土體微觀結構研究進展

張海歐

摘要：隨著科技的進步和電子顯微鏡技術的發展，土體微觀結構方面的研究越來越受到重視，并且取得了突飛猛進的進步，如何定量描述土體微觀結構是各國學者正在努力探討的課題。掃描電子顯微鏡是對土體微觀結構最常用也是比較有效的觀察手段，利用電子顯微鏡技術觀察土體結構，可獲得土體內部結構的微觀形貌信息，發現不同顆粒間的相互作用關系，觀察在外力作用下或其它因素影響時的土體內部結構變化，有利于從微觀層面解譯土體的宏觀表現特性。

關鍵詞：土體;電子顯微鏡;微觀結構;宏觀特性

中圖分類號：S-1? 文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229016

土壤微形態學是土壤學的一個年輕的學科分支，主要利用光學顯微鏡、掃描電鏡、掃描CT等進行土壤原狀微觀形貌觀察，如土壤骨骼顆粒、細粒物質和土壤形成物的形態及各類顆粒的組分配置、結構和空間分布，并對土壤微觀形態的發生和形成機制進行研究，廣泛應用于土壤肥力和土壤環境、土壤結構、土地退化、地質災害和材料變化等方面研究[1，2]。土壤微結構在土壤的各種宏觀特性表現中發揮著重要的作用，對土壤質量具有決定性的影響，對土壤的水肥、氣、熱等的調節和營養物質的儲存和轉化、根系穿透和生長等生態系統功能具有直接的影響[3]。對土壤微結構的研究能夠更深、更細、更全面地獲取土壤的物理及化學特征信息，主要包括土壤結構、土壤肥力、礦物組成、物質遷移、耕作方式等有關信息，有助于從微觀角度詮釋土壤發育、形成過程及其質量變化，對土壤改良、管理和土地利用具有重要的指導作用及依據。

1土體微觀結構涵義

土壤微觀結構通常是指利用光學顯微鏡、掃描電鏡、掃描CT等光學顯微鏡研究土壤的結構特性，主要研究內容包括組成土的各單元體的結構聯結及排列組合、孔隙特征，土壤顆粒的組成、形狀、大小、表面特征、力學特征等[4]。土壤的微觀結構一般分為3種類型：單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構。土體微觀結構具有形態學特征，即土壤結構組成、形狀、數量、表面特征、單元體的大小等;幾何學特征，包括土壤結構單元體的空間大小及布局;能量學特征，土壤結構連結和結構的總能量。

土壤微觀結構特征決定了土壤的物理、化學和生物學特性，對土壤的保水保肥、通氣、透水等特性具有重要的決定作用，進而影響到土壤結構穩定性及宏觀層面的土地生產力[3]。近年來，隨著科技的進步，電子顯微鏡技術也迅速發展起來，土壤微觀結構的研究越來越受到各國學者的關注，如何從微觀層面定量描述土壤的結構，從而實現土壤宏觀層面特征的聯結是各國學者正努力探討的課題。從研究角度可將土體微觀結構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，根據研究目標及所要獲取的微觀結構信息需求，選擇不同的技術手段開展研究。近幾年來，掃描電子顯微鏡在土體微觀結構研究方面發展迅速，成為目前最常用也比較有效土體微觀的結構觀察手段，通過掃描電子顯微鏡可獲得大量直觀的土體結構的形貌信息。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、數量等微形態信息，發現不同顆粒間的相互作用關系，有利于從微觀層面解譯土壤的宏觀表現特性。

2土體的微觀結構研究進展

20世紀初，Terzaghi[5]學者提出了土體的微觀結構研究的觀點，通過對粘土的研究，發現了粘土“蜂窩狀結構”，發現其是土自然沉積過程中形成一種常見的結構形態，其提出的土的微結構含義和理念開啟了土的微觀結構研究的大門。W.L.Kubiena[6]是土壤微觀形態學的創始人，從土壤學的角度出發，首次系統、全面地開展了土壤的微觀結構特征及土壤微結構形態的研究，總結了土壤微結構形態描述的大量術語，并建立了一套土壤微結構形態描述體系，為土壤微結構分類提供了重要依據。

