唐 茹，孫鈺翔，戴 齊，林清美，謝麗華

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128)

土壤團聚體作為土壤的重要組成部分，被廣泛認(rèn)為是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和重要參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對土壤團聚體的數(shù)量、分布、穩(wěn)定性及其影響因素進行了研究[1-2]，然而這類研究均不能描述土壤團聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、解釋團聚體形成過程及機制[3]，而且團聚體的基本物理指標(biāo)包含的信息非常有限，無法體現(xiàn)團聚體復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，難以區(qū)分和判別各類土壤團聚體形狀和內(nèi)部孔隙特征[4]。隨著土壤形態(tài)學(xué)研究的深入，對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的研究已從顯微鏡、電子顯微鏡和掃描電鏡的鏡下定性觀察發(fā)展至醫(yī)用CT、工業(yè)CT、同步輻射顯微CT結(jié)合圖像處理技術(shù)的定量分析。將得到的定性、定量微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與團聚體內(nèi)部各種養(yǎng)分、微生物、膠結(jié)物質(zhì)等數(shù)據(jù)融合分析，是解釋團聚體狀態(tài)及形成機制的理想途徑[5]。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用、全球環(huán)境保護等方面取得大量研究成果[6-7]。綜述了土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的研究尺度，土壤團聚體的采集、制備方法及土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的分析方法和數(shù)字圖像處理技術(shù)，闡述了土壤團聚體微結(jié)構(gòu)在水土保持、土壤侵蝕、生態(tài)修復(fù)、土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑工程、環(huán)境保護、土壤系統(tǒng)分類等領(lǐng)域的研究進展，并對其研究前景進行了展望，以期為土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究提供參考。

1 土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究尺度

土壤團聚體是土粒經(jīng)過凝聚膠結(jié)作用形成的直徑<10 mm的良好結(jié)構(gòu)體，通常以0.25 mm為界，將其分為微團聚體和大團聚體。近年來，對團聚體的研究從穩(wěn)定性指標(biāo)的測定轉(zhuǎn)向微結(jié)構(gòu)分析。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究尺度受多種因素影響，選擇合適的團聚體粒徑尺度是科學(xué)研究土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的第一步，也是探明團聚體的形成、穩(wěn)定和破碎機制及規(guī)律的基礎(chǔ)。

不同儀器測定樣品的尺寸、分辨率、測定條件存在較大差異。例如：光學(xué)顯微鏡分辨率僅達0.1 μm級，而電子顯微鏡達到納米級。兩者測定的樣品尺寸較小且制備繁瑣，結(jié)構(gòu)易遭到破壞。而醫(yī)用CT、工業(yè)CT、同步輻射顯微CT可直接測定樣品，不破壞其原有結(jié)構(gòu)，且有較高的分辨率。就同類儀器而言，樣品尺寸越大，分辨率越低，反之亦然。如納米焦點工業(yè)CT，既可測定直徑約5 cm、長約10 cm的小土柱，也可測定直徑約5 mm的團聚體。經(jīng)處理后的土柱圖像，既能捕捉不同尺寸的團聚體，也能觀察到團聚體內(nèi)部及團聚體間的孔隙，但圖像分辨率通常>30 μm,獲取的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可靠性低。然而，團聚體樣品的圖像分辨率高達10 μm，可獲取相對精確的團聚體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)信息。

土壤微團聚體尺度小，測定要求高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因此，大團聚體一直是主要的研究對象。一般選擇干篩后所占比例最大粒級的團聚體作為研究對象[7-9]。孫經(jīng)偉等[7]發(fā)現(xiàn)，免耕土壤、不施肥耕作土壤和僅施化肥耕作土壤的團聚體組成中皆是3～5 mm 團聚體所占比例最大，基于代表性考慮，就從每個小區(qū)隨機選取3個3～5 mm 團聚體制片分析土壤團聚體的微結(jié)構(gòu)變化。

