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洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究一、研究背景黄土这种自然界的伟大创造，自古以来就以其独特的魅力和神奇的力量，让人们为之倾倒。
它既是大自然的馈赠，也是人类文明的摇篮。
然而随着社会的发展和人口的增长，黄土的生态环境正在遭受严重的破坏。
为了保护这片神奇的土地，我们有必要深入研究其结构性和力学特征，以便更好地利用和保护这一宝贵的资源。
洛川剖面位于陕西省洛川县境内，是黄土高原的一个重要剖面。
这里地势平坦，地貌类型丰富多样，黄土层厚薄不一，结构复杂多变。
因此对于洛川剖面黄土的结构性和力学特征的研究，具有很高的科学价值和实际意义。
在过去的几十年里，我国的黄土研究取得了显著的成果，为我们提供了丰富的理论依据和实践经验。
然而由于各种原因，我们在黄土领域的研究仍然存在一些不足之处。
例如对于黄土的微观结构和力学特性的研究还不够深入，对于黄土在不同环境条件下的变形规律和稳定性分析还有待完善。
因此开展洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究，对于提高我国黄土研究的水平，促进黄土资源的可持续利用具有重要的现实意义。
1. 黄土在人类历史和现代社会中的重要性；黄土这种看似普通却又无比重要的自然物质，自古以来就在人类的生活中扮演着重要角色。
它不仅是我们祖先生活的基础，也是我们现代社会的重要资源。
黄土的广泛分布和丰富储量，使其在农业、建筑、环保等领域都有着不可替代的作用。
然而黄土的特殊结构性和力学特征，使得它在人类历史和现代社会中的重要性更加凸显。
黄土不仅承载着我们的记忆，更是塑造了我们的文明。
从古代的长城、秦始皇兵马俑，到现代的高速公路、高楼大厦，黄土都在其中扮演着关键的角色。
每一块砖石、每一粒沙砾，都是黄土的结晶，都是历史的见证。
黄土的存在，让我们有了生活的依托，也让我们有了追求进步的动力。
黄土的力学特征也是其独特魅力的一部分，它的强度和稳定性，使得它能够在各种恶劣环境中屹立不倒。
无论是风吹雨打，还是地震洪水，黄土都能坚守自己的岗位，保护着我们的家园。
黄土湿陷性的微观试验研究安俊鹏;袁慧【摘要】我国是世界上黄土分布最广的国家之一,有60%为湿陷性黄土,黄土湿陷性产生机理、影响因素、预估方法、指标选择以及工程应用诸方面成为黄土力学研究的重点.在西部大开发的今天,正确评价黄土的湿陷性,分析黄土的微观构成及影响黄土湿陷性的因素,合理治理和控制黄土的湿陷变形,对西部的建设有着极为重要的意义.【期刊名称】《太原城市职业技术学院学报》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】2页(P165-166)【关键词】湿陷性黄土;孔隙率;微观结构【作者】安俊鹏;袁慧【作者单位】太原城市职业技术学院,山西,太原,030027;太原城市职业技术学院,山西,太原,030027【正文语种】中文【中图分类】G64黄土是在第四纪形成的一种特殊的陆相疏松堆积物，颗粒成分以粉粒为主，颜色一般呈棕黄、黄色或褐黄色，天然剖面上垂直节理发育，肉眼可见大孔隙。
黄土按照其湿陷特征，可分为非湿陷性黄土、湿陷性黄土。
湿陷性是黄土独特的工程性质。
根据我国国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025-2004，在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土叫湿陷性黄土。
中国是世界上黄土分布最广的国家之一，其覆盖面积约为63万平方公里,有60%为湿陷性黄土，主要分布在西北和华北地区。
湿陷性黄土在天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性，一旦浸水会发生强度大幅度骤降和变形大幅度突增。
黄土作为地基用于各类建筑工程中已有漫长的历史,建造在湿陷性黄土地基上的建筑物由于施工中或建成后使用过程中地基被水浸湿而导致建筑物沉陷甚至破坏的事故屡见不鲜。
为了有效控制湿陷性黄土的变形，最大限度地减少其带来损失，黄土湿陷性产生机理、影响因素、预估方法、指标选择以及工程应用诸方面成为黄土力学研究的重点。
在西部大开发的今天,正确评价黄土的湿陷性,合理治理和控制黄土的湿陷变形,对西部的建设有着极为重要的意义。
典型地貌区原状黄土孔隙细观特征研究刘钊钊;钟秀梅;张洪伟;高中南;梁收运;王谦【摘要】以黄土高原典型地貌区14个场地的原状黄土为研究对象,通过扫描电子显微镜获取图像,借助PCAS孔隙图像识别与分析系统,得到了原状黄土在孔隙尺度、排列、形态和类型等方面的细观结构特征;并依据分形理论,对黄土梁峁区、塬区和台塬区三类典型地貌区的孔隙细观特征进行了统计分析.结果表明:不同地貌区的原状黄土孔隙结构有显著差异,黄土梁峁区表观孔隙比明显大于黄土塬区与台塬区;平均孔隙面积与孔隙数呈负相关关系,孔隙数在黄土梁峁区自西向东递减,在黄土塬区递增,在黄土台塬区差异较大;孔隙度分维值在黄土梁峁区相差不大,在黄土塬区自西向东递增,在黄土台塬区差异较大;孔隙概率熵多大于0.98,孔隙排列较为混乱,缺乏明显定向性;黄土塬区的孔隙平均形状系数最大且分维数最低,其孔隙形状较为圆滑,孔隙复杂程度较低.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2019(046)002【总页数】9页(P148-155,161)【关键词】黄土高原地貌;细观结构;概率熵;平均形状系数;孔隙类型【作者】刘钊钊;钟秀梅;张洪伟;高中南;梁收运;王谦【作者单位】兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃兰州730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃兰州 730000;兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000;兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TU411.92黄土的宏观力学特性与其细观结构特征之间具有密切的相关性，有关黄土细观结构特征及其分布规律受到了研究者的关注。
