土体微观结构研究进展

2020-03-27张海欧

农业与技术 2020年4期

张海欧

摘要：随着科技的进步和电子显微镜技术的发展，土体微观结构方面的研究越来越受到重视，并且取得了突飞猛进的进步，如何定量描述土体微观结构是各国学者正在努力探讨的课题。扫描电子显微镜是对土体微观结构最常用也是比较有效的观察手段，利用电子显微镜技术观察土体结构，可获得土体内部结构的微观形貌信息，发现不同颗粒间的相互作用关系，观察在外力作用下或其它因素影响时的土体内部结构变化，有利于从微观层面解译土体的宏观表现特性。

关键词：土体;电子显微镜;微观结构;宏观特性

中图分类号：S-1 文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229016

土壤微形态学是土壤学的一个年轻的学科分支，主要利用光学显微镜、扫描电镜、扫描CT等进行土壤原状微观形貌观察，如土壤骨骼颗粒、细粒物质和土壤形成物的形态及各类颗粒的组分配置、结构和空间分布，并对土壤微观形态的发生和形成机制进行研究，广泛应用于土壤肥力和土壤环境、土壤结构、土地退化、地质灾害和材料变化等方面研究[1，2]。土壤微结构在土壤的各种宏观特性表现中发挥着重要的作用，对土壤质量具有决定性的影响，对土壤的水肥、气、热等的调节和营养物质的储存和转化、根系穿透和生长等生态系统功能具有直接的影响[3]。对土壤微结构的研究能够更深、更细、更全面地获取土壤的物理及化学特征信息，主要包括土壤结构、土壤肥力、矿物组成、物质迁移、耕作方式等有关信息，有助于从微观角度诠释土壤发育、形成过程及其质量变化，对土壤改良、管理和土地利用具有重要的指导作用及依据。

1土体微观结构涵义

土壤微观结构通常是指利用光学显微镜、扫描电镜、扫描CT等光学显微镜研究土壤的结构特性，主要研究内容包括组成土的各单元体的结构联结及排列组合、孔隙特征，土壤颗粒的组成、形状、大小、表面特征、力学特征等[4]。土壤的微观结构一般分为3种类型：单粒结构、蜂窝结构和絮状结构。土体微观结构具有形态学特征，即土壤结构组成、形状、数量、表面特征、单元体的大小等;几何学特征，包括土壤结构单元体的空间大小及布局;能量学特征，土壤结构连结和结构的总能量。

土壤微观结构特征决定了土壤的物理、化学和生物学特性，对土壤的保水保肥、通气、透水等特性具有重要的决定作用，进而影响到土壤结构稳定性及宏观层面的土地生产力[3]。近年来，随着科技的进步，电子显微镜技术也迅速发展起来，土壤微观结构的研究越来越受到各国学者的关注，如何从微观层面定量描述土壤的结构，从而实现土壤宏观层面特征的联结是各国学者正努力探讨的课题。从研究角度可将土体微观结构的研究分为直接方法和间接方法。这2种研究方法各有特點，根据研究目标及所要获取的微观结构信息需求，选择不同的技术手段开展研究。近几年来，扫描电子显微镜在土体微观结构研究方面发展迅速，成为目前最常用也比较有效土体微观的结构观察手段，通过扫描电子显微镜可获得大量直观的土体结构的形貌信息。扫描电镜可以清晰的观察到土壤中颗粒的大小、形状、组成、排列以及孔隙的形状、大小、数量等微形态信息，发现不同颗粒间的相互作用关系，有利于从微观层面解译土壤的宏观表现特性。

2土体的微观结构研究进展

20世纪初，Terzaghi[5]学者提出了土体的微观结构研究的观点，通过对粘土的研究，发现了粘土“蜂窝状结构”，发现其是土自然沉积过程中形成一种常见的结构形态，其提出的土的微结构含义和理念开启了土的微观结构研究的大门。W.L.Kubiena[6]是土壤微观形态学的创始人，从土壤学的角度出发，首次系统、全面地开展了土壤的微观结构特征及土壤微结构形态的研究，总结了土壤微结构形态描述的大量术语，并建立了一套土壤微结构形态描述体系，为土壤微结构分类提供了重要依据。

