1、土壤与环境 2001, 10(3): 234237 http:/Soil and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目（49901012）；英国皇家博士后基金项目（Ref: ART/CN/AF CAS/10394 ）作者简介：贺秀斌（1967），男，博士，副研究 员， 硕士生导师。E-mail: 收稿日期：2001-04-17文章编号：1008-181X（2001）03-0234-04农业生态与土地退化的土壤微形态研究贺秀斌 1，唐克丽 1，张成娥 1，王益 权 2（1：中国科学院、水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2：西北
2、农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）摘要：简要地介绍了土壤微形态研究方法及其在农业生态与土地退化研究中的应用，并回顾了近20 a的国际土壤微形态研究的内容与进展。在过去的20 a中，土壤微形态学在概念、 现象的解释、分析技 术 以及应用上都取得了前所未有的进展。特 别在样品脱水方法、荧 光分析、 图象处 理及定量分析技术上得到很大的发 展。植物根系与土壤微结构的关系，土壤改良对结构的影响等方面研究取得一定的成就。利用土壤微形态研究农业生态系统中的根系与根际的生态过程，作物 对水分和养分的吸收过程，人 为活动对 土壤退化，熟化的微形态指标，以及利用微形态指标评价人为因素在现代土壤
3、过程中的作用等，是土壤微形态研究的最新动态。关键词：土壤微形态；土地退化；农业生态；研究动态中图分类号：S152.2 文献标识码：ASoil micromorphological study on agro-ecology and land degradationHE Xiu-bin1，TANG Ke-li1，ZHANG Cheng-e1，WANG Yi-quan2（1: Institute of soil and water conservation, CAS, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2: College of environment and re
4、sources, Northwest Sci-technological University of Agriculture and Forestry, Yangling, Shaanxi 712100, China）Abstract: The present paper gives a brief introduction to soil micromorphology and its application on agro-ecology and land degradation. It also reviews the progress of soil micromorphology i
5、n the past over twenty years. Investigating the interaction between soil and plant roots, the process of land degradation using soil micromorphology, and applying computer image processing techniques for micromorphological quantity analysis will the new trend for the soil micromorphology in the futu
6、re.Key words: soil micromorphology；land degradation；agro-ecology；study progress土壤微形态学主要是应用显微镜技术研究土壤的微形态特征和微粒组成 1，是土壤学的一个独立的分支，但又与其它土壤分支学科和相关学科相互渗透，相互联系 13。土壤微形 态是土壤发生发展历史的集中反映，根据对土壤微形 态的研究，就能对土壤的组成、土壤中发生的各种 过程的化学本质以及影响成土作用发展的各种条件，得出 论据充足的概念 2。自本世 纪30年代，奥地利学者库比纳使用生物显微镜，偏光显微镜和双目 实体显微镜，借助于微生物学和物相学的方法，研
