施肥方式下的土壤微形态研究

2020-11-28刘哲

绿色科技 2020年12期

刘哲

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；2.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710075；3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710075)

1 引言

土壤微形态学是利用显微技术研究土壤结构、发生学与功能之间相互关系的科学。近年来，土壤微形态研究成功应用了电子扫描显微镜、原子力显微镜、激光共焦显微镜、核磁共振成象技术等显微观测与探测技术，并在第四纪地质、考古、工矿、土建、气溶胶和生态等方面广泛应用。土壤薄片制备方法的改进与提升促使微形态的研究范围更广阔。近年来以计算机为基础的新技术被不断引入这一研究领域，使土壤微形态在基础和应用领域的研究均取得了较大的发展[1～3]。

微形态学是土壤科学的一个分支，作为研究原状土壤结构的重要手段，其基本任务是将显微镜下观察与描述的未扰动土壤的微形态特征及变化，用来说明土壤生成、发育的演变规律，有助于了解一般自然力量或人为因素对土壤形成过程的影响[4，5]。

土壤是植物生长的基地和营养库，由于自然和人为的原因，造成土壤在生态系统中保持生物的生产力，维持环境质量，促进动植物健康的能力都有所下降，理化性质和生产能力逐渐减退[6]。为了维持生产，改善土壤能经常适时供给并协调植物生长的水分、养分、空气、温度、支撑条件和无毒害物质的能力。人们在生产实践中尝试许多的施肥措施，如施用化肥、有机肥、秸秆还田以及有机肥和无机肥混和施用等，许多研究者对不同的施肥措施对土壤理化性质和生产能力的影响做了一系列的研究和报道[7，8]，但从土壤微形态的角度去深入研究不同施肥措施对土壤粗骨颗粒、细粒物质、孔隙、结构体和土壤形成物等的影响的研究较少。

通过对不同施肥措施下的土壤微形态的观察和研究，可以更深入地阐明不同施肥措施对土壤理化性质和生产能力的影响，有助于为科学合理的施肥提供理论依据。

2 土壤薄片的数字化处理方法

土壤结构是土壤保水保肥特性的基础，土壤微形态作为研究土壤结构(团聚体、孔隙、矿物等)的重要手段，对研究土壤结构发育及变化有着重要的作用。为研究不同施肥方式下土壤的微形态特性，首先在偏光显微镜下对土壤薄片进行观察描述，并用与之配套的码相机进行拍照，所得的图像为真彩色图像，真彩色图像中的像元以R(红)、G(绿)、B(蓝)三色的构成来反映信息，其分辨率为2560 pixel×1920 pixel,存储为TIF格式。然后把所得的图片用Photoshop和Matlab软件进行相关处理，将真色彩图转化为灰度图，再根据图像分析软件的要求，将灰阶图像转换为二值化黑白图像后方可对微形态特征进行定量化的统计分析。在Matlab中，二值化图像是用一个由0和1组成的二值矩阵表示，1表示该像素处于前景，0表示该像素处于背景。以这种方式来操作图像可以更容易识别出图像的结构特性。例如，在二值化图像中可以非常容易地从图像背景中识别对象。关于二值化图像阈值的选取选用Photoshop中的阈值功能或者Matlab中的自动阈值选取功能，主要是利用目视法，多次选取最适合的阈值进行PPL照片和CPL照片的二值化处理。

3 土壤孔隙的微形态分析

土壤孔隙研究是土壤研究中的一个重要方面，土壤孔隙是水分、空气、根系、土壤微生物和土壤动物活动的地方，孔隙状况在很大程度上能够反映土壤质量的好坏。孔隙不仅有数量的差距，而且大小、形状方面也有很大的差异，土壤孔隙类型一般分为：非活性孔隙、毛管孔隙和通气孔隙。发育较好的土壤，不仅要有合适的数量孔隙，而且也要有大小形状不同孔隙之间合适的搭配比例，这样才有利于不同大小根系、土壤动物及微生物

的活动，水分和养分的运输和分配、氧化还原交替更加合理，土壤质量也越来越好。不同施肥方式对土壤孔隙有着不同的影响，因此，研究不同施肥措施下土壤孔隙类型与微形态特征具有重要意义。通过土壤切片观察到的孔隙只是显示现实土壤中孔隙的一个缩影，是二维图像，其实孔隙是三维图像，其形状、大小是极其不规则的，因此通过选择土壤切片的多个位点求平均值来定量化分析孔隙。

4 土壤矿物的微形态分析

土壤的基本矿质组分包括砂粒、粘粒、植物碎块等，其中所含的矿物种类及含量主要受母岩的影响，但长期不同的施肥措施及耕作措施可使土壤物质中颗粒状况发生轻微变化。矿质颗粒的大小用颗粒的当量直径表示。由于在制作切片时，切片切过处不一定是颗粒的中心，因此测量的颗粒大小一般会稍微小于实际情况。据有关研究统计表明，平均观测到的直径只是真正球径的76.3%，所以微形态方法测得的结果与实际结果会有一定的差距。因此通过选择土壤切片的多个位点的矿物信息求平均值来定量化分析孔隙，以尽量减小误差。