巴西铁铝土中整合与非整合放牧系统土壤孔隙结构的三维X射线断层扫描与多重分形分析

为解决放牧系统对土壤孔隙特性影响机制不清的问题，研究人员采用X射线计算机断层扫描（CT）和多重分形分析，对比研究了巴西铁铝土中整合（ICL/ILF/ICLF）与非整合（CONT/ROT）放牧系统的三维孔隙特征。发现放牧导致0-38 cm土层压实，孔隙连通性降低，而自然植被（NV）的多重分维参数Δα和熵值显著更高。该研究为优化放牧管理提供了孔隙尺度的科学依据。

　　

论文解读

在追求农业可持续发展的背景下，整合作物-畜牧-林业系统（ICLF）被视为改善土壤质量的关键策略。然而，传统放牧方式常导致土壤压实，破坏孔隙结构，进而影响水分渗透和根系发育。尽管已有研究关注土壤容重等宏观指标，但对孔隙三维特征的系统性评估仍属空白。巴西农业研究公司的团队首次将X射线计算机断层扫描（CT）与多重分形分析结合，揭示了不同放牧系统对铁铝土孔隙网络的深层影响。

研究团队采集了连续放牧（CONT）、轮牧（ROT）、作物-畜牧整合（ICL）、畜牧-林业整合（ILF）、ICLF及自然植被（NV）6种系统的土样，利用50 μm分辨率的CT扫描重建三维孔隙网络。通过图像分割量化孔隙形态，并计算多重分形谱参数（D₀、D₁、D₂、Δα、α_ratio）和拓扑连通性指标（欧拉数）。

研究结果
图像基土壤孔隙度、大小、形状、方向及连通性
CT扫描显示，所有放牧系统0-38 cm层孔隙度显著低于NV（24% vs 40%），ILF表层孔隙度最低。压实作用使规则形状孔隙（三轴/等轴）减少50%，复杂孔隙增加2倍。水平与倾斜孔隙占比超70%，可能限制垂直水流。

孔隙系统的多重分形特性
表层土壤的多重分形谱宽度Δα更显著，表明近地表孔隙异质性更高。NV的熵值在26-38 cm层比放牧系统高30%，反映自然系统具有更稳定的孔隙结构。

讨论与结论
研究发现，放牧活动通过牲畜践踏破坏孔隙连通性（NV是唯一所有土层欧拉数为负的系统），而整合系统中树木的存在（ILF/ICLF）可部分缓解压实效应。多重分形参数成功捕捉到孔隙系统的尺度依赖性特征，为土壤质量评估提供了新维度。该研究发表于《Computers and Electronics in Agriculture》，其创新性在于将先进影像技术与非线性数学结合，证明调整载畜量、保持植被覆盖是减轻放牧压实的关键措施，为热带地区可持续土地管理提供了理论支撑。