7、究土壤生物，土壤中的结晶形成物，土壤的结 构和孔隙开始，一种崭新的土壤学研究方向土壤微形态学就诞生了。在其以后的岁月中，土壤微形 态学以其新颖的研究方法而引人注目。据统计 12, 32，19681986年，涉及土壤微形态研究的文章就有1 700多篇， 仅19861994年就有800多篇，而在 19951999年间有900多篇。随着土壤微形态学自身体系的完善，科学技术的发展和多学科的相互渗透，土壤微形态学已在土壤矿物学，土壤物理，土壤化学，植物根际营养以及土壤侵蚀，土壤灌溉与排水等土壤学科 领域中显露身手，而且还渗透到第四 纪地质，石油，海洋，工矿，土建直至细胞学，基因工程等学科和经济部门。80
8、年代以来，许多土壤微形 态学家在土壤微形态概念和术语的定型化，垒结 分析和描述系统的标准化，微形态单位的定量化等方面作大量的工作。方法的改进,特别是与其它方法与手段的结合，如 矿物学，生物学方法及超微技术 的应用，使土壤形 态形研究由定性描述向定量分析发展，由静 态剖析向动态跟踪发展，由微观向超微 观发展。随着土地 资源持续利用概念的出现，对自然条件下和 农业生态环境中的土壤结构的形成过程和功能的研究已成为一个新的热点，土壤微形态 学的潜力在于把微观的结构与宏观的功能联系起来。下面就其研究的 5Vol.10 No.3 贺秀斌等：农业生态与土地退化的土壤微形态研究 235个步骤：取样，薄土制作观
9、察（特 别技术的使用）， 报告（使用一定的概念和术语），解 释以及应用在近20 a来的进展作简单的回顾。1 采样目前比较好的关于如何采样的书是1986年出版的由C. Murphy编写的土壤和沉积物的薄片制作16 曹升赓等介绍了土壤和非固结物质薄片的系统制备方法 6。问题 的关键是如何 获得原状土样，Brewer和Sleeman发表了“土壤结构与垒结”一书，述叙了从野外宏观到光学显微镜下研究土壤结构的方法 25。Vepraskas等， Rhoton和Mc Chesney研究用打钻方法取得原状土样的可能性 19。对表土耕作土壤取样必须采取特殊的保护措施，比如用巴黎橡皮膏覆盖土壤表面的方法来保护组织
10、结构。另一 问题主要涉及到田间采样后运输和贮存期间样品的水分处理，因为很多样品因简单 的包装或放在塑料盒内，导致一些人为的裂隙，样品表面盐分的泡腾，有机物质的暗化和盐分的脱水 26。 薄片制备薄片的制备过程包括：样品的浸渍固化；切片；磨片。2.1 样品的浸渍固化早期的土壤微形态湿样是用风干或烘干的， 导致水分不能完全地脱出引起松香不能固化和人为的裂隙。Jongerius和Heintzberger等采用了冷冻干燥技术 13，但结果也不令人 满意 13。Miedema等和Fitzpatrik等分别 用液相和固相丙 酮脱水方法很成功12。Murphy用多次液相丙酮脱水和磁性振动器使这种方法得到很大的
11、改善，并使操作时间大大缩短16。Moran等建议在样品多时 ，可采 样一个由多个容器成阶梯排列的系统，每一个容器有一个入水口和溢水口，在最后一个容器用多丙烯聚脂给丙酮脱水，然后再用泵抽回到第一容器循 环使用丙酮。Chartres等（1989）研究了丙酮对粘壤的破坏作用。指出这种作用可以添加聚 氯苯而防止；另外使用二氧已环而不用丙酮也可以取得的效果，但毒性较大价格较贵而不常采用。而 Blackburn等（1988）建议了一种用盐脱水的方法。Altemiiller，Van Vlietlanoe和Tippkotter （1990）采用在浸渍之前，用金胺（Auramine ）、四溴荧光素和吖啶黄等对土
