本发明属于农业工程
技术领域：
，涉及一种基于可升降夹具的CT扫描探测土壤及根系结构的方法，尤其涉及一种基于可升降磁式样品夹具且适用于三维微纳CT扫描探测土壤及植物根系微结构的方法。
背景技术：
：土壤所构成的土壤圈是自然环境中物质循环和能量转换的重要场所，是生态环境最活跃最富生命力的圈层之一。由于环境变迁、人口增长和生态环境的破坏，土壤所面临的问题日益严重。近年来，国家在农业、环境等方面的科研重点均提到了土地结构、水土流失、土壤污染等问题。我国作为一个农业大国，土壤质量是农业发展立足之本。作为植株体不可分割的一个有机组成部分，植物根系在植物生命活动中具有多方面的功能，其最重要的作用是在植物营养与代谢合成中占有重要地位。植物根系不仅仅是一个吸收器官，而且是地上地下物质与信息交换的两大系统之一。该两系统相互依存、相互制约，具有明显的相关性。多年来的研究结果认为，植物根系在其生长发育过程中可以合成氨基酸、激素和其他生理活性物质等，并与地上部有关器官互通有无，从而保证了整株植物生长发育的正常进行。此外，根系还是品种的基本特性之一，是植物生长发育壮弱的衡量指标，还可以作为对土壤物理、化学等环境综合反映的指标等。早在20世纪30年代，weaver就指出，要科学地理解作物生产，就必须全面地认识作物根系发育、根系分布、不同生育时期根系吸收水分养分的活力，以及不同环境条件下的根系变化。一般认为，由于根系在植物生命活动和生长发育过程中具有重要作用。因此，研究根系的形态特征、生理功能、生长发育规律、根系生态、根系调控技术等则具有重大的理论和生产实践意义。如上所述，在植物的生长繁育过程中，土壤作为其营养库使养分在其中转化和循环，涵养雨水为其提供所需水分，支撑数量巨大的生物群为其提供活力，稳定和缓冲环境变化让其恣意生长。而植物的生长状态也能在一定程度上反映土壤的综合指标。但土壤的不透明性在一定程度上阻碍了人们对土壤以及土壤中根系的研究。人们通常对土壤进行的物理分析方法如利用测控仪测定土壤结构、用气相色谱仪测定土壤空气组成等，都必须对土壤作一些前处理从而进行下一步的分析，这些方法无法准确地得到土壤的真实结构，比如土壤固相颗粒的排列形式、孔隙度及团聚体的大小等，并且测定不同的指标需要做不同的处理，步骤繁琐、耗时长。1982年医用CT(Computedtomography-计算机X射线断层扫描)首次被引入土壤科学研究以后，原状土壤样本的物理分析逐渐引起研究人员的广泛关注。与常规土壤物理分析方法相比，CT具有可以在不扰动分析对象内部结构的情况下直接对原状土壤样本进行分析，且具有成像及分析速度快、可以进行三维立体分析等优势。目前在土壤科学研究中，CT可以根据土壤对射线的吸收与其容重和湿度存在显著线性关系的原理测量土壤容重和水分空间分布，也可以通过图象重建揭示大孔隙三维结构的空间分布及变异，还有一些利用CT来研究蚯蚓地下洞穴系统特征等。研究人员也把CT引入根际土壤-作物-环境这样复杂的系统中，进行非扰动的定量定形分析。传统分析植物根系的方法比如光学显微镜和野外示踪技术法都存在不精确和费时费力的缺陷，而CT则可以做到定量动态地同时观察土壤结构特性、根际区域的作物生长和根系发育之间的关系。近年来，CT分析技术在国外土壤科学研究中开始应用，但国内在这方面起步较晚。进口CT设备以及基于进口CT设备的分析费用高昂是制约CT在土壤科学研究领域广泛应用的主要原因，因此，当前土壤科学研究的发展向国产CT技术的改良提出了新的需求。再者多数CT并不针对扫描探测土壤及植物根系结构进行研发，样品台也并不适用于该样本，因此，开发出适用于相应国产CT扫描探测土壤及植物根系微结构样品支架以及开发一种基于该可升降磁式样品夹具且适用于三维微纳CT扫描探测土壤及植物根系微结构的方法也是使探测土壤及其根系微结构方便快捷的重要环节。技术实现要素：有鉴于此，本发明为了解决现有根系CT扫描探测技术所使用的样品夹具不能调整高度且不适用于植物根系样品整体和局部分别检测的问题，提供一种基于可升降夹具的CT扫描探测土壤及根系结构的方法。