黄土微结构SEM图像分析中的影响因素研究作者：宋朋燃赵晓明刘策来源：《城市地质》2024年第02期收稿日期：2023-08-07；修回日期：2023-10-31第一作者簡介：宋朋燃（1983- ），男，博士，高级工程师，主要从事工程地质工作。
E-mail：****************引用格式：宋朋燃，赵晓明，刘策，2024.黄土微结构SEM图像分析中的影响因素研究［J］.城市地质，19（2）：218-224摘要：土体微结构定量化分析技术是微观土力学的一个研究方向，利用图像处理技术有效提取土体微结构参数是正确分析土体微结构特征的重要基础。
针对土体微结构信息提取中存在的问题，本文借助MATLAB软件图形处理工具箱，对辽西地区黄土样品SEM图像进行处理，研究辽西黄土孔隙分形维数、孔隙率、孔隙大小及分布情况，探讨图像处理方法对黄土微结构参数的影响规律。
结果表明：1）图像截取面积较小时，对所提取的黄土微结构参数影响较大；而中等和较大的截面，对所提取的黄土微结构参数影响较小；中等截面对图像进行处理得到的黄土微结构参数与土样物理试验测试值最为接近。
2）阈值对孔隙分形维数影响较小，对孔隙率和孔隙面积影响较大，辽西黄土SEM图像阈值建议取值范围为100～120。
3）过大的放大倍数会使孔隙分维数失真，孔隙率与孔隙面积大小统计结果与放大倍数的增长成反比。
关键词：SEM；微观结构；分形维数；孔隙率；图像处理Research on influencing factors in SEM image analysis of loess microstructureSONG Pengran， ZHAO Xiaoming， LIU Ce（Jilin Water Resource and Hydropower Consultative Company， Changchun 130012， Jilin，China）Abstract： The quantitative analysis technology of soil microstructure is a research direction in micro-soil mechanics. The effective extraction of soil microstructure parameters using image processing technology is an important foundation for correctly analyzing soil microstructure characteristics. In response to the problems in extracting soil microstructure information， MATLAB programming method was used to process SEM images of Liaoxi loess samples with different image cross-sectional sizes， grayscale thresholds， and image magnification. The fractal dimension，porosity， pore size， and distribution of Liaoxi loess pores were studied， and the influence of image processing methods on loess microstructure parameters was explored. The results show that：1） a small image capture area has a significant impact on the extracted loess microstructure parameters， while medium and large cross-sections have a small impact on the extracted loess microstructure parameters. The loess microstructure parameters obtained by processing the image with medium cross-sections are closest to the physical test values of the soil sample. 2） The grayscale threshold has a small impact on the fractal dimension of pores， but a significant impact onporosity and pore area. The recommended range of grayscale threshold values for SEM images of loess in western Liaoning is 100-120. 3） Excessive magnification can distort the fractal dimension of pores， and the distribution of porosity and pore area is inversely proportional to the increase in magnification.Keywords： SEM; microstructure; fractal dimension; porosity; image processing土体微观结构不仅能反映土体的历史形成条件，还直接影响其物理、力学和工程性质。
黄土微观结构研究的回顾和探讨黄土是现今世界上重要的沉积岩类与地质环境，在我国，黄土分布广泛，它们构成了一个独特的地质单元，对整个地质环境有重要的影响。
黄土是一种颗粒土壤，粒度以次卵石、砂粒为主，随着沉积的不断累积和重组，它的微观结构演变迅速，因此，黄土微观结构研究也显得十分重要。
经过几十年的发展，黄土微观结构研究已取得了长足发展。
以往，对黄土微观结构的研究以形态学方法为较为主要的研究内容，比如由唐士敦发现的黄土微观结构包括沙岩、黄骨等，研究了黄土的沉积，比如黄土形成的条件、沉积形态特征等等；此外，在全球黄土研究的进步中，许多研究者也采用了宏观的结构研究方法，如对黄土中遗存的生物遗迹的研究，也为进一步了解黄土提供了良好的理论基础。