隨著電子顯微技術的進步和發展，以及土壤學在微觀結構研究中的需求，有關土壤微形態、微結構的研究在國內外研究受到廣泛關注，主要是通過借助電子計算機X射線斷層掃描技術（CT）、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等新技術、新設備開展土壤的微形態特征研究[7，8]。在巖土工程領域，借助掃描電鏡和專業圖像分析系統對粘性土的SEM圖像進行分析處理，建立粘性土微觀結構圖譜，為將結構參數作為重要指標參與評價土的工程性質和變化規律等提供了先決條件[6];在地球科學領域，掃描電鏡在研究黃土微觀結構進而解析其濕陷性方面發揮了重要作用[8，9];在農學和土壤學領域，周虎等[9，10]基于同步輻射顯微CT技術開展水稻土的微觀結構研究，觀察了水稻土團聚體的微結構特征。郭玉文等[11]借助掃描電子顯微鏡（SEM）技術對黃土高原西部灌溉農田土壤進行微觀結構觀察，研究發現碳酸鈣是該區域灌溉農田中土壤團聚體的主要膠結物質。程亞南[12]等基于掃描電鏡、CT圖像進行土壤孔隙結構解析與三維重建[15，16]。因此，上述研究表明，土壤微觀結構研究技術的發展對于探索土壤微觀結構特征、土壤質量動態演化及土壤發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構研究的領域被相繼提出。在黃土的微觀結構研究方面，通過采用掃描電鏡進行觀察，發現了黃土的12種類型顯微結構，并提出采用孔隙分布曲線的方法可以有效地對黃土微結構特征進行定量描述，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構性[13-15]。陳莉[16]等通過使用發射掃描電子顯微鏡，研究了地質樣品的微觀結構組成、成分、土壤礦物元素動態變化和遷徙規律，并且結合X射線等技術獲取了晶體結構及晶粒取向信息、揭示礦物晶格缺陷及微量元素分布規律等，在土的微觀結構研究領域取得了獨特的研究成果及應用前景;宋菲[17]利用掃描電子顯微鏡技術，系統研究并總結了在黃土微結構中碳酸鈣的分布及微結構形態，使黃土的微觀結構研究得到了進一步的深入;薛武海[18]等電子掃描電鏡技術對黃土的微觀結構開展深入研究，發現黃土濕陷變形與其支架結構孔隙具有較大的關系，其主要是提供了空間條件，而導致黃土濕陷變形的根本原因是黃土微結構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構進行了研究，從微觀結構角度分析了不同比例砒砂巖與粉煤灰混合及養護齡期的砒砂巖地聚物材料的力學性能。

3土壤顆粒膠結力的微觀研究

土壤膠結物質又被稱為“土壤內聚力”，其主要作用是使土壤顆粒之間彼此粘結在一起形成團粒結構和土壤團聚體，是土壤結構穩定的核心和基礎，在土體結構的形成和穩定方面具有至關重要的作用。土壤膠結物質使土壤在機械破壞和根系穿插等外力作用時具有抵抗能力而不被破壞。顆粒的粘結力包括氫鍵、化學膠結力、物理引力（庫侖力、范德華力、水膜的表面張力等）。土壤中的膠結物質作為土壤團聚體形成的物質基礎，其含量、分布、組成特征、作用方式等是團聚體形成與穩定的基礎及內在動力[1]。20世紀60年代左右，我國的一些學者開始從微觀結構角度開始研究土壤顆粒膠結力，主要開展了土壤膠結物質、土壤顆粒膠物質與土壤團聚體的關系，發現土壤顆粒膠結力對土壤團聚體的形成發揮了至關重要的作用，膠結物質是土壤團聚體形成的核心動力，并闡述了土壤膠結物質的形成機制。近年來，借助光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子計算機X射線斷層掃描技術（CT）等技術手段的進步，從微觀尺度上分析土壤膠結物質和土壤團聚體的關系已經取得了大量的研究成果，為從宏觀層面上改善土壤結構提供了技術支撐。在土壤結構研究方面，許多學者[20]還應用核磁共振技術、計算機斷層掃描、一些相應的圖像處理技術開展土體微觀結構研究，從而對土壤膠結物質、土壤團聚體、二者之間的關系及同土壤結構和功能間關系等進行研究[21，22]，但由于土壤類型和成土環境的復雜性，團聚體形成過程及機理尚無普適性理論。通過掃描電子顯微鏡可獲得大量直觀的土體結構的形貌信息。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、大小和數量等微形態信息，發現不同顆粒間的相互作用關系，有利于從微觀層面解譯土壤的宏觀表現特性。

