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CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

日期: 2025-12-04
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CT技术是一种非破坏性三维成像技术,利用X射线扫描样品,通过重建算法生成样品内部结构的高分辨率三维图像。CT技术通过实现从土壤微观结构到植物器官内部形态的无损三维成像与定量分析,为土壤学、植物学及其界面过程的多尺度机制研究提供了前所未有的视角与方法支撑。


 1.土壤应用方向分析:


  • 土壤孔隙结构与水分、气体运移

  • 土壤团聚体形成、稳定性及养分保持机制

  • 土壤动物活动痕迹及其对土壤结构的影响

  • 土壤-微生物空间分布与微生境分析


 2.植物应用方向分析:


  • 植物根系构型、分布及其与土壤互作

  • 茎秆、叶片、种子、果实等器官的内部三维结构

  • 植物维管系统、孔隙网络与水分输导研究

  • 植物响应环境胁迫(如干旱、淹水、机械损伤)的结构变化


 3. 土壤-植物交叉研究方向


  • 根-土界面互作过程与资源获取策略

  • 根系生长对土壤结构的塑造效应

  • 根际微域中水分、养分与微生物的空间异质性

  • 植物根系与土壤动物、微生物的互作可视化


如下是土壤、植物相关样品CT检测相关图例展示和相关分析介绍,如需检测该指标欢迎联系文末工作人员详细沟通~

01

土壤柱状样品


 1、取样:

用小铲子清除土壤表面的杂物,CT扫描原状土柱采集使用高强度抗压PVC管(高10 cm,内径5 cm)进行操作。取样前将PVC管一端打磨成刀刃状打入土中进行取样,采集深度为5-10 cm。采样完成后,用保鲜膜对PVC管进行密封用于Micro-CT扫描。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 2、检测 

Micro-CT扫描通过计算机控制射线源发出射线束,旋转样品台承载所取的原状土柱,以0.5°/s的速度旋转,平板探测器负责采集扫描获得的系列投影数据,最后计算机通过将采集到的投影数据重建为土壤的横切片图像,每个样品可重建出大概1600张横切面图像。扫描过程中电压最大为160 kV和电流50 μA左右,扫描精度为25.5 μm

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 3、图像分析 

使用Avizo软件对上述重建后的图像进行图像处理。1.对样品倾斜角度进行矫正,并选择感兴趣区域(ROI),将其余部分裁切掉,减少数据内存大小。2.选择合适的滤波方式使样品的边界更加明显或去除多余的噪点。3.进行阈值分割提取土壤孔隙,选择合适的阈值范围,准确分割土壤孔隙。4.通过算法区分孤立孔隙和连通孔隙。5.计算孤立孔隙的直径、面积、体积等参数。6.连通孔隙可通过孔隙网络模型(PNM)计算出孔隙的直径、面积、体积及吼道的长度等参数。7.孔隙结构的3D表征展示。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

土壤孔隙提取


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

孤立孔隙:


孔隙大小、面积、体积等


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

连通孔隙:


可通过孔隙网络模型计算孔隙大小、面积、体积、厚道长度、直径等


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

  


孔隙网络模型(PNM)



02

土壤团聚体样品


 1、取样 

环刀取样,过筛(不同孔径的筛子,根据用户需求)。


 2、检测 

扫描精度根据团聚体的大小所用精度不同,2mm左右的团聚体扫描时间大概需要40 min,扫描过程中电压80 kV,电流80 μA。


 3、图像分析 

同土柱样品。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

团聚体孔隙提取



CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


03

植物枝条样品


 1、采样 

n年生植物枝条,至于密封袋中低温保存带回实验室。将枝条从密封袋中去除,放入冷冻干燥仪中进行冷冻干燥。干燥结束,将枝条取出并放入防潮柜中,防止枝条返潮,待测。


 2、检测 

以0.2°/s的旋转步长进行扫描,获得的系列投影数据,通过将采集到的投影数据重建为土壤的横切片图像,每个样品可重建出大概2000张横切面图像。扫描过程中电压最大为50 kV和电流110 μA左右,扫描精度为5 μm。


 3、图像分析 

1.样品倾斜校正。2.滤波去噪点。3.选择感兴趣区域(ROI)。4.阈值分割进行植物木质部导管提取。5.导管参数计算。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)
CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