除此之外，由于科学技术和探索手段的不断发展，现代科学家们开始采用精微扫描电子显微镜和计算机辅助分析系统等高精度成像技术，对黄土微观结构进行更细致的研究。
现在，研究者们可以使用微观扫描电子显微镜（SEM）研究黄土的基本特性，如粒度组成、稳定性和总体结构等；用荧光显微镜和紫外分光光度计研究黄土的矿物组成及含水量；利用X射线衍射仪研究黄土中的结构；采用催化剂试剂法测定黄土的活性。
在现代科学技术的帮助下，不仅可以深入了解黄土的沉积特征，而且还可以深入分析黄土的离子组成和化学特性，以及黄土分子结构上的复杂性。
此外，现代黄土研究也将着重研究黄土中更为复杂的微生物活动，如微生物细胞分解土壤有机物，以及微生物形态及其分布等。
综上所述，近几十年来，黄土微观结构研究取得了显著的成绩，研究内容也在不断发展，从狭义的形态学视角进一步扩展到宏观的结构学、微生物学和分子学等视角，这对于进一步加深对黄土的了解，有着重要的借鉴意义。
虽然黄土微观结构研究方面存在很多新的问题和挑战，但在技术进步和研究重视不断增强的今天，黄土微观结构研究必将取得更多的突破和进步。
结论：黄土微观结构研究的发展取得了显著的成果，从形态学研究到示踪性研究，以及各种精微技术研究，黄土微观结构研究都取得了重大进展，为进一步了解地质环境提供了有力的理论依据。
不同固结压力作用下黄土微观结构试验研究张少华;苏楠楠;董晓强【摘要】为研究在不同固结压力作用下,黄土微观结构的变化规律,试验通过制备黄土试样,用电镜扫描(SEM)获取各个固结程度下黄土微观结构图像并利用IPP图像处理软件对微观图像参数计算和参数分类.结果表明:随着固结压力逐渐增大,黄土试样微观结构内部骨架单元体聚合物的连接方式,由架空孔隙向镶嵌孔隙转变,结构逐渐密实,稳定性逐渐增强;在各个固结压力作用下,孔隙数量随着孔径增大而减少,孔隙面积随孔径的增大而增大,大孔隙的变化一定程度上影响了土的工程性质;固结后土体的孔隙面积在各个角度区位分布越均匀时,土体受到的扰动越大;土体受固结扰动后,微孔隙的形状没有发生较大变化,部分小、中孔隙产生变形,大孔隙逐渐被消散,向着椭圆率更小的方向发展.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)031【总页数】5页(P74-78)【关键词】黄土;固结;微观结构;孔隙【作者】张少华;苏楠楠;董晓强【作者单位】太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TU411.2在我国西北部，黄土占地面积约占国土面积的6.6%，在实际工程中，黄土在自重以及水的作用下极易表现的湿陷性，对道路以及建筑物造成不可估量的损失。
为找到更好处理黄土地基的方法，必须考虑黄土在外力作用下自身的微观结构变化，才能为解决黄土的湿陷性对工程可能造成的危害提供思路，进而在很大程度避免或减小黄土地基的湿陷所造成的危害。
沈珠江院士［1］曾指出，目前土力学的研究需改变传统观念，应加强土体结构的分析。
黄土在孔隙大小、孔隙比率、密实程度等具有很强的结构性，土结构性的变化是黄土变形的重要原因，在土的工程力学性质研究上有着重要的意义。
黄土微结构的研究主要集中在定性和定量两方面。
第37卷第6期2023年12月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .6D e c .,2023收稿日期:2023-03-13资助项目:国家自然科学基金项目(42177345) 第一作者:张佐源(1995 ),男,硕士研究生,主要从事土壤孔隙结构研究㊂E -m a i l :z u o y u a n z @n w a f u .e d u .c n 通信作者:许明祥(1972 ),男,研究员,主要从事侵蚀环境土壤质量演变及调控研究㊂E -m a i l :x u m x @n w s u a f .e d u .c n黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征张佐源1,夏彬2,郝旺林3,汪若瑶1,解嫣1,许明祥1,2(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;3.吕梁学院生命科学系,山西吕梁033000)摘要:以明确自然界中广泛存在的层状结构土壤孔隙分布特征为目的㊂选黄土高原典型坝地土壤剖面为研究对象,利用C T 扫描技术分析耕作层㊁犁底层㊁心土层土壤三维结构,探讨层状土孔隙参数随土层结构变化及界面层孔隙特征㊂结果表明:(1)瘦长型孔隙(孔隙形状系数ɤ0.2)是各土层土壤孔隙的主要形态㊂各土层的孔隙参数具有明显差异㊂耕作层的总孔隙度最高,大孔隙(ȡ1mm )分布较多;犁底层孔隙总数量最高,含有较多孤立的小孔隙(ȡ0.1~0.5mm )和微小孔隙(ȡ0.06~0.1mm ),但连通性最差;心土层孔隙参数多数介于耕作层与犁底层之间㊂(2)坝地剖面层状土壤具有一定厚度的界面层,各孔隙参数均在土层界面位置存在突变点,具有明显分界现象㊂孔隙特征参数均呈过渡位置渐变㊁界面位置突变的规律㊂在界面层,犁底层土壤总孔隙度和连通性与耕作层相比,分别显著下降41.6%,69.8%;心土层在界面层的土壤总孔隙度和连通性与犁底层相比,分别显著增高30.4%,52.3%㊂(3)孔隙孔径大小与孔隙形态密切相关,大孔隙形态多呈瘦长型,而微小孔隙形状则多呈规则型㊂(4)土层越深,连通性与总孔隙度㊁孔隙总数量㊁孔径分布及孔隙形状的相关性越强㊂界面层出现改变相邻土层的土壤孔隙质量㊂人为作用改变耕作层和犁底层的土壤孔隙特征,主要表现在对耕作层翻耕扰动,使得犁底层被动承压,心土层由于受到干扰较小,土壤整体呈现自然状态㊂研究结果可丰富非均质土壤结构的认识,为从微观层面理解层状土壤孔隙特征及其对土壤水气热传输的可能影响提供科学依据㊂关键词:层状土壤结构;坝地;C T 扫描;土壤孔隙;界面中图分类号:S 152.4 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)06-0083-08D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.06.011P o r eD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fL a ye r e dS o i l P r of i l e i nD a mL a n do fL o e s sP l a t e a uZ H A N GZ u o y u a n 1,X I AB i n 2,H A O W a n g l i n 3,WA N G R u o y a o 1,X I EY a n 1,X U M i n g x i a n g1,2(1.