[发明专利]石质山区土壤砾石特征检测方法

说明书

本发明公开了一种石质山区土壤砾石特征检测方法，旨在解决传统土壤砾石含量检测所采用的挖掘测量法费时费力、劳动密集并且破坏性极强的技术问题。其包括以下步骤：（1）原状土芯获取；（2）CT扫描；（3）图像阈值确定；（4）图像增强；（5）ROI选取与二值图像转化；（6）土壤砾石三维结构可视化；（7）土壤砾石三维结构定量分析。本发明利用专业原状土壤采样仪器采样减少原状土采集过程中的扰动，CT扫描仪器与三维分析软件相结合采用最合适的阈值分割方法实现对土壤砾石空间结构的三维量化分析，深度还原土壤砾石的分布特征并提高工作效率减小环境破坏。

技术领域

本发明涉及土壤砾石技术领域，具体涉及一种石质山区土壤砾石特征检测方法。

背景技术

土壤中的砾石根据其尺寸和外形在不同的分类系统中有不同的定义，通常认为直径≥2mm、相对独立且不易破碎的矿物质颗粒为砾石，含砾石的土壤称作石质土壤。砾石的含量、大小以及空间分布等特征不仅影响土壤的物理、化学和生物特性，而且会改变土壤的孔隙率、导水性、入渗和限制根系生长等，进而影响土壤水文和侵蚀过程以及土壤的蓄水能力和土壤肥力。因此，客观、精确地检测土壤砾石特征对于土壤管理、土壤调查和分类、土壤养分储量和持水能力评估至关重要。

挖掘-测量法是测定砾石特征最直接和最普遍使用的方法。一般情况下会挖掘一个规则的圆柱形或立方体型的土坑，保证坑壁竖直并且底部平整，通过尺子测量各部位维度计算得到挖出石质土壤体积，然后人工筛出直径≥2mm的砾石并利用排水法测定砾石体积，最终计算出土壤砾石含量。但是由于坑壁上会有突出砾石，很难保证所挖的圆柱形或立方体型坑规则，会影响计算坑中挖取石质土壤的总体积从而严重影响砾石体积含量计算结果。另外石质土壤大多处于山地林区，采样点远离道路，大型挖掘工具难以接近，置换材料等运输较为困难，实地测量过程中挖掘-测量法的最大缺点是破坏原状土壤结构，不能重复测定和校验。除此以外，为了保证采样点的代表性需要增加采样点的数目，为了保证测定精度对于较大尺寸的砾石需要增大坑的体积。这些因素决定挖掘-测量法实际操作费时耗力、劳动强度大、破坏原状土壤结构，在此处添加只能计算砾石含量，无法准确定量描述砾石形状、大小、空间分布等三维特征。

近年来已有不少学者提出了测定土壤砾石的新方法。Viro开发了一种现场快速测量砾石含量的“棒-穿透法（rod-penetration method）”，但其需要在极短的时间内完成测定以确保测量结果的精度，并且这种方法并不适用在检测直径大于20mm的砾石。Eriksson和Holmgren使用探地雷达(GPR)测量森林土壤砾石含量，结果发现探地雷达(GPR)受探测器分辨率影响，不能区分直径小于20mm的砾石与其他团聚体。Tetegan等人利用电阻率技术在现场测量砾石含量，并获得了相当准确的结果，但是土壤湿度会影响电阻率信号，严重影响测量精度。另外，目测估计法在野外调查中也广泛使用，是一种比较可靠的砾石含量测量方法，其原理是假设砾石在土壤中的体积百分比等于其剖面二维图像中的面积百分比。然而，目测估计法也有一些局限性，因为目测估计法需要目测者具有多年的经验才能得到准确的结果，而结果在不同的观察者之间往往是不同的。因此，客观、精确地检测土壤砾石特征仍然是一个挑战。

另外土壤学研究者在石质山区取样经常遇到难题。很难将普通环刀压进石质土壤中，并且在这个过程中，环刀很容易被小的砾石损坏。当环刀遇到砾石时可能无法采集位于环刀边缘的砾石，这一点在砾石体积较大和含量较高时尤其明显。此外，环刀取样的土壤体积有限，石质土壤中样本代表性较差的问题一直存在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石质山区土壤砾石特征检测方法，以解决传统土壤砾石含量检测所采用的挖掘测量法费时费力、劳动密集并且破坏性极强的技术问题。

本发明利用高分辨率微计算机层析成像技术(μCT)以及lysimeters采样系统并结合Fiji软件完成石质山区土壤砾石大小及含量的测定并实现砾石的空间结构特征三维可视化。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种石质山区土壤砾石特征检测方法，包括以下步骤：