为达到上述目的，本发明提供一种基于可升降夹具的CT扫描探测土壤及根系结构的方法，包括如下步骤：A、样品采集：将待检测的样品分别采用专用工具进行采集，其中土壤样品采集为使用透明有机玻璃管或聚氯乙烯管换刀法直接采样，用透明薄膜将土壤样品两端进行包裹，得到微纳CT检测可使用的标准非扰动土柱样品；植物根芯片样品采集为将保存好的干燥种子置于滤纸床上加入清水并在37℃孵箱中孵育48小时，取活性植物种子置于芯片中心部位，用琼脂将种子固定并保持种子的湿润，每天早晚定时通过进液孔向芯片中加入1mL的二次水使种子保持生长，培养箱中培养两周，得到在芯片腔室中具有根系分布的植物根芯片，该芯片内植物根系不受外界扰动，为增加影响密度，提升芯片拍照效果，可以将芯片中二次水吸出，填充进显影剂碘酊后置于4℃冰箱内待碘酊干透；B、样品固定：将待检测的样品固定安装在支架上，支架相对滑动卡在底板上的升降槽内，支架上的磁条槽内放置磁条，通过磁条和放置在升降槽外壁上的磁铁将支架固定在升降槽内的合适高度，其中待检测的样品为植物根芯片或者带土柱的试管；C、CT扫描：将固定待检测样品的升降装置置于CT扫描仪的工作台上进行扫描探测，其中扫描分辨率≤6μm，其中微焦X射线源最大能量为70kV，最大电流为210μA，最小焦点为50μm，CT扫描仪工作台径向跳动≤96nm，轴向跳动≤80nm，定位精度≤4.8″，其中CT扫描采用型号为CD-300BX/μCT的微纳CT对固定在CT扫描仪工作台上的样品进行扫描，得到原始数据，其中每10副图像的扫描时间小于1s；D、数据处理：采用ZCVAS4.0的系统软件对原始数据进行重建，同时通过调整不同的灰度对比度得到不同位置的三维切片，其中1024x1024图像重建时间小于1秒，使用ImageJ、Image-ProPlus软件对得到的切片进行分析处理植物根系的分析参数和土壤结构的分析参数，对上述数据进行统计分析。进一步，步骤B中用于测试植物根芯片整体结构的支架呈板状，支架的宽度与升降槽两侧槽内壁之间的距离相同，支架卡设在升降槽内，支架上部开设圆形的样品槽，样品槽的两侧安装有固定夹，通过该固定夹将待检测的植物根芯片固定。进一步，步骤B中用于测试植物根芯片局部结构的支架呈板状，支架的宽度与升降槽两侧槽内壁之间的距离相同，支架卡设在升降槽内，支架上端中部开设有半圆形的卡槽，待检测植物根芯片的中心轴卡在该卡槽内且植物根芯片能够相对该卡槽转动。进一步，步骤B中用于测试土壤结构的支架为两根卡设在升降槽内的支撑杆，磁条槽的个数为2个，磁条槽分别开设在支撑杆下部居中位置，支撑杆上方固定安装有两个置物台，上方置物台中部开设有圆形的通槽，下方置物台中部开设有凹陷的弧形底，通过该通槽和弧形底能够将待检测的带土柱试管固定在支架上。进一步，步骤B中升降槽两侧为“C”字形滑槽或者“U”字形滑槽。进一步，步骤D中植物根系的分析参数有根系分布情况、根系尺寸、根系数量、根系平均长度，土壤结构的分析参数有土壤的粒径、孔隙度及团聚体的大小。本发明的有益效果在于：1、本发明基于可升降夹具的CT扫描探测土壤及根系结构的方法使用的可升降测试夹具，将待检测的植物根芯片卡设在支架上方的圆形样品槽内，通过样品槽两侧的固定夹将植物根芯片固定，然后根据需要上下调节支架的高度，即通过放置在升降槽外壁上磁铁与磁条的配合将支架固定在合适高度，这样将整个装置置于CT扫描仪中的工作台上就能对植物根系的整体情况进行扫描探测。将待检测植物根芯片的中心轴卡在支架上的卡槽内，转动植物根芯片至待检测区域，然后根据需要上下调节支架的高度，即通过磁铁与磁条的配合将支架固定在合适高度，这样将整个装置置于CT扫描仪中的工作台上就能对植物根系的局部情况进行扫描探测。