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f S o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n g o n t h eL o e s sP l a t e a u ,I n s t i t u t e o f So i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n ,N o r t h w e s tA &FU n i v e r s i t y ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f S o i lE r o s i o na n dD r yl a n d F a r m i n g o n t h eL o e s sP l a t e a u ,I n s t i t u t e o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s a n d M i n i s t r y o fW a t e rR e s o u r c e ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100;3.D e p a r t m e n t o f L i f eS c i e n c e ,L ül i a n g U n i v e r s i t y ,L ül i a n g ,S h a n x i 033000)A b s t r a c t :T h e p u r p o s eo f t h i ss t u d y i s t oc l a r i f y t h e p o r ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l a y e r e ds o i lw i d e l ye x i s t i n g i nn a t u r e .T h e s o i l p r of i l e o f t y p i c a l d a ml a n d i n t h eL o e s sP l a t e a uw a s t a k e n a s t h e r e s e a r c ho b j e c t ,a n d t h e t h r e e -d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e o f t o p s o i l ,p l o w p a n a n d c o r e s o i lw a s a n a l y z e db y C Ts c a n n i ng t e ch n o l o g y.T h e c h a n g e s o f p o r e p a r a m e t e r so f l a ye r e ds o i lw i t hs o i l s t r u c t u r ea n dt h e p o r ec h a r a c t e r i s t i c sof i n t e r f a c e l a y e rw e r e d i s c u s s e d .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t :(1)S l e n d e r p o r e s (p o r es h a p e c o e f f i c i e n tɤ0.2)w e r e t h e m a i n f o r m s o f s o i l p o r e s i n e a c h s o i l l a y e r .T h e p o r e p a r a m e t e r s o f e a c h s o i l l a y e rw e r e s ig n i f i c a n t l y d i f f e r e n t .Th e t o t a l p o r o si t y o f t h e t i l l a g e l a y e rw a s t h e h i g h e s t ,a n d t h em a c r o p o r e s (ȡ1mm )w e r em o r e d i s t r i b u t e d .T h e t o t a l n u m b e r o f p o r e s i n p l o w p a nw a s t h eh i g h e s t ,c o n t a i n i n g m o r e i s o l a t e ds m a l l p o r e s (ȡ0.1~0.5mm )a n d t i n y p o r e s (ȡ0.06~0.1mm ),b u t t h e c o n n e c t i v i t y wa s t h ew o r s t .T h e p o r e p a r a m e t e r s o f t h e c o r e s o i l l a y e rw e r em o s t l yb e t w e e nt h eu p p e r t w o l a y e r s .