土體微觀結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

張海歐

摘要：隨著科技的進(jìn)步和電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，土體微觀結(jié)構(gòu)方面的研究越來越受到重視，并且取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，如何定量描述土體微觀結(jié)構(gòu)是各國學(xué)者正在努力探討的課題。掃描電子顯微鏡是對土體微觀結(jié)構(gòu)最常用也是比較有效的觀察手段，利用電子顯微鏡技術(shù)觀察土體結(jié)構(gòu)，可獲得土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀形貌信息，發(fā)現(xiàn)不同顆粒間的相互作用關(guān)系，觀察在外力作用下或其它因素影響時(shí)的土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，有利于從微觀層面解譯土體的宏觀表現(xiàn)特性。

關(guān)鍵詞：土體;電子顯微鏡;微觀結(jié)構(gòu);宏觀特性

中圖分類號：S-1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229016

土壤微形態(tài)學(xué)是土壤學(xué)的一個(gè)年輕的學(xué)科分支，主要利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、掃描CT等進(jìn)行土壤原狀微觀形貌觀察，如土壤骨骼顆粒、細(xì)粒物質(zhì)和土壤形成物的形態(tài)及各類顆粒的組分配置、結(jié)構(gòu)和空間分布，并對土壤微觀形態(tài)的發(fā)生和形成機(jī)制進(jìn)行研究，廣泛應(yīng)用于土壤肥力和土壤環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)、土地退化、地質(zhì)災(zāi)害和材料變化等方面研究[1，2]。土壤微結(jié)構(gòu)在土壤的各種宏觀特性表現(xiàn)中發(fā)揮著重要的作用，對土壤質(zhì)量具有決定性的影響，對土壤的水肥、氣、熱等的調(diào)節(jié)和營養(yǎng)物質(zhì)的儲存和轉(zhuǎn)化、根系穿透和生長等生態(tài)系統(tǒng)功能具有直接的影響[3]。對土壤微結(jié)構(gòu)的研究能夠更深、更細(xì)、更全面地獲取土壤的物理及化學(xué)特征信息，主要包括土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力、礦物組成、物質(zhì)遷移、耕作方式等有關(guān)信息，有助于從微觀角度詮釋土壤發(fā)育、形成過程及其質(zhì)量變化，對土壤改良、管理和土地利用具有重要的指導(dǎo)作用及依據(jù)。

1土體微觀結(jié)構(gòu)涵義

土壤微觀結(jié)構(gòu)通常是指利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、掃描CT等光學(xué)顯微鏡研究土壤的結(jié)構(gòu)特性，主要研究內(nèi)容包括組成土的各單元體的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)及排列組合、孔隙特征，土壤顆粒的組成、形狀、大小、表面特征、力學(xué)特征等[4]。土壤的微觀結(jié)構(gòu)一般分為3種類型：單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)。土體微觀結(jié)構(gòu)具有形態(tài)學(xué)特征，即土壤結(jié)構(gòu)組成、形狀、數(shù)量、表面特征、單元體的大小等;幾何學(xué)特征，包括土壤結(jié)構(gòu)單元體的空間大小及布局;能量學(xué)特征，土壤結(jié)構(gòu)連結(jié)和結(jié)構(gòu)的總能量。

土壤微觀結(jié)構(gòu)特征決定了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，對土壤的保水保肥、通氣、透水等特性具有重要的決定作用，進(jìn)而影響到土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及宏觀層面的土地生產(chǎn)力[3]。近年來，隨著科技的進(jìn)步，電子顯微鏡技術(shù)也迅速發(fā)展起來，土壤微觀結(jié)構(gòu)的研究越來越受到各國學(xué)者的關(guān)注，如何從微觀層面定量描述土壤的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)土壤宏觀層面特征的聯(lián)結(jié)是各國學(xué)者正努力探討的課題。從研究角度可將土體微觀結(jié)構(gòu)的研究分為直接方法和間接方法。這2種研究方法各有特點(diǎn)，根據(jù)研究目標(biāo)及所要獲取的微觀結(jié)構(gòu)信息需求，選擇不同的技術(shù)手段開展研究。近幾年來，掃描電子顯微鏡在土體微觀結(jié)構(gòu)研究方面發(fā)展迅速，成為目前最常用也比較有效土體微觀的結(jié)構(gòu)觀察手段，通過掃描電子顯微鏡可獲得大量直觀的土體結(jié)構(gòu)的形貌信息。掃描電鏡可以清晰的觀察到土壤中顆粒的大小、形狀、組成、排列以及孔隙的形狀、大小、數(shù)量等微形態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)不同顆粒間的相互作用關(guān)系，有利于從微觀層面解譯土壤的宏觀表現(xiàn)特性。

