24、X射线CT数据在土壤模型中的集成应用

X射线CT数据在土壤模型中的集成应用

1 不饱和水条件下的应用

1.1 经典建模与测量难题

土壤水分运动经典建模采用Richards方程，它结合了质量守恒以及部分饱和导水率和土壤吸力特性的两个平衡测量。然而，这两项测量耗时较长，且导水率和吸力特性存在滞后现象，即测量时样品的干湿状态会使曲线形状不同。为捕捉滞后现象，需进行大量精确的干湿实验，耗时数周甚至数月。不过，Berg等人利用X射线CT直接成像砂岩样品中的Haine跳跃，为未来加速测量过程带来了希望。

1.2 Haine跳跃的预测与建模

目前，Haine跳跃可通过建模预测。Daly和Roose建立了在X射线CT图像上应用的数学基础，Cooper等人进一步拓展了相关工作，考虑了植物分泌物对水分释放曲线和导水率的影响。

1.3 部分饱和导水率曲线的获取

虽然可以通过扫描干湿过程中的土壤样品并分割水 - 矿物和水 - 空气界面来获取部分饱和导水率曲线，但这是一项高强度的图像分析工作。更好的方法是结合土壤孔隙空间成像，通过计算预测干湿过程对部分饱和导水率和土壤吸力特性的影响。这得益于均匀化理论的严格应用，该理论假设土壤等复合材料由许多小部分组成，存在微观尺度和宏观尺度，通过微扰方法确定微观特征对宏观尺度的影响。

1.4 X射线CT数据的间接集成应用

• 修正方程预测导水率 ：Rezanezhad等人提出修正的Kozeny - Carman方程，考虑土壤充气孔隙率，从不同含水量的泥炭土X射线CT图像中提取参数，预测导水率与实验测量结果吻合较好。
• 提取参数用于水流模型 ：快速扫描受降雨入渗影响的土壤柱的X射线CT数据，可提取两个关键参数用于一维宏观优先水流模型，改善了对大孔隙和土壤基质间水分交换的理解。
• 计算土壤水力函数 ：通过3 - D X射线CT成像获取孔隙大小分布，利用Young - Laplace方程计算水分释放曲线，进而使用宏观数值单峰和双孔隙度模型计算土壤水力函数，补充X射线CT图像数据可改善双孔隙度模型的校准和近饱和水力函数的预测。
• 表征孔隙空间分形几何 ：孔隙尺度成像可用于表征孔隙空间和水分布的分形几何，有助于确定多孔介质的气体传输和渗透率。一些研究基于分形理论开发了描述土壤非饱和导水率的模型。
• 集成到三维数值模型 ：X射线CT图像信息可间接集成到水和溶质传输的三维宏观数值模型中，计算网格覆盖整个区域。溶质扩散模拟对局部饱和导水率差异敏感，但对局部弥散度不敏感。此外，结合磁共振成像数据可确定被困空气的分布，其空间分布对出流率的影响大于体积。
• 模拟非饱和流体流动 ：通过比较基于图像的模型预测和半经验方程，可更好地理解非饱和条件下的溶质传输，验证直接基于图像的模型的稳健性。还有研究利用平衡的空气和水分布信息，直接集成到简化的自由表面模型中预测非饱和水流。最后，可间接利用X射线CT数据生成更简单的空间显式模型来模拟土壤中的非饱和流体流动。

以下是一个简单的流程图表述上述部分内容：

graph LR
    A[X射线CT成像] --> B[获取孔隙大小分布]
    B --> C[计算水分释放曲线]
    C --> D[计算土壤水力函数]
    A --> E[提取充气孔隙率参数]
    E --> F[修正方程预测导水率]
    A --> G[提取水流模型参数]
    G --> H[改善水分交换理解]

表1：X射线CT数据间接集成应用总结
|应用方向|具体方法|效果|
| ---- | ---- | ---- |
|预测导水率|修正Kozeny - Carman方程，提取充气孔隙率参数|预测与实验测量吻合较好|
|水流模型|提取关键参数用于一维宏观优先水流模型|改善水分交换理解|
|计算水力函数|利用孔隙大小分布计算水分释放曲线，使用宏观数值模型|改善模型校准和预测|
|表征分形几何|基于X射线CT成像开发分形理论模型|确定气体传输和渗透率|
|三维数值模型|结合图像信息和其他数据确定被困空气分布|影响出流率|
|模拟非饱和水流|比较模型预测和半经验方程，集成分布信息到模型|理解溶质传输，验证模型|