(2)T h e l a ye r e ds o i l i nt h ed a ms e c t i o nh a dac e r t a i nt h i c k n e s so f t h e i n t e r f a c e l a y e r,a n d e a c h p o r e p a r a m e t e r h a d a s u d d e n c h a n g e p o i n t a t t h e i n t e r f a c e o f t h e s o i l l a y e r,w i t ho b v i o u sb o u n d a r yp h e n o m e n o n.T h e p o r ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ss h o w e dt h e l a w o f g r a d u a l c h a n g e o f t r a n s i t i o n p o s i t i o na n da b r u p tc h a n g eo f i n t e r f a c e p o s i t i o n.I nt h e i n t e r f a c e l a y e r,t h et o t a l s o i l p o r o s i t y a n d c o n n e c t i v i t y o f t h e p l o w p a nd e c r e a s e db y41.6%a n d69.8%,r e s p e c t i v e l y,c o m p a r e dw i t ht h e t i l l a g el a y e r.T h et o t a ls o i l p o r o s i t y a n d c o n n e c t i v i t y o ft h ei n t e r f a c el a y e ri n t h es u b s o i ll a y e r w e r e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d b y30.4%a n d52.3%,r e s p e c t i v e l y,c o m p a r e dw i t h t h e p l o w p a n.(3)T h e s i z e o f p o r e s w a s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e p o r e s h a p e,w i t h l a r g e p o r em o r p h o l o g y m o s t l y s l e n d e r a n dm i c r o p o r e s h a p e s b e i n g r e g u l a r.(4)T h e d e e p e r t h e s o i l l a y e r,t h e s t r o n g e r t h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nc o n n e c t i v i t y a n d t o t a l p o r o s i t y, t o t a l n u m b e r o f p o r e s,p o r e s i z ed i s t r i b u t i o na n d p o r e s h a p e.T h e a p p e a r a n c eo f i n t e r f a c e l a y e r c h a n g e d t h e s o i l p o r e q u a l i t y o f a d j a c e n t s o i l l a y e r.T h e a r t i f i c i a l a c t i o n c h a n g e d t h e s o i l p o r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t i l l a g e l a y e r a n d t h e p l o w p a n,w h i c h w a s m a i n l y m a n i f e s t e d i nt h ed i s t u r b a n c eo f t h et i l l a g e l a y e r,w h i c h m a d e t h e p l o w p a n p a s s i v e l yp r e s s u r e-b e a r i n g,w h i l et h es o i l l a y e rw a sl e s sd i s t u r b e d,a n dt h es o i la sa w h o l e p r e s e n t e dan a t u r a ls t a t e.T h er e s u l t so ft h i ss t u d y c a ne n r i c ht h eu n d e r s t a n d i n g o fh e t e r o g e n e o u ss o i l s t r u c t u r e a n d p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o ru n d e r s t a n d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a y e r e ds o i l p o r e sa n dt h e i r p o s s i b l e e f f e c t s o n s o i lw a t e r,a i r a n dh e a t t r a n s p o r t a t t h em i c r o l e v e l.K e y w o r d s:l a y e r e d s o i l s t r u c t u r e;d a ml a n d;c o m p u t e d t o m o g r a p h y s c a n;s o i l p o r e s;i n t e r f a c