2土體的微觀結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

20世紀(jì)初，Terzaghi[5]學(xué)者提出了土體的微觀結(jié)構(gòu)研究的觀點(diǎn)，通過對粘土的研究，發(fā)現(xiàn)了粘土“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”，發(fā)現(xiàn)其是土自然沉積過程中形成一種常見的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其提出的土的微結(jié)構(gòu)含義和理念開啟了土的微觀結(jié)構(gòu)研究的大門。W.L.Kubiena[6]是土壤微觀形態(tài)學(xué)的創(chuàng)始人，從土壤學(xué)的角度出發(fā)，首次系統(tǒng)、全面地開展了土壤的微觀結(jié)構(gòu)特征及土壤微結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，總結(jié)了土壤微結(jié)構(gòu)形態(tài)描述的大量術(shù)語，并建立了一套土壤微結(jié)構(gòu)形態(tài)描述體系，為土壤微結(jié)構(gòu)分類提供了重要依據(jù)。

隨著電子顯微技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以及土壤學(xué)在微觀結(jié)構(gòu)研究中的需求，有關(guān)土壤微形態(tài)、微結(jié)構(gòu)的研究在國內(nèi)外研究受到廣泛關(guān)注，主要是通過借助電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（CT）、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等新技術(shù)、新設(shè)備開展土壤的微形態(tài)特征研究[7，8]。在巖土工程領(lǐng)域，借助掃描電鏡和專業(yè)圖像分析系統(tǒng)對粘性土的SEM圖像進(jìn)行分析處理，建立粘性土微觀結(jié)構(gòu)圖譜，為將結(jié)構(gòu)參數(shù)作為重要指標(biāo)參與評價(jià)土的工程性質(zhì)和變化規(guī)律等提供了先決條件[6];在地球科學(xué)領(lǐng)域，掃描電鏡在研究黃土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)而解析其濕陷性方面發(fā)揮了重要作用[8，9];在農(nóng)學(xué)和土壤學(xué)領(lǐng)域，周虎等[9，10]基于同步輻射顯微CT技術(shù)開展水稻土的微觀結(jié)構(gòu)研究，觀察了水稻土團(tuán)聚體的微結(jié)構(gòu)特征。郭玉文等[11]借助掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)對黃土高原西部灌溉農(nóng)田土壤進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，研究發(fā)現(xiàn)碳酸鈣是該區(qū)域灌溉農(nóng)田中土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)。程亞南[12]等基于掃描電鏡、CT圖像進(jìn)行土壤孔隙結(jié)構(gòu)解析與三維重建[15，16]。因此，上述研究表明，土壤微觀結(jié)構(gòu)研究技術(shù)的發(fā)展對于探索土壤微觀結(jié)構(gòu)特征、土壤質(zhì)量動態(tài)演化及土壤發(fā)育等提供了重要的研究手段。

近幾年，一些新的理念和方法在土壤微觀結(jié)構(gòu)研究的領(lǐng)域被相繼提出。在黃土的微觀結(jié)構(gòu)研究方面，通過采用掃描電鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了黃土的12種類型顯微結(jié)構(gòu)，并提出采用孔隙分布曲線的方法可以有效地對黃土微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量描述，通過綜合比較顆粒大小分布曲線和孔隙分布曲線研究黃土的結(jié)構(gòu)性[13-15]。陳莉[16]等通過使用發(fā)射掃描電子顯微鏡，研究了地質(zhì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)組成、成分、土壤礦物元素動態(tài)變化和遷徙規(guī)律，并且結(jié)合X射線等技術(shù)獲取了晶體結(jié)構(gòu)及晶粒取向信息、揭示礦物晶格缺陷及微量元素分布規(guī)律等，在土的微觀結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了獨(dú)特的研究成果及應(yīng)用前景;宋菲[17]利用掃描電子顯微鏡技術(shù)，系統(tǒng)研究并總結(jié)了在黃土微結(jié)構(gòu)中碳酸鈣的分布及微結(jié)構(gòu)形態(tài)，使黃土的微觀結(jié)構(gòu)研究得到了進(jìn)一步的深入;薛武海[18]等電子掃描電鏡技術(shù)對黃土的微觀結(jié)構(gòu)開展深入研究，發(fā)現(xiàn)黃土濕陷變形與其支架結(jié)構(gòu)孔隙具有較大的關(guān)系，其主要是提供了空間條件，而導(dǎo)致黃土濕陷變形的根本原因是黃土微結(jié)構(gòu)吸力空間分布的不均勻性。李長明[19]等采用掃描電子顯微鏡（SEM）對砒砂巖土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，從微觀結(jié)構(gòu)角度分析了不同比例砒砂巖與粉煤灰混合及養(yǎng)護(hù)齡期的砒砂巖地聚物材料的力學(xué)性能。

