施肥方式下的土壤微形態(tài)研究

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

土壤微形態(tài)學(xué)是利用顯微技術(shù)研究土壤結(jié)構(gòu)、發(fā)生學(xué)與功能之間相互關(guān)系的科學(xué)。近年來，土壤微形態(tài)研究成功應(yīng)用了電子掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、激光共焦顯微鏡、核磁共振成象技術(shù)等顯微觀測(cè)與探測(cè)技術(shù)，并在第四紀(jì)地質(zhì)、考古、工礦、土建、氣溶膠和生態(tài)等方面廣泛應(yīng)用。土壤薄片制備方法的改進(jìn)與提升促使微形態(tài)的研究范圍更廣闊。近年來以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新技術(shù)被不斷引入這一研究領(lǐng)域，使土壤微形態(tài)在基礎(chǔ)和應(yīng)用領(lǐng)域的研究均取得了較大的發(fā)展[1～3]。

微形態(tài)學(xué)是土壤科學(xué)的一個(gè)分支，作為研究原狀土壤結(jié)構(gòu)的重要手段，其基本任務(wù)是將顯微鏡下觀察與描述的未擾動(dòng)土壤的微形態(tài)特征及變化，用來說明土壤生成、發(fā)育的演變規(guī)律，有助于了解一般自然力量或人為因素對(duì)土壤形成過程的影響[4，5]。

土壤是植物生長的基地和營養(yǎng)庫，由于自然和人為的原因，造成土壤在生態(tài)系統(tǒng)中保持生物的生產(chǎn)力，維持環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力都有所下降，理化性質(zhì)和生產(chǎn)能力逐漸減退[6]。為了維持生產(chǎn)，改善土壤能經(jīng)常適時(shí)供給并協(xié)調(diào)植物生長的水分、養(yǎng)分、空氣、溫度、支撐條件和無毒害物質(zhì)的能力。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中嘗試許多的施肥措施，如施用化肥、有機(jī)肥、秸稈還田以及有機(jī)肥和無機(jī)肥混和施用等，許多研究者對(duì)不同的施肥措施對(duì)土壤理化性質(zhì)和生產(chǎn)能力的影響做了一系列的研究和報(bào)道[7，8]，但從土壤微形態(tài)的角度去深入研究不同施肥措施對(duì)土壤粗骨顆粒、細(xì)粒物質(zhì)、孔隙、結(jié)構(gòu)體和土壤形成物等的影響的研究較少。

通過對(duì)不同施肥措施下的土壤微形態(tài)的觀察和研究，可以更深入地闡明不同施肥措施對(duì)土壤理化性質(zhì)和生產(chǎn)能力的影響，有助于為科學(xué)合理的施肥提供理論依據(jù)。

2 土壤薄片的數(shù)字化處理方法

土壤結(jié)構(gòu)是土壤保水保肥特性的基礎(chǔ)，土壤微形態(tài)作為研究土壤結(jié)構(gòu)(團(tuán)聚體、孔隙、礦物等)的重要手段，對(duì)研究土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育及變化有著重要的作用。為研究不同施肥方式下土壤的微形態(tài)特性，首先在偏光顯微鏡下對(duì)土壤薄片進(jìn)行觀察描述，并用與之配套的碼相機(jī)進(jìn)行拍照，所得的圖像為真彩色圖像，真彩色圖像中的像元以R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三色的構(gòu)成來反映信息，其分辨率為2560 pixel×1920 pixel,存儲(chǔ)為TIF格式。然后把所得的圖片用Photoshop和Matlab軟件進(jìn)行相關(guān)處理，將真色彩圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，再根據(jù)圖像分析軟件的要求，將灰階圖像轉(zhuǎn)換為二值化黑白圖像后方可對(duì)微形態(tài)特征進(jìn)行定量化的統(tǒng)計(jì)分析。在Matlab中，二值化圖像是用一個(gè)由0和1組成的二值矩陣表示，1表示該像素處于前景，0表示該像素處于背景。以這種方式來操作圖像可以更容易識(shí)別出圖像的結(jié)構(gòu)特性。例如，在二值化圖像中可以非常容易地從圖像背景中識(shí)別對(duì)象。關(guān)于二值化圖像閾值的選取選用Photoshop中的閾值功能或者M(jìn)atlab中的自動(dòng)閾值選取功能，主要是利用目視法，多次選取最適合的閾值進(jìn)行PPL照片和CPL照片的二值化處理。

3 土壤孔隙的微形態(tài)分析

土壤孔隙研究是土壤研究中的一個(gè)重要方面，土壤孔隙是水分、空氣、根系、土壤微生物和土壤動(dòng)物活動(dòng)的地方，孔隙狀況在很大程度上能夠反映土壤質(zhì)量的好壞。孔隙不僅有數(shù)量的差距，而且大小、形狀方面也有很大的差異，土壤孔隙類型一般分為：非活性孔隙、毛管孔隙和通氣孔隙。發(fā)育較好的土壤，不僅要有合適的數(shù)量孔隙，而且也要有大小形狀不同孔隙之間合適的搭配比例，這樣才有利于不同大小根系、土壤動(dòng)物及微生物

的活動(dòng)，水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸和分配、氧化還原交替更加合理，土壤質(zhì)量也越來越好。不同施肥方式對(duì)土壤孔隙有著不同的影響，因此，研究不同施肥措施下土壤孔隙類型與微形態(tài)特征具有重要意義。通過土壤切片觀察到的孔隙只是顯示現(xiàn)實(shí)土壤中孔隙的一個(gè)縮影，是二維圖像，其實(shí)孔隙是三維圖像，其形狀、大小是極其不規(guī)則的，因此通過選擇土壤切片的多個(gè)位點(diǎn)求平均值來定量化分析孔隙。

4 土壤礦物的微形態(tài)分析

土壤的基本礦質(zhì)組分包括砂粒、粘粒、植物碎塊等，其中所含的礦物種類及含量主要受母巖的影響，但長期不同的施肥措施及耕作措施可使土壤物質(zhì)中顆粒狀況發(fā)生輕微變化。礦質(zhì)顆粒的大小用顆粒的當(dāng)量直徑表示。由于在制作切片時(shí)，切片切過處不一定是顆粒的中心，因此測(cè)量的顆粒大小一般會(huì)稍微小于實(shí)際情況。據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)表明，平均觀測(cè)到的直徑只是真正球徑的76.3%，所以微形態(tài)方法測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果會(huì)有一定的差距。因此通過選擇土壤切片的多個(gè)位點(diǎn)的礦物信息求平均值來定量化分析孔隙，以盡量減小誤差。

5 結(jié)語

因此，研究不同施肥措施對(duì)土壤微形態(tài)特性的影響，提取出孔隙和礦物等要素，宏觀與微觀分析相結(jié)合，對(duì)土壤切片中土壤微結(jié)構(gòu)、土壤礦物質(zhì)、有機(jī)植物殘?bào)w、土壤孔隙等微形態(tài)特征進(jìn)行定性和定量的研究分析，旨在為獲得更加高效合理的施肥方式提供理論依據(jù)。