2 土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究方法

2.1 土壤團聚體取樣方法

因研究目的及觀察設(shè)備不同，所取土壤團聚體樣品一般包括原狀土樣和混合土樣兩大類。采集原狀土樣時，通常將環(huán)刀托套在環(huán)刀、鋁盒或PVC管等工具上，豎直按壓進土層，用鏟子鏟出，削去多余部分用保鮮膜包裹好[10-12]?；旌贤翗映２捎猛零@取樣法、鐵鏟和竹片采集法等采集[7]。土鉆取樣法是將表面植物小心去除，將土鉆向下按壓，采用重錘少擊法(保證進鉆深度與取樣器內(nèi)取出土段長度一致，錘擊次數(shù)過多土樣會緊實，孔隙度偏小)，多點采集后混合得到混合樣(1.5～2.0 kg)，并輕輕置于塑料或鋁質(zhì)容器中[12]。鐵鏟和竹片采集法與土鉆取樣法類似，用刀片剝?nèi)ヅc工具接觸變形的部分。若研究土壤剖面情況時，需劃分土壤層次分層采樣。值得注意的是應(yīng)采集濕度適中的土樣，并避免樣品裝樣、運輸、保存過程中的擾動。

混合土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干過程中應(yīng)根據(jù)土壤的塑性大小，沿著土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕剝成直徑約為10 mm的小土塊，從而防止因外力作用產(chǎn)生變形，同時剔去粗根和小石塊。風(fēng)干后干篩，獲得不同粒徑團聚體。需立即測定的原狀土樣應(yīng)及時置于冰箱中保存。

2.2 土壤團聚體制樣方法

切片法和染色法作為傳統(tǒng)的制樣方法，通常是將風(fēng)干后的原狀土樣用鋸條、刀子等工具切成所需尺寸，在不破壞其結(jié)構(gòu)的前提下厚度盡量薄，并根據(jù)土壤松散或緊實等具體情況進行固化、切片、磨片、粘載玻片，制成土壤薄片[13-14]。制片方法因土壤固化劑不同而有所差別。初期采用加拿大樹脂、松香樹脂浸煮方法制片，但該方法固化時間長，且要經(jīng)過高溫處理，土壤結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分會被破壞，所以無法得到廣泛應(yīng)用[15]。直到20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)合成樹脂浸漬劑可以在常溫下進行固化，使土壤結(jié)構(gòu)破壞的問題得到解決，但樣品固化時間長的弊端仍未解決[16]。目前，普遍采用的環(huán)氧樹脂-三乙醇胺低溫固化—冷杉膠年粘片法和冷杉膠-松節(jié)油低溫滲膠固化—502 膠粘片法具有保持土壤原狀結(jié)構(gòu)和簡便易行等優(yōu)點[17]。此外，可以在浸漬前或加薄片前對樣品進行染色，便于清晰地觀察到團聚體微結(jié)構(gòu)。常用的染料包括龍膽紫、亞甲基藍、麗絲胺黃F.F.、羅丹明B等[18]。制好的薄片便可置于鏡下觀測，獲取定量和定性數(shù)據(jù)。

切片法或染色法都是比較繁瑣的制樣方法，而使用斷層掃描CT、同步輻射顯微CT等設(shè)備檢測時，樣品制樣簡單，無需前處理。如同步輻射顯微CT不用制片，僅需將待測團聚體烘干后低溫保存，待檢測時直接取出團聚體固定在樣品臺上進行CT掃描，便可快速獲取土壤團聚體的三維圖像。

2.3 土壤團聚體微結(jié)構(gòu)分析方法

土壤團聚體微結(jié)構(gòu)分析分為定性分析和定量分析2種。早期的定性分析在很大程度上需要借助經(jīng)驗進行，學(xué)者們通過觀察工具獲得直觀的團聚體圖像，但其結(jié)果通常具有不確定性，誤差較大。隨著觀察技術(shù)和圖像處理技術(shù)的改進，獲取土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的定量數(shù)據(jù)成為發(fā)展的要求。目前，觀察土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的主要設(shè)備有光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、X射線計算機斷層顯微CT、同步輻射X射線顯微CT。