3土壤顆粒膠結(jié)力的微觀研究

土壤膠結(jié)物質(zhì)又被稱為“土壤內(nèi)聚力”，其主要作用是使土壤顆粒之間彼此粘結(jié)在一起形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤團(tuán)聚體，是土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的核心和基礎(chǔ)，在土體結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定方面具有至關(guān)重要的作用。土壤膠結(jié)物質(zhì)使土壤在機(jī)械破壞和根系穿插等外力作用時(shí)具有抵抗能力而不被破壞。顆粒的粘結(jié)力包括氫鍵、化學(xué)膠結(jié)力、物理引力（庫侖力、范德華力、水膜的表面張力等）。土壤中的膠結(jié)物質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量、分布、組成特征、作用方式等是團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的基礎(chǔ)及內(nèi)在動力[1]。20世紀(jì)60年代左右，我國的一些學(xué)者開始從微觀結(jié)構(gòu)角度開始研究土壤顆粒膠結(jié)力，主要開展了土壤膠結(jié)物質(zhì)、土壤顆粒膠物質(zhì)與土壤團(tuán)聚體的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤顆粒膠結(jié)力對土壤團(tuán)聚體的形成發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，膠結(jié)物質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的核心動力，并闡述了土壤膠結(jié)物質(zhì)的形成機(jī)制。近年來，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（CT）等技術(shù)手段的進(jìn)步，從微觀尺度上分析土壤膠結(jié)物質(zhì)和土壤團(tuán)聚體的關(guān)系已經(jīng)取得了大量的研究成果，為從宏觀層面上改善土壤結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)支撐。在土壤結(jié)構(gòu)研究方面，許多學(xué)者[20]還應(yīng)用核磁共振技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描、一些相應(yīng)的圖像處理技術(shù)開展土體微觀結(jié)構(gòu)研究，從而對土壤膠結(jié)物質(zhì)、土壤團(tuán)聚體、二者之間的關(guān)系及同土壤結(jié)構(gòu)和功能間關(guān)系等進(jìn)行研究[21，22]，但由于土壤類型和成土環(huán)境的復(fù)雜性，團(tuán)聚體形成過程及機(jī)理尚無普適性理論。通過掃描電子顯微鏡可獲得大量直觀的土體結(jié)構(gòu)的形貌信息。掃描電鏡可以清晰的觀察到土壤中顆粒的大小、形狀、組成和排列以及孔隙的形狀、大小和數(shù)量等微形態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)不同顆粒間的相互作用關(guān)系，有利于從微觀層面解譯土壤的宏觀表現(xiàn)特性。

郭航等[2]應(yīng)用拉曼光譜分析土壤樣品的膠結(jié)作用力，其是一種散射光譜，當(dāng)激光入射待測樣品時(shí)，樣品分子的振動和轉(zhuǎn)動使激光與樣品分子相互作用，散射出的激光包含3部分：出射激光頻率等于入射激光頻率的部分，即瑞利散射;出射激光頻率等于入射激光頻率與分子振動或轉(zhuǎn)動頻率之和的部分，即斯托克斯散射;出射激光頻率等于入射激光頻率與分子振動或轉(zhuǎn)動頻率之差的部分，即反斯托克斯散射。一般情況下，拉曼光譜儀探測的是反斯托克斯散射。每種物質(zhì)都有其獨(dú)特的拉曼譜線，根據(jù)拉曼光譜中特征峰的位置、半峰全寬、峰強(qiáng)度等信息能實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和性質(zhì)等的分析。采用拉曼光譜分析土壤樣品，可在微觀層面實(shí)現(xiàn)對土壤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)更深入、細(xì)致的研究[1，2]。