随着电子显微技术的进步和发展，以及土壤学在微观结构研究中的需求，有关土壤微形态、微结构的研究在国内外研究受到广泛关注，主要是通过借助电子计算机X射线断层扫描技术（CT）、光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）等新技术、新设备开展土壤的微形态特征研究[7，8]。在岩土工程领域，借助扫描电镜和专业图像分析系统对粘性土的SEM图像进行分析处理，建立粘性土微观结构图谱，为将结构参数作为重要指标参与评价土的工程性质和变化规律等提供了先决条件[6];在地球科学领域，扫描电镜在研究黄土微观结构进而解析其湿陷性方面发挥了重要作用[8，9];在农学和土壤学领域，周虎等[9，10]基于同步辐射显微CT技术开展水稻土的微观结构研究，观察了水稻土团聚体的微结构特征。郭玉文等[11]借助扫描电子显微镜（SEM）技术对黄土高原西部灌溉农田土壤进行微观结构观察，研究发现碳酸钙是该区域灌溉农田中土壤团聚体的主要胶结物质。程亚南[12]等基于扫描电镜、CT图像进行土壤孔隙结构解析与三维重建[15，16]。因此，上述研究表明，土壤微观结构研究技术的发展对于探索土壤微观结构特征、土壤质量动态演化及土壤发育等提供了重要的研究手段。

近几年，一些新的理念和方法在土壤微观结构研究的领域被相继提出。在黄土的微观结构研究方面，通过采用扫描电镜进行观察，发现了黄土的12种类型显微结构，并提出采用孔隙分布曲线的方法可以有效地对黄土微结构特征进行定量描述，通过综合比较颗粒大小分布曲线和孔隙分布曲线研究黄土的结构性[13-15]。陈莉[16]等通过使用发射扫描电子显微镜，研究了地质样品的微观结构组成、成分、土壤矿物元素动态变化和迁徙规律，并且结合X射线等技术获取了晶体结构及晶粒取向信息、揭示矿物晶格缺陷及微量元素分布规律等，在土的微观结构研究领域取得了独特的研究成果及应用前景;宋菲[17]利用扫描电子显微镜技术，系统研究并总结了在黄土微结构中碳酸钙的分布及微结构形态，使黄土的微观结构研究得到了进一步的深入;薛武海[18]等电子扫描电镜技术对黄土的微观结构开展深入研究，发现黄土湿陷变形与其支架结构孔隙具有较大的关系，其主要是提供了空间条件，而导致黄土湿陷变形的根本原因是黄土微结构吸力空间分布的不均匀性。李长明[19]等采用扫描电子显微镜（SEM）对砒砂岩土体的微观结构进行了研究，从微观结构角度分析了不同比例砒砂岩与粉煤灰混合及养护龄期的砒砂岩地聚物材料的力学性能。