e土壤结构是土壤颗粒在成土或利用过程中由物理㊁化学㊁生物等多种因素综合作用所形成的排列组合形式[1],是决定土壤功能的关键因素㊂良好的土壤结构一般具有发达的土壤孔隙系统,各级孔隙比例分布合理,进而保证土壤各种功能结构能够更好地实现[2-3]㊂自然界中广泛存在的层状土壤结构为典型的非均质土壤结构[4-5]㊂在层状土壤结构中,由于成土过程及成土年限不同,上下土层在容重㊁质地㊁有机碳含量等方面存在显著差异,表现出明显的成层性[6-9]㊂差异显著的层状结构改变孔隙分布特征,进而对土壤的通气性及水热环境造成很大影响[5]㊂尽管自然界层状土壤普遍存在,但考虑到层状土的剖面分层性和界面过渡性等,目前,对层状土壤结构的研究多数仍处于如何认识土壤结构本身性质和功能的阶段[3,8,10],而从微观结构对土壤剖面层状结构的组成㊁上下土层之间的连通性以及对孔隙特征定量描述的相关研究较少涉及㊂计算机断层扫描(c o m p u t e d t o m o g r a p h y,C T)技术是无损的三维成像技术,可在不破坏原有多孔介质孔隙结构基础上获得其微观孔隙结构的三维图像[9,11-12],已经在土壤孔隙结构的定量化研究方面取得广泛的应用和诸多进展㊂例如,冯杰等[13]对田间原状土柱和室内模拟填充土柱进行C T扫描可确定土壤大孔隙分布特征;P e t h等[14]利用C T扫描可研究水力所引起的局部土壤变形,进而确定土壤结构与水分入渗特征的关系;赵冬等[3]利用C T技术研究土壤团聚体内部孔隙微结构特征,进而探讨植被恢复对土壤团聚体结构的影响㊂C T扫描技术可量化土壤微观结构中孔隙度㊁孔隙数㊁孔径分布㊁孔隙形态及连通性等孔隙特征,是研究层状土壤过渡层和界面层微观孔隙结构最为准确的途径㊂黄土高原是中国乃至世界上水土流失最严重的区域之一,自20世纪50年代以来,国家对黄土高原实施淤地坝工程[15]㊂作为黄土高原独特的生态建设措施,淤地坝工程不仅能够降低黄土高原侵蚀产沙速率,还能够拦截泥沙淤积成坝地,在水土保持和综合治理中发挥着重要作用[16]㊂坝地由于降雨㊁植被及人为活动的变化而导致搬运物质的数量及成分等发生改变,当洪水被坝地拦截后,沉积物在垂直方向上由于成分㊁颜色和结构的不同而形成层次性[10]㊂有研究[10,17]发现,坝地因其淤积性成土过程,剖面分层可达28层以上,厚度不等㊂因此,拟以黄土高原典型坝地土壤为对象,从坝地土壤剖面层状结构特征入手,利用C T扫描技术和图像分析技术,构建土壤孔隙的三维结构,定量分析孔隙参数随土层结构的变化特征及相邻土层之间界面层的变化情况,结果可丰富非均质土壤结构的研究,从微观层面理解层状土壤孔隙特征及其对土壤水气热传输的可能影响提供科学依据㊂1材料与方法1.1研究区概况研究区位于陕西省延安市安塞区的董家沟流域(109ʎ04'26ᵡE,36ʎ50'08ᵡN),该区地处黄土高原中部,地形地貌较为复杂,平均海拔1371.1m㊂气候类型属于中温带半干旱季风气候,年均温度8.8ħ,昼夜温差大,年均降水量为505m m,多集中于7 9月㊂土壤类型以黄绵土和新成土为主,抗侵蚀性差㊂加上人为活动的长期干扰,使得植被退化,水土流失严重[18]㊂近20年来,48水土保持学报第37卷随着生态恢复与重建,水土流失显著减少,植被盖度已达到60%以上[15]㊂该区常见的植被类型有以刺槐为主的人工林,以柠条和沙棘等为主的人工林灌丛及封禁后形成的黄刺玫和狼牙刺等天然灌丛㊂1.2样品采集与测定通过文献资料收集和实地调查,掌握流域内坝地运行历史,选择研究基础好㊁背景资料完善㊁耕作年限约40年的典型坝地作为研究样地㊂于2021年11月在坝地分层明显的区域(坝地中部)挖取2个长㊁宽㊁深分别为1.5,1.0,1.0m的土壤剖面代表坝地层状土壤,根据坝内泥沙实际淤积情况划分土壤结构为耕作层(0 16c m)㊁犁底层(16 30c m)㊁心土层(30 50c m)㊂然后利用有机玻璃管从不同土层的中间部位以及相邻土层界面位置分别重复采集3个原状土柱(长㊁宽㊁高均为40mm),共采集30个原状土柱,土柱取出后在两端套上管盖,用保鲜膜密封㊂用容积为100c m3的环刀在相应土层取土样,带回实验室后用烘干法(110ħ,24h)测定土壤容重,每个土层取样3次,共18个样品㊂同时用塑封袋采集各土层土壤样品,带回室内风干㊁过0.25mm筛后,分别用重铬酸钾外加热法和凯氏定氮法[15]测定土壤有机质含量和土壤全氮含量,每个样品重复3次㊂1.3C T扫描与图像处理原状土柱采用n a n o V o x e l-1280工业C T(天津三英精密仪器股份有限公司)进行扫描,扫描峰值电压设定为80k V,分辨率为60μm,曝光时间0.2s㊂将样品固定在样品台上,沿水平方向进行360ʎ旋转,每个土柱共采集1280幅投影图像,利用C T自带软件消除环状伪影并进行图像重建㊂利用I m a g e J1.48软件对C T图像进行分析,为避免边界部分的影响,选择位于图像中心且体积为10m mˑ10m mˑ10m m的土芯体积作为研究区域(R O I),通过全局阈值法对图像进行黑白二值分割,通过野外实地测量界面的位置以及扫描的C T图像,选取界面处上下各约7~8m m位置,做图像切片处理,每1m m做1个切片,用来反映界面层位置变化㊂土壤孔隙的三维结构可视化通过I m a g e J的3D V i e w e r实现,对于分割后的二值图像,利用B o n e J插件可获取总孔隙度和连通性等参数[19]㊂孔隙大小分布㊁孔隙总数量等参数通过3D O b j e c tC o u n t e r插件获得[3,20-21]㊂根据孔隙当量直径将孔隙分为大孔隙(ȡ1mm)㊁中孔隙(ȡ0.5~1mm)㊁小孔隙(ȡ0.1~ 0.5mm)与微小孔隙(ȡ0.06~0.1mm)4个等级㊂通过公式(1)来计算孔隙形状系数(F):F=A e A(1)式中:A e为孔隙等体积球体的表面积(mm2);A为孔隙的实测表面积(mm2)㊂F值越小,孔隙形状越不规则,值越接近1,孔隙形状越接近球体㊂同时,根据F值将孔隙分为规则型(Fȡ0.5)㊁不规则型(0.2< F<0.5)㊁瘦长型(Fɤ0.2)[22]㊂1.4数据分析用S P S S20.0软件对不同土层及界面层土壤孔隙特征参数进行单因素方差分析(O n e-w a y A N O V A)和P e a r s o n相关性分析,显著水平为p<0.05㊂用E x c e l 2019和O r i g i n2022软件绘制图表㊂2结果与分析2.1孔隙结构三维目视分析C T扫描结果(图1)显示,坝地耕作层 犁底层 心土层的土壤孔隙呈现虚 实 虚分布方式㊂耕作层孔隙度较大,孔隙结构疏松,存在边界清晰的超大孔隙,连通性较好,呈明显多孔结构㊂犁底层大孔隙数较耕作层低,其表现出更多孤立的小孔隙,连通性明显低于耕作层㊂心土层孔隙度介于耕作层和犁底层之间㊂相邻土层之间的界面层土壤孔隙大小和形状发生明显变化㊂2.2孔隙度、孔隙数及孔径分布特征耕作层㊁犁底层㊁心土层总孔隙度分别为11.65%, 