2 生物过程建模

2.1 微生物活动建模

2.1.1 真菌生长模拟

基于图像的模型正逐渐将土壤生物活动纳入其中，例如对真菌生长的模拟。Falconer等人将未扰动砂壤土的X射线CT图像直接集成到真菌生长动态的图像模型中。他们将真菌菌丝生物量分为绝缘、非绝缘和移动三种生物量分数，通过求解偏微分方程组模拟真菌生物量在孔隙空间的扩散。水含量通过格子玻尔兹曼方法（LBM）计算，结果表明，水分饱和条件的增加会显著降低真菌生长，且水填充孔隙的空间位置而非水含量本身对真菌生长和空间扩展有重要影响。

2.1.2 细菌生存与共存研究

X射线CT成像的土壤结构可用于研究不同细菌物种在土壤中的生存和共存。Portell等人将未扰动壤土的X射线CT数据集成到数值网格中，结合LBM模型和个体模型，考虑溶解有机碳的扩散和微生物活动，研究了三种不同竞争特性细菌菌株的共存情况。结果显示，有机物质的空间分布对菌株分布有很大影响，但对总微生物生物量的影响较小，且竞争较弱的菌株在靠近大量有机物质时能与其他菌株有相同程度的生长。

2.1.3 有机物质分解模拟

Ngom等人将X射线CT结构信息集成到图像模型中，研究了不同耕作方式下粉质壤土的土壤孔隙结构对有机物质分解的影响。他们通过形态学方法处理X射线CT数据，模拟水分保留曲线和有机物质分解过程。结果表明，传统耕作处理中较小的孤立孔隙会降低微生物对有机物质的可利用性，阻碍矿化作用，而草地处理中更连通的孔隙空间则有利于有机物质的矿化。

2.1.4 施肥对微生物活动的影响

Ruiz等人采用直接有限元方法研究了施肥对微生物群落健康的影响。他们通过X射线CT成像分割土壤相、空气相和肥料颗粒，计算孔隙空间中的水分布，模拟氮在水中的扩散和转化过程。研究发现，氮在水中的扩散和浓度关键取决于土壤湿度和化学物质种类，并预测了干燥条件下肥料颗粒周围铵和硝酸盐的最大浓度。

2.1.5 间接建模研究

除了直接方法，X射线CT数据也被间接用于建模研究。例如，Resat等人利用X射线CT图像的统计估计生成简化的土壤团聚体结构，研究了微生物获取碳的不同策略，发现两种策略的共存可提高纤维素利用效率并降低随机性，且细菌生长动态是底物降解动力学、酶动力学和扩散过程的平衡结果。

以下是真菌生长模拟的流程：

graph LR
    A[X射线CT成像土壤] --> B[提取孔隙空间信息]
    B --> C[定义真菌生物量分数]
    C --> D[建立偏微分方程组]
    D --> E[求解方程组模拟扩散]
    F[LBM计算水含量] --> E
    E --> G[分析真菌生长情况]

表2：微生物活动建模研究总结
|研究对象|建模方法|主要发现|
| ---- | ---- | ---- |
|真菌生长|集成X射线CT图像到模型，定义生物量分数，求解偏微分方程|水分饱和增加降低真菌生长，水填充孔隙位置影响大|
|细菌共存|结合LBM和个体模型，考虑有机碳扩散和微生物活动|有机物质空间分布影响菌株分布，对总生物量影响小|
|有机物质分解|形态学处理X射线CT数据，模拟水分保留和分解过程|传统耕作孔隙阻碍矿化，草地孔隙利于矿化|
|施肥影响|直接有限元方法，模拟氮扩散和转化|氮扩散和浓度取决于土壤湿度和化学物质|
|微生物策略|间接生成简化土壤结构，研究碳获取策略|两种策略共存提高效率，细菌生长是多种过程平衡|

2.2 土壤动物活动对土壤结构和功能的影响

土壤动物的掘穴活动使土壤结构成为一个高度动态的变量。Bastardie等人通过间接方法从X射线CT图像中提取蚯蚓洞穴的统计信息，生成简化的三维网络模拟饱和水流。他们发现，洞穴系统的连通性而非孔隙空间体积和洞穴互连性对多孔介质的渗透性更重要。目前，虽然有通过重复X射线CT扫描来观察蚯蚓对土壤结构的时间性改变，但这些信息尚未直接应用于模型中。

综上所述，X射线CT数据在土壤模型中的集成应用为研究土壤水分运动、生物过程等提供了有力的工具，未来有望进一步拓展其应用范围，更深入地理解土壤的复杂过程。