Modern agricultural practices can cause significant stress on soil, which ultimately has degrading effects, such as compaction. There is an urgent need for fast, noninvasive methods to characterize and monitor compaction and its impact on hydraulic processes. Electrical resistivity tomography (ERT) is a well-established method used for the assessment of soil hydraulic properties due to its high temporal resolution and sensitivity to changes in moisture content and salinity, whereas X-ray computed tomography (CT) can be used for high-spatial-resolution imaging of soil structure. We used the combined strengths of both methods to study soil under three different levels of compaction. The soils were X-ray scanned and electrically monitored after the application of a saline solution to the soil surface. The scans revealed the pore network architecture and allowed us to compute its size and connectivity. The ERT models revealed inhibited percolation rates for soils with a lower bulk density, but also how resistivity changes are spatiotemporally distributed within the soil columns. Furthermore, we obtained a quantitative link between the two methods, by which voxels more densely populated with pores were associated with higher temporal variations in electrical resistivity. Building on this, we established a spatial collocation between pore structure and distribution of solution during percolation. This demonstrates the potential of the combined strengths of the two tomographic methods to obtain an enhanced characterization of soil hydrodynamic properties.

中文翻译：

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使用综合电阻率和 X 射线计算机断层扫描对土壤压实进行水动力表征

现代农业实践会对土壤造成重大压力，最终会产生退化影响，例如压实。迫切需要快速、无创的方法来表征和监测压实及其对水力过程的影响。电阻率断层扫描 (ERT) 是一种行之有效的方法，用于评估土壤水力特性，因为它具有高时间分辨率和对水分含量和盐度变化的敏感性，而 X 射线计算机断层扫描 (CT) 可用于高-土壤结构的空间分辨率成像。我们使用两种方法的综合优势来研究三种不同压实水平下的土壤。在将盐水溶液施加到土壤表面后，对土壤进行 X 射线扫描和电监测。扫描揭示了孔隙网络结构，并允许我们计算其大小和连通性。ERT 模型揭示了体积密度较低的土壤的渗透率受到抑制，但也揭示了电阻率变化在土柱内的时空分布情况。此外，我们获得了两种方法之间的定量联系，通过这种联系，更密集的孔隙体素与电阻率的更高时间变化相关。在此基础上，我们在渗透过程中建立了孔隙结构和溶液分布之间的空间搭配。这证明了两种层析成像方法的综合优势在获得增强的土壤水动力特性表征方面的潜力。ERT 模型揭示了体积密度较低的土壤的渗透率受到抑制，但也揭示了电阻率变化在土柱内的时空分布情况。此外，我们获得了两种方法之间的定量联系，通过这种联系，更密集的孔隙体素与电阻率的更高时间变化相关。在此基础上，我们在渗透过程中建立了孔隙结构和溶液分布之间的空间搭配。这证明了两种层析成像方法的综合优势在获得增强的土壤水动力特性表征方面的潜力。ERT 模型揭示了体积密度较低的土壤的渗透率受到抑制，但也揭示了电阻率变化在土柱内的时空分布情况。此外，我们获得了两种方法之间的定量联系，通过这种联系，更密集的孔隙体素与电阻率的更高时间变化相关。在此基础上，我们在渗透过程中建立了孔隙结构和溶液分布之间的空间搭配。这证明了两种层析成像方法的综合优势在获得增强的土壤水动力特性表征方面的潜力。我们获得了这两种方法之间的定量联系，通过这种联系，孔中填充更密集的体素与电阻率的更高时间变化相关。在此基础上，我们在渗透过程中建立了孔隙结构和溶液分布之间的空间搭配。这证明了两种层析成像方法的综合优势在获得增强的土壤水动力特性表征方面的潜力。我们获得了这两种方法之间的定量联系，通过这种联系，孔中填充更密集的体素与电阻率的更高时间变化相关。在此基础上，我们在渗透过程中建立了孔隙结构和溶液分布之间的空间搭配。这证明了两种层析成像方法的综合优势在获得增强的土壤水动力特性表征方面的潜力。