将待检测的土壤试管放置在置物台上，土壤试管的底部卡在下方置物台的弧形底中，防止土壤试管来回晃动，影响测试效果，然后根据需要上下调节支架或者支撑杆的高度，即通过磁铁与磁条的配合将支架或者支撑杆固定在合适高度，这样将整个装置置于CT扫描仪中的工作台上就能对土壤固相颗粒的排列形式、孔隙度及团聚体的大小等情况进行扫描探测。2、本发明基于可升降夹具的CT扫描探测土壤及根系结构的方法使用的可升降测试夹具，操作简单，这种插入式底座可以固定在不同CT设备的工作台上且可插入不同形状的支架以测定不同需求的样品，同时该可升降式支架可以根据对应CT出束的高度进行样品的调节，因此该装置可以适用于不同型号的CT设备以及不同尺寸的工作台，适用性强。3、本发明基于可升降夹具的CT扫描探测根系结构的方法，通过整体扫描，可以观测到植物根芯片中根系整体大致的分布情况；通过局部扫描，从置放种子腔室的图像中可以看出种子内胚根受重力影响以及对芯片腔室内水分的趋向性，从不同小室内根分布情况的比较可以看出小室内根的数量、长度受水分量的影响。4、本发明基于可升降夹具的CT扫描探测土壤的方法，能够达到在不改变原有土壤结构而获得土壤的粒径、孔隙度及团聚体的大小等数据的目的，这为土壤科学的研究提供了新的研究方向，为土壤生态学的研究提供了新的技术。我国作为一个农业大国，目前面临着水土流失严重、土地次生盐渍化面积增大、耕地肥力下降等诸多问题，这些问题的解决都与土壤微结构的探测息息相关，与我们的生活更是密不可分。若能将CT扫描技术广泛应用于土壤修复等领域，我国农业的发展必将迈出新的一步。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：图1为本发明实施例1中CT扫描探测植物根系整体结构夹具的结构示意图；图2为本发明实施例1中CT扫描探测植物根系整体结构夹具的正视图；图3为本发明实施例1中CT扫描探测植物根系整体结构夹具的侧视图；图4为本发明实施例1中CT扫描探测植物根系整体结构夹具的俯视图；图5为本发明实施例2中CT扫描探测植物根系局部结构夹具的结构示意图；图6为本发明实施例2中CT扫描探测植物根系局部结构夹具的正视图；图7为本发明实施例2中CT扫描探测植物根系局部结构夹具的侧视图；图8为本发明实施例2中CT扫描探测植物根系局部结构夹具的俯视图；图9为本发明实施例3中CT扫描探测土壤结构夹具的结构示意图；图10为本发明实施例3中CT扫描探测土壤结构夹具的正视图；图11为本发明实施例3中CT扫描探测土壤结构夹具的侧视图；图12为本发明实施例3中CT扫描探测土壤结构夹具的俯视图；图13为本发明CT扫描探测植物根系结构的效果图和扫描电镜图；图14为本发明CT扫描探测土壤结构的效果图；图15为本发明CT扫描探测土壤不同截面结构的效果图。具体实施方式下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。说明书附图中的附图标记包括：底座1、支架2、升降槽3、固定夹4、磁条5、磁铁6、卡槽7、置物台8。实施例1如图1～4所示的CT扫描探测植物根系整体结构夹具，主要包括插入式的底座1和可升降的支架2；底座1包括底板和固定安装在底板上且两侧为“C”字形或者“U”字形滑槽的升降槽3，底板与升降槽3一体成型，其作用一是方便将整个装置固定在工作台上便于检测样品，作用二是降低整个装置的重心使工作台在旋转的过程中夹具不因重心不稳而掉落，支架2能够沿着升降槽3上下移动；支架2上开设磁条槽，磁条槽的个数为1个，磁条槽开设在支架2下部居中位置，磁条槽内卡设有磁条5，升降槽3的槽壁上可拆卸安装与磁条5配合使用的磁铁6，磁铁6与升降槽3相接触的一侧安装有软硅胶垫，防止磁铁6将升降槽3外壁刮坏。磁铁6与磁条5的配合使用能够调节支架2的高度，支架2上方开设有放置待检测样品的样品槽。支架2呈板状，支架2的宽度与升降槽3两侧槽内壁之间的距离相同，支架2卡设在升降槽3内，支架2上部开设圆形的样品槽，样品槽的两侧安装有固定夹4，通过该固定夹4将待检测的植物根芯片固定。