郭航等[2]應用拉曼光譜分析土壤樣品的膠結作用力，其是一種散射光譜，當激光入射待測樣品時，樣品分子的振動和轉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。每種物質都有其獨特的拉曼譜線，根據拉曼光譜中特征峰的位置、半峰全寬、峰強度等信息能實現對物質結構、狀態和性質等的分析。采用拉曼光譜分析土壤樣品，可在微觀層面實現對土壤結構、性質更深入、細致的研究[1，2]。

4結論

隨著科學技術的進步及發展，光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子計算機X射線斷層掃描技術（CT）等技術在土壤微形態、微結構的研究方面受到廣泛關注，為土體結構深入系統、綜合定量化研究提供了技術支撐，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構研究熱點。

參考文獻

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

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

[3]李瀟雯. 吹填軟土結構強度再生機理及其力學特性演化研究[D].天津：天津城建大學，2014.

[4]何偉朝.凍融循環作用下路基土的剪切強度及其微觀結構研究[D]. 長春：吉林大學，2013.

[5]周虎，呂貽忠，李保國.土壤結構定量化研究進展[J].土壤學報， 2009， 46（3）：501-506.

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

[7]孫如華. 東部礦區深部土結構力學性研究[D]. 徐州：中國礦業大學，2010.

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

[9]周虎，李文昭，張中彬，等.利用X射線CT研究多尺度土壤結構[J].土壤學報，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聚體微結構特征[J].農業工程學報， 2011， 27（12）：343-347.

[11] 郭玉文，王淑紅，張玉龍，等.黃土高原灌溉農田土壤團粒與碳酸鈣關系研究[J].深圳大學學報（理工版）， 2008， 25（3）：314-319.

[12] 程亞南，劉建立，呂菲，等. 基于CT 圖像的土壤孔隙結構三維重建及水力學性質預測[J].農業工程學報， 2012， 28（22）： 115-122.

[13] 楊永輝，武繼承，毛永萍，等.利用計算機斷層掃描技術研究土壤改良措施下土壤孔隙[J].農業工程學報， 2013， 29（23）： 99-108.

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

[15] 范春輝，張穎超，杜波，等.復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在地球科學中的應用[J].中國科學：地球科學，2015，45（9）：1347-1358.

[17] 宋菲.掃描電子顯微鏡及能譜分析技術在黃土微結構研究上的應用[J].沈陽農業大學學報，2004，35（3）：216-219.

[18] 薛武海，王桂生，陳志新.黃土微結構區域變化規律及與濕陷性相關性研究[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].建筑材料學報，2016，19（2）：373-378.

[20] 張耀方. 子午嶺林區不同膠結物質類型的土壤團聚體結構特征[D].北京：中國科學院大學，2015.

[21] 倪萬魁，師華強.凍融循環作用對黃土微結構和強度的影響[J].冰川凍土，2014，36（4）：922-927.

[22] 許健，王掌權，任建威，等.凍融條件下重塑黃土滲透規律試驗分析[J].西北農林科技大學學報（自然科學版）， 2017，45（7）：134-142.