2.64%,6.81%,孔隙总数量分别为2329,4849,3010个㊂由此可知,随土层深度增加,土壤总孔隙度呈先减小后增加趋势,与耕作层相比,犁底层总孔隙度显著降低77.3%(p<0.05)㊂与总孔隙度变化趋势相反,随土层深度增加,孔隙总数量呈先增加后减小趋势,犁底层孔隙总数量显著高于耕作层和心土层(p<0.05)㊂不同土层均表现出以大孔隙度为主,占各土层总孔隙度的59.2%~92.3%,且最高值出现在耕作层(图2)㊂随着土层深度增加,微小孔隙和小孔隙的孔隙度呈现增加趋势,而大孔隙和中孔隙的孔隙度则呈现相反变化趋势㊂对于耕作层和犁底层,除中孔隙之外,其他3个孔径的孔隙度均存在显著性差异(p<0.05)㊂耕作层与犁底层㊁犁底层与心土层之间存在明显的界面层,使上下层土壤产生明显差异㊂从耕作层到犁底层,孔隙度呈现波动递减趋势,而孔隙总数量变化趋势与之相反(图3)㊂16.1-16.2c m土层深度处,孔隙度和孔隙总数量差异均达显著水平(p< 0.05),孔隙度降低41.6%,孔隙总数量升高17.4%,表明小孔隙逐渐增多,大孔隙逐渐减少,耕作层和犁底层的界面层大致位于16.1-16.2c m土层土壤剖面深度之间㊂从犁底层到心土层,孔隙度和孔隙总数量变化趋势与耕作层到犁底层的变化相反,孔隙度和孔隙总数量在29.6 29.7c m土层差异显著(p<58第6期张佐源等:黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征0.05),孔隙度增加30.4%,而孔隙总数量却降低59.7%,表明小孔隙逐渐减少,而大孔隙逐渐增多,说明犁底层和心土层的界面层大致位于29.6-29.7c m 土层土壤剖面之间㊂注:a㊁b㊁c㊁d㊁e分别为耕作层㊁犁底层㊁心土层㊁耕作层到犁底层㊁犁底层到心土层;白色为孔隙;黑色为土壤基质以及其他固体颗粒;实际体积尺寸10mmˑ10mmˑ10mm㊂图1层状土壤剖面及各土层孔隙变化注:图柱上方不同小写字母表示不同土层间差异显著(p<0.05)㊂下同㊂图2不同土层孔隙大小分布在界面层,犁底层大孔隙与中孔隙的孔隙度与耕作层相比明显降低,而小孔隙与微小孔隙的孔隙度变化则相反;心土层大孔隙的孔隙度与犁底层相比明显增加,而微小孔隙与小孔隙的孔隙度却明显降低(图4)㊂2.3孔隙形态变化特征随土层深度增加,瘦长型和不规则孔隙的孔隙度呈先减小后增加趋势,而规则孔隙的孔隙度呈先增加后降低趋势(表1)㊂与耕作层相比,犁底层瘦长型孔隙的孔隙度显著降低87.3%,而规则孔隙的孔隙度显著增加46.7%(p<0.05)㊂图3相邻土层间总孔隙度与孔隙总数量的变化图4相邻土层间孔隙大小分布的变化不同形状孔隙数量占比高低顺序为规则孔隙>不规则孔隙>瘦长型长孔隙㊂随土层深度增加,瘦长孔隙和规68水土保持学报第37卷则孔隙的孔隙数量占比呈现先增加后减少趋势,而不规则孔隙的孔隙数量占比呈现先减小后增加变化趋势㊂与耕作层相比,犁底层不规则孔隙的数量占比显著降低16.3%,而规则孔隙的数量占比显著增加2%(p<0.05)㊂由图5可知,在界面层,犁底层的瘦长型孔隙度和不规则孔隙度与耕作层相比,分别显著降低89.1%,29.7%,规则孔隙度则显著增加31.1%,瘦长型孔隙和规则孔隙数量占比分别显著增加67.0%, 2.4%,不规则孔隙数量占比显著降低13.2%(p<0.05)㊂心土层在界面层的瘦长型孔隙度和不规则孔隙度与犁底层相比,分别显著增加62.8%,64.4%,而规则孔隙度则显著降低41.0%,瘦长型孔隙和规则孔隙数量占比分别显著降低29.2%,2.7%,不规则孔隙数量占比则显著增加23.1%(p<0.05)㊂2.4孔隙连通性特征从耕作层㊁犁底层到心土层,连通性呈先降低后增加趋势(图6)㊂耕作层与犁底层差异显著(p<0.05),犁底层连通性最差㊂表1不同土层土壤孔隙形状与数量特征土层位置孔隙度/%瘦长型孔隙不规则孔隙规则孔隙孔隙数量占比/%瘦长型孔隙不规则孔隙规则孔隙耕作层9.78ʃ4.16a1.71ʃ0.79a0.16ʃ0.02a0.14ʃ0.03a11.22ʃ0.41a88.64ʃ0.41a 犁底层1.48ʃ0.44b0.86ʃ0.08a0.30ʃ0.03b0.16ʃ0.02a9.39ʃ0.25b90.45ʃ0.26b 心土层5.36ʃ2.47a b1.23ʃ0.26a0.22ʃ0.02a b0.09ʃ0.02a10.37ʃ0.58a b89.54ʃ0.57a b 注:表中数据为平均值ʃ标准差;同列不同小写字母表示不同土层间差异显著(p<0.05)㊂图5相邻土层间孔隙形状与数量特征图6不同土层孔隙连通性从耕作层到犁底层,连通性呈现波动下降趋势(图7)㊂在界面层,犁底层连通性与耕作层相比,显著降低69.8%(p<0.05)㊂从犁底层到心土层,连通性呈现波动递增趋势,心土层在界面层的连通性与犁底层相比,显著增加52.3%(p<0.05)㊂说明土层的虚实程度严重影响孔隙连通性㊂2.5层状土壤孔隙参数的相关性在不同土层,L P与P E均呈极显著正相关,与P R呈显著或极显著负相关;T P与P R均呈极显著78第6期张佐源等:黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征正相关,与P E呈显著或极显著负相关(图8,p< 0.05,p<0.01)㊂表明孔隙孔径大小与孔隙形态关系密切,大孔隙的孔隙形态更容易呈现瘦长型,而微小孔隙则更容易呈现规则型㊂在耕作层,C仅与R P呈极显著负相关;在犁底层,C与P㊁L P㊁P E均呈显著正相关(p<0.05),与T N P㊁T P㊁S P均呈显著负相关(p<0.01);在心土层,C与P㊁L P㊁P E㊁I P均呈极显著正相关(p< 0.05),与T N P㊁T P㊁S P㊁P R㊁E P㊁R P均呈显著或极显著负相关(p<0.05,p<0.01)㊂表明土层越深,连通性与总孔隙度㊁孔隙总数量㊁不同孔径孔隙度㊁孔隙形状的相关性越强㊂图7相邻土层间孔隙连通性在耕作层,S O M㊁T N㊁S B D均与孔隙数量㊁孔径分布和孔隙形态呈显著或极显著相关,说明相关土壤理化性质对耕作层的孔隙结构具有重要作用㊂在心土层, S O M㊁T N㊁S B D与P㊁L P㊁P E㊁R