底板的尺寸为8cm×4cm×0.5cm，升降槽3的尺寸为8cm×0.2cm×4.5cm，支架2的尺寸为7cm×0.5cm×10cm，磁条槽的尺寸为1cm×0.3cm×4.5cm，磁铁6的长度为2cm，磁铁6四角处呈圆弧状。一种基于可升降夹具的CT扫描探测植物根系整体结构的方法，包括如下步骤：A、样品采集：将待检测的样品分别采用专用工具进行采集，其中植物根芯片样品制备为将保存好的干燥种子置于滤纸床上加入清水并在37℃孵箱中孵育48小时，取活性植物种子置于芯片中心部位，用琼脂将种子固定并保持种子的湿润，每天早晚定时通过进液孔向芯片中加入1mL的二次水使种子保持生长，培养箱中培养两周，得到在芯片腔室中具有根系分布的植物根芯片，该芯片内植物根系不受外界扰动，为增加影响密度，提升芯片拍照效果，可以将芯片中二次水吸出，填充进显影剂碘酊后置于4℃冰箱内待碘酊干透；B、样品固定：将待检测的植物根芯片卡设在支架2上方的圆形样品槽内，通过样品槽两侧的固定夹4将植物根芯片固定，然后根据需要上下调节支架2的高度，即通过升降槽外壁上的磁铁6与磁条5的配合将支架2固定在合适高度；C、CT扫描：将固定待检测样品的升降装置置于CT扫描仪的工作台上进行扫描探测，其中扫描分辨率≤6μm，其中微焦X射线源最大能量为70kV，最大电流为210μA，最小焦点为50μm，CT扫描仪工作台径向跳动≤96nm，轴向跳动≤80nm，定位精度≤4.8″，其中CT扫描采用重庆真测股份有限公司型号为CD-300BX/μCT的微纳CT对固定在CT扫描仪工作台上的样品进行扫描，得到原始数据，其中每10副图像的扫描时间小于1s；D、数据处理：采用重庆真测股份有限公司开发的名为ZCVAS4.0的系统软件对原始数据进行重建，同时通过调整不同的灰度对比度得到不同位置的三维切片，其中1024x1024图像重建时间小于1秒，使用ImageJ、Image-ProPlus软件对得到的切片进行分析处理植物根系的分析参数如根系分布情况、根系尺寸、根系数量、根系平均长度，对上述数据进行统计分析。实施例2如图5～8所示的CT扫描探测植物根系局部结构夹具，实施例2与实施例1的区别在于，支架2呈板状，支架2的宽度与升降槽3两侧槽内壁之间的距离相同，支架2卡设在升降槽3内，支架2上端中部开设有半圆形的卡槽7，待检测植物根芯片的中心轴卡在该卡槽7内且植物根芯片能够相对该卡槽7转动。一种基于可升降夹具的CT扫描探测植物根系局部结构的方法，包括如下步骤：A、样品采集：将待检测的样品分别采用专用工具进行采集，其中植物根芯片样品制备为将保存好的干燥种子置于滤纸床上加入清水并在37℃孵箱中孵育48小时，取活性植物种子置于芯片中心部位，用琼脂将种子固定并保持种子的湿润，每天早晚定时通过进液孔向芯片中加入1mL的二次水使种子保持生长，培养箱中培养两周，得到在芯片腔室中具有根系分布的植物根芯片，该芯片内植物根系不受外界扰动，为增加影响密度，提升芯片拍照效果，可以将芯片中二次水吸出，填充进显影剂碘酊后置于4℃冰箱内待碘酊干透；B、样品固定：将待检测植物根芯片的中心轴卡在支架2上的卡槽7内，转动植物根芯片至待检测区域，然后根据需要上下调节支架2的高度，即通过升降槽外壁上的磁铁6与磁条5的配合将支架2固定在合适高度；C、CT扫描：将固定待检测样品的升降装置置于CT扫描仪的工作台上进行扫描探测，其中扫描分辨率≤6μm，其中微焦X射线源最大能量为70kV，最大电流为210μA，最小焦点为50μm，CT扫描仪工作台径向跳动≤96nm，轴向跳动≤80nm，定位精度≤4.8″，其中CT扫描采用重庆真测股份有限公司型号为CD-300BX/μCT的微纳CT对固定在CT扫描仪工作台上的样品进行扫描，得到原始数据，其中每10副图像的扫描时间小于1s；D、数据处理：采用重庆真测股份有限公司开发的名为ZCVAS4.0的系统软件对原始数据进行重建，同时通过调整不同的灰度对比度得到不同位置的三维切片，其中1024x1024图像重建时间小于1秒，使用ImageJ、Image-ProPlus软件对得到的切片进行分析处理植物根系的分析参数如根系分布情况、根系尺寸、根系数量、根系平均长度，对上述数据进行统计分析。