[發明專利]石質山區土壤礫石特征檢測方法

在審

• 申請號: 202110944017.2
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113514483A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 張志華;蘇智冉;石岳峰;桑玉強;王德彩
• 申請（專利權）人: 河南農業大學
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046;G01N1/08;G06T5/00;G06T7/00;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/62;G06T17/00
• 代理公司: 河南科技通律師事務所 41123
• 代理人: 李揚

本發明公開了一種石質山區土壤礫石特征檢測方法，旨在解決傳統土壤礫石含量檢測所采用的挖掘測量法費時費力、勞動密集并且破壞性極強的技術問題。其包括以下步驟：（1）原狀土芯獲取；（2）CT掃描；（3）圖像閾值確定；（4）圖像增強；（5）ROI選取與二值圖像轉化；（6）土壤礫石三維結構可視化；（7）土壤礫石三維結構定量分析。本發明利用專業原狀土壤采樣儀器采樣減少原狀土采集過程中的擾動，CT掃描儀器與三維分析軟件相結合采用最合適的閾值分割方法實現對土壤礫石空間結構的三維量化分析，深度還原土壤礫石的分布特征并提高工作效率減小環境破壞。

技術領域

本發明涉及土壤礫石技術領域，具體涉及一種石質山區土壤礫石特征檢測方法。

背景技術

土壤中的礫石根據其尺寸和外形在不同的分類系統中有不同的定義，通常認為直徑≥2mm、相對獨立且不易破碎的礦物質顆粒為礫石，含礫石的土壤稱作石質土壤。礫石的含量、大小以及空間分布等特征不僅影響土壤的物理、化學和生物特性，而且會改變土壤的孔隙率、導水性、入滲和限制根系生長等，進而影響土壤水文和侵蝕過程以及土壤的蓄水能力和土壤肥力。因此，客觀、精確地檢測土壤礫石特征對于土壤管理、土壤調查和分類、土壤養分儲量和持水能力評估至關重要。

挖掘-測量法是測定礫石特征最直接和最普遍使用的方法。一般情況下會挖掘一個規則的圓柱形或立方體型的土坑，保證坑壁豎直并且底部平整，通過尺子測量各部位維度計算得到挖出石質土壤體積，然后人工篩出直徑≥2mm的礫石并利用排水法測定礫石體積，最終計算出土壤礫石含量。但是由于坑壁上會有突出礫石，很難保證所挖的圓柱形或立方體型坑規則，會影響計算坑中挖取石質土壤的總體積從而嚴重影響礫石體積含量計算結果。另外石質土壤大多處于山地林區，采樣點遠離道路，大型挖掘工具難以接近，置換材料等運輸較為困難，實地測量過程中挖掘-測量法的最大缺點是破壞原狀土壤結構，不能重復測定和校驗。除此以外，為了保證采樣點的代表性需要增加采樣點的數目，為了保證測定精度對于較大尺寸的礫石需要增大坑的體積。這些因素決定挖掘-測量法實際操作費時耗力、勞動強度大、破壞原狀土壤結構，在此處添加只能計算礫石含量，無法準確定量描述礫石形狀、大小、空間分布等三維特征。

近年來已有不少學者提出了測定土壤礫石的新方法。Viro開發了一種現場快速測量礫石含量的“棒-穿透法（rod-penetration method）”，但其需要在極短的時間內完成測定以確保測量結果的精度，并且這種方法并不適用在檢測直徑大于20mm的礫石。Eriksson和Holmgren使用探地雷達(GPR)測量森林土壤礫石含量，結果發現探地雷達(GPR)受探測器分辨率影響，不能區分直徑小于20mm的礫石與其他團聚體。Tetegan等人利用電阻率技術在現場測量礫石含量，并獲得了相當準確的結果，但是土壤濕度會影響電阻率信號，嚴重影響測量精度。另外，目測估計法在野外調查中也廣泛使用，是一種比較可靠的礫石含量測量方法，其原理是假設礫石在土壤中的體積百分比等于其剖面二維圖像中的面積百分比。然而，目測估計法也有一些局限性，因為目測估計法需要目測者具有多年的經驗才能得到準確的結果，而結果在不同的觀察者之間往往是不同的。因此，客觀、精確地檢測土壤礫石特征仍然是一個挑戰。

另外土壤學研究者在石質山區取樣經常遇到難題。很難將普通環刀壓進石質土壤中，并且在這個過程中，環刀很容易被小的礫石損壞。當環刀遇到礫石時可能無法采集位于環刀邊緣的礫石，這一點在礫石體積較大和含量較高時尤其明顯。此外，環刀取樣的土壤體積有限，石質土壤中樣本代表性較差的問題一直存在。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種石質山區土壤礫石特征檢測方法，以解決傳統土壤礫石含量檢測所采用的挖掘測量法費時費力、勞動密集并且破壞性極強的技術問題。

本發明利用高分辨率微計算機層析成像技術(μCT)以及lysimeters采樣系統并結合Fiji軟件完成石質山區土壤礫石大小及含量的測定并實現礫石的空間結構特征三維可視化。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

設計一種石質山區土壤礫石特征檢測方法，包括以下步驟：