A 土壤是一种具有自相似结构的多孔介质, 具有 明显的分形特征。许多学者将分形理论运用于土壤 结构, 以及土壤持水、水分运动参数等的研究[ 1~ 5] 。 土壤机械组成是土壤最基本的物理性质之一, 以粒 径重量或数量分布表征的分形特性常被用来描述土 壤质地状况[ 6, 7] 。土壤结构状况研究的另一方面是 土壤孔隙结构。Anderson 等[ 8] 利用土壤切片的二元 图像研究了描述二维空间孔隙分布特征的质量分维 数 D m和孔隙边缘粗糙度的表面分维数 Ds。一些学 者分析了 Dm 与土壤孔隙结构、质地、埋深、干缩裂 缝等土壤性质以及耕作方式之间的关系 [ 9~ 12] ; 一些 学者研究了 Ds与土壤质地、埋深、土壤水力性质和 作物根系发育等之间的关系[ 13~ 16] , 以及图像分割、 图像分辨率等试验因素对 Ds的影响[ 17, 18] 。目前, D m和 Ds作为描述土壤孔隙结构的有用指标已成为 众多学者的共识。 近年来迅速发展的数字图像技术为土壤结构的 定量分析提供了一个强有力的工具[ 19] , 尤其对土壤 孔隙表面分形和土壤结构进行小尺度(
m) 研究更 具有优势。本文首先利用数字图像技术对土壤微观 结构的 SEM 图像进行定量分析; 在此基础上, 研究 微观尺度上的土壤孔隙质量分维数 D m和表面分维 数 Ds, 并探讨其在不同土壤质地和利用方式上的差 异和作用。 1 材料与方法 11 供试土壤与 SEM 图像制备 供试土壤取自武汉市龙泉山生态农业园耕层土 壤, 园区土地的利用方式主要为花卉、蔬菜、茶叶和 水果种植。8 个土壤样品分别取自菜地、桃园、茶 园、橘园、草地、裸地, 其中桃子和柑橘种于 1995 年, 茶叶种于 1998 年。采样深度 0~ 20 cm, 土壤颗粒组 成按国际制, 用比重计速测法测定。编号 SL
1 ~ SL
5 的土壤质地为粉砂壤土, 编号 CL
1~ CL
3 的质 地为黏壤土。 原状土样风干后切成直径 20 mm、厚 3 mm 的试 样, 再用锋利小刀将试样切成两半, 暴露出新鲜表面 供研究。刀切法与掰断法相比的优点是获得的土壤 切面穿过所有微结构单元, 可避免试样掰断时易造成 固体颗粒剥离而在切面上形成伪孔隙, 从而导致孔隙 结构失真。试验采用 JSM
5610LV 型扫描电镜( SEM) 。 在8 个土样中各选择一幅代表性强的 SEM 图 像作为分析对象。为使分析具有可比性, 所选图像 的放大倍数均为 1 000 倍, 图像分辨率( 0095
m pixel - 1 ) 、分析区域( 1278
m 958
m) 完全相同。 12 图像分析方法 数字图像分析采用 IPP 专业图像分析软件。利 用其图像采集、图像处理、尺寸测量、计数等功能, 对 第 45 卷 第2 期 土 壤 学 报 Vol 45, No 2 2008 年 3 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Mar. , 2008