实施例3如图9～12所示的CT扫描探测土壤结构夹具，实施例3与实施例1的区别在于，支架2为两根卡设在升降槽3内的支撑杆，磁条槽的个数为2个，磁条槽分别开设在支撑杆下部居中位置，支撑杆上方固定安装有两个置物台8，上方置物台8中部开设有圆形的通槽，下方置物台8中部开设有凹陷的弧形底，通过该通槽和弧形底能够将待检测的土壤试管固定在支架2上。置物台8与支架2一体成型，底板的尺寸为8cm×4cm×0.5cm，升降槽3的尺寸为8cm×0.2cm×4.5cm，磁条槽的尺寸为1cm×0.3cm×4.5cm，磁铁6的长度为2cm，磁铁6四角处呈圆弧状。一种基于可升降夹具的CT扫描探测土壤结构的方法，包括如下步骤：A、样品采集：将待检测的样品分别采用专用工具进行采集，其中土壤样品采集为使用透明有机玻璃管或聚氯乙烯管换刀法直接采样，用透明薄膜将土壤样品两端进行包裹，得到微纳CT检测可使用的标准非扰动土壤样品；B、样品固定：将待检测的土壤试管放置在置物台8上，土壤试管的底部卡在下方置物台8的弧形底中，防止土壤试管来回晃动，影响测试效果，然后根据需要上下调节支架2或者支撑杆的高度，即通过升降槽外壁上的磁铁6与磁条5的配合将支架2或者支撑杆固定在合适高度；C、CT扫描：将固定待检测样品的升降装置置于CT扫描仪的工作台上进行扫描探测，其中扫描分辨率≤6μm，其中微焦X射线源最大能量为70kV，最大电流为210μA，最小焦点为50μm，CT扫描仪工作台径向跳动≤96nm，轴向跳动≤80nm，定位精度≤4.8″，其中CT扫描采用重庆真测股份有限公司型号为CD-300BX/μCT的微纳CT对固定在CT扫描仪工作台上的样品进行扫描，得到原始数据，其中每10副图像的扫描时间小于1s；D、数据处理：采用重庆真测股份有限公司开发的名为ZCVAS4.0的系统软件对原始数据进行重建，同时通过调整不同的灰度对比度得到不同位置的三维切片，其中1024x1024图像重建时间小于1秒，使用ImageJ、Image-ProPlus软件对得到的切片进行分析处理土壤结构的分析参数有土壤的粒径、孔隙度及团聚体的大小，对上述数据进行统计分析。图13为三维微纳CT扫描探测植物根系结构的效果图，以水稻种子的根系为例，通过整体扫描，可以观测到芯片中水稻根系整体大致的分布情况；通过局部扫描，从置放种子腔室的图像中可以看出种子内胚根受重力影响以及对芯片腔室内水分的趋向性，从不同小室内根分布情况的比较可以看出小室内根的数量、长度受水分量的影响。图14、15为三维微纳CT扫描探测土壤结构的效果图，以甘肃GS-21土壤为例，图14为田间所采非扰动土壤样品的三维图像，图15为在三维图像中选取不同位置截面形成的切片使用ImageJ软件处理得到二值化后的图像，对上述二值化图像使用Image-ProPlus软件进行颗粒孔径分析、孔隙度分析。三维微纳CT扫描探测土壤孔径所得颗粒组成比(％)结果见表一，其中CT1-1、CT2-1为待检测土柱三维图像沿着X方向不同深度的剖切图像，CT1-2、CT2-2为待检测土柱三维图像沿着Y方向不同深度的剖切图像，CT1-3、CT2-3为待检测土柱三维图像沿着Z方向不同深度的剖切图像，这些图像展示了不同截面上土壤颗粒的分布情况。三维微纳CT扫描探测土壤孔隙度(％)结果见表二表一表二切片CT1-1CT1-2CT1-3CT2-1CT2-2CT2-3孔隙度(％)10.159.967.659.708.257.90最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。当前第1页1 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