12、壤有机组织和细菌进行荧光染色处理，来研究土壤与根系和微生物的关系 14。固化方法没有多大进展，常用的固化 剂有加拿大树胶，松香，甲基丙烯酸甲脂，不饱和聚脂树脂和环氧树脂。但聚苯已烯（Styrene polymer）和环氧树脂（resin）仍然是目前较好浸渍固化剂。多数浸渍过程是在样品与容器之间（而不是在样品上）渐加松香保证香保证松香能被毛管吸收。至到土壤样品差不多（而不是全部）完全被松香浸没再使用真空手段。整个过程差不多需要一天 时间。唐克 丽介绍松香二甲苯固结法和环氧树脂胶固结法， 较为简单实用。曹升赓介绍了不饱和聚脂 树脂固结法 6。最近很多研究者 3用在含水的土壤中可以固化的不透明环氧树
13、脂在野外浸渍样品，或用可以吸收水分的甲基丙烯酸甲脂直接浸渍未脱水的样品。2.2 切片和磨片随着实验室费用的提高，多数 实验室设法减少劳动强度。法国G. Brot设计的多切盘的装置就可以大大的减少劳动强度。这种仪 器在一个旋转盘上立直装上金刚石刀片，在另一个相 对应的大盘上镶嵌很多土壤薄片。这样可以把切刀和磨片自 动完成。并且避免了原来机器磨砂磨片导致的薄片污染。 观察用岩相盘微镜的技术到目前为止没有多大的根本性的改变。唯一设计到功能改善的是把阴极射线照明系统与显微镜接口，这 种阴极射线照明系统有热阴极射线和冷阴极射线两种：前者高能量的射线照明可用来研究石英和一些硅质矿物，冷阴极射线可以激化碳酸
14、盐类矿物 26。所以 给碳酸岩和土壤中的碳酸盐类矿物研究带来了方便。一些不同 时期结晶的碳酸盐可以通过此方法区分开。因此适合于含有碳酸盐和碳酸盐结核土壤微结构 18。荧光显微镜在研究土壤中的生物组织或微生物种类上有重要作用。通常的方法是在浸渍前或加盖薄片前对样品进行荧光染色。在光 显微镜下具有自激荧光的生物成分和选择性荧光染色的成分都可以辨认出来。虽然影响物质荧光行为因素很多，但自激 荧光在分辩植物组织种类，水铝矿 胶体和碳酸盐方面有一定的准确性 21。荧光染色技 术主要用于分辩有机质和微生物种类上。技术效果决定于染色的溶 剂（比如，水，酒精和丙酮），pH值和反应时间。另一种辩认技术是有选择的
15、除出某些成分来使另一些成分显露使某种结构突出来。 Wilding和Drees在未盖薄片的样品上加入冷1N HCl除出碳酸盐物质来研究具有大量晶形碳酸盐土壤的结构 17。Arocean等（1989 ）在未加盖薄片的样品上加草酸（oxalate和连二亚硫酸盐（dithionite）除出Fe(OH)3（Fe-oxyhy drates）来研究样品中不同形态的铁化物（iron oxyhydrate）（无形的，半形的和晶形的），同时也使铁，锰粘粒胶膜和其它垒结显 露出来。图象处理系统的应用目前主要用于研究土壤236 土壤与环境 Vol.10 No.3孔隙度方面 2830。Fitzpatrik将其用于研究不
16、同固相的组成上 33。国内中科院西北水土保持研究所最新引进的QUANTIMET500图形处理系统采用WINDOWS界面，功能强，速度快，方便实用。 该系统不仅直接给出了一些定量指标，而且用 户还可以根据自己的需要确定一些复杂的指标，以公式形式给出，编入程序，以后测量时系统直接输出结果，为土壤微形态的定量研究提供了重要的工具 28。但图象处理的问题在于将二维或一维的土壤切片图象转换到三维空间上。采用一系列平行切片或用层析X射线摄影法可以部分解决 这个问题。最新的进展是将微形态结构的真彩色图象与地理信息系统（如ERDAS.GIS）和专家系统及遥感技术结合起来研究土壤微形态 12，以及光谱 分析，立
17、体逻辑，分性维数等数学方法的应用 29。观察的内容取决于研究的木的和应用的方面。但一般包括：微结构体概貌，颗 粒组成， 团聚性，孔隙性，有机质及其分解产物，粘土物质的移动与析出，土壤中可容盐类及新生体 13 报告编写观察报告需要有一套现成的清晰概念和明确的术语。Bullock等（1985 ）受国际土壤学学会的委托编写土壤薄片描述手册 2。该手册按以下原则编写：（1）尽量使用已经流行的概念和术语（包括岩相学、沉积学和生物学）；（2）使其能应用于各种学科；（3）尽量用形态判据来定义结构特征和种类。这是一本最完整和最富有说服力的土壤微形态教科书。书中的土壤微形态术语 体系完整， 简明扼要，通俗易懂，