4結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及發(fā)展，光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（CT）等技術(shù)在土壤微形態(tài)、微結(jié)構(gòu)的研究方面受到廣泛關(guān)注，為土體結(jié)構(gòu)深入系統(tǒng)、綜合定量化研究提供了技術(shù)支撐，有利于從微觀層面解譯土體在外力作用下或者其它因素影響下的宏觀表現(xiàn)特性，從而得到了很多有意義的研究成果，這是目前國際上微結(jié)構(gòu)研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭航，孫嬰嬰，王歡元.砒砂巖、沙的微觀結(jié)構(gòu)及與宏觀性能“橋梁”的構(gòu)建[J].土地開發(fā)工程研究，2018，3（1）：62-66.

[2]郭航，韓霽昌，張揚(yáng)，等.基于拉曼光譜研究砒砂巖與沙復(fù)配土的膠結(jié)作用力[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（11）：436-442.

[3]李瀟雯. 吹填軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度再生機(jī)理及其力學(xué)特性演化研究[D].天津：天津城建大學(xué)，2014.

[4]何偉朝.凍融循環(huán)作用下路基土的剪切強(qiáng)度及其微觀結(jié)構(gòu)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2013.

[5]周虎，呂貽忠，李保國.土壤結(jié)構(gòu)定量化研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào)， 2009， 46（3）：501-506.

[6]施斌， 李生林.粘性土微觀結(jié)構(gòu)SEM圖象的定量研究[J].中國科學(xué)（A輯）， 1995， 25（6）： 666-672.

[7]孫如華. 東部礦區(qū)深部土結(jié)構(gòu)力學(xué)性研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

[8]王慧妮，倪萬魁.基于計(jì)算機(jī)X射線斷層術(shù)與掃描電鏡圖像的黃土微結(jié)構(gòu)定量分析[J].巖土力學(xué)，2012，33（1）：243-254.

[9]周虎，李文昭，張中彬，等.利用X射線CT研究多尺度土壤結(jié)構(gòu)[J].土壤學(xué)報(bào)，2013， 50（6）：1226-1230.

[10]周虎，彭新華，張中彬，等.基于同步輻射微CT研究不同利用年限水稻土團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（12）：343-347.

[11] 郭玉文，王淑紅，張玉龍，等.黃土高原灌溉農(nóng)田土壤團(tuán)粒與碳酸鈣關(guān)系研究[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2008， 25（3）：314-319.

[12] 程亞南，劉建立，呂菲，等. 基于CT 圖像的土壤孔隙結(jié)構(gòu)三維重建及水力學(xué)性質(zhì)預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2012， 28（22）： 115-122.

[13] 楊永輝，武繼承，毛永萍，等.利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)研究土壤改良措施下土壤孔隙[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2013， 29（23）： 99-108.

[14] 李春海，方祥位，申春妮，等. 浸水濕化引起的Q2黃土微觀結(jié)構(gòu)變化[J].四川建筑科學(xué)研究，2016，42（3）：40-45.

[15] 范春輝，張穎超，杜波，等.復(fù)合污染黃土異位柱淋洗淋溶組分的光譜特性研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015（2）：447-452.

[16] 陳莉，徐軍，陳晶. 掃描電子顯微鏡顯微分析技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2015，45（9）：1347-1358.

[17] 宋菲.掃描電子顯微鏡及能譜分析技術(shù)在黃土微結(jié)構(gòu)研究上的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（3）：216-219.

[18] 薛武海，王桂生，陳志新.黃土微結(jié)構(gòu)區(qū)域變化規(guī)律及與濕陷性相關(guān)性研究[J].地下水，2005，27（4）：310-312.

[19] 李長明，王立久，張婷婷，等. 用砒砂巖制備地聚物材料的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2016，19（2）：373-378.

[20] 張耀方. 子午嶺林區(qū)不同膠結(jié)物質(zhì)類型的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2015.

[21] 倪萬魁，師華強(qiáng).凍融循環(huán)作用對黃土微結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響[J].冰川凍土，2014，36（4）：922-927.

[22] 許健，王掌權(quán)，任建威，等.凍融條件下重塑黃土滲透規(guī)律試驗(yàn)分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2017，45（7）：134-142.