P和C均呈显著或极显著相关(p<0.05,p<0.01)㊂犁底层孔隙质量较差,土壤理化性质与孔隙各参数相关性相比于其他土层较弱㊂3讨论本研究应用C T扫描技术定量分析坝地非均质土壤的孔隙度㊁孔隙数量㊁孔隙大小分布和形态特征㊂结果表明,耕作层 犁底层 心土层土壤孔隙总体呈现虚 实 虚的分布方式㊂不同土层的土壤孔隙度㊁孔隙数㊁孔径分布㊁孔隙形态及连通性具有明显差异,耕作层的总孔隙度最高,大孔隙分布较多;犁底层的孔隙总数量最高,含有较多孤立的小孔隙,但连通性最差;心土层的孔隙参数多数介于耕作层和犁底层之间㊂不同土层瘦长孔隙的孔隙度均高于规则孔隙和不规则孔隙,是土壤孔隙的主要形态㊂人为活动及土层深度显著改变层状土壤孔隙形态的分布[20-21,23],瘦长孔隙的孔隙度随土层深度的增加呈先减小后增加趋势,而规则孔隙的孔隙度则呈相反趋势㊂有机质是形成土壤团聚体最重要的胶结物质,通过有机质中不同组分的协调作用,使土壤颗粒或团聚体产生胶结,改变土壤固体形态,从而改变土壤孔隙状况[20]㊂本研究中,对常年淤积所形成的坝地农田土壤,由于长期施肥耕作,有机质在耕作层形成表聚现象[15],显著提高耕作层总孔隙度,对土壤起到明显疏松作用,从而维持较大的大孔隙比例,呈现明显的复杂多孔结构;同时,原本孤立孔隙在耕作过程中的相互连通也使孔隙形态更趋近于瘦长[24]㊂犁底层由于常年的机械压实使得大量小孔隙与微小孔隙得以集中,大孔隙减少,易造成土壤容重和紧实度增加,总孔隙度较低,连通性较差㊂一些作物㊁秸秆等其他侵入体随淤积作用而埋入心土层等更深层土壤[25],在腐解过程中产生较大的土壤孔隙,由于受到上层土壤的固有重力[26],无法像耕作层一样持有较大孔隙,但未受到耕作造成的直接压实作用,所以微小孔隙度和小孔隙度不及犁底层㊂从生产实际中可知,坝地具有较高的生产潜力[15],土壤结构特性比较适合坝地作物的生长㊂耕作层的养分含量高㊁孔隙质量较好㊁通气透水性强,为作物提供有利的生长环境㊂犁底层容重较高,结构较为紧实,既利于保水又能为作物后期生长发育提供养分㊂孔隙形态特征决定着水分和气体的传输及存储[9],尤其对于瘦长型孔隙,因其具有较大的孔壁表面积,更有利于进行水分和气体的储存,可作为衡量土壤结构优劣的关键指标[3,24]㊂规则孔隙常呈现点状球形分布,体积小,连通性差[3]㊂本研究表明,不同土层孔隙的孔径大小均与孔隙形态之间存在显著相关性,大孔隙的孔隙形态更容易呈现瘦长型,而微小孔隙的孔隙形状则更容易呈现规则型㊂总孔隙度瘦长型孔隙度有相同的变化趋势,且二者具有极显著正相关,因此,总孔隙度的提高或降低主要取决于瘦长型孔隙度㊂连通性对土壤孔隙的变化极为敏感[27-28]㊂表层土由于受到长期耕作所带来的剧烈扰动,土壤结构疏松,孔隙平均直径较大且呈现瘦长管状特点[11],加之降雨易引起干湿交替作用,进而产生土壤裂缝[29],使得耕作层的连通性较高㊂坝地犁底层由于土壤紧实,使得作物根系下扎受阻[17],难以顺利穿透犁底层,导致土层中极少出现相互连通的大孔隙,往往都是呈分散分布的小孔隙或微小孔隙通道[12],致使犁底层孔隙连通性显著低于耕作层㊂88水土保持学报第37卷注:P㊁T N P㊁T P㊁S P㊁MP㊁L P㊁P E㊁P I㊁P R㊁E P㊁I P㊁R P㊁C㊁S OM㊁T N㊁S B D分别为总孔隙度㊁孔隙总数量㊁微小孔隙度㊁小孔隙度㊁中孔隙度㊁大孔隙度㊁瘦长型孔隙度㊁不规则型孔隙度㊁规则型孔隙度㊁瘦长型孔隙数量所占比例㊁不规则型孔隙数量所占比例㊁规则型孔隙数量所占比例㊁连通性㊁有机质㊁全氮㊁土壤容重㊂图8不同土层土壤孔隙参数及理化性质的相关性心土层由于受耕作影响较小,更接近自然土壤,其孔隙连通性与其他孔隙参数的相关性较强㊂坝地耕作层㊁犁底层和心土层间有一定厚度的界面层,孔隙特征参数呈现过渡位置渐变㊁界面位置突变的规律㊂在界面层,犁底层的土壤总孔隙度和连通性与耕作层相比分别显著下降41.6%,69.8%(p<0.05);心土层在界面层的土壤总孔隙度和连通性与犁底层相比分别显著增高30.4%,52.3%(p<0.05)㊂耕作层连通性较高,相互连通的大孔隙是土壤中气体扩散及水分传输的主要通道[3,25],与生物结皮界面层明显的 空腔 [30]不同,坝地中界面层的厚度较薄㊂尽管如此,坝地土壤剖面界面层改变相邻土层的土壤孔隙质量,或使其成为层状土剖面水㊁气㊁热传输的障碍㊂总体来看,利用C T扫描和图像分析得到的孔隙参数,打破传统 黑箱 研究的局限[2-3,13],不仅反映土壤孔隙的演变特征,且可区分坝地不同土层对孔隙微结构的影响㊂但受野外采样扰动的细微影响以及C T扫描图片分辨率的限制,对界面位置描述很难进一步量化㊂在未来研究中,对土壤剖面水㊁气㊁热传输及模拟相关的研究,应重点关注界面层的影响,可根据实际情况进行分层模拟研究,从而更好地揭示层状土壤中各种物理㊁化学以及生物过程的作用机制,加深对土壤结构如何决定土壤功能机理的认识㊂4结论(1)瘦长孔隙是各土层土壤孔隙的主要形态㊂各土层的孔隙参数具有明显差异㊂耕作层总孔隙度最高,大孔隙分布较多;犁底层孔隙总数量最高,含有较多孤立的小孔隙,但连通性最差;心土层的孔隙参数多数介于耕作层和犁底层之间㊂(2)坝地剖面层状土壤具有一定厚度的界面层,各孔隙参数均在土层界面位置存在突变点,具有明显的分界现象㊂孔隙特征参数均呈现过渡位置渐变㊁界面位置突变的规律㊂在界面层,犁底层土壤总孔隙度和连通性与耕作层相比,分别显著下降41.6%,69.8%;心土层在界面层的土壤总孔隙度和连通性与犁底层相比,分别显著增高30.4%,52.3%㊂(3)孔隙的孔径大小与孔隙形态关系密切,大孔隙的孔隙形态多呈瘦长型,而微小孔隙则多呈规则型㊂(4)土层越深,人为活动干扰影响越小,层状土壤孔隙的连通性与总孔隙度㊁孔隙总数量㊁孔径分布㊁孔隙形状的相关性越强㊂参考文献:[1] G a r b o u tA,M u n k h o l m LJ,H a n s e nSB.T e m p o r a ld y-98第6期张佐源等:黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征n a m i c s f o rs o i la g g r e g a t e sd e t e r m i n e d u s i n g X-r a y C Ts c a n n i n g[J].G e o d e r m a,2013,204/205:15-22. 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