可获得的参数:导管数量、长度、面积、体积、导管的直径等




04

寄生植物样品


 1.印度檀香(半寄生植物,根寄生)

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 2.广寄生(半寄生植物,茎寄生)

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


# 栢晖 #


—特色检测指标—

土壤、植物酶活检测

氨基糖、PLFA及其同位素、磷组分

木质素酚CUE、有机氮组分、有机酸

氨基酸、微生物量碳氮磷同位素

苯多羧酸、红外光谱、微生物多样性等

其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


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    2026 - 06 - 26
    原名:Precipitation alters the microbial necromass carbon contribution to soil organic carbon in a desert shrub ecosystem译名:降水改变了荒漠灌丛生态系统微生物残体碳对土壤有机碳的贡献期刊:Applied Soil EcologyIF:5.4 发表日期: 2026.1.22(网络首发2025年) 第一作者:徐红伟 四川农业大学林业学院,长江上游森林与生态恢复四川省重点实验室,四川峨眉山森林生态系统国家野外科学观测研究站 背景:在干旱和半干旱生态系统中,植被和土壤对降水变化高度敏感。降水变化通过改变土壤含水量,进而影响植物生长和土壤功能。增加降水(PP+)可提高土壤含水量,促进植物生物量增加、土壤酶活性提高、微生物多样性增加和碳固存增强;而减少降水(PP−)则导致土壤干旱,限制植物生长,降低生态系统生产力和微生物活性,从而导致土壤退化。土壤微生物残体碳是土壤有机碳(SOC)的关键来源,其对SOC的贡献在陆地生态系统中超过60%。微生物残体碳的积累主要受植物碳输入和微生物代谢活动的影响。降水变化通过影响植物生长、凋落物输入、土壤水分和养分有效性,进而调控微生物残体碳的积累过程。然而,在干旱和半干旱地区,降水变化如何影响微生物残体碳和SOC积累,以及微生物残体碳对SOC的贡献机制尚不清楚。此外,降水变化的幅度也是影响微生物残体碳和SOC积累的重要因素。过低的降水减少会限制植物和微生物生长,而过高的降水增加可能降低土壤孔隙度,抑制微生物活性和凋落物分解。因此,识别降水变化的强度阈值对于理解脆弱生态系统碳循环对全球降水变化的响应及实施生态恢复干预具有重要意义。 图1:降水变化对土壤微生物残体碳和土壤有机碳影响的概念框架科学问题:(1...
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    2026 - 06 - 22
    在小说阅读器读本章去阅读在小说阅读器中沉浸阅读文献信息原名:Erosion-induced soil heterogeneity determines the fate of plant litter carbon via divergent microbial pathways译名:侵蚀造成的土壤异质性通过分异的微生物途径决定植物凋落物碳的去向期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:10.3发表日期:2026年5月通讯作者:王祥第一作者:石佳第一单位:中国农业大学土地科学与技术学院背景土壤有机质是全球碳循环与农业可持续性的核心,其中矿物结合态有机质(MAOM)是土壤中最持久、储量最大的碳组分,主要源于微生物对植物凋落物的分解与转化。土壤侵蚀在景观尺度上形成非侵蚀、侵蚀和沉积等生物地球化学环境迥异的区域,改变了微生物群落与底物有效性,进而影响新鲜碳输入的土壤去向。在中国东北黑土区,长期侵蚀导致表土流失,免耕结合根茬覆盖被广泛采用。然而,新鲜凋落物添加可能引发正激发效应(加速原生SOM分解),抵消碳固持;反之,“续埋效应”可能促进固碳。激发效应的方向与强度取决于凋落物类型与土壤固有条件的相互作用,但目前沿侵蚀梯度这一作用如何调控凋落物碳的归宿尚不明确。因此,亟需明确不同侵蚀位置下凋落物类型对激发效应及MAOM形成效率的影响,为因地制宜的碳管理提供依据。科学问题(1)在不同侵蚀位置(未侵蚀的坡上、侵蚀的坡中和沉积区),秸秆与根茬输入如何通过不同的微生物机制调控激发效应的方向与强度?(2)在不同侵蚀位置(未侵蚀的坡上、侵蚀的坡中和沉积区),凋落物源碳向 MAOM 的稳定效率是否存在显著差异?材料与方法(1)试验地概况:试验地位于黑土区(吉林省伊通县),属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均温5.5 °C、年均降水651.7 mm。(2...