2.3.1 基于光學(xué)顯微鏡的分析方法 光學(xué)顯微鏡中的偏光顯微鏡最早被應(yīng)用于觀察土壤微觀結(jié)構(gòu)。初期研究者通過鏡下九宮格觀察，定性描述了土壤團聚體的三維方向和土壤團聚體孔隙的大小、分布等情況。Hoshino[19]通過反偏光顯微鏡半定性地描述了放牧和耕地土壤的團聚體分布和孔隙大小情況；Lafeber[20]通過偏光顯微鏡技術(shù)觀察，確定了板狀黏土礦物和礦物團聚體的三維方向；孫經(jīng)偉等[7]通過偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)，投入有機物料的耕作土和黑土團聚體呈海綿狀微結(jié)構(gòu)且內(nèi)部多孔；陳宇龍[21]通過反偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，云南弱膨脹土微團聚體排列混亂，團聚體間相嵌較緊密，工程性質(zhì)相對較好。申思雨等[10]利用偏光顯微鏡肉眼辨別團聚體的發(fā)育和分離程度，發(fā)現(xiàn)常規(guī)種植條件下的土壤團聚體是弱發(fā)育的塊狀團聚體，無公害種植條件下是輕度分離的團粒結(jié)構(gòu)，有機種植條件下是高度分離的團粒結(jié)構(gòu)。這種肉眼觀察團聚體微結(jié)構(gòu)的方法，具有速度慢、精度低、主觀性強等局限性。連接光學(xué)顯微鏡的攝影技術(shù)可獲得更加全面清晰的團聚體微結(jié)構(gòu)特征，它通過調(diào)節(jié)顯微鏡放大倍數(shù)獲得多張團聚體照片或通過圖片合成將臨近的圖片無縫連接。光學(xué)顯微鏡的定性分析到20世紀(jì)90年代已基本成熟，半定量化研究也取得初步成果。Chun等[22]利用尼康A(chǔ)Z100體視顯微鏡結(jié)合圖像分析技術(shù)獲得了團聚體孔隙的形態(tài)和空間分布特征；Florková等[23]利用新型變焦顯微鏡和三維圖像處理軟件獲得了同一種團聚體的不同剖面圖像，通過多個剖面圖像可計算平均算術(shù)偏差、均方根、剖面不對稱性等指標(biāo)，以便獲取更加準(zhǔn)確的團聚體微結(jié)構(gòu)特征。然而光學(xué)顯微鏡受觀察原理和分辨率限制，僅限于二維圖像的定性和初級的半定量分析。

黨的十九大報告指出“要不斷增強意識形態(tài)領(lǐng)域主導(dǎo)權(quán)和話語權(quán)”。中國特色社會主義進入了新時代，新時代賦予了職業(yè)院校新的歷史使命和時代重任，必須加強意識形態(tài)工作。職業(yè)院校扮演著為社會培養(yǎng)應(yīng)用型和技能型人才的重要角色，承擔(dān)著知識文化傳播、服務(wù)企業(yè)和社會、支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等重要任務(wù)，其自身的發(fā)展始終推動著社會進步。

2.3.2 基于電子顯微鏡的分析方法 電子顯微鏡的分辨率(約0.2 nm)遠高于光學(xué)顯微鏡(約200 nm)，已成為獲得土壤團聚體信息的便捷工具。電子顯微鏡主要包括掃描電鏡和投射電鏡。學(xué)者們通過鏡下觀察，可獲取土壤團聚體的孔隙類型及組成、團聚體形貌特征等信息，有助于進一步佐證已有的團聚體形成理論，甚至構(gòu)建新的團聚體模型。電子顯微鏡的放大倍數(shù)較小，但可呈現(xiàn)團聚體三維立體結(jié)構(gòu)，受到許多研究者的青睞。姚賢良等[24]應(yīng)用掃描電鏡觀察到土壤團聚體是由較多的微團聚體壘結(jié)而成，在微團聚體內(nèi)部存在直徑小于1 μm的孔隙，在微團聚體間有聯(lián)結(jié)的菌絲體。王志兵等[25]在環(huán)境掃描電鏡下觀察蔣家溝流域泥石流源區(qū)土壤發(fā)現(xiàn)，團聚體中有3種孔隙：晶粒間孔隙、晶粒內(nèi)孔隙及穿晶孔隙，并解釋團粒間和團粒內(nèi)的膠結(jié)機制，提出團粒內(nèi)通過膠結(jié)物質(zhì)相互黏聚形成絮凝堆疊結(jié)構(gòu)，團粒間存在橋式膠和架空結(jié)構(gòu)。相對于前述掃描電鏡，透射電鏡雖無法獲取三維結(jié)構(gòu)，卻可以看到小于0.2 nm的團聚體內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)。Bailey等[26]利用透射電鏡可觀察到單個團聚體的超微結(jié)構(gòu)，指出較小的團聚體內(nèi)部大孔隙較多，因此，較多的小團聚體形成的土壤總孔隙度和孔隙表面積較大。