3土壤颗粒胶结力的微观研究

土壤胶结物质又被称为“土壤内聚力”，其主要作用是使土壤颗粒之间彼此粘结在一起形成团粒结构和土壤团聚体，是土壤结构稳定的核心和基础，在土体结构的形成和稳定方面具有至关重要的作用。土壤胶结物质使土壤在机械破坏和根系穿插等外力作用时具有抵抗能力而不被破坏。颗粒的粘结力包括氢键、化学胶结力、物理引力（库仑力、范德华力、水膜的表面张力等）。土壤中的胶结物质作为土壤团聚体形成的物质基础，其含量、分布、组成特征、作用方式等是团聚体形成与稳定的基础及内在动力[1]。20世纪60年代左右，我国的一些学者开始从微观结构角度开始研究土壤颗粒胶结力，主要开展了土壤胶结物质、土壤颗粒胶物质与土壤团聚体的关系，发现土壤颗粒胶结力对土壤团聚体的形成发挥了至关重要的作用，胶结物质是土壤团聚体形成的核心动力，并阐述了土壤胶结物质的形成机制。近年来，借助光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子计算机X射线断层扫描技术（CT）等技术手段的进步，从微观尺度上分析土壤胶结物质和土壤团聚体的关系已经取得了大量的研究成果，为从宏观层面上改善土壤结构提供了技术支撑。在土壤结构研究方面，许多学者[20]还应用核磁共振技术、计算机断层扫描、一些相应的图像处理技术开展土体微观结构研究，从而对土壤胶结物质、土壤团聚体、二者之间的关系及同土壤结构和功能间关系等进行研究[21，22]，但由于土壤类型和成土环境的复杂性，团聚体形成过程及机理尚无普适性理论。通过扫描电子显微镜可获得大量直观的土体结构的形貌信息。扫描电镜可以清晰的观察到土壤中颗粒的大小、形状、组成和排列以及孔隙的形状、大小和数量等微形态信息，发现不同颗粒间的相互作用关系，有利于从微观层面解译土壤的宏观表现特性。

郭航等[2]应用拉曼光谱分析土壤样品的胶结作用力，其是一种散射光谱，当激光入射待测样品时，样品分子的振动和转动使激光与样品分子相互作用，散射出的激光包含3部分：出射激光频率等于入射激光频率的部分，即瑞利散射;出射激光频率等于入射激光频率与分子振动或转动频率之和的部分，即斯托克斯散射;出射激光频率等于入射激光频率与分子振动或转动频率之差的部分，即反斯托克斯散射。一般情况下，拉曼光谱仪探测的是反斯托克斯散射。每种物质都有其独特的拉曼谱线，根据拉曼光谱中特征峰的位置、半峰全宽、峰强度等信息能实现对物质结构、状态和性质等的分析。采用拉曼光谱分析土壤样品，可在微观层面实现对土壤结构、性质更深入、细致的研究[1，2]。

4结论

随着科学技术的进步及发展，光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子计算机X射线断层扫描技术（CT）等技术在土壤微形态、微结构的研究方面受到广泛关注，为土体结构深入系统、综合定量化研究提供了技术支撑，有利于从微观层面解译土体在外力作用下或者其它因素影响下的宏观表现特性，从而得到了很多有意义的研究成果，这是目前国际上微结构研究热点。

參考文献

[1] 郭航，孙婴婴，王欢元.砒砂岩、沙的微观结构及与宏观性能“桥梁”的构建[J].土地开发工程研究，2018，3（1）：62-66.

[2]郭航，韩霁昌，张扬，等.基于拉曼光谱研究砒砂岩与沙复配土的胶结作用力[J].激光与光电子学进展，2017，54（11）：436-442.

[3]李潇雯. 吹填软土结构强度再生机理及其力学特性演化研究[D].天津：天津城建大学，2014.

[4]何伟朝.冻融循环作用下路基土的剪切强度及其微观结构研究[D]. 长春：吉林大学，2013.

[5]周虎，吕贻忠，李保国.土壤结构定量化研究进展[J].土壤学报， 2009， 46（3）：501-506.

[6]施斌，李生林.粘性土微观结构SEM图象的定量研究[J].中国科学（A辑）， 1995， 25（6）： 666-672.

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[9]周虎，李文昭，张中彬，等.利用X射线CT研究多尺度土壤结构[J].土壤学报，2013， 50（6）：1226-1230.

[10]周虎，彭新华，张中彬，等.基于同步辐射微CT研究不同利用年限水稻土团聚体微结构特征[J].农业工程学报， 2011， 27（12）：343-347.

[11] 郭玉文，王淑红，张玉龙，等.黄土高原灌溉农田土壤团粒与碳酸钙关系研究[J].深圳大学学报（理工版）， 2008， 25（3）：314-319.