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    2026 - 05 - 21
    华南植物园鲁显楷研究员团队在《全球变化生物学》发表最新研究,通过长达20年的野外氮添加试验,发现长期高氮沉降不但未减少热带森林植物地下碳分配,反而驱动植物上调根系分泌物来活化土壤磷,为破解热带森林碳汇维持之谜提供关键机制。 近半个世纪多以来,全球氮沉降持续加剧扰乱了生态系统的氮磷平衡,尤其是在有效磷相对匮乏的热带亚热带地区。基于温带氮限制生态系统的大量经验研究,形成了经典认知:施氮会缓解植物对氮的竞争,从而减少光合产物向地下的分配,尤其降低根系分泌物的释放。然而,这一范式能否直接套用于“富氮”但磷匮乏的热带亚热带森林,长期缺乏实验证据,这成为预测高氮沉降背景下森林碳-磷反馈与生态系统稳定性的关键认知瓶颈。为了破解这一瓶颈,研究团队于2002年在广东鼎湖山国家级自然保护区原始林(季风常绿阔叶林)建立了长期连续氮添加实验样地(4种梯度:0,50,100和150 kg N ha⁻¹ year⁻¹),系统探讨了热带森林植物如何通过调节根系分泌物及其介导的土壤磷动态来适应长期高氮沉降。研究发现,面对长期氮沉降引发的土壤有效氮磷失衡,热带森林植物并未“吝啬”其碳资源,反而进化出了一种积极的适应机制:一是通过提高根系分泌物碳输入速率,激发微生物磷酸酶活性,加速有机磷矿化;二是增强有机酸释放,促进矿物结合态磷的溶解。其中,有机酸途径起主导作用,其驱动的磷释放约为磷酸酶途径的2倍。这些结果表明,持续高氮沉降下,热带森林植物可通过“支付”更多的光合碳产物,换取维持生长所必需的磷,建立起了“根系分泌物-土壤磷活化”的正反馈循环。该研究首次证实热带植物能通过上调根系分泌物释放来适应长期高氮沉降,修正了“氮沉降导致地下碳分配减少”的传统观点。这一发现不仅解释了热带“富氮”森林如何维持高生产力与稳定性,还表明生态系统在面对长期环境压力时可能拥有更复杂的主动适应策略,这对预...
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    2026 - 05 - 20
    文献信息:原名:Mycorrhizal Type Defines Priming Effects in Organic and Mineral Forest Soils译名:菌根类型调控森林土壤有机层与矿质层的激发效应期刊:Global Change BiologyIF:12.0发表日期:2026年3月第一作者:柳雄辉 中南林业科技大学通讯作者:陈亮教授 中南林业科技大学 背景:森林土壤有机碳是陆地碳库的核心,其周转受微生物激发效应(新鲜碳输入改变原有SOC分解速率)的影响。丛枝菌根(AM)与外生菌根(ECM)树种会形成不同的土壤环境,显著影响碳库分布与稳定性。现有研究已证实菌根类型驱动土壤碳循环差异,但菌根类型如何在不同土壤深度上调控激发效应,目前尚不清楚。 研究目的:明确菌根类型(AM/ECM)如何调控森林土壤激发效应,以及这种调控是否存在土层深度依赖性。当前研究大多仅关注表层土壤,仍不清楚在有机层与矿质层中,菌根如何通过碳库稳定性、氮素有效性、微生物功能基因等途径差异调控激发效应,缺乏菌根类型与土层深度交互作用下土壤激发效应的机制解析。 实验设计:1、采样地点:中国湖南省长沙县大山冲森林公园(28°23′N,113°19′E)。该森林公园是中国东南部典型的亚热带天然林,年均降水量1416 mm,年均气温17.3℃,优势树种林龄约65 年,土壤类型为红色壤土。2、样地设置:根据菌根类型梯度设置27 个样地( 10 m×10 m ),分为三组:外生菌根(ECM)样地、丛枝菌根(AM)样地、混合样地。其中ECM 树种包括:青冈、石栎、马尾松、白栎等;AM 树种包括:日本杜英、香樟、南酸枣、杉木等。3、土壤采样:在每个样地分别采集0-10 cm有机表土和10-30 cm矿质下层土。每个样地设置 5 个采样点:中心 1...
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案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
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