2.3.3 基于計算機X射線斷層顯微成像技術(shù)的分析方法 計算機X射線斷層顯微成像技術(shù)是利用X射線的穿透能力對物體進行掃描，所得信號經(jīng)投影等一系列算法得到物體結(jié)構(gòu)的一種成像方法。其作為代表性的醫(yī)用CT和工業(yè)CT技術(shù)不僅在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也為快速獲取高分辨率的土壤團聚體三維結(jié)構(gòu)圖像信息提供了便利。醫(yī)用CT測定的樣品通常是較大的土柱，但由于其分辨率較低，僅能觀察和分析土壤中的大孔隙，會丟失部分信息[27]；工業(yè)CT的分辨率較高，測定的樣品尺寸范圍廣。目前，相關(guān)研究主要集中于土地利用方式、管理實踐方式、母質(zhì)類型等對土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的影響方面。Kravchenko等[28]通過CT掃描發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體內(nèi)部大孔隙數(shù)量表現(xiàn)為原生演替>免耕>傳統(tǒng)耕作，推測這可能是因為免耕和原生演替下的根系通道與團聚體內(nèi)部的大孔隙形成有關(guān)；Naveed等[29]對種植作物的自然土壤團聚體和室內(nèi)培養(yǎng)過的土壤團聚體分別進行工業(yè)CT(X-Tek HMX225)掃描，發(fā)現(xiàn)前者的團聚體更加穩(wěn)固，同時>30 μm的孔隙所占比例可以很好地表征土壤團聚體結(jié)構(gòu)的好壞。由于工業(yè)CT技術(shù)提高了土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的準(zhǔn)確性，許多學(xué)者嘗試研究了土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤基本理化特性之間的關(guān)系。Ananyeva等[30]利用X射線計算機斷層顯微CT掃描技術(shù)獲取團聚體內(nèi)部孔隙大小情況，并與碳的空間分布進行融合分析，發(fā)現(xiàn)植被原生演替的土壤團聚體包含較多小孔隙和大孔隙，更加有利于土壤中碳的固定；Mangalassery等[31]利用工業(yè)CT掃描不同尺寸的土壤團聚體發(fā)現(xiàn)，4～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm和<0.5 mm的團聚體微結(jié)構(gòu)參數(shù)均與二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放有顯著關(guān)系。

2.3.4 基于同步輻射X射線顯微CT的分析方法 同步輻射X射線顯微CT作為目前分辨率最高的掃描設(shè)備被運用于土壤微形態(tài)學(xué)研究，可在無前處理條件下對土壤團聚體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進行分析，成為近幾年的研究熱點。有學(xué)者[8-9,32-33]基于同步輻射顯微CT掃描技術(shù)獲取了不同利用年限水稻土、不同植被演替過程下紅壤、不同施肥處理下老成土和不同施肥措施下紅壤性水稻土的團聚體的基本孔隙特征參數(shù)，如孔隙數(shù)量、體積、長度等；還有部分學(xué)者引入形貌參數(shù)進一步表征土壤團聚體的不規(guī)則性、復(fù)雜度、連通性[34-36]。

隨著研究的深入,學(xué)者們利用同步輻射X射線顯微CT的高分辨率和三維成像優(yōu)勢，進一步探討土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)的影響因素。前人利用同步輻射X射線顯微CT發(fā)現(xiàn)，孔隙大小、孔喉、孔徑長度等孔隙特征均對土壤功能有潛在的影響[37]；對不同土壤利用方式下土壤團聚體進行掃描發(fā)現(xiàn)，與草地系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)土壤團聚體含有更多的氣體和水分，會阻礙氧氣擴散進團聚體，并影響微生物環(huán)境和生物地球化學(xué)過程，因此，孔容、孔喉比表面積、路徑長度等團聚體微結(jié)構(gòu)參數(shù)較小[38]；Yu等[39]利用同步輻射X射線顯微CT掃描獲取2種類型土壤團聚體的定量化參數(shù)，并與土壤膠結(jié)物質(zhì)融合分析，結(jié)果表明，氧化鐵顯著影響孔隙大小，在團聚體的形成過程中起到黏結(jié)作用，而黏結(jié)劑碳對孔隙結(jié)構(gòu)的影響很小。國內(nèi)同步輻射X射線顯微CT研發(fā)較晚，經(jīng)歷了第1代、第2代的革新，目前正處于第3代同步輻射X射線顯微CT(上海光源)的應(yīng)用初期。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用尚處起步階段，但我國緊隨美、日、韓三國步伐，正籌建研發(fā)第4代同步輻射X射線顯微CT，可為科學(xué)研究提供更加優(yōu)質(zhì)的技術(shù)平臺。