18、易于理解和接受。Bullock等（1985）还建议建立适应于计算机存放和处理微形态数的硬件和软件。但目前还 没完全实现。我国的土壤微形态专家黄瑞采建议用填写表格的形式编写观察报告。5 解释与应用对土壤微结构的解释基本上还保留在早期的原理与水平上，大量的解释工作是在土壤 结构的生态功能，土壤形成过程，退化过程等，特别是土壤生物和矿物之间的相互作用方面。 80年代对变性土，红砖壤和铁粘粒风化膜进行了详细的研究。我国 进行了草甸黑土、褐土、黄棕壤、红壤、 砖红壤等不同土类微结构形态的研究，以及不同改良措施，不同利用情况下，红壤与潴育性水稻土 结构形状的比较研究。另外在第四纪研究方面，提供了黄土及黄土
19、层中古土壤的微形态结构的资料 79。土壤结构特性及其肥力的发展过程 7以及不同施肥条件下土壤微形态结构的变化 4等农业应用研究也有报道。最富有创造性的研究是对碳酸盐结构和钙积层的形态，以及植物根系在其形成过 程的作用都可以通过土壤微态的研究得以解释。90年代以来，利用土壤微形 态研究农业生态系统中的根系和根际生态过程以及作物对水分和养分的吸收过程成为热门话题。另一个 热点是利用土壤微形态指标评价人为因素在现代土壤过程中的作用。Martfemina（1993）等描述了真菌、菌丝和孔隙在俄国的Podzoluvisols ，Brown Forest Soils和Chernozems中由自然状态到人为
20、作用条件下土壤结构的形成和土壤过程的不同 12。在 1994年ISSS大会上，有8篇文章16幅墙报报导 土壤微形态的最新进展，内容主要涉及到土壤人 为影响的微形态指标，退化土壤地貌景观的微形态评价等方面。另外土壤微结构的综合微形态研究，也涉及到土地利用，结构保持及土地退化和恢复等问题，Miedemu（1994）等人提出土壤微结构的综合微形态研究的图式（如图1） 12，并强调 指出深入地进 行综合土壤微形态研究，对全面了解土壤的生态功能与土地持 续利用是极其重要的 10, 11。Chartres、Bresson等报道了人为作用土壤退化土壤微形态指标，对人为活动导致土壤结壳的形态机理、发育阶段及
21、结壳的模式和类型进行了描述，把结壳分为结构性、侵蚀性、沉积性、降雨导致的和隐花植物着生导致的五大类，以及土壤坚实化和脆磐的微形态特征进行了比较 11, 27。Jongerius（1989）把研究土壤侵 蚀对结构的影响作为农业应用研究的一方面，实际 上土壤侵蚀的内在原因，侵蚀对土壤性质的影响和不同水土保持筹施的效果是一个重要的土壤学问题，是今后土壤微形 态学研究的重要内容 2。Nagarajarao和Jayasree研究不同管理和耕作条件下土壤微结构的特征 22。费振文（1989）报导了不同耕作施肥措施下土壤微形态特征的变化 4。土壤微形态学在农业上的应用需要有一些定量的数据。所以一般都采用图
22、象处理系统。在19881999年期间，有100多篇文章涉及到土壤 结皮的形成与土地退化；有20多篇涉及到利用土壤微形态研究土壤污染引起的土地退化问题；有80多篇报导土壤水分运动的土壤微形态研究 20, 23, 24, 2631。6 结论在过去的20 a中，土壤微形态学在方法、概念和解释等各个方面取得了巨大的进展。特 别是在方法上，采用细致的脱水装置、荧光分析和阳极射线分析使得土壤微形手段应用更广泛。 CIS空间数据Vol.10 No.3 贺秀斌等：农业生态与土地退化的土壤微形态研究 237处理和遥感图象处理技术在土壤微形态中的应用，成为土壤微形态的定量研究一种重要手段。土壤微形态学不仅在土壤发
23、生学领域，特 别是对了解钙积层和重粘壤的形成过程起着重要的作用，而且诊断其它物质方面也 显得特别有用。近年来土壤微形态学在农业方面，特 别是土壤田间孔隙度、结皮的形成，以及根系与根际生态过程和土地退化方面，起着不可替代的作用。参考文献:1 曹升赓. 土壤微形态在土壤发生、分类研究中的应用 J. 土壤专报，1980, 37: 2550.2 曹升赓. 土壤微形 态学的历史、进展和将来 J. 土壤专报， 1989, 43: 112.3 黄瑞采. 现代土壤学的新分支: 土壤微形态学 J. 土壤通报，1979, 3: 15.4 费振文. 不同耕作施肥措施下土壤微形态特征的变化 J. 土壤专报，1989,
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