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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 - 07 - 21
    文献信息原名:Organic and inorganic carbon losses in straw amended saline and sodic soils.译名:秸秆改良盐碱土和钠盐土中的有机与无机碳损失。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:12.2发表日期:2026年5月16日第一作者:陈猛猛 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室。背景土壤是陆地生态系统最大的碳库,其碳储量是大气和植被的2-3倍,但现有研究长期聚焦土壤有机碳(SOC)动态,严重忽视了土壤无机碳(SIC)的关键作用——全球表层2米土壤中SIC储量达230.5Pg C,主要分布在干旱、半干旱及滨海地区的盐碱土中。全球盐碱土面积约13.8亿公顷,占陆地总面积的10.7%,土壤盐渍化不仅通过抑制微生物活性和破坏团聚体结构威胁SOC库稳定性(预计到2100年可能导致6.8Pg SOC损失),还通过碳酸盐沉淀过程影响SIC积累,然而盐胁迫与碱胁迫下SOC与SIC动态的耦合机制仍不明确,限制了对土壤净碳平衡的准确预测。秸秆还田已被证实能使华北盐碱土SOC库增加19%,但秸秆添加会同时产生双重效应:既通过微生物分解释放秸秆源CO₂并激发原生SOC矿化,又通过产生的CO₂和有机酸加速碳酸盐溶解,有研究表明中国农田每年约有150Tg SIC以CO₂形式流失,且约27%的土壤CO₂排放源自SIC,但微生物如何介导秸秆诱导的SOC矿化与SIC溶解之间的权衡关系仍不清楚。此外,盐渍土与碱化土存在截然不同的团聚体稳定性特征(盐渍土胶体絮凝、碱化土胶体分散),土壤团聚体通过物理保护碳和调控微生物生境影响碳循环,但碱化胁迫导致的结构破坏如何改变碳加工“热点”的空间分布,进而在团聚体尺度上加速SIC溶解的机制尚未被量化,这成为准确评估盐碱土秸秆还田固碳...
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    2026 - 07 - 21
    文献信息原名:Rhizosphere – detritusphere interactions stabilize soil carbon depending on plant litter traits.译名:根际-凋落物际的相互作用稳定土壤碳取决于植物凋落物的特性。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:10.3发表日期:2025年7月第一作者:万兵兵 南京农业大学土壤生态实验室(胡锋课题组)背景传统观点认为植物凋落物是土壤有机碳(SOC)的主要来源,但其对碳稳定性的影响存在矛盾:低质凋落物(高C:N)通常形成更多颗粒有机碳(POC),而高质凋落物(低C:N)促进矿物结合态有机碳(MAOC)。同时根际作为微生物活动热点,可能通过微生物代谢来进行调控碳分配。然而根际与碎屑圈(凋落物分解区)的交互作用对SOC稳定性的影响机制尚不明确。图1:植物凋落物质量对根际土壤有机碳稳定性的影响机制。科学问题(1) 高质量的凋落物输入会通过增加根部可用养分,从而降低根际微生物的生物量和活性,进而产生弱根际效应。反之,低质量的凋落物输入会增加根际微生物活动,从而增加根部可用养分的供应,进而增强根际效应。(2) 相较于高质量凋落物,低质量凋落物诱导的根际微生物高代谢率会增加根际层的MAOC的形成。材料与方法(1) 田间试验设计:添加6种不同质量凋落物(紫花苜蓿、麦草、玉米秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、甘蔗渣),覆盖C:N比梯度(18-152)。设置根际(紧贴根系土壤)与碎屑圈(无根土壤)对比组。(2) 指标测定:碳组分:POC(53μm)与MAOC(微生物特性:PLFA分析生物量、酶活性(β-葡萄糖苷酶BG、N-乙酰葡糖胺酶NAG)。根系性状:比根长(SRL)、根组织密度(RTD)。结果分析结果一:与无凋落物添加的对照处理相比,凋落物输入使凋落物际的SOC含量平均增...
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    2026 - 07 - 14
    文献信息:原名:Decadal extreme drought reduces alpine subsoil carbon stocks. 译名:十年极端干旱降低高寒草地亚表层土壤碳储量期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)IF:9.5发表日期:2026年2月20日第一作者:周荣磊 中国科学院地理科学与资源研究所(汪金松、牛书丽研究团队)。 背景:土壤有机碳 (SOC) 是陆地生态系统最大的活跃碳库,在调节全球碳循环、缓解气候变化方面发挥着重要作用。全球草地覆盖约40%的陆地面积,储存了超过30%的陆地碳,其中相当大比例以土壤有机碳的形式存在。在全球变化背景下,极端干旱事件的频率和强度显著增加,对土壤碳库产生重要影响。然而,以往研究主要关注干旱对表层土壤有机碳的短期影响,学术界尚不清楚长期极端干旱对土壤剖面有机碳库的整体影响及其驱动机制。该研究基于SOC粒径分组、微生物18O同位素标记 (H218O)、矿物分析等方法,系统评估了轻度、中度和极端干旱对土壤剖面 (0-60cm) 有机碳库的影响及其机制。因此,本研究通过长期降水控制实验,分析不同强度干旱对高寒草地不同土层土壤有机碳及其组分的影响,并探讨植物碳输入、微生物过程和矿物保护机制在土壤碳变化中的作用。科学问题:1、长期极端干旱是否会导致深层土壤有机碳(SOC)的流失?2、不同土壤有机碳组分(POC 与 MAOC)对干旱的响应是否存在差异?3、深层土壤碳损失背后的驱动机制是什么?材料与方法:(1) 研究地点位于中国四川省红原县青藏高原东部高寒草地;自2014年起开展,持续观测10年。(东经 101°51′–103°23′ E,北纬 31°...
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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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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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