2.4 土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)

獲得準(zhǔn)確的土壤團聚體定量化參數(shù)是土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵一步。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)主要包括基本孔隙特征參數(shù)，如土壤團聚體孔隙數(shù)量、體積、長度、面積、孔喉和彎曲度等[32-33]，及表征土壤團聚體的形貌參數(shù)，如孔隙形狀系數(shù)、各向異性、歐拉特征值、分形和多重分形等[34-36]。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是獲取定量化參數(shù)的必備技術(shù)。其優(yōu)點是可根據(jù)具體情況具體分析、精度高、可獲取豐富多樣的定量化指標(biāo)；缺點是信息量大時計算緩慢。圖像分割作為數(shù)字圖像處理技術(shù)的重中之重，主要分為手動分割和自動分割。手動分割是通過對比觀察，手動為圖像設(shè)定閾值，耗時但可靠。多人多次的目視分割法[40]就是一種簡單有效的手動分割方法，其采用多人次對比原圖像、分割圖形，直至達到最佳分割效果。自動分割是指選擇最合理的分割方法讓圖像處理軟件自行運算，常用的分割方法有二值法、克里克法、Otsu閾值法等。二值法簡單易懂，以單一閾值為分界，對圖像進行劃定，小于閾值劃為孔隙，大于閾值劃為顆粒。Pal等[41]于1993年提出的單閾值分割圖像方法是使用最廣泛的二值法，可依據(jù)強度、顏色、質(zhì)地、孔隙等信息的相似性原則確定閾值。然而，當(dāng)物體呈不規(guī)則形狀時，閾值的選擇存在偏頗性?；贛ardia等[42]的空間閾值算法，Oh和Lindquist開發(fā)了普遍優(yōu)于其他方法的克里克法[43]。該方法首先根據(jù)目視自行設(shè)置高、低2個閾值，灰度值小于低閾值和大于高閾值的像素分別轉(zhuǎn)化為0和1，灰度值在高、低閾值之間的像素則計算它們同相鄰像素間的半方差函數(shù)，進而確定其分割值。Otsu閾值算法[44]也可區(qū)分土壤孔隙和基質(zhì)兩部分。

3 土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究進展

土壤微形態(tài)研究已有近百年的歷史，而土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的研究不過短短20 a，但在水土保持、土壤侵蝕、土地利用、環(huán)境保護、土壤分類等方面研究成果豐碩。

3.1 在水土保持、土壤侵蝕、生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究

土壤是支撐人類社會生存和發(fā)展最珍貴的自然資源。通過土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究水土保持、土壤侵蝕等有關(guān)的土地問題，取得了顯著成果。王志兵等[25]對云南省蔣家溝流域泥區(qū)土壤團聚體微結(jié)構(gòu)進行研究，經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體骨架顆粒之間普遍存在架空結(jié)構(gòu)，膠結(jié)物聯(lián)結(jié)強度較弱，從而易發(fā)生破壞，為滑坡和泥石流地質(zhì)災(zāi)害的形成機制研究及其防治工作等提供了理論基礎(chǔ)。張耀方[47]研究子午嶺林區(qū)的黃綿土發(fā)現(xiàn)，有機碳增加主要改善團聚體間孔隙結(jié)構(gòu)、增加團聚體的有效孔隙，而碳酸鈣增加主要增加團聚體貯存孔隙，進一步明確膠結(jié)物質(zhì)對土壤團聚體形成及穩(wěn)定過程的作用，可為土壤固碳、水土保持提供理論支持及決策依據(jù)。王恩姮等[48]模擬凍融研究黑土團聚體結(jié)構(gòu)的前后變化，通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，凍融前清晰可見腐殖質(zhì)與絮片狀黏粒物質(zhì)連成松散的團聚體，凍融后團聚體結(jié)構(gòu)遭到破壞。有研究表明，在眾多農(nóng)田恢復(fù)措施中，以耕作、化肥、高有機肥相結(jié)合的措施修復(fù)土壤速度最快，該措施投入有機物較多，因此，較小的土壤團聚體數(shù)量較多，孔隙數(shù)量較大且分布均勻，這為了解土壤成土過程和快速恢復(fù)土壤肥力提供理論參考[7]。

