施肥方式下的土壤微形態研究

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，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實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

土壤微形態學是利用顯微技術研究土壤結構、發生學與功能之間相互關系的科學。近年來，土壤微形態研究成功應用了電子掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、激光共焦顯微鏡、核磁共振成象技術等顯微觀測與探測技術，并在第四紀地質、考古、工礦、土建、氣溶膠和生態等方面廣泛應用。土壤薄片制備方法的改進與提升促使微形態的研究范圍更廣闊。近年來以計算機為基礎的新技術被不斷引入這一研究領域，使土壤微形態在基礎和應用領域的研究均取得了較大的發展[1～3]。

微形態學是土壤科學的一個分支，作為研究原狀土壤結構的重要手段，其基本任務是將顯微鏡下觀察與描述的未擾動土壤的微形態特征及變化，用來說明土壤生成、發育的演變規律，有助于了解一般自然力量或人為因素對土壤形成過程的影響[4，5]。

土壤是植物生長的基地和營養庫，由于自然和人為的原因，造成土壤在生態系統中保持生物的生產力，維持環境質量，促進動植物健康的能力都有所下降，理化性質和生產能力逐漸減退[6]。為了維持生產，改善土壤能經常適時供給并協調植物生長的水分、養分、空氣、溫度、支撐條件和無毒害物質的能力。人們在生產實踐中嘗試許多的施肥措施，如施用化肥、有機肥、秸稈還田以及有機肥和無機肥混和施用等，許多研究者對不同的施肥措施對土壤理化性質和生產能力的影響做了一系列的研究和報道[7，8]，但從土壤微形態的角度去深入研究不同施肥措施對土壤粗骨顆粒、細粒物質、孔隙、結構體和土壤形成物等的影響的研究較少。

通過對不同施肥措施下的土壤微形態的觀察和研究，可以更深入地闡明不同施肥措施對土壤理化性質和生產能力的影響，有助于為科學合理的施肥提供理論依據。

2 土壤薄片的數字化處理方法

土壤結構是土壤保水保肥特性的基礎，土壤微形態作為研究土壤結構(團聚體、孔隙、礦物等)的重要手段，對研究土壤結構發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特性，首先在偏光顯微鏡下對土壤薄片進行觀察描述，并用與之配套的碼相機進行拍照，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)三色的構成來反映信息，其分辨率為2560 pixel×1920 pixel,存儲為TIF格式。然后把所得的圖片用Photoshop和Matlab軟件進行相關處理，將真色彩圖轉化為灰度圖，再根據圖像分析軟件的要求，將灰階圖像轉換為二值化黑白圖像后方可對微形態特征進行定量化的統計分析。在Matlab中，二值化圖像是用一個由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別出圖像的結構特性。例如，在二值化圖像中可以非常容易地從圖像背景中識別對象。關于二值化圖像閾值的選取選用Photoshop中的閾值功能或者Matlab中的自動閾值選取功能，主要是利用目視法，多次選取最適合的閾值進行PPL照片和CPL照片的二值化處理。

3 土壤孔隙的微形態分析

土壤孔隙研究是土壤研究中的一個重要方面，土壤孔隙是水分、空氣、根系、土壤微生物和土壤動物活動的地方，孔隙狀況在很大程度上能夠反映土壤質量的好壞。孔隙不僅有數量的差距，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。發育較好的土壤，不僅要有合適的數量孔隙，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、土壤動物及微生物

的活動，水分和養分的運輸和分配、氧化還原交替更加合理，土壤質量也越來越好。不同施肥方式對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實土壤中孔隙的一個縮影，是二維圖像，其實孔隙是三維圖像，其形狀、大小是極其不規則的，因此通過選擇土壤切片的多個位點求平均值來定量化分析孔隙。

4 土壤礦物的微形態分析

土壤的基本礦質組分包括砂粒、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中顆粒狀況發生輕微變化。礦質顆粒的大小用顆粒的當量直徑表示。由于在制作切片時，切片切過處不一定是顆粒的中心，因此測量的顆粒大小一般會稍微小于實際情況。據有關研究統計表明，平均觀測到的直徑只是真正球徑的76.3%，所以微形態方法測得的結果與實際結果會有一定的差距。因此通過選擇土壤切片的多個位點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 結語

因此，研究不同施肥措施對土壤微形態特性的影響，提取出孔隙和礦物等要素，宏觀與微觀分析相結合，對土壤切片中土壤微結構、土壤礦物質、有機植物殘體、土壤孔隙等微形態特征進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。