3.2 在土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑工程領(lǐng)域的研究

土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑工程是強烈改變土壤環(huán)境的人為活動,會導(dǎo)致土壤及其團聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性發(fā)生變化，長期受到學(xué)者的關(guān)注。石瑩等[49]通過偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，林地較園地和菜地的土壤團聚狀況好，旨在對土地開發(fā)利用與保護進行指導(dǎo)。Kravchenko等[50]發(fā)現(xiàn)，大孔隙所占比例大小依次是原生演替、免耕、傳統(tǒng)耕作，推測根系通道可能與大孔隙的形成有關(guān)，可見耕作和土地利用方式對土壤團聚體微結(jié)構(gòu)的影響明顯。申思雨等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用較多有機肥的有機種植模式下的土壤具有較多發(fā)育良好的團聚體，且以團粒結(jié)構(gòu)為主，而僅施化肥的常規(guī)種植模式下的土壤僅存在弱發(fā)育的塊狀團聚體，有機、無機配施的無公害種植模式下的土壤團聚體介于前兩者之間，這進一步從基礎(chǔ)理論層面佐證了有機農(nóng)業(yè)的可推廣性。李德成等[51]利用數(shù)字圖像方法發(fā)現(xiàn)，免耕下土壤中的團聚體由小變大，孔隙由小變大，土體結(jié)構(gòu)趨于變劣，因此，尚難確定免耕是否有利于改善土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。然而自然階段性降雨不斷地改變著免耕土壤團聚體孔隙狀況，起到一定的調(diào)節(jié)作用，為免耕在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用提供理論支撐。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，趙冬等[52]發(fā)現(xiàn)，黃土丘陵區(qū)土壤團聚體的分形維數(shù)和連通性指標(biāo)對土壤結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)相當(dāng)敏感，可作為該地區(qū)植被恢復(fù)過程中的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，對黃土高原土壤評價具有借鑒意義。李文昭等[9]發(fā)現(xiàn)，長期施用化肥會導(dǎo)致土壤團聚體結(jié)構(gòu)退化，而有機、無機肥配施則促進團聚體形成，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，具有更好的保水保肥能力，符合可持續(xù)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展要求。在建筑工程領(lǐng)域方面，最有代表性的研究成果是膨脹土的改進。陳宇龍[21]揭示，膨脹土脹縮的內(nèi)在原因是膨脹土的基質(zhì)、團聚體及聯(lián)結(jié)物比較松散的結(jié)合，組合間孔隙比較多，導(dǎo)致水分容易滲入與排出。石灰改良膨脹土是經(jīng)濟且效果明顯的方法。張小平等[53]研究表明，石灰與較小土壤團聚體更易結(jié)合，形成鏈狀微結(jié)構(gòu)，同時石灰摻量主要影響團聚體的表面微結(jié)構(gòu)，使得團聚體之間黏結(jié)減弱，不易過量。

3.3 在全球環(huán)境保護領(lǐng)域的研究

土壤團聚體微觀結(jié)構(gòu)在全球環(huán)境保護領(lǐng)域的研究已成為新的研究方向。Zhu等[54]發(fā)現(xiàn)，鋁土殘渣在自然重建過程中土壤團聚體的孔隙度、比表面積、平均路徑長度和平均路徑曲折度均顯著增加，有利于理解自然外力影響顆粒間的相互作用及團聚機制。在全球變暖趨勢下，Mangalassery等[31]研究不同的農(nóng)田管理措施下土壤團聚體微結(jié)構(gòu)與溫室氣體的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體孔隙度和孔隙大小對溫室氣體的排放通量均有顯著的影響。大腸桿菌是糞便污染的全球性污染指標(biāo)之一，Kravchenko等[28]發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)耕作處理的土壤團聚體內(nèi)包含的中等孔隙較多且均勻分布，大腸桿菌也均勻分布，免耕和植被原生演替處理的土壤團聚體內(nèi)中心位置大孔隙較多，大腸桿菌則集中于外部而未進入團聚體內(nèi)部，進一步促進了大腸桿菌生存的微觀機制研究。Ananyeva等[30]研究耕地和農(nóng)用地撂荒植被演替土壤團聚體有機碳含量與團聚體內(nèi)部孔隙分布的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，含較多<15 μm和>100 μm孔隙的植被原生演替土壤團聚體更加有利于土壤中碳的固定。

3.4 在土壤系統(tǒng)分類領(lǐng)域的研究

全球的土壤系統(tǒng)分類正朝著定量化、標(biāo)準(zhǔn)化和國際化方向發(fā)展。目前，以診斷層和診斷特性為基礎(chǔ)的土壤系統(tǒng)分類已經(jīng)逐漸完善，但實際的劃分過程中，往往遇到難以鑒別的土壤類型，此時土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征也許會給予新的區(qū)分特征。土壤團聚體的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)分析有利于闡明土壤屬性、形成發(fā)生機制和土壤肥力狀況。Simas等[55]發(fā)現(xiàn)，在南極部分土壤受企鵝活動影響深遠，土壤團聚作用良好，氮、磷、碳含量高，植物生物量明顯增多。謝萍若等[56]研究不同母質(zhì)上發(fā)育的褐土微團聚體狀況、基質(zhì)微壘結(jié)及成土差異發(fā)現(xiàn)，黃土發(fā)育的褐土的團聚性和穩(wěn)定性受碳酸鈣活動性影響顯著，紫色頁巖發(fā)育的褐土表層有機質(zhì)含量對形成腐殖質(zhì)-黏土基質(zhì)及其團聚作用有特殊意義。

4 展望

4.1 探索土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化研究新技術(shù)、新方法

積極探索土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化新技術(shù)、新方法是推進土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究的不竭動力。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)定量化新技術(shù)、新方法主要包括：保持樣品原有結(jié)構(gòu)的簡單制樣方法、快速且分辨率高的掃描設(shè)備、簡單易學(xué)功能強大的圖像處理軟件、具有代表性的定量化參數(shù)及模型等。例如，同步輻射X射線顯微CT僅可提供高分辨率的土壤團聚體微結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立三維模型，卻無法測定較大樣品及獲取元素空間分布等額外的信息，所以研發(fā)第4代同步輻射X射線顯微CT或與電子顯微鏡、電子探針、能譜儀等設(shè)備配合測定并融合分析皆是可行之策；圖像分割技術(shù)可根據(jù)CT圖像的灰度值不同區(qū)分孔隙和土壤基質(zhì)，然而至今沒有統(tǒng)一的圖像分割方法。這需要今后繼續(xù)探索發(fā)現(xiàn)適合多種土壤結(jié)構(gòu)共用的圖像分割方法。目前，ImageJ、3DMA-ROCK等圖像處理軟件已獲得了長足發(fā)展，但團聚體孔隙的形態(tài)及空間分析不足，挖掘更加合適的形態(tài)參數(shù)以及建立完善的三維可視化模型是未來研究的方向。

4.2 積累土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究成果資料

測定的土壤團聚體微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)往往與實際數(shù)據(jù)存在偏差，并不是簡單的線性關(guān)系或者疊加關(guān)系。周虎等[57]發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，大孔隙數(shù)量均隨著研究尺寸增加而增加，這是由于團聚體樣品僅包含團聚體內(nèi)部較小的孔隙，土柱則包含大量團聚體間的大孔隙。因此，土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究離不開大量的研究和驗證實例，可以融合不同尺寸樣品、不同觀察設(shè)備獲取的團聚體微結(jié)構(gòu)信息，獲取更大范圍的團聚體孔隙分布數(shù)據(jù)；也可通過多元數(shù)據(jù)融合分析進一步確保團聚體微觀尺度研究成果的可靠性。

4.3 加強土壤團聚體形成機制研究

近幾十年來，土壤團聚體形成理論主要圍繞有機、無機復(fù)合體對土壤團聚體形成的等級影響方面。實際上土壤膠結(jié)物質(zhì)種類繁多,哪種膠結(jié)劑起主要作用、如何作用有待研究。目前，溫帶土壤團聚體的形成研究已較成熟，而亞熱帶土壤氧化還原劇烈，往往缺乏合理解釋。高分辨率的顯微技術(shù)代替肉眼為進一步探索亞熱帶土壤團聚體的形成機制提供了新思路。